哈佛Lewis：多材料粘彈性墨水在3D列印頭中的控制策略

原文標題：Microfluidic Printheads for Multimaterial 3D Printing of Viscoelastic Inks

雜誌：Advanced materials

作者：Hardin, James O.; Ober, Thomas J.; Valentine, Alexander D.; Lewis, Jennifer A.

發表年份：2015

今天這一篇文獻是來自生物3D列印界大名鼎鼎的Lewis教授，文章主要提出了一種二合一式的列印頭噴嘴，並進行建模分析提出了控制策略。

先看一眼最終列印了什麼：

是不是挺酷的！

在連續地擠出列印中，可以在兩種材料中實現切換，而且從圖中看出，精度還不錯，結構尺寸很小，顏色切換很清晰呢！

當然，從圖片還可以看出，從紅色向白色的切換還是不能做到完美，在交界處的粉色還是比較明顯的。

上面這張圖裡，最右下角的照片寫的是strained，意思是在受拉力情況下的照片，你看，兩種彈性模量不同的材料，列印的整體結構將產生神奇的效果，下一篇文章呼之欲出了。

這裡還有一段視頻，很清晰地展示了材料切換的神奇能力：

GIF

怎麼做到的呢？

作者加工了一個二合一的流道件，兩側接兩個注射泵，兩種材料在中心匯合為一，噴嘴有一處獨特設計，將原本的直徑d2=200um，擴增到了d3=400um，這裡的作用是將材料的界面銳化，如下圖所示：

直徑增大為2倍，則截面積增大為4倍，則過渡長度就能減小為1/4，是不是挺聰明的！

懂行的人可能要問了，這是什麼材料，界面這麼清晰，看起來應該得挺黏吧！

是的！這是基於PDMS的材料，粘度在91Pa s左右，超粘的！下圖中的A和B就是紅和黑兩種材料。

咱們生物3D列印領域，使用的許多水凝膠材料，就是很黏的，有時甚至要將粘度值調高一些使得列印容易一些。

作者非常認真地測試了材料的流變性，並得到了非牛頓流體的HB模型參數：

然後詳細分析了噴嘴內部壓力與流速的具體關係，建模方法還挺有趣的，是將材料的粘彈性性質與噴頭結構對應了電氣學中的電容、電阻，讓壓力對應於電壓，讓流量對應於電流，所以下圖中看到噴嘴出口處是傳說中的「接地」了：

不過，作者經過大量的計算、推導之後，得到了一個簡單控制策略，或者說應該是先實驗了這個預想的控制策略，再進行的公式推導吧。

簡單地說，在由紅向黑切換時，紅色向回吸一個值，同時黑色向下多擠一個值，就這麼簡單。

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