如何从头开始打印机器人：结合液体、固体可以带来更快、更灵活的 3D 创作作者：科罗拉多大学博尔德分校 的 Daniel StrainAdvanced Materials" style="box-sizing: border-box;">先进材料" width="750" height="530" style="box-sizing: border-box; vertical-align: middle; border-style: none; max-width: 100%; user-select: none; position: relative; transition: opacity 0.3s ease-in-out 0s;">使用新开发的技术 3D 打印的毛细管网络。信用：海耶斯等人。2022，先进材料想象一个未来，您只需按一下按钮就可以 3D 打印整个机器人或有弹性的电子医疗设备——无需花费数小时手工组装零件。由于 CU Boulder 工程师领导的 3D 打印技术最近取得了进展，这种可能性可能比以往任何时候都更近。在一项新的研究中，该团队制定了一项策略，使用当前可用的打印机来创建融合固体和液体成分的材料——如果你不希望你的机器人倒塌，这是一个棘手的壮举。

“我认为未来我们可以使用这个过程制造一个像机器人一样的完整系统，”该研究的资深作者兼 Paul M. Rady 机械工程系助理教授罗伯特·麦克科迪说。

MacCurdy 与博士生 Brandon Hayes 和 Travis Hainsworth 于 4 月 14 日在Additive Manufacturing杂志上发表了他们的研究结果。

长期以来，3D 打印机一直是在实验室工作的爱好者和研究人员的领域。他们非常擅长制造塑料恐龙或机器的单个零件，例如齿轮或接头。但 MacCurdy 相信他们可以做得更多：通过混合固体和液体，3D 打印机可以生产出更灵活、更动态且可能更有用的设备。它们包括可穿戴电子设备，其电线由包含在固体基板中的液体制成，甚至是模仿真实人体器官柔软度的模型。

这位工程师将这一进步与传统的彩色打印打印机进行了比较，而不仅仅是黑白打印。

“彩色打印机结合了少量的原色来创建丰富的图像，”MaCurdy 说。“材料也是如此。如果你有一台可以使用多种材料的打印机，你可以用新的方式组合它们，创造出更广泛的机械性能。”

空的空间

要了解这些属性，将 3D 打印机与办公室中的普通打印机进行比较会有所帮助。纸质打印机通过在数千个平面像素中放置液体墨水来创建图像。相比之下，喷墨 3D 打印机使用打印头将称为“体素”（“体积”和“像素”的混合体）的微小流体珠滴在另一个之上。

“在这些液滴沉积后不久，它们就会暴露在明亮的紫外线下，”MacCurdy 说。“可固化的液体在一秒钟或更短的时间内转化为固体。”Advanced Materials" style="box-sizing: border-box;">通过混合固体和液体 3D 打印材料创建的螺旋图案。信用：海耶斯等人。2022，先进材料但是，他补充说，在很多情况下，您可能希望这些液体保持液态。例如，一些工程师使用液体或蜡在其固体材料中创建微小的通道，然后在稍后将其清空。这有点像水滴可以雕刻出一个地下洞穴。工程师们已经想出了在 3D 打印零件中制造这些空白空间的方法，但清洁它们通常需要大量时间和精力。渠道也必须保持相对简单。

MacCurdy 和他的同事决定找到解决这些限制的方法——更好地了解允许工程师同时打印固体和液体材料的条件。

液体勇气

研究人员首先设计了一系列计算机模拟来探索打印不同种类材料的物理特性。MacCurdy 说，最大的问题之一是：“即使固体材料的液滴直接印在液滴的顶部，如何才能防止固体材料的液滴混入液体材料中？ ”

该团队制定了一套规则来帮助他们做到这一点。

“我们发现液体的表面张力可用于支撑固体材料，但选择比固体材料更致密的液体材料是有帮助的——这与让油漂浮在水面上的物理原理相同，”海耶斯说。

接下来，研究人员在实验室中试验了一台真正的 3D 打印机。他们用可固化聚合物或塑料（固体）和标准清洁溶液（液体）装载打印机。他们的创造令人印象深刻：该小组能够 3D 打印扭曲的液体循环和复杂的通道网络，与人肺中的分支通路相似。

“这两种结构几乎不可能通过以前的方法制造出来，”海恩斯沃思说。

MacCurdy 最近还加入了来自 CU Boulder 和 CU Anschutz 医学园区的研究人员团队，他们正在开发 3D 打印人体组织逼真模型的方法。医生可以使用这些模型来练习程序并做出诊断。该项目将采用 MacCurdy 的液固方法以及其他工具。

“我们希望我们的结果将使世界各地的研究人员和爱好者更容易使用液体和固体的多材料喷墨 3D 打印，”他说。