3D 打印技术的进步已使医学、制造和能源等多个领域的众多应用成为可能。可以使用多种不同的材料来打印简单的基础和精细的细节，从而创建具有定制几何形状的结构。
然而，创建具有微尺度、精确内部空隙和通道的结构仍然具有挑战性。例如，组织工程中使用的支架必须包含模拟人体血管的三维复杂管道网络。使用传统的增材制造技术，材料是逐层沉积的，很难在不牺牲时间、准确性和资源的情况下打印出如此复杂的内部特征。
为了解决这个问题，卡内基梅隆大学机械工程学教授 Philip LeDuc 和 Burak Ozdoganlar 正在带头开发自由曲面 3D 冰打印 (3D-ICE) 工艺。该技术采用按需滴落的 3D 打印方法，用水代替传统的印刷油墨。压电喷墨喷嘴将微小的水滴喷射到保持在冰点以下的构建平台上。这使得水滴在接触后不久就会冻结。
独特的是，可以控制该过程以在前一滴液滴冻结之前沉积一滴或多滴液滴。这样，水帽会留在打印结构的顶部，而冻结从底部开始。这使得能够创建具有光滑壁、过渡和分支的结构。可以制造出像人类头发一样小的结构。
随着越来越多的液滴沉积，构建平台上形成了冰结构。通过控制液滴沉积速率以及打印表面、液滴和工作空间的温度，可以调整柱状几何形状的直径、高度和相对平滑度。
如果构建平台发生移动，使得进入的液滴以一定角度撞击，则冻结前沿将相应旋转，从而可以产生分支、弯曲和悬垂的结构，而如果没有额外的支撑材料，使用其他 3D 打印技术打印这些结构将是具有挑战性的或不可能的。
“3D 冰可以用作牺牲材料，这意味着我们可以用它在制造的部件内部创建精确形状的通道，”勒杜克说。“这将在很多领域都有用，从制造新组织到软机器人。”