一文看懂3D打印DIW工艺：直接墨水书写原理、材料体系与应用解析

在增材制造（AM）技术体系中，直接墨水书写（Direct Ink Writing，DIW）因其材料适应性强、工艺柔性高、适用于微尺度构建等特点，近年来在科研和实验室制造领域受到广泛关注。

DIW属于基于挤出的打印方式，其核心原理是在常温下将具备特定流变性能的墨水，通过细喷嘴沿数字设定路径逐层沉积，构建出复杂三维结构。

虽然该技术早在1997年由桑迪亚国家实验室首次提出并应用于陶瓷结构打印，但在随后的二十余年中，DIW已拓展至聚合物、金属、复合材料及生物材料等多个领域，形成了以实验室应用为主的小规模制造路线。

接下来资源库在文中梳理DIW的工艺原理、墨水体系、关键参数及典型应用，分析其在材料兼容性与制造能力方面的优势，同时探讨其面向工业化的潜在挑战。

工艺机制与墨水特性

DIW的基础流程与传统3D打印技术相似，需首先建立CAD模型，并通过切片软件生成运动路径文件。在实际打印过程中，墨水在外加压力作用下经喷嘴挤出，沿设定轨迹沉积成型。与熔融沉积（FDM）等需加热的挤出类工艺不同，DIW通常在室温条件下操作，墨水的流变性能成为成形质量的决定因素。

直接墨水书写工艺概述

适用于DIW的墨水必须具备良好的流变行为，主要包括三个方面的性能要求。其一是剪切变稀性，即在剪切应力作用下黏度下降，从而有利于墨水顺利挤出。其二是黏弹性，墨水需具备一定的内在支撑力和自稳能力，以防止在沉积过程中发生结构坍塌。其三是适当的屈服应力控制，确保墨水在流动性与定形性之间实现平衡——既能在喷出时保持流动状态，又能在沉积后迅速固定形状。

在实际应用中，典型DIW墨水的黏度范围通常在10²至10⁶毫帕·秒（mPa·s）之间，在约0.1 s⁻¹的剪切速率下展现出良好的加工性能。墨水完成沉积后，其固化方式可根据材料性质灵活选择，包括自然干燥、热处理、相变、光交联以及凝胶化等过程，以实现结构稳定性与功能需求的统一。

材料兼容性与结构构建能力

与受限于热熔材料体系的FDM或受光敏树脂制约的SLA相比，DIW技术可支持更广泛的材料体系。研究中使用的DIW墨水已涵盖聚合物、陶瓷、水凝胶、水泥、石墨烯、合金、玻璃、蜡质材料，甚至食品原料等。这一高度的材料自由度使DIW尤其适用于功能梯度材料、多相材料与复合材料的构建。

此外，DIW支持多喷嘴打印，可实现多材料协同沉积，具备制造复杂异质结构的能力。其打印结构可呈现自支撑、自由曲面、三维孔隙等复杂几何形态，无需额外支撑结构，显著提高材料利用率和空间构型灵活性。

应用方向与研究进展

受限于打印速率与成形稳定性，DIW目前主要应用于科研及小批量功能样件制造，但在特定领域已展现出显著优势：

1. 储能器件制造

DIW被广泛用于微尺度电化学储能器件（如锂离子电池、超级电容器）的构建。其可制造高比表面积、导电性强的三维多孔电极结构，提升电子与离子的传输效率，从而优化器件的整体电化学性能。

2. 生物医学与组织工程

水凝胶是DIW在生物应用中的核心材料之一。其生物相容性强，易于携带活性分子、药物甚至活细胞。利用DIW可打印用于组织再生的可降解支架、自愈弹性体、可穿戴柔性设备等。此外，“芯片上的器官”和微流控系统的构建也成为DIW的前沿探索方向，助力于疾病模型、药物筛选与细胞微环境研究。

3. 软体机器人与食品打印

在软体机器人领域，DIW可实现可拉伸、响应性材料的结构打印，满足柔性驱动需求；在食品打印中，该技术可用于复杂形状食品的快速制造与营养定制。

技术挑战与发展趋势

尽管DIW展现出良好的材料适应性与几何构建能力，但其广泛应用仍面临若干制约因素：

• 材料开发门槛高：墨水需精确调控流变性能，不同材料体系难以通用配方；
• 打印速度限制：为了保持结构精度与层间结合，通常牺牲打印速率；
• 结构稳定性不足：大型构件或高纵深结构可能因重力效应发生变形；
• 工业适配性不足：目前多用于科研环境，距离大规模工业应用尚有距离。

未来，DIW技术的发展方向可包括：模块化硬件平台、多材料协同打印、智能墨水体系开发、打印路径优化与实时监控等，以提升工艺稳定性、拓宽材料体系、增强成形效率，从而逐步迈向工业级制造能力。

结语

作为一项具有高度材料兼容性和构型灵活性的增材制造技术，直接墨水书写（DIW）正在多个前沿领域发挥重要作用。

尽管其目前仍主要应用于实验室研究和小规模制造，但随着墨水配方设计、打印控制与后处理手段的持续优化，DIW有望在功能器件、医学工程、智能制造等方向实现从概念验证到工程化应用的跨越。