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

來源：高分子科學前沿

近日，約翰霍普金斯大學的Nathan C. Brown、Daniel C. Ames和Jochen Mueller合作，全面探討了噴頭技術在材料擠出3D打印系統(tǒng)中的核心作用及其最新進展。系統(tǒng)總結了噴頭技術如何通過多功能設計突破傳統(tǒng)制造限制，并為復雜材料組合和高精度結構提供了全新解決方案。相關論文以《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）。

噴頭技術的突破性進展
噴頭作為3D打印系統(tǒng)的核心部件，其設計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以下創(chuàng)新實現(xiàn)了質的飛躍：

1.形狀調(diào)制噴頭：包括固定、自適應和多輸出噴頭，能夠動態(tài)調(diào)整噴嘴尺寸和形狀，優(yōu)化打印分辨率和速度。例如，自適應噴頭通過改變出口直徑，實現(xiàn)了從微米級到厘米級結構的無縫打印。

2.性能調(diào)制噴頭：通過旋轉、振動或外部刺激（如磁場、溫度）實時調(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器人。

3.多材料處理噴頭：支持材料快速切換、混合和共擠，實現(xiàn)功能梯度材料或異質結構的打印。例如，共擠噴頭可同時擠出硬質和軟質材料，制造兼具高剛度和韌性的晶格結構。

應用領域的廣泛拓展
噴頭技術的進步為多個領域帶來了革命性應用：

·機械超材料：通過多材料組合設計出具有負泊松比或可調(diào)應變行為的結構。

·軟體機器人：集成傳感與驅動功能，例如磁性噴頭打印的軟體抓手可遠程操控。

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

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

未來挑戰(zhàn)與展望
盡管噴頭技術已取得顯著進展，仍面臨以下挑戰(zhàn)：

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

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

3.規(guī)模化生產(chǎn)：如何將實驗室技術轉化為工業(yè)級應用，仍需解決速度、精度和成本間的平衡問題。

文章指出，噴頭技術的模塊化設計為未來創(chuàng)新提供了廣闊空間，例如結合更多功能（如4D打印實時調(diào)控）或擴展至熔融沉積成型（FFF）等普及技術。隨著材料與控制的進一步突破，3D打印有望徹底改變航空航天、醫(yī)療和消費品等領域的制造范式。

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