支持浴辅助的悬浮3D打印技术可实现低粘度、低模量、或慢固化墨水的个性化3D结构成形，打破了传统3D打印技术对于墨水流变性能和机械性能的局限性。研究表明，支持浴是悬浮3D打印顺利实施的关键因素。在各类支持浴材料中，屈服应力流体（YSF）因具有应力诱导的快速“固-液”转变（屈服转变）特性与可大范围调节的屈服应力而成为了应用最广泛的支持浴材料。YSF的材料特性与打印过程中的屈服转变对于悬浮3D打印的分辨率和形状保真度有着至关重要的影响，过去几十年的实验与理论研究为YSF支持浴辅助的悬浮3D打印提供了科学的指导，但目前仍然缺乏对基于YSF支持浴辅助的3D打印工艺进行系统性分析与全面综述。
近日，流体动力与机电系统国家重点实验室成员尹俊研究员与佛罗里达大学机械系Yong Huang教授合作在Cell Press旗下子刊《Matter》上发表了题为“Embedded extrusion printing in yield-stress-fluid baths”的综述文章，围绕YSF作为支持浴的材料特性与屈服转变机制系统总结了悬浮3D打印技术的最新进展，并讨论了该领域存在的研究挑战与发展机遇。该论文的第一作者为博士生伍倩，通讯作者为Yong Huang教授与尹俊研究员。
悬浮3D打印技术
与在空气中进行的传统挤出3D打印技术不同，YSF支持浴辅助的悬浮3D打印技术是在YSF支持浴中嵌入并沉积打印墨水以实现高精度自由成形的方法。如图1A所示，在打印时，针头的移动会导致附近的YSF支持浴发生屈服流动（类液态）而使墨水顺利沉积；当针头离开后，流动的YSF支持浴受到的切应力低于屈服应力（σ0）从而自发恢复为类固体状态并给予打印结构稳定的支撑。该方法克服了超柔性墨水自身粘度、模量和重力的影响，并大大降低了传统挤出3D打印技术对于打印结构的限制。
在悬浮3D打印完成后，YSF支持浴可根据应用需求去除或保留，如图1B所示。目前悬浮3D打印的应用主要包括制造个性化复杂3D结构（固化墨水后去除支持浴）、复杂3D通道（固化支持浴后去除墨水）和复合功能器件（整体保留支持浴和墨水）三大类。
图1 在屈服应力流体中的悬浮3D打印示意图
YSF浴的屈服转变机制
悬浮3D打印的过程是YSF支持浴不断发生屈服转变的过程，因此了解YSF材料的屈服应力产生机理和屈服转变的微观机制对于悬浮3D打印和YSF支持浴的研究极为重要。当YSF受到小于σ0的应力时，内部无序的微观结构不会受到破坏，因而在宏观上持续呈现类固体状态。反之，当YSF受到大于σ0的应力时，初始微观结构被破坏从而在宏观上表现为可流动的类液态状态，发生屈服流动的YSF在应力去除后可快速恢复为与初始微观结构相似的类固体状态。
本质上，YSF的屈服转变是内部微观结构的破坏和自发重组之间的转变，其微观机制由微观结构的两种典型相互作用（排斥与吸引）决定（图2A）。对于排斥力主导的YSF材料（如微凝胶悬浮液），其屈服应力主要来源于内部微粒的塞积，一旦适当的外力引起微粒变形和滑移，就会导致YSF发生从塞积向非塞积状态的屈服转变（Jamming transition）。对于吸引力主导的YSF（如带电粒子悬浮液、聚合物溶液/凝胶），其屈服应力主要来源于破坏微观网络结构的阻力，一旦这种可重构的吸引力网络被破坏，屈服转变就会发生。本综述从流变性能、屈服转变机制、材料特性和形成机制等角度详细介绍了应用于悬浮3D打印的典型YSF支持浴材料。
图2 屈服应力流体的屈服转变
悬浮3D打印的典型应用
复杂3D结构制造：在打印完成后通过适当的方法固化沉积的墨水形成打印结构，然后在不影响打印结构完整性的情况下去除YSF支持浴。如图3所示，该方法可用于温敏墨水（如PDMS、温敏水凝胶）、光固化墨水（如SU-8、光敏有机硅弹性体、PVA）、化学交联墨水（如环氧基导电材料、F127-DMA、海藻酸盐）、酶交联墨水（如酶诱导生物矿化材料）和pH交联墨水（如胶原蛋白）等打印复杂3D结构。
图3 支持浴去除的悬浮3D打印典型应用
复杂3D通道制造：打印后通过适当的途径固化YSF支持浴，然后在不影响支持浴的情况下去除打印墨水。如图4A-D所示，该方法可用于制造不同材料（如可光固化YSF、温敏YSF、化学交联YSF）的个性化3D通道，在构建复杂3D微通道网络上极具潜力。
复合功能器件制造：打印后保留沉积的墨水和YSF支持浴作为一个整体的功能器件。该方法降低了制造过程的复杂性并减少了材料的浪费，可用于软机器人、柔性传感和电磁器件的集成制造（图4E-I），为个性化复合功能器件的制造提供了简便且可靠的途径。
图4 墨水去除或整体保留的悬浮3D打印典型应用
小结
文章来源：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238522005215
生物制造工艺与装备研究团队由流体动力与机电系统国家重点实验室杨华勇院士领导，聚焦生物制造领域的生物材料和加工工艺、生物3D打印装备、生物墨水等方面的基础研究及生物制造在组织工程、再生医学等方面的应用研究。