夏威夷大学综述：直接墨水书写3D打印所面临的流体力学挑战

2025年12月2日，南极熊获悉，来自夏威夷大学马诺阿分校一位机械工程研究员与他人合著了一篇关于直接墨水书写（DIW）增材制造中流体力学挑战的综合综述，旨在探讨理解DIW背后的物理原理以及如何提高制造可靠性。

相关研究成果以题为“Fluid Mechanics Challenges inDirect-Ink-Writing Additive Manufacturing”的论文发表于《流体力学年评》（Annual Review of Fluid Mechanics ），汇集了数十年的研究成果，为从人造组织到建筑物等各种材料的打印提供了路线图。

夏威夷大学马诺阿分校工程学院副教授泰勒·R·雷说道：“目前，3D打印很大程度上依赖经验和经验法则，需要不断调整配方和设置才能成功。我们希望为工程师提供必要的工具，使他们能够将经验与基于物理学的预测相结合。”

直接墨水书写

本文研究的打印方法称为直接墨水书写（DIW），工作原理类似于装饰蛋糕。“糖霜”必须顺畅地流过喷嘴，然后立即保持形状，既不融化也不塌陷。该方法涵盖多种可打印的“墨水”，例如 活细胞、混凝土、陶瓷或聚合物混合物 ，从而能够制造出传统塑料3D打印无法实现的物体和形状。

马里兰大学副教授、论文第一作者阿尔班·索雷特 (Alban Sauret) 说：“直接墨水书写中使用的膏状材料是复杂的流体，这些非凡的材料会根据周围环境的不同而表现出液态和固态的双重特性。这类材料已被研究数十年，但直接墨水书写带来了新的挑战，需要我们更深入地了解这些复杂流体在打印过程中的行为。”

图片来源：Kendall Lorenzo，Ray 研究小组，夏威夷大学马诺阿分校。

关键挑战

论文指出了三个决定打印成败的关键时刻，物理特性决定着打印是否成功。首先，材料必须能够顺畅地流过喷嘴而不堵塞，当墨水中含有用于增强强度的颗粒或纤维时，堵塞问题尤为突出。

田纳西大学副教授布雷特·G·康普顿说：“我们都遇到过钢笔堵塞或番茄酱瓶漏液的情况。如果用复杂的流体构建精确的3D形状还不够具有挑战性，那么想象一下，这种流体中充满了陶瓷颗粒、细胞或纤维，并且必须将其挤压通过一个微小的喷嘴，同时还要避免堵塞流体或损坏细胞。”

其次，当材料从喷嘴喷出时，可能会断裂、卷曲或出现抖动，从而导致打印失败。最后，沉积完成后，材料必须足够坚固以保持形状，同时又必须足够液态才能与之前的层粘合。要成功打印物体，必须在这三个方面之间取得微妙的平衡。由于DIW对墨水的要求很高，而且墨水成分种类繁多，因此仍有许多问题尚未解决，特别是对于那些能够实现更坚固、更实用打印效果的颗粒填充材料而言。

雷说道：“我们仍然处于探索阶段，每个答案都会引出新的问题和新的探索领域，而这正是我们三人最初走到一起的原因。”

综述还重点介绍了有前景的创新，例如在光照或加热时可按需硬化的材料，以及可减少堵塞的巧妙设计的喷嘴。

Sauret说道：“事实上，DIW领域有很多优秀的研究成果，但它们分散在通常互不重叠的领域——例如医学、化学和土木工程。我们希望通过这篇综述，提出一个连贯且基础的流体力学框架，突出普遍存在的挑战，并激发新的跨学科研究，从而使这项技术更加可靠和易于应用，无论它被应用在何处。”

本项研究得到了美国国家科学基金会、空军科学研究办公室、美国国立卫生研究院和霍尼韦尔联邦制造与技术有限公司的支持。