噴墨打印是一種典型的材料噴射工藝，由于它可以在按需噴射中精確分配以及控制溶液的體積，因此它具有打印精度在10μm量級(jí)的精確點(diǎn)陣、2D圖案、3D圖案優(yōu)勢(shì)。然而，我們普遍認(rèn)為噴墨打印技術(shù)主要的局限性在于其允許打印的溶液粘度范圍。一般來說，粘度高于70mpa*s（cp）的溶液會(huì)對(duì)打印質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，噴頭噴射溶液不穩(wěn)定或者堵塞會(huì)導(dǎo)致其無法達(dá)到最佳的噴射條件。同時(shí)，在生物打印過程中，一些生物材料可能會(huì)互相發(fā)生反應(yīng)，在混合后，由于化學(xué)反應(yīng)或凝膠作用，產(chǎn)生的粘度可能會(huì)太高，導(dǎo)致噴頭堵塞無法進(jìn)行噴墨打印。那么對(duì)于這種反應(yīng)性材料的打印，最好是在打印后進(jìn)行溶液混合，可以使用交叉噴墨打印的方式來實(shí)現(xiàn)溶液在下落的空中進(jìn)行混合。

交叉射流的噴墨打印是通過使用噴墨噴頭同時(shí)噴射出兩個(gè)（或者更多）液滴，在接收基板之上進(jìn)行碰撞、混合和原位反應(yīng)來構(gòu)建圖形、點(diǎn)陣、3D結(jié)構(gòu)等。該裝置可分為三個(gè)主要功能：液滴產(chǎn)生、液滴方向控制和接收基板調(diào)整。

通過不同的液滴、射流形成機(jī)制，如微分器、噴墨打印頭和空氣中微流體，可以使用液滴、射流在空氣中碰撞的概念來實(shí)現(xiàn)同步打印。

Christensen等人開發(fā)了一種基于交叉噴射的生物打印方法，可以將反應(yīng)性材料作為碰撞液滴打印3D結(jié)構(gòu)。同樣，Visser等人使用空氣中微流體技術(shù)制造了封裝的液滴，并進(jìn)一步利用液滴射入空氣中的連續(xù)液體射流來制造不同材料的自由形狀。如果使用凝膠反應(yīng)材料，它們會(huì)以凝膠過程的形式發(fā)生反應(yīng)，從而形成用于3D結(jié)構(gòu)打印的液滴。
 

　　　▲ 利用交叉噴墨進(jìn)行的3D打印　　　　　　　　　　　　      ▲ 液滴碰撞過程 

實(shí)驗(yàn)案例
實(shí)驗(yàn)設(shè)置：使用直徑120μm的MJ-ABL壓電噴墨噴頭（MicroFab）產(chǎn)生的液滴頻率為20~60Hz，上升沿和下降沿時(shí)間參數(shù)為6μs，正電平、負(fù)電平時(shí)間為35~65μs，驅(qū)動(dòng)壓電分別在±80V和±85V之間。為了保持所需的溶液穩(wěn)定，使用多通道氣控制器（MicroFab）施加背壓。通過使用定制的測(cè)角儀，將打印頭定向到相應(yīng)的傾斜角α和β（通常為0~30°），分別對(duì)應(yīng)打印噴頭1和打印噴頭2，從而使兩種射流軌跡相交。其中，1號(hào)打印噴頭用于海藻酸鹽，2號(hào)打印噴頭用于氯化鈣。

接收基底由一個(gè)不銹鋼絲網(wǎng)、過濾器和下面的Kimwipes紙巾組成的液滴吸收系統(tǒng)組成，如圖1所示，液體吸收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是為了吸收多余的液體，比如水，由于重力通過金屬絲網(wǎng)和紙巾排出。網(wǎng)孔尺寸分別為80μm、100μm和200μm，對(duì)應(yīng)的公稱篩孔尺寸分別為177μm、149μm和74μm。打印噴頭運(yùn)動(dòng)由XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制，接收基板高度由Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制，打印結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型如圖2所示。打印噴頭運(yùn)動(dòng)速度從1~10mm/s。
 

　　　　　　▲ 圖一 交叉噴墨3D打印工藝　　　　　　 ▲ 圖二 實(shí)驗(yàn)裝置

重力通過金屬絲網(wǎng)和紙巾排出。網(wǎng)孔尺寸分別為80μm、100μm和200μm，對(duì)應(yīng)的公稱篩孔尺寸分別為177μm、149μm和74μm。打印噴頭運(yùn)動(dòng)由XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制，接收基板高度由Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制，打印結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型如圖2所示。打印噴頭運(yùn)動(dòng)速度從1~10mm/s。

MicroFab實(shí)驗(yàn)案例
實(shí)驗(yàn)設(shè)置：利用兩個(gè)安裝機(jī)構(gòu)機(jī)械配合，將兩個(gè)40μm噴頭以一定的角度（~55°）放置。

一個(gè)安裝噴頭裝置可以相對(duì)于另一個(gè)裝置旋轉(zhuǎn)，以確保液滴的軌跡相交。

一個(gè)波形發(fā)生器作為主發(fā)生器（保證同步），觸發(fā)兩個(gè)設(shè)備的電驅(qū)動(dòng)發(fā)生器（其中一個(gè)與同步脈沖有關(guān)的可變延遲；延遲的目的是為了保證從兩個(gè)裝置中產(chǎn)生的液滴同時(shí)到達(dá)他們的軌跡的交點(diǎn)）。

由波形發(fā)生器觸發(fā)的頻閃也用于照亮液滴的形成和合并。應(yīng)用于LED頻閃的信號(hào)可以從同步的信號(hào)延遲，允許沿下落路徑的不同位置觀測(cè)液滴。

下面的圖像是以480HZ頻率觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)去離子水的合并過程。合并后可以觀察到更大的液滴（對(duì)于大致相等的液滴，合并后的液滴直徑將大于原來的液滴∛2=1.25倍。）

▲ 液滴碰撞、融合的過程

RUIDU實(shí)驗(yàn)案例
實(shí)驗(yàn)設(shè)置：2個(gè)20μm噴頭，溶液都為95%的酒精。根據(jù)MicroFab提供的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行的復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)。裝置及結(jié)果如圖所示。
 

▲ 睿度實(shí)驗(yàn)裝置

▲ 復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果