《自然通讯》:佛罗里达大学研究者提出蒸汽诱导相分离3D打印，简单且经济！

2024年4月，南极熊获悉，来自佛罗里达大学的工程师开发了一种称为蒸汽诱导相分离 3D 打印 (VIPS-3DP) 的制造方法，可以创建单一材料和多材料物体。佛罗里达大学机械与航空航天工程系教授Yong Huang 博士解释说，这一方法不仅具有成本效益，还具备可持续性，为制造商提供了一种简单且经济的解决方案。研究内容已经发表在《Nature Communications》期刊上，题目为《Vapor-induced phase-separation-enabled versatile direct ink writing》(《具有蒸汽诱导相分离功能的多功能直接墨水书写》）。



VIPS-3DP的详细工作原理：


△VIPS-3DP 流程示意图

●墨水选择：VIPS-3DP使用聚合物基液体作为“墨水”，含有金属或陶瓷颗粒。
●蒸汽诱导的相分离过程：当使用这种墨水进行打印时，非溶剂蒸气被释放到打印区域，即墨水的液体成分固化，形成固体材料。
●低挥发性溶剂：VIPS-3DP中的溶解聚合物墨水在雾化非溶剂的存在下沉积。由于低挥发性溶剂与非溶剂具有更强的化学亲和力，低挥发性溶剂会以受控方式从长丝中萃取出来。
●环保和可持续性：溶剂的低挥发性允许其在打印后回收，从而最大限度地减少其对环境的影响。


△Yong Huang 博士——佛罗里达大学机械与航空航天工程系教授

VIPS-3DP中的打印速度由油墨的固化速率决定，固化速率受非溶剂蒸气的扩散速度、相分离过程中聚合物分层速率、非溶剂浓度（在这种情况下为相对浓度）等因素的影响。湿度）和聚合物浓度。类似地，打印分辨率受到给定聚合物墨水的最小可用喷嘴尺寸的限制。在设计阶段考虑使用 VIPS-3DP 工艺创建的聚合物部件的打印后变化非常重要，因为这些变化是由于凝固的相分离机制而发生的。

研究扩展
●首先，研究人员展示了 VIPS-3DP 在聚合物打印中的用途，强调了其创建复杂结构的能力。
●然后，通过使用 VIPS-3DP 来沉积聚合物基金属油墨和复合粉末负载聚合物油墨来对此进行应用扩展，这些油墨在应用热循环后可以转化为金属零件或复合材料。●此外，VIPS-3D打印方法通过控制打印路径并采用无机空间保持剂作为丝内致孔剂，有利于多孔结构和功能梯度部件的生产。

Yong Huang 博士解释说，VIPS-3DP 工艺允许制造商 3D 打印具有不同孔隙率水平的多材料零件，这意味着用不同的物质和不同程度的小孔或间隙来制造结构。通过调整打印条件和过程中使用的牺牲材料的量来调节物体的孔隙率，对于制造多孔医疗植入物或轻型航空航天产品来说是有利的。

论文的第一作者、实验室的博士研究生 Marc Sole-Gras 补充说，这种方法在制造具有不同孔隙率水平的金属产品方面显示出特别的前景。例如，它可用于骨组织工程，打印与人体细胞良好整合的植入物。与传统打印方法相比，VIPS-3DP 工艺具有制造优势和可持续性优势，利用可持续材料并消耗更少的能源。


△基于ABS的打印结果

总结
研究证明了 VIPS-3DP 工艺通过利用雾化非溶剂实现固化来打印聚合物零件的有效性，所使用的溶剂可以重复使用，从而提高过程效率。这种凝固机制还可以应用于使用聚合物胶体墨水打印复合部件，从而可以制造聚合物金属和聚合物陶瓷产品。

然而，VIPS 概念对于基于陶瓷和金属颗粒的悬浮液的固化和粘合是必需的，通过引入热循环来去除聚合物并诱导固态烧结，可以制造纯金属、陶瓷和复合材料零件。此外，VIPS-3DP 工艺可以通过使用混合器结合长丝间和长丝内的孔隙率来创建具有不同孔隙度水平的零件。这些部件可能会在多尺度孔隙骨植入物等领域得到应用。

VIPS-3DP 提供了一种打印工程聚合物的替代方法，无需加热或针对特定的固化机制进行定制，还可以使用聚合物作为粘合剂材料创建异质复合结构。但是，由于存在相分离过程，所得的微观结构将是多孔的，对于某些应用来说可能是有利的。对于需要承载性能的应用，需要进一步研究以了解使用牺牲模板添加剂的打印过程如何影响或控制孔径。


△不锈钢 316L 零件的 VIPS-3DP 工艺说明

此项研究已获得两项专利，并得到了包括美国国家科学基金会和能源部在内的联邦机构的资助。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47452-9