2022年8月21日，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(xué)（CMU）的研究人員，開(kāi)發(fā)(fā)了一種3D打印微小藝術(shù)(shù)冰結(jié)構(gòu)的方法。根據(jù)該大學(xué)(xué)官方網(wǎng)(wǎng)站上發(fā)(fā)表的一篇文章，這種高速、可復(fù)制的制造方法，未來(lái)將“徹底顛覆”3D打印技術(shù)(shù) 。同時(shí)(shí)，該技術(shù)(shù)未來(lái)可廣泛用于先進(jìn)(jìn)制造業(yè)(yè)和生物醫(yī)學(xué)(xué)工程。

△使用3D打印技術(shù)(shù)，制造出復(fù)雜的冰結(jié)構(gòu)

該研究的共同作者、該大學(xué)(xué)機(jī)械工程博士學(xué)(xué)者Akash Garg說(shuō)：“使用我們的冰3D打印工藝，我們可以制造出具有平滑壁，和平滑過(guò)渡分支結(jié)構(gòu)的微觀(guān)冰模板，該技術(shù)(shù)未來(lái)可以用于，制造內(nèi)部具有明確空隙需求的微型零件。

技術(shù)(shù)背景

Garg和CMU化學(xué)(xué)工程博士后助理Saigopalakrishna Yerneni合作開(kāi)展了這項(xiàng)研究。

水被認(rèn)為是生物工程應(yīng)用的最佳選擇，因?yàn)樗塹厙蟣礱孀鈥S富的物質(zhì)(zhì)，也是所有生物體的主要構(gòu)成部分。由水成冰，簡(jiǎn)(jiǎn)單而快速的相變過(guò)程，使得它成為一種對(duì)環(huán)(huán)境非常友好的結(jié)構(gòu)材料。

Garg說(shuō)：“沒(méi)有比水更具有生物相容性的天然材料了。”

△自由形態(tài)(tài)的冰打?。?/span>3D-ICE）。A) 定制的3D打印系統(tǒng)及其主要部件，包括冷卻系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)(dòng)臺(tái)、壓電噴嘴。B) 壓電噴墨噴嘴用于將水滴（直徑=50微米）噴射到保持在-35°C的冷構(gòu)建平臺(tái)上。構(gòu)建平臺(tái)的平面（X-Y）運(yùn)動(dòng)(dòng)與水滴排放同步進(jìn)(jìn)行，以打印復(fù)雜的冰的幾何形狀

它是如何工作的？

打印的冰結(jié)構(gòu)被用作 "反向成型 "或冰模板用作犧牲幾何形狀，冰結(jié)構(gòu)被浸泡在冷卻的結(jié)構(gòu)材料中，如液體或凝膠形式的樹(shù)脂。

在材料定型或固化后，水被移除。為此，冰可以被融化以排空水分。另外，冰也可以通過(guò)將其轉(zhuǎn)化為水蒸氣而不是液態(tài)(tài)水來(lái)升華。因?yàn)楸梢院莧菀椎厴A，所以在澆鑄和固化周?chē)慕Y(jié)構(gòu)材料后，它可以很容易地被移除。

一個(gè)(gè)高分辨率的3D打印系統(tǒng)，被用來(lái)將水滴沉積到一個(gè)(gè)零下35攝氏度的溫控平臺(tái)上，從而迅速將水轉(zhuǎn)化為冰。

新工藝通過(guò)調(diào)節(jié)水滴的噴射頻率并與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)(dòng)同步，可實(shí)(shí)現(xiàn)打印具有光滑表面和具有平滑過(guò)渡的分支幾何形狀。

△如需獲得更多信息，該研究已發(fā)(fā)表在《高級(jí)科學(xué)(xué)》上

驚人的成就

研究人員通過(guò)用冰打印一棵樹(shù)、一個(gè)(gè)繞桿的螺旋線(xiàn)，甚至一個(gè)(gè)一米五高的章魚(yú)小雕像來(lái)證明這一點(diǎn)(diǎn)。由于水的快速相變和冰的強(qiáng)度，因此，3D打印可以實(shí)(shí)現(xiàn)任意的冰結(jié)構(gòu)，不需要耗時(shí)(shí)的逐層打印或支持結(jié)構(gòu)。

Garg解釋說(shuō)，我們進(jìn)(jìn)行了實(shí)(shí)驗(yàn)，以確定以可重復(fù)的方式制造具有直線(xiàn)、傾斜、分支和分層幾何形狀的光滑冰結(jié)構(gòu)所需的打印路徑、運(yùn)動(dòng)(dòng)速度和液滴頻率。

監(jiān)督這項(xiàng)研究CMU工程研究加速器的副主任Burak Ozdoganlar解釋?zhuān)?“這是一項(xiàng)令人驚奇的成就，將帶來(lái)令人興奮的科學(xué)(xué)進(jìn)(jìn)步。”

他接著(zhù)說(shuō)：“我們相信這種方法具有巨大的潛力，它可以徹底改變組織工程和其他領(lǐng)(lǐng)域，這些領(lǐng)(lǐng)域需要具有復(fù)雜通道的微型結(jié)構(gòu)，如微流控和軟機(jī)器人。”

該團(tuán)隊(duì)宣稱(chēng)，在短短一年內(nèi)，冰3D工藝就可以用于工程應(yīng)用，如為軟體機(jī)器人創(chuàng )(chuàng)造氣動(dòng)(dòng)通道。然而，組織工程的臨床應(yīng)用將需要更長(cháng)的時(shí)(shí)間。未來(lái)，這種新工藝方法，還可以為微流體、生物醫(yī)學(xué)(xué)設(shè)備、柔性電子和藝術(shù)(shù)帶來(lái)新的機(jī)遇。

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