東北大學(xué)通過(guò)對(duì)水滴物理現(xiàn)象的研究提高噴墨3D打印精度

導(dǎo)讀：噴墨打印機(jī)自 20 世紀(jì) 80 年代末就已出現(xiàn)，但自 30 多年前推出以來(lái)，它已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。一方面，它們是一項(xiàng)工程奇跡：數(shù)百萬(wàn)個(gè)五顏六色的墨滴精確地沉積在一張白紙上，從而產(chǎn)生從書(shū)面報(bào)告到彩色邀請(qǐng)函的各種內(nèi)容。但另一方面，顛覆的機(jī)會(huì)仍然巨大，特別是對(duì)于涉及大型 3D 結(jié)構(gòu)和多種材料類型的更復(fù)雜的打印工作。

2025年9月24日，南極熊獲悉，來(lái)自東北大學(xué)的研究人員在噴墨打印領(lǐng)域取得了新的突破，可以提高3D打印精度。該校機(jī)械與工業(yè)工程唐曉宇教授的研究團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)了這項(xiàng)研究，他們專注于研究在流體和固體交匯處運(yùn)行的材料，這些材料與打印機(jī)內(nèi)部的技術(shù)直接相關(guān)。

得益于最近獲得的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)職業(yè)獎(jiǎng)（NSF Career Award），唐教授的團(tuán)隊(duì)即將開(kāi)始開(kāi)發(fā)一個(gè)新框架，以更好地理解充滿顆粒的水滴落入液體時(shí)流體動(dòng)力學(xué)的變化。這項(xiàng)工作可以幫助工程師設(shè)計(jì)出更穩(wěn)健、更優(yōu)化的墨水工藝以及更具彈性的打印硬件。

△機(jī)械工程專業(yè)四年級(jí)學(xué)生唐曉宇和顏博倩正在進(jìn)行液滴研究。圖片由東北大學(xué)的Alyssa Stone拍攝。

研究本身將使用每秒能夠拍攝10000張圖像的高速攝像機(jī)。這樣的速度是必要的。唐曉宇解釋說(shuō)：“液滴撞擊水面的撞擊過(guò)程將僅持續(xù)不到一百毫秒?！?/div>

在分析拍攝的照片和視頻時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注幾個(gè)關(guān)鍵因素，即水滴撞擊時(shí)的形態(tài)、顆粒分布和速度場(chǎng)。唐解釋說(shuō)，目前已有大量成熟的研究記錄了水滴撞擊較大水體時(shí)產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，團(tuán)隊(duì)希望探索當(dāng)水滴中充滿玉米淀粉和二氧化硅顆粒等時(shí)，這些物理現(xiàn)象會(huì)發(fā)生怎樣的變化。

唐說(shuō)：“在液體中添加大量顆粒會(huì)使事情變得更加復(fù)雜，因?yàn)橐后w的粘度不再恒定，混合物甚至?xí)兊孟窆腆w一樣，尤其是在液滴撞擊過(guò)程中。一個(gè)很好的例子就是‘歐不裂效應(yīng)’，人們可以在水中的玉米淀粉顆粒上奔跑，但如果站著就會(huì)沉下去。”

△唐曉宇。攝影：Alyssa Stone/東北大學(xué)

這項(xiàng)工作與 3D 打印直接相關(guān)，因?yàn)樗型麨樘坪退膱F(tuán)隊(duì)提供更深入的見(jiàn)解，了解不同類型的材料在更流動(dòng)的狀態(tài)下如何相互作用。她說(shuō)：“3D打印的工作原理基本上是將液滴沉積到基材上，使其固化，然后逐層疊加。但有時(shí)它可能無(wú)法完全固化，因此會(huì)保持液態(tài)，當(dāng)下一滴液滴與該液體相互作用時(shí)，它會(huì)發(fā)生不同的變形……液滴和未固化層之間可能會(huì)發(fā)生很多變化?！?/div>

通過(guò)更好地理解這些相互作用，3D 打印機(jī)制造商將能夠“控制液滴和基板之間的相互作用”。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃結(jié)合多種先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，開(kāi)發(fā)一個(gè)平臺(tái)，供其他太空研究人員在此基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建和擴(kuò)展。