LLNL利用多材料3D打印技術(shù)推進細胞流體學(xué)

2025年2月8日，南極熊獲悉，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)研究人員在多材料3D打印領(lǐng)域取得了新的進展，他們利用毛細作用的力量開發(fā)了一種新技術(shù)。這項技術(shù)涉及一系列定制設(shè)計的單元，這些單元能夠選擇性地吸收流體材料，并將它們精確地引導(dǎo)成特定圖案。這使得工程師能夠使用原本無法打印的材料或結(jié)合具有顯著不同屬性的材料，制造出復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

△這項研究已發(fā)表在《先進材料技術(shù)》期刊上，這項技術(shù)將有助于設(shè)計和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)極高的強度與重量比、增大表面積或?qū)崿F(xiàn)精確變形等特性

LLNL材料工程部 (MED) 的工程師兼論文第一作者Hawi Gemeda指出：“通過將一些打印和圖案化技術(shù)分離，我們可以實現(xiàn)一些復(fù)雜的多材料結(jié)構(gòu)，而無需總是依賴打印材料。”

LLNL醫(yī)學(xué)博士研究員兼合著者Nik Dudukovic補充說：“本質(zhì)上，我們是在開放的孔隙中捕獲液滴或液流，這些并沒有被完全封閉。這使得我們能夠?qū)④洸牧虾碗S后凝固的填充液體組合成堅硬的材料，從而產(chǎn)生一些獨特的機械特性。”

△LLNL的3D打印的微結(jié)構(gòu)能夠容納和流動流體，從而在液體和氣體之間形成廣泛且可控的界面（傳送門）

自由控制晶格結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)完全的多尺度、多材料3D打印，本質(zhì)上將為設(shè)計帶來無限可能。通過結(jié)合多種材料，可以創(chuàng)造出前所未有的特性，而增材制造技術(shù)則能輕松地生產(chǎn)具有特殊屬性的形狀，如晶格和螺旋體，這些形狀的尺寸是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以企及的。

Dudukovic指出：“通過不同的圖案化方式對兩種材料進行組合，可以顯著改變結(jié)構(gòu)的性能表現(xiàn)。因此，如果你掌握了相關(guān)的物理原理，你就擁有一個探索各種機械響應(yīng)的實驗場�！�

通常，多材料增材制造需要復(fù)雜的設(shè)備設(shè)置或?qū)Ｓ玫脑O(shè)備，并且僅限于可進行3D打印的材料。該團隊轉(zhuǎn)而利用他們在2021年開發(fā)的細胞流體技術(shù)，作為一種潛在的替代方案。細胞流體單元是毫米級別的3D打印結(jié)構(gòu)，能夠利用毛細作用在開放空間中容納并流動液體和氣體，而不會發(fā)生泄漏。在這一尺度下，毛細作用通過表面張力、粘附力和內(nèi)聚力的綜合作用，使得流體能夠在開放空間中逆重力流動，類似于水在紙巾上爬升的現(xiàn)象。

研究人員運用細胞流體學(xué)原理設(shè)計了單元細胞——晶格結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)構(gòu)建塊。這些單元細胞是通過計算設(shè)計工具創(chuàng)建的，能夠限制液體材料并精確控制它的流動方向。他們首先打印出一個晶格支架以確定形狀，隨后將定向的單元細胞排列成特定圖案，確保填充的液體材料僅能按照預(yù)定的方式流動。這一過程創(chuàng)造了一種開放式3D模具。令人矚目的是，這種創(chuàng)新的單元細胞在首次嘗試中即取得了成功。

Dudukovic強調(diào)：“這項研究不僅極為有益，而且非常罕見。它證明了我們能夠極其自信地控制這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的流體流動方向�！�

△采用晶格結(jié)構(gòu)打印的樣件

晶格圖案化

細胞流體圖案化極大地擴展了填充流體與周圍大氣之間的接觸表面積，為涉及氣體與液體交互作用的應(yīng)用帶來了巨大潛力。這種技術(shù)將成為傳感與檢測、生物反應(yīng)器、電化學(xué)系統(tǒng)、碳捕獲平臺等領(lǐng)域的潛在顛覆者。

為了探究圖案化液體生產(chǎn)多材料固體的可能性，該團隊實驗了多種單元細胞排列方式，包括45度旋轉(zhuǎn)或離散口袋等，而不是傳統(tǒng)的骨架結(jié)構(gòu)。他們還嘗試了設(shè)計僅在受壓時吸收液體的細胞，這可能為自修復(fù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了一條新途徑。

Dudukovic表示：“這表明，未來我們或許能夠設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)，使用聚合物填充并原位固化，從而在晶格承受巨大應(yīng)力的區(qū)域進行強化�！�

△這項技術(shù)未有望用于多種領(lǐng)域，尤其是在零重力條件下的航空航天方向

盡管目前展示的格子僅是一個演示樣例，但這項技術(shù)未來有望用于制造生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用所需的混合生物材料，以及航空航天工業(yè)中復(fù)雜且輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

Gemeda希望通過將這項技術(shù)擴展到陶瓷、金屬和生物材料等其它復(fù)合系統(tǒng)，進一步拓展設(shè)計空間。她探索了利用單元細胞在同一支架中對多種材料進行圖案化的可能性，并期望這能激發(fā)增材制造社區(qū)利用他們的研究成果，以擴展多材料、多尺度的能力。