近年来，随着材料领域的蓬勃发展和计算机水平的不断提高，3D打印技术被越来越多的应用于生产生活。墨水直写因其受到温度、光照和激光等外部条件的影响较小，设备需求相对简单等优点，被广泛应用于药物输送、义肢制造、电子设备加工等领域。此外，黏弹性聚合物流体的剪切稀化特性导致聚合物在进入喷嘴时受剪切力作用而黏度减小，从而使聚合物流体在较低的压力下能够从喷嘴中流出；而弹性特性则使得聚合物流体在流出喷嘴并落到平台上后能保持打印形态。这一独特的流变性质使得黏弹性聚合物流体被当作墨水直写3D打印中油墨的理想材料，但目前对于墨水直写工艺中弹性这一关键参数的研究还相对较少。
西安交通大学袁文君特聘研究员和陈飞教授，与新加坡国立大学闫文韬教授合作，基于指数型PTT（Phan-Thien Tanner）本构模型和高精度直接数值模拟方法，研究了黏弹性聚合物流体在打印喷嘴中的挤出、运动平台上的沉积以及打印线条的变形行为。通过与丹麦技术大学Spangenberg团队的实验结果对比，验证了模型可靠性。此研究主要从应力层面揭示了弹性对线条沉积的影响机理，并针对不同打印速度和喷嘴距基底高度对线条的影响进行了研究。相关研究成果以 “Numerical investigation on the viscoelastic polymer flow in
material extrusion additive manufacturing” 为题发表在制造领域顶刊Additive Manufacturing上。论文第一作者为西安交通大学化工学院22级博士生张海峰，合作者还有南昌大学叶芳华讲师。
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https:///10.1016/j.addma.2024.103992
图1：3D打印应用领域
图2：模拟与实验横截面对比 (a) 本研究，Spangenberg团队 (b) 模拟和 (c) 实验结果。
图3：不同时刻打印线条内部应力分量与距喷嘴中心的距离的函数关系 (a) τxx和 (b) τyy。
图4：不同横截面上打印线条内部应力分量。
图5：不同Wi横截面上打印线条内部应力分量。
图6：基底运动8D (D为喷嘴直径)后不同模拟条件下打印线条变形高宽比（左）与打印线条截面内部最大应力分量（右）。
该工作通过研究弹性、打印速度和喷嘴与基底间的高度对线条形态的影响，发现打印初期因弹性的增大产生的比较大的头部会明显影响打印线条的质量。同时，当喷嘴和基底间的距离较大时，线条中部会出现明显凹陷。本工作研究了打印参数对于打印线条形态稳定性的影响，从应力角度揭示了线条变形的机理，为生产生活中墨水直写打印的实际应用提供了理论指导。