多材料3D打印-墨水直寫 | Nature Reviews Materials

來(lái)源：高分子科學(xué)前沿

近日，約翰霍普金斯大學(xué)的Nathan C. Brown、Daniel C. Ames和Jochen Mueller合作，全面探討了噴頭技術(shù)在材料擠出3D打印系統(tǒng)中的核心作用及其最新進(jìn)展。系統(tǒng)總結(jié)了噴頭技術(shù)如何通過(guò)多功能設(shè)計(jì)突破傳統(tǒng)制造限制，并為復(fù)雜材料組合和高精度結(jié)構(gòu)提供了全新解決方案。相關(guān)論文以《多材料擠出3D打印噴頭》為題，發(fā)表在《自然綜述：材料》（Nature Reviews Materials）。

噴頭技術(shù)的突破性進(jìn)展
噴頭作為3D打印系統(tǒng)的核心部件，其設(shè)計(jì)直接影響材料的可打印性和最終產(chǎn)品的性能。傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)受限于單一材料或低效率的多材料切換，而現(xiàn)代多材料擠出噴頭通過(guò)以下創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍：

1.形狀調(diào)制噴頭：包括固定、自適應(yīng)和多輸出噴頭，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整噴嘴尺寸和形狀，優(yōu)化打印分辨率和速度。例如，自適應(yīng)噴頭通過(guò)改變出口直徑，實(shí)現(xiàn)了從微米級(jí)到厘米級(jí)結(jié)構(gòu)的無(wú)縫打印。

2.性能調(diào)制噴頭：通過(guò)旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)或外部刺激（如磁場(chǎng)、溫度）實(shí)時(shí)調(diào)控材料性能。例如，磁性噴頭可定向排列鐵磁顆粒，制造可編程變形的軟體機(jī)器人。

3.多材料處理噴頭：支持材料快速切換、混合和共擠，實(shí)現(xiàn)功能梯度材料或異質(zhì)結(jié)構(gòu)的打印。例如，共擠噴頭可同時(shí)擠出硬質(zhì)和軟質(zhì)材料，制造兼具高剛度和韌性的晶格結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛拓展
噴頭技術(shù)的進(jìn)步為多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)了革命性應(yīng)用：

·機(jī)械超材料：通過(guò)多材料組合設(shè)計(jì)出具有負(fù)泊松比或可調(diào)應(yīng)變行為的結(jié)構(gòu)。

·軟體機(jī)器人：集成傳感與驅(qū)動(dòng)功能，例如磁性噴頭打印的軟體抓手可遠(yuǎn)程操控。

·生物打印：共擠噴頭制造血管化組織，或通過(guò)犧牲材料技術(shù)形成營(yíng)養(yǎng)輸送通道，提升細(xì)胞存活率。

·4D打印：利用刺激響應(yīng)材料（如溫敏水凝膠）實(shí)現(xiàn)打印后形狀自變形。

未來(lái)挑戰(zhàn)與展望
盡管噴頭技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，仍面臨以下挑戰(zhàn)：

1.材料兼容性：當(dāng)前噴頭多采用光固化聚合物制造，難以適應(yīng)高溫或腐蝕性材料，未來(lái)需開發(fā)金屬或陶瓷噴頭。

2.控制系統(tǒng)優(yōu)化：現(xiàn)有G代碼語(yǔ)言難以協(xié)調(diào)多模塊同步操作，需開發(fā)獨(dú)立控制算法以提升效率。

3.規(guī)模化生產(chǎn)：如何將實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)化為工業(yè)級(jí)應(yīng)用，仍需解決速度、精度和成本間的平衡問(wèn)題。

文章指出，噴頭技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)為未來(lái)創(chuàng)新提供了廣闊空間，例如結(jié)合更多功能（如4D打印實(shí)時(shí)調(diào)控）或擴(kuò)展至熔融沉積成型（FFF）等普及技術(shù)。隨著材料與控制的進(jìn)一步突破，3D打印有望徹底改變航空航天、醫(yī)療和消費(fèi)品等領(lǐng)域的制造范式。

圖1.多材料擠出增材制造。

圖2.材料適印性和改性。

圖3.形狀調(diào)制打印頭。

圖4.屬性調(diào)制打印頭。

圖5.多材料打印頭。

圖6.混合打印頭

圖7.材料擠出增材制造中的新興應(yīng)用。

論文信息：
Brown, N.C., Ames, D.C. & Mueller, J. Multimaterial extrusion 3D printing printheads. Nat Rev Mater (2025).

https://doi.org/10.1038/s41578-025-00809-y