理解与控制升级回收(upcycled)生物材料直写成型(Direct Ink Writing, DIW)中环境因素影响的研究

《Proceedings of the Design Society》：Understanding and controlling environmental effects in direct ink writing of upcycled biomaterials

　　

本研究考察了环境气流(airflow)、温度(temperature)及相对湿度(relative humidity, RH)对直写成型(Direct Ink Writing, DIW)中使用升级回收(upcycled)生物材料墨水的打印质量之影响，并探讨了相应的缓解策略。研究人员采用经优化的切片参数及标准化的山核桃壳粉(pecan shell flour)墨水开展实验，在可控气候箱中进行打印，结合传感器记录数据与统计分析。结果表明：气流可改善结构稳定性、悬垂保真度(overhang fidelity)及桥接(bridging)能力，但会增加Z轴收缩率；较高温度略微提升桥接性能；高湿度虽对桥接有微小增益，但会降低结构稳定性并加剧悬垂下垂(sagging)。

论文解读：理解与控制升级回收生物材料直写成型(DIW)中环境因素影响的研究

该研究发表于《Proceedings of the Design Society》。现有直写成型(Direct Ink Writing, DIW，亦称浆料挤出式增材制造)生物复合材料研究多聚焦于墨水配方优化与流变学(rheology)表征（如粘度、屈服应力、剪切稀化行为），而打印过程中环境参数——即气流(airflow)、环境温度及相对湿度(relative humidity, RH)——对生物基浆料(bio-based paste)打印性能的影响长期被忽视。天然纤维生物复合材料虽可提升DIW可持续性，但其对环境中温湿度和空气流动的敏感性可能导致层塌陷、尺寸偏差及桥接失败，尤其在非实验室环境下严重影响重现性。因此研究人员开展系统性实验，量化上述三种环境变量对升级回收(upcycled)山核桃壳粉-淀粉基墨水打印性能的独立影响，并提出被动（封闭腔室）与主动（实时监测）缓解方案，以提高生物基DIW在非受控环境中的可靠性。

为开展本研究，研究人员搭建了名为Paste Research Intelligent Microclimatic Environment(PRIME)的可控微气候打印腔室，内置温湿度传感器连续记录；采用标准化山核桃壳粉(粒径50–200 μm)与淀粉-水-异丙醇配制的生物墨水（总固体含量68 wt%），经均质混合；使用Eazao Zero打印机搭配18G针头(内径0.84 mm)，在Ultimaker Cura 5.8.1中设定层高0.7 mm、线宽0.7 mm、无填充、打印速度9.0 mm/s、壁线数2；设计Cuboid（20×20×5 mm）、Erlenmeyer（含35°和45°悬垂特征）及Butterfly（孤立桥接测试）三种标准几何基准模型分别评估尺寸精度(dimensional accuracy)、悬垂角度与悬垂下垂(sagging, 以悬垂根部壁厚增量表征)及最大桥接长度(maximum bridging length, MBL)；在PRIME内单独变量改变气流（无风扇/后风扇欠压/后+喷头双向下吹风扇）、温度（加热垫调节）和湿度（微型加湿器调节），共打印86个Cuboid、90个Erlenmeyer和63个Butterfly样品；尺寸采用模拟式千分卡尺测量，角度用量角器估读，数据分析采用SPSS中多元协方差分析(MANCOVA, Multivariate Analysis of Covariance)控制协变量评估气流影响，多元线性回归评估温湿度对尺寸与悬垂指标影响，删截回归(censored regression)分析气流对MBL影响，标准线性回归分析温湿度对MBL影响。

3.1. Tinkering with the material（材料调试）

研究人员发现手工混合不均易致堵头，采用Magic Bullet均质脉冲混合30 s可得均匀浆体，挤出压力稳定在0.18–0.32 MPa，闲置超5 min需重新排料防喷嘴干结，切片参数经迭代优化后保持稳定。

3.2. Assessment of RH–T–airflow independence（环境变量独立性验证）

相关性分析证实温度、相对湿度与气流三者在实验条件下无显著耦合，可独立归因。

3.3. Airflow extrusion tests（气流挤出实验）

MANCOVA显示气流对Cuboid各轴向尺寸精度总体影响显著(p < .001, partial η2 = .372)，Z轴随气流增大出现明显收缩（加速水与异丙醇挥发致累积收缩）；Erlenmeyer各轴向亦显著(p < .001, partial η2 = .499)，Z轴精度因减少高层塌陷而表观改善，但实质仍为Z向收缩。气流显著提升悬垂角度精度(p < .001, partial η2 = .117)并降低悬垂下垂(sagging)(p < .001, partial η2 = .318)，且开启气流后Butterfly桥接成功率明显高于无气流组，表明受控气流增强结构稳定性与桥接能力，代价为Z轴收缩增加。

3.4. Temperature extrusion tests（温度挤出实验）

温度升高对Cuboid与Erlenmeyer的X/Y尺寸精度及悬垂角度、悬垂下垂无统计显著影响；Z轴随温度略降（收缩略增）但未达显著水平(p = .17)；唯一显著效应为温度升高效应使最大桥接长度(MBL)增加(B = 0.174, p = .020)，归因于加速表面水分蒸发提升未支撑段抗下垂能力。

3.5. Humidity extrusion tests（湿度挤出实验）

相对湿度(RH)对Cuboid尺寸精度无显著影响；对Erlenmeyer X/Y影响微弱(p < .05但B极小)，Z轴随RH升高精度显著下降(B = ?0.005, p < .001)，RH ≥ 50%时可见结构失稳与层塌陷。两悬垂角度处悬垂下垂(sagging)均随RH升高显著增加(35°: B = 0.005, p = .04; 45°: B = 0.014, p < .001)。反常但显著地，MBL随RH升高微幅增加(B = 0.070, p < .001)，研究人员认为高湿降低材料脆性减少断裂，但高湿总体上损害打印稳定性，不建议为桥接小幅增益容忍高湿。

讨论与结论翻译总结

研究人员讨论指出：受控气流加速墨水挥发引起Z轴收缩，但同时提升高层结构与悬垂保真度及桥接性能，总体利大于弊，推荐DIW生物浆料打印腔配置适度气流（如腔体内循环风扇或定向喷头风扇）；升温仅微益桥接且无其他改善，从能效角度可不额外加热；高湿(RH ≥ 50%)严重削弱结构稳定性并加剧悬垂下垂，强烈建议在封闭腔内置除湿机或干燥剂将RH维持在较低水平，仅在需极限桥接时可短暂允许稍高湿度。PRIME腔室验证了微气候隔离可行性，但需改进除湿能力。研究局限包括配料精度(0.2 g分度)、混料至打印间隔未严格记录、开腔换喷嘴扰动环境、干燥后测量时间未完全标准化及角度人工测量误差。未来建议采用高精度称量与机械混料、自动清堵、固定干燥时间、图像分析法测几何特征及扩充评价指标。

综上，该研究结论为：环境气流(airflow)虽增加Z轴收缩但因加速水分挥发可提升直写成型(DIW)上升回收(upcycled)山核桃壳–淀粉生物墨水的结构稳定性、悬垂保真度(overhang fidelity)与桥接(bridging)能力，推荐使用；升温仅轻微改善桥接长度，无需特别温控；高相对湿度(relative humidity, RH, 尤≥50%)不显著影响收缩但导致结构失稳与悬垂下垂(sagging)，应在打印腔中维持低湿环境。上述发现弥补了生物基DIW环境因素研究的空白，为在非受控环境中实现可重复、低能耗、可持续的原型制造提供了实证依据与操作指导。