打印頭是材料擠出3D打印系統(tǒng)的基石，現(xiàn)在能夠處理幾乎任何材料。近日，約翰霍普金斯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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)地總結(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，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。此外，本文還確定了開(kāi)放的挑戰(zhàn)，并對(duì)多材料3D打印的未來(lái)進(jìn)行了展望。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）上。

噴頭技術(shù)的三大突破

在3D打印領(lǐng)域，噴頭技術(shù)作為核心部件，其設(shè)計(jì)直接影響著材料的可打印性和最終產(chǎn)品的性能。噴頭技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從單一材料到多材料、從固定形狀到動(dòng)態(tài)調(diào)整的轉(zhuǎn)變。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： 

形狀調(diào)制噴頭：精度與速度的平衡傳統(tǒng)

3D打印技術(shù)受限于固定噴嘴尺寸，難以兼顧高精度和大尺寸結(jié)構(gòu)的打印。而形狀調(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。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。這種靈活性使得打印復(fù)雜幾何形狀和梯度結(jié)構(gòu)成為可能，為航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的高精度需求提供了解決方案。

▲形狀調(diào)制打印頭

性能調(diào)制噴頭：材料性能的實(shí)時(shí)調(diào)控

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。這種技術(shù)不僅拓展了材料的應(yīng)用范圍，還為智能材料和柔性電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供了新途徑。在陶瓷制造中，通過(guò)溫度調(diào)控可以優(yōu)化陶瓷粉末的熔融狀態(tài)，提高打印件的密度和強(qiáng)度。

▲屬性調(diào)制打印頭

多材料處理噴頭：功能梯度材料的實(shí)現(xiàn)

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)。這種技術(shù)在機(jī)械超材料、生物打印等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。例如，在生物打印中，共擠噴頭可以同時(shí)打印細(xì)胞外基質(zhì)和細(xì)胞，促進(jìn)組織的血管化和細(xì)胞存活。

▲多材料打印頭

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：

應(yīng)用拓展

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。

 ▲材料擠出增材制造中的新興應(yīng)用

未來(lái)挑戰(zhàn)與展望

面臨的挑戰(zhàn)

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(kāi)發(fā)金屬或陶瓷噴頭。

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(kāi)發(fā)獨(dú)立控制算法以提升效率。

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)域的制造方式。

總結(jié)與啟示

文章首次將噴頭技術(shù)歸納為形狀調(diào)制、性能調(diào)制、多材料處理三大創(chuàng)新維度，突破了傳統(tǒng)按設(shè)備類型劃分的研究框架。清晰展現(xiàn)了噴頭設(shè)計(jì)從 "單一執(zhí)行部件" 向 "智能材料處理器" 的進(jìn)化路徑。涵蓋技術(shù)原理和工程應(yīng)用關(guān)聯(lián)分析，為后續(xù)研究提供了可復(fù)制的研究范式。但該研究仍存在可拓展空間：如對(duì)金屬、陶瓷基復(fù)合材料打印的噴頭耐磨損特性分析不足，對(duì)極端環(huán)境下的噴頭系統(tǒng)可靠性研究尚屬空白。但整體而言，文章通過(guò) "基礎(chǔ)研究 - 技術(shù)創(chuàng)新 - 工程應(yīng)用" 的完整邏輯鏈，不僅夯實(shí)了3D打印噴頭技術(shù)的理論根基，更以鮮明的問(wèn)題導(dǎo)向?yàn)楫a(chǎn)業(yè)界指明了突破方向。

其中提出的多材料復(fù)合制造理念，正在被升華三維粉末擠出打印技術(shù)（PEP）的國(guó)產(chǎn)創(chuàng)新實(shí)踐所印證，其針對(duì)高性能特種金屬和先進(jìn)陶瓷的特殊加工需求，自主研發(fā)了獨(dú)立雙噴嘴擠出系統(tǒng)與三螺桿雙組份單噴嘴擠出系統(tǒng)，通過(guò)兩種差異化技術(shù)路徑，破解了多材料復(fù)合、梯度功能材料制備、高精度界面調(diào)控等行業(yè)難題，推動(dòng)金屬、陶瓷從單一結(jié)構(gòu)向 “復(fù)合結(jié)構(gòu) - 功能一體化” 器件跨越。隨著技術(shù)的不斷突破，我們有理由期待，3D打印將在更多領(lǐng)域?yàn)楦叨酥圃鞄?lái)更多驚喜。

 ▲升華三維PEP技術(shù)的顆粒擠出系統(tǒng)

論文信息：

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

來(lái)源聲明：

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