夏威夷大学马诺阿分校机械工程研究人员合作发表了一篇综合综述，深入探讨凝胶态材料在3D打印过程中面临的物理挑战，指出对底层物理机制的深度理解将显著提升制造可靠性。

该论文发表于《流体力学年度评论》，整合了数十年的研究成果，为从人工组织到建筑级大尺度结构的增材制造应用提供了清晰的技术路线图。

夏威夷大学马诺阿分校工程学院副教授Tyler R. Ray表示：“当前3D打印严重依赖经验和反复试错的参数调整，我们致力于为工程师提供基于物理预测的工具，以弥补经验性方法的不足。”

研究获得了美国国家科学基金会、空军科学研究办公室、国立卫生研究院以及霍尼韦尔联邦制造与技术公司的支持。



综述聚焦于直接墨水书写（DIW）技术，该技术要求墨水在通过喷嘴时易于挤出，并在沉积后立即保持形状。这项技术适用于多种材料，包括活细胞、混凝土、陶瓷和聚合物，能够实现传统塑料3D打印无法达到的复杂形态与结构。

马里兰大学副教授、论文第一作者Alban Sauret解释说：“直接墨水书写使用的凝胶材料是兼具液体和固体特性的复杂流体，其行为随环境动态变化。尽管这类材料已被研究数十年，但DIW带来了新的约束挑战，需要深入理解打印过程中流体的行为规律。”



研究指出三个关键阶段中材料的物理特性决定打印成败：墨水必须流畅通过喷嘴且不堵塞，尤其在含有增强颗粒或纤维时挑战加剧；挤出后的墨水可能发生变形、卷曲或晃动，影响结构完整性；沉积后的材料必须在保持形状的固体特性与层间粘合的流体特性之间取得平衡。

对含颗粒的墨水而言，此平衡尤为困难，尽管这类材料能提供更强的力学与功能性能。Ray补充道：“我们仍处于探索阶段，每个答案都带来新问题与新领域，这正是我们三人合作的初衷。”



综述同时强调了一些前景广阔的技术进展，包括光热固化材料及防堵塞专用喷嘴设计。

Sauret表示：“事实上，已有大量优秀的DIW研究分散于通常不交叉的领域——如医学、化学与土木工程。通过本综述，我们希望提出一个统一的基础流体力学框架，突出共性挑战，并激励跨学科合作以提升技术可靠性与普适性。”

除基础研究外，多个团队正将DIW创新转化为实际应用。约翰斯·霍普金斯大学研究人员在《自然·通讯》提出新型3D打印编程语言Time Code（T-Code），专为DIW优化，通过Python脚本将传统G代码拆分为两条同步轨道，实时协调打印机运动与关键任务，实现连续高精度制造。



韩国科学技术院、淑明女子大学与Aldaver的研究人员则将DIW应用于柔性电子领域，开发出可直接在织物上打印传感器的平台。该成果发表于《npj Flexible Electronics》，为生产能实时监测人体运动与生理信号的智能服装提供了可扩展的解决方案。