3D打印再登《Nature》，突破多材料多噴頭打印技術(shù)

致謝：西湖大學(xué)工學(xué)院張博語，馮帆，周南嘉提供技術(shù)內(nèi)容

3D打印技術(shù)在多材料打印方面一直存在著一定的技術(shù)瓶頸，因此我們平時(shí)常見的擠出式3D打印機(jī)都是只有一個(gè)噴頭，只能同時(shí)打印一種材料，就像下面這樣。

為了實(shí)現(xiàn)多材料的3D打印，設(shè)備廠商一般會(huì)選擇將噴頭增加為兩個(gè)，分別打印不同的材料，比如一種材料作為最終模型，另一種材料作為支撐結(jié)構(gòu)等。然而，如果想再進(jìn)一步的增加材料種類數(shù)量，則會(huì)變得很困難，因?yàn)樵僭黾訃婎^會(huì)很困難。

△某品牌雙噴頭FDM 3D打印機(jī)

△雙噴頭打印的兩種材料模型（來源：森工科技）

如果想使用一個(gè)噴頭來打印多種材料，則會(huì)變得非常困難，尤其很難實(shí)現(xiàn)在精確的位置更換材料，主要是因?yàn)樵诓煌牧现g的切換速度太慢了。因此，只能做成混色的效果，就像下圖這樣。

△單噴頭多材料混色3D打?。▉碓矗荷た萍迹?/div>
近日，技術(shù)獲得了新的突破。2019年11月13日，南極熊注意到哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院Jennifer A. Lewis教授團(tuán)隊(duì)，在國際頂級(jí)期刊《Nature》在線發(fā)表名為“Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing”的研究文章。翻譯成中文大概就是“多材料多噴頭3D打印制造出的體素級(jí)柔性物體”。

文章報(bào)道了一種多材料3D打印技術(shù)（MM3D），其通過在單個(gè)噴嘴噴出材料時(shí)的快速切換，實(shí)現(xiàn)了體素級(jí)的多材料功能結(jié)構(gòu)的快速打印，極大的拓展了3D打印在復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)的制造能力。也就是說，用一個(gè)噴頭，快速切換打印材料，來實(shí)現(xiàn)多材料的精準(zhǔn)打印，就像下面這樣。

△材料切換速度非?？?/div>

這樣一來，就可以通過控制材料的精確切換，來打印兩種材料，實(shí)現(xiàn)下圖這樣的效果。

如果僅僅是這樣就能上《Nature》的話，那就太小看自然雜志了。既然兩種材料可以打印，那么換成4種材料也能完美應(yīng)對(duì)。

而更加令人震驚的是，噴頭可以進(jìn)一步增加為4個(gè)，同時(shí)打印四種材料的結(jié)構(gòu)，最多甚至可以支持8種材料同步打印。

16個(gè)噴頭同時(shí)打印也不在話下，作者表示，最多可以并行排列多達(dá)128個(gè)噴頭。

該技術(shù)的關(guān)鍵在于多材料打印噴頭內(nèi)的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及不同材料之間的精準(zhǔn)快速切換。其設(shè)計(jì)的巧妙之處在于通過立體式的三維流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將多個(gè)材料入口和材料出口集成到單個(gè)噴頭上，并使用高速電磁閥精準(zhǔn)的控制每個(gè)流道內(nèi)的壓力使不同材料在噴頭出口處可以連續(xù)切換打印，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)噴嘴對(duì)材料的體素級(jí)控制。

再把不同材料的軟硬度特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合起來，就可以制造出功能性的產(chǎn)品。該團(tuán)隊(duì)利用MM3D打印技術(shù)一體化的制造出了折紙結(jié)構(gòu)以及軟體機(jī)器人。

△3D打印出的可折疊結(jié)構(gòu)

△同時(shí)打印硬性材料和柔性材料

△通過氣體來控制其舒張

△然后就成了3D打印軟體機(jī)器人，甚至可以搬運(yùn)兩個(gè)燒瓶

展望未來，這種集成化的多材料打印噴頭將實(shí)現(xiàn)體素化功能性結(jié)構(gòu)的快速打印，此外在打印分辨率和打印效率方面，定制化的打印墨水和和打印結(jié)構(gòu)的功能化同樣具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

Lewis教授團(tuán)隊(duì)在3D打印領(lǐng)域深耕多年，完成了諸如智能材料4D打印、多材料打印以及嵌入式打印等多種打印技術(shù)的突破。

據(jù)南極熊了解，在目前已經(jīng)商業(yè)化的3D打印設(shè)備中，以Stratasys J850為代表的高端3D打印機(jī)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了多材料、多色彩的3D打印。比如下面這個(gè)眼睛，就是用了多材質(zhì)、多顏色的打印實(shí)現(xiàn)的。Stratasys使用的是其公司獨(dú)家的PolyJet技術(shù)。

可是你說這個(gè)眼睛都是硬性的材料，沒有發(fā)揮材料的軟硬度特性，那么請(qǐng)?jiān)倏聪孪旅孢@個(gè)眼睛。

不過Stratasys J850目前的售價(jià)在數(shù)百萬元，而Jennifer A. Lewis教授團(tuán)隊(duì)的MM3D技術(shù)方案可以在很低的成本下實(shí)現(xiàn)。