用于优化无泄漏3D打印流体系统的微尺度计算机断层扫描（μCT）成像技术

《ACS Applied Polymer Materials》：Microscale Computed Tomography (μCT) Imaging of Leak Pathways for Optimized Leak-Free 3D Printed Fluidics

3D打印微流控器件泄漏机制研究表明：垂直通道需层高≤0.1mm确保密封，水平通道需挤出率>100%强化通道壁连接，填充率可降至20%不影响泄漏性能，显著降低打印时间和材料成本。

　　3D打印技术近年来在微流体和毛细流体设备的制造中变得越来越重要。它以其快速的制造周期和较低的进入门槛吸引了大量研究者和工程师的关注。相比于传统的微加工技术，3D打印在某些情况下提供了更高的灵活性和可定制性，特别是在设计和生产复杂结构时。然而，尽管3D打印具有诸多优势，但在使用默认打印设置时，打印出的微流体设备往往会出现泄漏问题，这限制了其在高精度流体控制领域的应用。为了深入理解泄漏现象的根源，并探索优化打印参数的方法，本研究结合了微尺度X射线计算机断层扫描（μCT）和批量泄漏测试，从宏观和微观两个层面分析了打印参数对设备密封性能的影响。

在本研究中，研究人员设计了一种标准化的测试样品，该样品包含一个直径为1.5毫米、长度为40毫米的单通道，并在一端设有可连接外部管路的1/4–28英寸接口。测试样品的结构被精心设计，以确保其在打印过程中具有较高的可重复性和可靠性。通道的宽度被选择为保守的尺寸，以避免因打印精度不足而导致的结构问题。通过改变打印参数，如层高、流率和填充率，研究人员系统地评估了这些参数对泄漏行为的影响。

研究发现，填充率对设备是否泄漏的影响并不如预期那样显著。尽管通常认为100%的填充率可以有效防止泄漏，但实际测试结果表明，即使填充率较低，只要通道壁的质量足够高，设备仍可保持良好的密封性。这一发现挑战了以往的一些推荐，即填充率越高越能防止泄漏。相反，研究指出，泄漏的发生主要取决于通道壁的完整性，而非填充率本身。因此，优化填充率可以显著减少打印时间和材料消耗，而不影响设备的性能。

层高和流率则是影响通道壁质量的关键因素。研究发现，较低的层高（如0.06毫米）有助于提高通道壁的紧密性，从而减少泄漏的可能性。同时，较高的流率（如110%）也能增强通道壁的形成质量，特别是在水平通道的打印中，流率的影响更为显著。这表明，在打印微流体设备时，需要根据通道的取向来调整层高和流率的设置，以确保通道壁的完整性和密封性。

在垂直通道的测试中，研究人员发现，当层高降低至0.06毫米时，即使在流率较低的情况下，设备也能保持良好的密封性。这可能是因为低层高提供了更大的接触面积，使得相邻路径之间的连接更加紧密。而在水平通道的测试中，流率的调整显得尤为重要，因为通道壁的完整性在水平方向上更依赖于流率的增加。过量的流率可以增强路径之间的接触，从而减少通道壁上的间隙或断裂，提高密封效果。

此外，研究人员通过μCT扫描对测试样品的内部结构进行了详细分析。这些扫描结果揭示了打印过程中形成的空气间隙和通道壁的完整性问题。尽管填充率被设置为100%，但测试样品的主体内部仍然存在大量孔隙。这些孔隙的存在表明，填充率并不能直接决定设备的密封性，而是通道壁的结构质量更为关键。因此，通过优化层高和流率，可以显著提高通道壁的形成质量，从而减少泄漏的风险。

为了验证这一结论，研究人员还对不同填充率的测试样品进行了对比实验。结果表明，即使填充率降低至20%，只要通道壁的结构质量良好，设备仍然可以保持良好的密封性。这一发现具有重要的实际意义，因为它意味着可以通过减少填充率来显著降低打印成本和时间，而不影响设备的性能。例如，在测试样品中，填充率从100%降低至20%时，打印时间减少了超过50%，同时材料使用量也大幅下降。

然而，需要注意的是，打印参数的选择并非一成不变，而是受到多种因素的影响。例如，不同的打印材料和打印机型号可能会导致不同的结果。研究指出，泄漏的预防依赖于打印过程中塑料路径之间的良好结合，而这与材料的流变特性以及打印时的温度密切相关。因此，不同的材料可能需要不同的打印设置，以确保通道壁的完整性。

研究还提到，尽管当前的实验使用了聚丙烯-乙烯共聚物作为打印材料，但这些结论可能适用于大多数常见的FFF打印材料。未来的研究可以进一步探索其他材料在不同打印条件下的表现，以确定最佳的打印参数组合。此外，打印环境和温度控制也可能对泄漏的发生产生影响，例如，不同的打印机结构可能导致不同的冷却速率，从而影响塑料的固化过程和路径之间的结合强度。

在实际应用中，优化打印参数对于提高微流体设备的性能至关重要。通过降低填充率、调整层高和流率，可以在不牺牲密封性的前提下，显著减少打印时间和材料消耗。这对于需要大规模生产或资源受限的场景尤为重要。同时，研究人员也指出，尽管有其他方法（如注射打印）可以减少材料内部的孔隙，但这些方法通常需要特殊的设备和软件支持，因此并不适用于大多数普通用户。

综上所述，本研究通过结合μCT扫描和泄漏测试，揭示了3D打印微流体设备泄漏的根本原因，并提出了优化打印参数的新思路。研究发现，填充率对泄漏的影响较小，而层高和流率则对通道壁的形成质量起着决定性作用。这一结论不仅有助于提高3D打印微流体设备的性能，也为未来的研究和应用提供了新的方向。通过科学地调整打印参数，可以在保证设备密封性的前提下，实现更高效的打印过程，推动3D打印技术在微流体领域的进一步发展和应用。