嵌入线挤出3D打印技术制备薄壁结构

《Additive Manufacturing》：Embedded line-extrusion 3D printing of thin-walled structures

　　

•以厘米级尺寸打印结构，壁薄至27微米。
•定制喷嘴可在单次行程中沉积平面和弯曲壁段。
•与传统挤出相比，表面波纹度降低了50%–78%。
•薄壁制造吞吐量提升了最多十倍。
•机器人运动实现了更复杂的自由曲面薄壁几何结构。

引言

薄壁结构具有优异的强度重量比，因此广泛用于航空航天和汽车零件等工程系统[1]、[2]、[3]、[4]。制造这些结构的传统方法包括钣金成形、机加工、注塑和复合铺层。虽然这些工艺已较为成熟，但它们通常成本高昂、对原料和资本投入要求高，并且在可实现的几何形状和兼容材料方面存在限制[1]、[2]、[5]、[6]、[7]、[8]。特别地，制造复杂或高度定制的薄壁几何结构通常需要专用工装或多步加工。

增材制造（AM）由于能够直接从数字模型制造复杂几何结构而提供了一种有吸引力的替代方案。然而，在许多AM技术中，制造薄壁特征仍然具有挑战性。在金属AM工艺（如粉末床熔融和直接能量沉积）中，热梯度和循环加热会引入残余应力，即使在严格控制加工条件的情况下，也会导致薄壁特征的变形、翘曲或损坏[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。通过金属AM和聚合物材料挤出工艺（如熔丝制造FFF）生产的薄壁结构也可能因几何离散化、各向异性力学性能和材料选择限制而受到表面质量的限制[14]、[15]、[16]、[17]。

直接墨水写作（DIW）是一种材料挤出AM方法，能够解决上述诸多限制。在DIW中，粘弹性墨水通过喷嘴挤出，通常逐层沉积以构建三维结构[18]。只要墨水的流变特性经过适当设计，DIW可以加工多种材料，包括弹性体、陶瓷、聚合物和金属[19]、[20]、[21]、[22]。调整墨水配方的能力使DIW能够制造功能材料和复合材料，应用领域涵盖结构部件、软体机器人和生物工程。

DIW及相关材料挤出工艺的最新进展改善了表面质量、打印速率和可实现的特征尺度，但薄壁结构仍存在重要的折中关系。近似圆形丝材的逐层沉积本质上会产生介观尺度表面波纹，因此催生了基于流变学和材料切换的表面光滑化方法[23]。可变几何形状和主动控制的喷嘴孔口也可以在单次打印中跨越多个特征尺度[24]、[25]。然而，在传统丝材挤出中，所需的最小特征尺寸通常决定并限制了喷嘴直径。因此，生产更薄的特征需要更小的喷嘴，这增加了所需工具路径数量并降低了可实现体积流量[26]。DIW还要求在沉积后具有足够的机械稳定性，通常通过屈服应力或剪切变稀流变学、快速固化或反应性固化来实现[22]、[27]、[28]、[29]。这一要求对薄壁、无支撑或非水平特征尤为严格，因为这些特征可能在形成足够粘结和固化之前发生下垂、屈曲或坍塌。

DIW的进一步发展是嵌入式直接墨水写作，本文称其为嵌入式3D打印（E3DP），其中材料直接挤入粘弹性流体或凝胶支撑基质中，而非在开放空气中沉积。支撑基质在打印过程中提供机械稳定作用，使制造精细的三维特征成为可能，而这些特征否则会因自重而坍塌。利用这种方法已经展示了极其精细的特征，通过沉积丝材与支撑浴之间的快速溶剂交换，丝材直径可小至1.5μm[30]。嵌入式环境还显著扩展了可打印墨水粘度范围，使原本不适合直接挤出的材料（如粘度低于1 Pa·s的聚乳酸墨水）得以加工[31]。嵌入式打印还实现了各种复合材料的制造，包括弹性体和聚合物复合材料[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]以及陶瓷和金属体系[39]、[40]。

支撑基质还可以通过稳定新沉积材料并抑制重力变形来提高几何保真度；然而，E3DP仍受墨水流变学、基质流变学、界面张力、喷嘴运动和丝材稳定性等耦合约束的影响[31]、[41]、[42]。随着特征尺寸的减小，通常需要更精细的喷嘴，同时允许的挤出和翻译速率仍受限于保持沉积丝材完整性和避免对支撑介质过度扰动的需求。无喷嘴嵌入式方法，如通过引导工具在支撑基质中创建墨水通道的磁控工具，可以减少与针头平移相关的扰动[43]，但特征工具尺寸仍与最终特征尺寸耦合。类似地，多轴和机器人挤出系统可以显著扩展方向控制和访问非平面工具路径，但仅增加运动学自由度并不能将最小特征尺寸与沉积工具尺寸解耦。因此，这些方法主要解决几何可访问性问题，而非本文考虑的薄壁分辨率—吞吐量缩放问题。

尽管具有这些优势，利用挤出式AM制造薄壁结构仍然效率低下[26]。近期策略通过混合填充或可变几何喷嘴来解决分辨率—吞吐量矛盾[24]、[44]，但它们仍保留丝材沉积方式。核心限制是几何性的，即喷嘴通常不得大于最小打印尺寸，薄壁结构的壁厚决定了喷嘴尺度，即使其另外两个维度要大数个数量级。本文探索的机会在于改变沉积本身的维度：从点生成的丝材变为线生成的表面。薄壁几何结构特征是一个小维度（壁厚t）和两个大得多的面内维度。在传统DIW和嵌入式打印中，可实现的最小壁厚通常受喷嘴直径d的约束[27]，即t≈d。为制造延展的薄壁表面，因此需要在表面积上反复光栅化圆形丝材。所需工具路径数量大致按N_fil～W/d的比例缩放，其中W是表面宽度。对于宽度为w的线出口、沉积壁厚t、行进速度v和体积流量Q，体积守恒给出Q≈w·t·v。对于目标表面积A，理想沉积时间大致按T≈A·t/Q≈A/(w·v)的比例缩放。传统丝材沉积大致对应w≈d≈t，而线挤出允许w?t。在相当的行进速度下，相应的时间缩减按T_fil/T_line～w/t的比例缩放。因此，可以在不牺牲薄特征分辨率的情况下增加沉积宽度，减少工具路径密度。该缩放是理想化的，排除了加速、引带、连接和固化时间，但它确定了LE3DP针对的几何优势。

LE3DP的早期几何灵感来自装饰果冻蛋糕制造中使用的片状注塑工具，这些工具证明了线形工具可以在凝胶内创建受支撑的平面特征[45]、[46]。然而，这一类比是有限的，因为这些工具无法在长径比出口处提供受控的压力驱动流体分配，也并非为可编程材料沉积而设计。LE3DP利用内部分叉通道、受控材料输送、可编程运动和可恢复支撑基质，将这一几何概念发展为工程化挤出过程，同时使沉积材料能够固化为自支撑部件并随后从基质中取出。

受这些工具在支撑介质中创建平面特征的能力启发，本工作引入了材料挤出AM中的表面沉积模式，用于制造薄壁结构。不再将圆形丝材挤入支撑基质，而是通过带有内部分叉流体分配通道的特制喷嘴，产生宽而薄的挤出剖面，沉积平面材料段（图1）。分叉流体网络此前已证明是有效分配非牛顿墨水的方法[18]、[47]、[48]；本文将该原理进行改编和扩展，产生连续线形出口以实现直接表面沉积。这种方法允许在单次行程中生成薄壁表面。开发了多种喷嘴几何形状，包括直形和弯曲出口设计，以实现不同类型的薄壁特征制造。直形喷嘴用于生成平面壁和平面段，而弯曲喷嘴允许沿非平面或弯曲轨迹沉积。此外，打印路径还可以引入独立于喷嘴出口几何形状的额外曲率。所提出的过程在嵌入式打印环境中实施，该环境在沉积过程中提供临时机械稳定作用，并允许挤出的段在固化前保持其几何形状。这对于薄壁结构尤为重要，因为这些结构在空气中打印时容易坍塌、屈曲或变形（图1(f)）。沉积和固化后，打印部件从支撑基质中取出并清洁。

本文将其称为线挤出3D打印（LE3DP），实现了式(2)和(3)中的缩放概念：在保持壁薄的同时增加有效沉积宽度。在嵌入式环境中，LE3DP沉积平面或弯曲材料段，而非用相邻圆形丝材近似表面。因此，其与近期高吞吐量、可变喷嘴、嵌入式和多轴挤出策略的主要区别并非仅仅是提高运动速度或几何自由度，而是使用线形沉积基元将沉积宽度与最小壁厚解耦。本研究通过喷嘴开发、参数映射、与DIW和E3DP的定量比较、多材料连接以及3到6轴演示来评估所得过程。

小节摘要

**支撑基质准备**

初步实验基于果冻蛋糕启发的沉积概念，使用牛明胶作为支撑材料。将透明牛明胶（Custom Collagen Inc.）与水混合并浸泡30分钟。具体而言，将37.5克明胶与125克水混合。将额外水加热至沸腾，稍冷却后加入明胶混合物中，以达到最终浓度为3.75 wt%。混合物搅拌至完全溶解并储存。

**线挤出过程的开发**

嵌入式3D打印中墨水与支撑基质之间的流变相互依赖关系很复杂，但先前的研究表明可能存在相对宽泛的加工窗口。在大多数嵌入式打印系统中，支撑基质设计为在局部屈服后能快速恢复粘弹性特性的屈服应力流体[34]、[35]、[36]、[40]、[53]、[54]。还展示了使用无明显屈服应力基质的替代方法，对于…

**结论**

本工作介绍了线挤出3D打印（LE3DP），即嵌入式材料挤出AM中的表面沉积模式。通过将点生成丝材沉积替换为宽薄出口挤出，LE3DP直接沉积平面和弯曲材料段。所得的几何缩放将沉积宽度与壁厚解耦，减少了构建薄壁表面所需的工具路径密度。利用该方法，制造了壁厚低至27μm的自由曲面结构。

CRediT作者贡献声明

Zach Kutschke：可视化、验证、软件、方法学、调查、形式分析、数据整理。Kayla Wolfe：可视化、验证、调查、形式分析、数据整理。Eda Begum Birol：可视化、验证、调查、形式分析、数据整理。Michael D. Kutzer：写作——审阅与编辑、监督、软件、项目管理、方法学、调查、形式分析、概念化。Jochen Mueller：写作——审阅与编辑。

生成式AI及AI辅助技术在稿件准备过程中的声明

在准备本工作期间，作者使用ChatGPT（OpenAI）协助语言编辑和LaTeX格式化。作者对输出进行了审阅和编辑，并对出版物的内容承担全部责任。

资助

本工作得到了海军研究办公室（资助编号N00014-26-1-2285和N00014-26-GI-00663）和美国海军学院的资助。资助方在研究设计、数据收集、分析或解释、稿件准备或提交本工作发表的决定中未发挥作用。本文所表达的观点是作者本人的，并不代表美国海军学院、海军部或…的官方政策或立场。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢David Lancaster在样品横截面制备方面的协助。

Zach Kutschke | Kayla Wolfe | Eda Begum Birol | Michael D. Kutzer | Jochen Mueller