2023年2月2日，英国格拉斯哥大学、东北大学研究人员在《Additive Manufacturing》期刊上发表题为Closed-loop direct ink extruder system with multi-part materials mixing的研究论文，报道了团队研发的3D打印机，他们开发的系统可利用不同筒体直径的安装注射器，来混合打印复杂3D智能结构所需的多部分材料(以所需的比例)。
//doi.org/10.1016/j.addma.2023.103437
研究简介
增材制造领域已经从基于单一材料的3D打印，扩展到具有固有传感能力的复杂智能结构的多材料打印。然而，目前的多材料3D打印机通常只允许一次打印一种材料，无法实现混合多种材料打印。本研究报道了一种新的3D打印设备，它消除了上述缺点，将熔丝制造和直写融合为一个紧凑的系统。所开发的打印机扩大了可打印材料的范围，并允许混合和打印具有成本效益的多部分材料，并增加了复杂材料的打印窗口。使用各种材料进行的实验表明，所开发的3D打印机即使在高打印速度(高达20mm /s)下也具有良好的控制能力。通过改变喷嘴直径、压力和打印速度等不同参数，对打印机的性能进行了广泛的评估。最后，通过各种3D智能打印机的自主打印，验证了所研制的打印机的性能结构。
研究内容解读
研究人员针对不同应用，使用两种不同直径的喷嘴(0.5 mm和1 mm)打印了两种不同的材料配方。测试的第一种材料是一种食品调味品(蛋黄酱)，第二种是一种两部分组成的硅橡胶。这些材料的流变特性不同，因此它们对系统提出了很好的挑战。在低剪切速率下，食品调味品的粘度约为65,000 cp。在2.5 s-1时，随着剪切速率的增大，剪切速率逐渐减小，最终稳定在5000 cp。在加入催化剂之前，硅橡胶基材的平均粘度为39,000 cp。为了评估该系统，研究人员还改变了打印参数，如打印压力、打印速度和物料流量。利用改变的每一组打印参数来表征所开发的系统所沉积的线宽。采用两种测试结构对所开发的系统进行了评价。第一个试验结构设计是一个包含5条直线的模型，长度为10cm，宽度为1mm，高度为0.5 mm。用了两个喷嘴(1毫米和0.5 mm)。第二个测试结构是一个CAD设计，包含5条宽0.5 mm，长10 cm，高0.25 mm的线，仅使用直径0.5 mm的喷嘴进行测试。通常建议使用喷嘴直径一半的层高进行打印，这就是两种测试设计之间存在差异的原因。在所有的表征过程中，有几个打印参数是恒定的：100%填充，关闭加热床，在室温下进行打印。研究结果表明，该研究所开发的打印机能够在同一打印中打印丝状和膏状材料，同时利用压力传感器进行反馈。开发的系统利用不同筒体直径的安装注射器来混合打印复杂3D智能结构所需的多部分材料(以所需的比例)。例如，该系统可用于制造含有磁性颗粒的用于驱动目的的复合材料的器件。结果表明，所设计的挤出机构打印机能够处理具有不同流变性质的不同材料。开发的系统不依赖于笨重的设备（如压缩机），减小了尺寸和重量，因此提供了更好的可移动性。所提出的挤出系统还能够以自动化方式制造复杂结构，并可用于从食品装饰到复杂电子和机器人的广泛应用。
图1 a)组装好的定制3D打印机与内部DIW系统，b)定制3D打印机的CAD表示。
图8在纸上打印两种材料混合的圆盘状设计a1)圆柱形样品a2)深蓝色和白色1:1比例的3D打印b1)圆柱形样品b2)深蓝色和白色10:7比例的3D打印。
图9食品相关材料打印a)星形蛋黄酱b)用融化的巧克力3D打印“BEST”。
图10带有嵌入式电容式触摸传感器的3D打印方阵。A)打印感应指骨的介电层。B)测试感应趾骨在不同施加压力下的反应。
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中国九游会科技自主研发的直写3D打印机也可实现多材料多模型的一次性3D打印，通过精准调整速度、层厚等打印参数，打印精细的3D复杂结构。
