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为解决传统 3D 打印在不同墨水、环境及后处理方面的瓶颈问题，研究人员开展了泛介质液态金属（LMs）3D 打印的研究。他们提出统一概念，拓展了打印墨水范围，探索多种介质打印，成果有望推动智能定制 3D 打印发展。
在科技飞速发展的当下，制造业正经历着一场深刻变革，3D 打印技术宛如一颗璀璨新星，逐渐成为智能制造的中流砥柱。传统的锻造和切割工艺就像老旧的马车，在制造复杂形状和精细结构产品时，显得力不从心；而 3D 打印则如同高速列车，能够突破种种限制，将人类的奇思妙想转化为实实在在的物品。然而，传统 3D 打印在实际应用中却遭遇了诸多困境。不同的打印墨水、复杂的环境以及繁琐的后处理流程，就像一道道难以跨越的沟壑，严重阻碍了它的进一步发展。例如，在打印材料的选择上，常常受到限制，无法满足多样化的需求；在不同的工作环境下，打印效果也会大打折扣，难以保证产品质量。
为了攻克这些难题，来自清华大学、中国科学院理化技术研究所、北京航空航天大学等科研机构的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦于液态金属（LMs），试图探索一种全新的 3D 打印方式。经过不懈努力，他们提出了泛介质液态金属 3D 打印这一创新概念，相关成果发表在《The Innovation》上。这一研究成果意义非凡，它打破了传统 3D 打印的诸多限制，为智能制造开辟了新的道路，有望推动多个领域的快速发展。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，他们对不同类型的打印墨水进行调配与研究，通过改变成分比例等手段来优化墨水性能；其次，针对不同的介质环境，如气体、液体、软物质、生物组织和刚性介质等，开发出与之相适配的打印工艺；此外，还涉及到对打印设备的改进与创新，以满足泛介质打印的需求 。
下面来详细了解一下研究结果：
- 打印墨水（PRINTING INKS）：泛介质 3D 打印理论极大地拓宽了打印墨水的范围。低熔点金属（LMPMs）在 3D 打印中具有快速冷却凝固和逐层堆叠的优势，有利于制造复杂 3D 结构，比如镓基合金和铋基合金。高熔点金属（HMPMs）的制造通常需要能量源来熔化金属，且后处理复杂、打印环境要求高，像钛（Ti）、铝（Al）或钢等。研究人员还通过混合金属颗粒（如铁（Fe）、铜（Cu））或非金属颗粒（如石墨烯、碳纳米管）制造出一系列功能复合材料，以丰富其可控的流变特性和结构稳定性。此外，将金属、非金属甚至聚合物与液态金属墨水混合，设计出一系列功能多组件，有助于提高分辨率和增强形状保真度1。
- 介质嵌入式打印（MEDIA - EMBEDDED PRINTING）：与传统 3D 打印局限于特定介质不同，液态金属能够实现跨多种环境的 3D 打印。在气体介质中，许多气体会影响打印过程和制造输出。例如，在空气中，液态金属表面会形成氧化层，产生半导体特性，有助于结构的粘附和组装；氨气或氮气等富氮气体与含镓的液态金属反应，可生成氮化镓（GaN），用于半导体应用，同时氮气还能防止打印过程中的氧化。在液体介质中，它有助于热管理，实现快速冷却并减少热积累，提高结构保真度，且低氧环境可防止液态金属进一步氧化，添加特定溶剂还能调节表面张力，拓宽液态金属 3D 打印在柔性电子、生物医学设备等领域的生物应用。对于软物质介质，机械强度是关键因素，它决定了能否克服重力约束并支撑精确复杂的液态金属 3D 结构，同时软物质介质还能为 3D 打印的液态金属设备提供原位封装策略。在有机介质中，液态金属 3D 打印面临独特挑战，生物组织的非线性和各向异性弹性行为会影响液态金属的分布和应力模式，采用同轴打印可提高基于液态金属设备的稳定性和性能。在刚性介质中，液态金属 3D 打印通过物理粘附、填充或化学界面反应来实现，表面处理可降低表面能促进液态金属打印，界面化学反应还能实现对表面形态的精确控制，颗粒状固体材料如土壤也可作为 3D 打印的支撑介质234。
- 泛介质液态金属 3D 打印中心（PAN - MEDIA LM 3D CENTER）：通过调节打印墨水、介质和制造技术，一系列基于不同打印原理的液态金属 3D 打印机可用于制造多种 3D 结构。未来液态金属 3D 打印机将向泛介质打印中心发展，该中心配备功能墨水存储、泛介质库、打印头系统和控制单元，能够在不同介质中精确沉积液态金属墨水，并有望扩展到高熔点金属和非金属 3D 打印墨水，实现超越传统方法的功能制造。其工作流程涵盖墨水存储、介质库、介质嵌入式打印和后处理四个关键阶段，可根据不同墨水和介质的特性优化打印技术，满足多样化的打印需求567。
研究结论表明，本文概述的泛介质原理将所有 3D 打印技术和材料统一在一个泛介质框架中，跨越多种墨水、不同介质和处理方法，为构建通用的 3D 增材制造平台奠定了基础。在很大程度上，泛介质制造中心的出现将打破墨水和介质的界限，实现智能定制 3D 打印场景的广泛应用。这一研究成果在生命科学和健康医学领域具有巨大的应用潜力，例如在生物医学设备制造方面，能够定制出更贴合人体需求的植入物、医疗器械等；在组织工程领域，有助于构建更复杂、更接近真实组织的 3D 结构，促进组织修复和再生。同时，该研究也为其他相关领域的发展提供了新的思路和方法，推动了多学科的交叉融合，为实现智能制造和个性化医疗的美好愿景迈出了坚实的一步。
