近日，能动学院硕士研究生李渐致在导师赵玉刚副教授指导下，在制造领域国际权威期刊《Journal of Manufacturing Processes》（JCR一区，中国科院SCI一区TOP）发表题为“基于冻结成型微尺度气柱的气泡嵌入式三维打印”（Embedded 3D printing of bubbles via freeze-casting microscale air columns）的研究论文。该研究提出了一种全新的气相三维打印策略，实现了微尺度气泡柱结构的可编程制造，为冰模板材料、微流控器件及软物质制造提供了新的技术路线。
三维增材制造是先进制造的重要发展方向，在航空航天、生物制造、柔性电子及功能材料等领域具有广泛应用。现有三维打印技术主要以液体、浆料或熔融材料作为打印墨水，受到材料流变特性、重力效应以及结构稳定性的限制，难以直接制造具有高长径比和复杂空间构型的气体结构。因此，发展一种能够实现气体三维精确成形的新型制造方法，对拓展增材制造对象和丰富制造工艺具有重要意义。
本研究首次提出了以气体作为直接打印“墨水”的嵌入式三维打印策略。研究团队利用浸润比表面实现对初始气泡尺寸与位置的锚定，通过疏水毛细管持续注入空气，并结合液体快速冻结过程，将动态生长的气泡柱即时固定，实现了三维微尺度气泡柱的稳定制造。研究揭示了冻结界面推进与界面力共同作用抑制Rayleigh–Plateau失稳、维持细长气泡柱稳定生长的物理机制，并实现了气泡柱直径、倾角及空间轨迹的精准调控。
基于该制造策略，研究团队成功制备了直柱、倾斜柱、弯曲柱、螺旋柱以及多气泡协同构筑等多种复杂三维结构，实现了最小约50 μm的气泡柱直径和超过100的长径比，同时通过调控进气压力完成了渐变直径及波纹状气泡柱的连续打印。相比传统直接墨水书写、低温打印及嵌入式打印技术，该方法突破了液体墨水流变性能和重力稳定性的限制，为复杂气体结构的高精度制造提供了新的思路，也为冰模板材料构筑、微流控芯片设计及软物质制造等领域开辟了新的研究方向。
该成果由北京航空航天大学尚晓朋副教授和新加坡南洋理工大学杨纯教授共同指导完成，李渐致为论文第一作者，尚晓朋副教授和赵玉刚副教授为通讯作者，上海理工大学为第一完成单位。该研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52276079）的资助。
