哈佛大學(xué)懷斯研究所的研究人員開發(fā)了“多材料多噴嘴3D”（MM3D）打印的新技術(shù)。該技術(shù)使用高速壓力閥實(shí)現(xiàn)多達(dá)8種不同打印材料之間的快速、連續(xù)和無(wú)縫切換。這項(xiàng)新技術(shù)可以應(yīng)用在單個(gè)噴嘴或大型多噴嘴陣列的打印頭上，實(shí)現(xiàn)3D打印過程中多種材料的自由切換。

每秒切換50次 哈佛大學(xué)研究多材料3D打印

這些3D打印頭本身是使用3D打印制造的，從而能夠快速定制并便于工廠使用。每個(gè)噴嘴每秒可以切換材料的速度高達(dá)50次，甚至連人眼都看不清切換的過程。MM3D打印技術(shù)還可用于創(chuàng)建更復(fù)雜的對(duì)象，包括機(jī)器人。

該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并打印了一種由剛性和軟彈性體組成的柔軟機(jī)器人，形狀類似于千足蟲，其中包括嵌入式氣動(dòng)通道，這些通道使柔軟的“肌肉”被真空壓縮。從而使機(jī)器人能夠“行走”，在負(fù)載八倍于自重的情況下每秒移動(dòng)大約半英寸，并且可以與其他機(jī)器人連接以承受更大的負(fù)載。

通訊作者Jennifer A. Lewis，Sc.D.是哈佛大學(xué)威斯學(xué)院（Wyss Institute）的核心教員，任漢斯約格·威斯（Hansj?rgWyss）生物啟發(fā)工程教授。她說(shuō)：“這種方法能夠快速設(shè)計(jì)和制造體素，這是3D打印領(lǐng)域中的新興范例。使用多種功能、結(jié)構(gòu)和生物油墨，我們現(xiàn)在可以將不同的材料無(wú)縫地按需集成到3D打印過程中。”

Lewis教授參與的這項(xiàng)研究還有很長(zhǎng)的路要走，因?yàn)檫@種快速、精確的多噴嘴3D打印技術(shù)的最終目標(biāo)是打印生物組織和器官。Lewis教授正在進(jìn)行有關(guān)擠壓3D打印材料和生物材料的研究。而高級(jí)器官的3D打印的主要限制之一是使用水凝膠復(fù)制復(fù)雜的多種材料結(jié)構(gòu)（包括血管）的能力，并且不能損害細(xì)胞活性。

目前的限制是，當(dāng)前的MM3D打印頭只能重復(fù)打印相同的零件。但是隨著MM3D打印技術(shù)的發(fā)展，最終將打造出可以在不同時(shí)間擠出不同墨水的噴嘴、較小的噴嘴以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率，甚至更大的陣列可以在各種尺寸和分辨率下進(jìn)行快速的3D打印。

多材料多噴嘴3D（MM3D）打印每秒可在多達(dá)八種不同的墨水之間切換50次，從而可以在其他基于擠出的打印方法當(dāng)前所需的一小部分時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建復(fù)雜的高質(zhì)量3D對(duì)象。圖片來(lái)源：哈佛大學(xué)懷斯學(xué)院

大多數(shù)商用打印機(jī)一次只能使用一種材料，而能夠進(jìn)行多材料打印的噴墨打印機(jī)則受到液滴形成的物理?xiàng)l件的限制。當(dāng)使用傳統(tǒng)的擠壓式3D打印機(jī)時(shí)，打印所需的時(shí)間與目標(biāo)模型的尺寸成正比，因?yàn)榇蛴娮毂仨氀厝齻€(gè)維度移動(dòng)，而不僅僅是一個(gè)維度。MM3D將多噴嘴陣列與能夠在多種墨水之間快速切換的功能，有效地消除了切換打印頭所浪費(fèi)的時(shí)間，并有助于將幾何倍數(shù)的打印時(shí)長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為線性增長(zhǎng)，從而更快地打印多材料的3D模型。

打印頭可以容納多個(gè)噴嘴 每個(gè)噴嘴最多可以打印八種不同的材料

MM3D打印快速切換墨水的關(guān)鍵是打印頭內(nèi)的一系列Y形管道，多個(gè)墨水通道在一個(gè)輸出噴嘴處匯合在一起。噴嘴的形狀、打印壓力和墨水粘度都經(jīng)過精確計(jì)算和調(diào)整，因此，當(dāng)將壓力施加到連接點(diǎn)的其中一個(gè)分叉時(shí)，向下流的墨水會(huì)阻止另一個(gè)分叉墨水進(jìn)入并且向后流動(dòng)，這可以防止墨水混合并保持打印對(duì)象的單一材質(zhì)。通過使用一排快速氣動(dòng)閥操作打印頭，這種單向流動(dòng)特性可以快速切換每個(gè)噴嘴連續(xù)流出的多種材料的細(xì)絲，并可以構(gòu)造多種材料符合的零件。

論文共同第一作者Jochen Mueller博士說(shuō)：“借助MM3D技術(shù)，人們可以使用特性隨時(shí)間變化的反應(yīng)性材料，例如環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚氨酯或生物墨水，還可以輕松地將不同特性的材料集成在一起，以創(chuàng)建類似折紙一樣的結(jié)構(gòu)或兼具剛性與柔性部件的軟機(jī)器人。

圖每個(gè)噴嘴（最左側(cè)）中的特殊Y形連接處可實(shí)現(xiàn)墨水之間的快速切換

為了證明他們的技術(shù)，研究人員打印了三浦折紙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由剛性的“面板”部分與高度靈活的“鉸鏈”部分連接而成。以前構(gòu)造這種結(jié)構(gòu)的方法需要手動(dòng)將它們組裝在一起，形成堆疊。現(xiàn)在MM3D打印頭能夠通過使用八個(gè)噴嘴連續(xù)擠出兩種交替的環(huán)氧樹脂墨水，一步一步地打印出整體，這些墨水的剛度相差四個(gè)數(shù)量級(jí)。鉸鏈1000多次折疊之后才損壞，表明在打印出的硬質(zhì)材料和柔性材料實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的搭配契合。