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1. 文章导读

直接墨水书写（DIW）打印技术凭借其广泛的可打印材料、简单的操作和易于快速成型的特点，在制造多尺度和多功能结构方面具有巨大潜力。DIW是一种基于墨水挤压的增材制造打印方法，墨水从微喷头中挤出，并在打印基材的运动下沉积成定制图案。在这个过程中，打印样品的质量和性能受到复杂因素的影响。例如，沿着喷嘴的油墨挤出速度直接影响DIW的效率；挤出速度分布的均匀性决定了打印物体的结构完整性。此外，其他工艺参数（油墨流变特性、喷嘴直径、施加压力等）也会影响印刷样品的微观结构形态。尽管众所周知，墨水流变学和加工参数对打印物体的分辨率和形状有直接影响，但这些关键因素对DIW技术的可打印性和质量的潜在机制仍不清晰。

近期，华中科技大学机械科学与工程学院、数字制造装备与技术国家重点实验室的吴豪教授及其合作团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《A systematic printability study of direct ink writing towards high-resolution rapid manufacturing》的研究文章，通过墨水挤压机理建模和实验验证，系统定量地分析了可打印性参数和打印样品质量。图1展示了通过挤压机理建模、计算流体力学（CFD）有限元模拟和DIW打印实验（自建直写打印实验平台）的结合，定量、系统地研究了DIW技术的打印能力。通过优化打印参数，获得可打印的工艺参数范围，在制备打印样品时可以实现高效、稳定的高分辨率样品制造。可打印参数的适用性通过制造二维和三维演示模型和印刷电路系统得到了证明。提出的DIW打印工艺研究方法为制备高分辨率、高精度的复杂形状提供了一种高效、简单、低成本的制造方法。

亮点：
● 提出了一个系统的方法来研究直接墨水书写技术的可印刷性。● 根据墨水的挤出机理建模，得到了直接墨水书写的最佳印刷参数。● 使用数值模拟与打印实验建立不同工艺参数的可打印窗口。● 进行了高分辨率印刷应用的概念性验证。

图1 直接墨水书写打印工艺的系统性分析和应用。(a) 直写打印机理建模与流场分析；(b) 系统性定量地建立可打印性相图；(c) 基于优化参数的打印模型演示。

2. 研究背景

在过去的几十年里，学者们已经进行了一些开拓性的工作来探索改善直接墨水书写打印的工艺质量。例如，为了探索印刷油墨的影响，通过旋转流变实验和毛细管实验，根据流变特性与毛细管力对直写可印刷油墨的质量进行了评估。此外，流场特性对于直写打印样品也是至关重要的，它不仅影响直写印刷效率，还决定了挤出纤维的沉积和粒子排列。为了分析直写打印过程中剪切应力对颗粒排列沉积的影响，科学家们创建了颗粒排列动力学以控制沉积路径。科学家们还基于力学分析，对打印挤出的粘弹性油墨进行拉伸，以打印出高分辨率的纤维；整个过程是通过将打印速度与挤出速度相匹配来实现对粘弹性油墨的拉伸。这种新策略只适用于储存量大到足以支持纤维拉伸的油墨。然而，这些研究大多集中在单一工艺参数的影响和可印刷性上，而对直写打印工艺参数的可印刷性进行系统评估的报道很少。人们对这些关键工艺参数对直写打印技术的可印刷性和打印样品质量的潜在机制仍然知之甚少，这对实现高分辨率、多成分和复杂的几何形状是不利的。因此，吴豪教授团队根据印刷样品的需求，研究了不同工艺参数对直写打印技术的综合影响，系统定量地分析了直写打印工艺的可印刷性。

3. 最新进展

最新进展主要分为三个部分：建立直写打印机理模型；依据CFD有限元建立打印过程流场分布；通过打印实验优化印刷参数建立可打印性窗口。

油墨流变特性是衡量直接墨水书写打印技术可打印性的一个重要指标。用于直写打印的油墨应该满足两个要求：剪切稀化行为和自愈性能力。具体而言，剪切稀化行为是指油墨在高剪切应力下具有足够低的剪切粘度，以确保油墨从微型喷嘴中稳定挤出而不发生堵塞。另一方面，自愈性是指印刷纤维具有较高的强度和储存模量，以确保印刷图案保持其原始形状。如图2所示，团队对配制的混合墨水进行了流变特性研究，并建立了打印墨水的本构模型以支撑直写打印的流场仿真分析。根据墨水的流变特性与直写打印模型分析了微喷嘴挤出流场分析，通过CFD分析了打印墨水的压力场、速度场。并使用POLYFLOW分析了不同工艺参数下的挤出纤维挤出胀大现象，将流场分析结果与实验结果对比，用以建立不同工艺参数的可打印性分析。

图2 打印材料设计及不同工艺参数的影响（a-b）可打印材料流变特性分析；(c) 微喷嘴流场分析；(d) 微型喷嘴挤出胀大分析；(e-f) 工艺参数对打印线宽的影响。

直写打印工艺的可打印性最终是由打印样品的结构完整性和形态分辨率决定的。基于以上对工艺参数的系统研究，包括墨水流变特性、施加压力和打印速度，团队完整地评估了直写打印的可打印性。如图3所示，使用配置的混合墨水，发现当打印速度为5-70mm/s，施加的压力超过一定的阈值时，Ink8:2配方的墨水可以打印成连续纤维。当印刷速度小于5 mm/s，就会发生油墨堆积的情况，因此很难印刷出可控的设计图案。如果印刷速度高于70 mm/s，由于印刷速度高，印刷的纤维很难沉积在基材上。当施加的压力小于一定水平时，剪切应力不足以驱动墨水的流动行为，没有墨水从微型喷嘴流出。图3右侧显示了对应于每种印刷条件的印刷纤维轮廓。当油墨浓度在50-100wt%之间，施加的压力高于一定水平时，在110μm微型喷嘴下可以打印出连续的线条。高浓度墨水的可成形式允许打印三维模型，而低浓度墨水的液滴形式不足以支持线条结构。不同墨水的相图预测可以有效指导实验打印工艺参数的选择。

图3 室温下混合树脂油墨的DIW 可打印相图。(a) 在不同的进口压力和印刷速度下绘制的相图；(b) 在不同的进口压力和不同的树脂油墨下的相图。圆点代表实验数据（红点为可打印参数，白点为没有墨水流动，蓝点参数无法打印出可控的图案），虚线和块状区域代表理论预测。

为了证明本研究中工艺参数的可打印性，团队利用优化的工艺参数制备了系列样品，如图4所示。图4(a)显示了使用110μm微型喷嘴在亚克力板上打印的2D图案，打印速度为20mm/s，施加的压力为200kPa。可以看出，印制的线路表现出良好的分辨率和平滑的轮廓，这为印制电路的应用提供了可靠的技术。图4(b)显示了打印的多层三维样品。此外，在二维图案打印的基础上制备了柔性LED灯阵列。弯曲的导线被打印在柔性衬底上以连接LED，这些弯曲的导线具有良好的电气和机械性能。虽然研究的应用集中在混合硅胶材料和商业银浆上，但这一针对直写打印过程的系统研究为不同油墨的打印提供了参考，从而使直写打印技术有了更广泛的应用，如柔性电子互联（导电油墨）、软机器人（复合凝胶油墨）、生物医疗设备（生物兼容的粘性油墨）和4D打印结构（形状记忆聚合物油墨等）。

图4 不同银工艺参数下的DIW印刷应用。(a) 在不同的DIW打印工艺参数下，用混合树脂油墨印刷的2D图案；(b) 热固化后的三维结构；(c) DIW打印的带有蛇形线的LED灯阵列。(d) 通过DIW 打印制造的电路。

4. 未来展望

为促进直接墨水书写（DIW）打印技术的广泛应用，吴豪教授团队系统研究了DIW挤压机制以及工艺参数对打印样品质量的影响。通过CFD有限元模拟和直接墨水书写打印实验的对比分析，得到了不同工艺参数对样品打印能力的适用范围，基于优化的最佳工艺参数（油墨流变学、施加的压力、印刷速度等），团队打印了一些示范性的微模具几何形状，成功演示了具有可靠电气连接的印刷电路系统，验证了可打印工艺参数的适用性，在此过程中，高分辨率（<100μm）的图案被快速制作（>70mm/s）。这项研究为使用直写打印技术高速制备高分辨率、高精度的样品提供了强有力的支持。