哈佛大学的研究人员研发了一种新的3D 打印制造方法，有望加快3D打印技术落后领域——多材质打印的发展。

 

这项技术被称为多材料多喷嘴3D打印技术（MM3D），是由哈佛大学怀斯生物启发工程学院（Wyss）和约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）共同开发的。MM3D技术使用高速压力阀可以实现快速、连续以及多达8种不同打印材料之间的无缝切换，而且每个喷嘴切换材料的速度高达50次/秒。研究人员表示，这相当于蜂鸟拍打翅膀的速度。

MM3D技术打印的3D打印头可无缝切换多个不同的材料，速度高达50次每秒。

这项技术采用单个喷嘴或大型多喷嘴阵列的打印头，创建复杂的形状所需的时间远远小于现有的3D打印技术。

此外，在这一过程中使用的3D打印头也是利用3D打印技术生产的，因此可以快速定制，也允许其他使用者创建自己所需要的产品。

WYSS研究所的研究人员Mark Skylar-Scott表示：“当使用传统挤出原理的3D打印机打印产品时，打印产品所需的时间与产品的长度成立方比关系，因为打印喷嘴必须沿三个维度移动，而不仅仅是一个维度。”

Skylar-Scott也表示：“MM3D技术将多喷嘴阵列与能够在多种熔体之间快速切换的能力结合起来，有效地消除了切换打印头所浪费的时间，并有助于将时间与打印对象长度的比例规律从立方关系缩小到到线性关系，因此使用者可以更快地打印多材料的3D产品。”

克服液滴沉积

目前，大多数商业3D打印机一次只能采用一种材料构建物体。虽然有些喷墨打印机能够进行多种材料打印，但都会受到液滴沉积造成的制约。

一种3D打印方法的原理是挤出打印，它允许使用多种材料来创建一个对象。然而，这个过程非常缓慢。例如，使用一个单喷嘴、单材料的喷头，打印速度为10厘米/秒，来制造一个体积约为1升、分辨率为人类头发的3D物体大约需要10天的时间。

MM3D解决了这个速度问题，它的打印头内有一系列Y形结，里面多个熔体通道汇合在一个输出喷嘴处。

哈佛大学的Wyss团队精确计算并调整了喷嘴的形状、打印压力和熔体粘度，这样当压力施加在接头的一个“机械臂”上时，流过这只机械臂的熔体不会使另一只机械臂上的静态熔体倒流。研究人员说，这可以防止熔体混合并保持打印产品的质量。

工程师们还使用一组快速气动阀门来操作喷头，促进了这种单向流动行为，从而可以快速组装从每个喷嘴连续流出的多层细丝，构造出多材质产品。

Wyss与Sea的研究员Jochen Mueller表示，考虑到具有不同粘度和屈服应力的材料，熔体通道的长度可以调整，这将使它们在进行多层材料制造时，能比其他材料熔体流动得更快或更慢。

Mueller表示：“由于MM3D打印可以如此快速地生产零件，因此人们可以使用其特性随时间变化的反应性材料，例如环氧树脂、硅树脂、聚氨酯或生物油墨。人们还可以轻松地将具有不同特性的材料集成在一起，创建出类似折纸的构架或同时包含刚性和柔性元素的软机器人。”

复杂、耐用、快速

研究人员在Nature杂志上发表了一篇关于MM3D研究的论文。在这篇论文中，他们通过打印三浦折纸结构来展示研究成果，该结构由刚性的“面板”部分与高度柔性的“铰链”部分连接而成。

以前在构建这样的结构时，需要单独打印每一层的结构，然后手动堆叠组装。通过使用MM3D，研究人员可以通过八个喷嘴连续挤出两种交替的、固化后达到不同刚度的环氧树脂熔体，一步一步打印出整个产品。

此外，研究人员解释说，铰链在失效前经受了1000多次折叠循环。这表明在打印过程中，刚性材料和柔性材料之间实现了高质量的过度。

MM3D打印还可用于创建更复杂的对象——软体机器人，它由刚性和柔软的弹性体组成，形状类似于千足虫。该机器人包括嵌入式气动通道，这些通道使柔软的“肌肉”被真空依次压缩，使机器人能够“行走”，同时可承载相对自身重量8倍的负载。

哈佛大学的研究人员将继续从不同的方面发展MM3D打印，特别是改进打印过程中使用的喷嘴。他们希望研发出不同形式的喷嘴，例如能在不同时间挤出不同熔体的喷嘴、具有高分辨率的小型喷嘴，甚至是大型喷嘴阵列，可用于快速一步完成具有不同大小和分辨率范围的3D打印产品。研究人员还在探索如何使用反应性材料实现更复杂的形状。

(来源：Design News   编译：北京化工大学  张露)