3D打印再登《Nature》，突破多材料多噴頭打印技術
時間：2019-11-18 09:13 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
致謝：西湖大學工學院張博語，馮帆，周南嘉提供技術內容
3D打印技術在多材料打印方面一直存在著一定的技術瓶頸，因此我們平時常見的擠出式3D打印機都是只有一個噴頭，只能同時打印一種材料，就像下面這樣。
為了實現多材料的3D打印，設備廠商一般會選擇將噴頭增加為兩個，分別打印不同的材料，比如一種材料作為最終模型，另一種材料作為支撐結構等。然而，如果想再進一步的增加材料種類數量，則會變得很困難，因為再增加噴頭會很困難。
文章報道了一種多材料3D打印技術（MM3D），其通過在單個噴嘴噴出材料時的快速切換，實現了體素級的多材料功能結構的快速打印，極大的拓展了3D打印在復雜功能結構的制造能力。也就是說，用一個噴頭，快速切換打印材料，來實現多材料的精準打印，就像下面這樣。
如果僅僅是這樣就能上《Nature》的話，那就太小看自然雜志了。既然兩種材料可以打印，那么換成4種材料也能完美應對。
而更加令人震驚的是，噴頭可以進一步增加為4個，同時打印四種材料的結構，最多甚至可以支持8種材料同步打印。
16個噴頭同時打印也不在話下，作者表示，最多可以并行排列多達128個噴頭。
該技術的關鍵在于多材料打印噴頭內的流道結構設計以及不同材料之間的精準快速切換。其設計的巧妙之處在于通過立體式的三維流道結構設計將多個材料入口和材料出口集成到單個噴頭上，并使用高速電磁閥精準的控制每個流道內的壓力使不同材料在噴頭出口處可以連續切換打印，從而實現單個噴嘴對材料的體素級控制。
再把不同材料的軟硬度特性、結構設計結合起來，就可以制造出功能性的產品。該團隊利用MM3D打印技術一體化的制造出了折紙結構以及軟體機器人。
展望未來，這種集成化的多材料打印噴頭將實現體素化功能性結構的快速打印，此外在打印分辨率和打印效率方面，定制化的打印墨水和和打印結構的功能化同樣具有重要的研究和應用價值。
Lewis教授團隊在3D打印領域深耕多年，完成了諸如智能材料4D打印、多材料打印以及嵌入式打印等多種打印技術的突破。
據南極熊了解，在目前已經商業化的3D打印設備中，以Stratasys J850為代表的高端3D打印機也已經實現了多材料、多色彩的3D打印。比如下面這個眼睛，就是用了多材質、多顏色的打印實現的。Stratasys使用的是其公司獨家的PolyJet技術。
可是你說這個眼睛都是硬性的材料，沒有發揮材料的軟硬度特性，那么請再看下下面這個眼睛。
不過Stratasys J850目前的售價在數百萬元，而Jennifer A. Lewis教授團隊的MM3D技術方案可以在很低的成本下實現。
3D打印技術在多材料打印方面一直存在著一定的技術瓶頸，因此我們平時常見的擠出式3D打印機都是只有一個噴頭，只能同時打印一種材料，就像下面這樣。
為了實現多材料的3D打印，設備廠商一般會選擇將噴頭增加為兩個，分別打印不同的材料，比如一種材料作為最終模型，另一種材料作為支撐結構等。然而，如果想再進一步的增加材料種類數量，則會變得很困難，因為再增加噴頭會很困難。
△某品牌雙噴頭FDM 3D打印機
△雙噴頭打印的兩種材料模型（來源：森工科技）
如果想使用一個噴頭來打印多種材料，則會變得非常困難，尤其很難實現在精確的位置更換材料，主要是因為在不同材料之間的切換速度太慢了。因此，只能做成混色的效果，就像下圖這樣。
△單噴頭多材料混色3D打印（來源：森工科技）
近日，技術獲得了新的突破。2019年11月13日，哈佛大學工程與應用科學學院Jennifer A.
Lewis教授團隊，在國際頂級期刊《Nature》在線發表名為“Voxelated soft matter via multimaterial
multinozzle 3D printing”的研究文章。翻譯成中文大概就是“多材料多噴頭3D打印制造出的體素級柔性物體”。文章報道了一種多材料3D打印技術（MM3D），其通過在單個噴嘴噴出材料時的快速切換，實現了體素級的多材料功能結構的快速打印，極大的拓展了3D打印在復雜功能結構的制造能力。也就是說，用一個噴頭，快速切換打印材料，來實現多材料的精準打印，就像下面這樣。
△材料切換速度非常快
這樣一來，就可以通過控制材料的精確切換，來打印兩種材料，實現下圖這樣的效果。 如果僅僅是這樣就能上《Nature》的話，那就太小看自然雜志了。既然兩種材料可以打印，那么換成4種材料也能完美應對。
而更加令人震驚的是，噴頭可以進一步增加為4個，同時打印四種材料的結構，最多甚至可以支持8種材料同步打印。
16個噴頭同時打印也不在話下，作者表示，最多可以并行排列多達128個噴頭。
該技術的關鍵在于多材料打印噴頭內的流道結構設計以及不同材料之間的精準快速切換。其設計的巧妙之處在于通過立體式的三維流道結構設計將多個材料入口和材料出口集成到單個噴頭上，并使用高速電磁閥精準的控制每個流道內的壓力使不同材料在噴頭出口處可以連續切換打印，從而實現單個噴嘴對材料的體素級控制。
再把不同材料的軟硬度特性、結構設計結合起來，就可以制造出功能性的產品。該團隊利用MM3D打印技術一體化的制造出了折紙結構以及軟體機器人。
△3D打印出的可折疊結構
△同時打印硬性材料和柔性材料
△通過氣體來控制其舒張
△然后就成了3D打印軟體機器人，甚至可以搬運兩個燒瓶
展望未來，這種集成化的多材料打印噴頭將實現體素化功能性結構的快速打印，此外在打印分辨率和打印效率方面，定制化的打印墨水和和打印結構的功能化同樣具有重要的研究和應用價值。
Lewis教授團隊在3D打印領域深耕多年，完成了諸如智能材料4D打印、多材料打印以及嵌入式打印等多種打印技術的突破。
據南極熊了解，在目前已經商業化的3D打印設備中，以Stratasys J850為代表的高端3D打印機也已經實現了多材料、多色彩的3D打印。比如下面這個眼睛，就是用了多材質、多顏色的打印實現的。Stratasys使用的是其公司獨家的PolyJet技術。
可是你說這個眼睛都是硬性的材料，沒有發揮材料的軟硬度特性，那么請再看下下面這個眼睛。
不過Stratasys J850目前的售價在數百萬元，而Jennifer A. Lewis教授團隊的MM3D技術方案可以在很低的成本下實現。
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