供稿人:张晓宇 李涤尘 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2019-12-03
目前在市场上以及各科研单位见到的3D打印机（例如熔融沉积成形打印机，材料喷射成形打印机等）多为单喷嘴结构，也就是同时只能打印一种材料，如果想实现多材料的打印，就必须在打印过程中停机更换材料并调整工艺参数，大大降低了打印效率。后来双喷嘴3D打印机出现，可以实现两种材料的同时打印，但多数情况下一个喷嘴打印主体结构，另一个喷嘴打印支撑。这并没有实现变革性的突破。
哈佛大学工程与应用科学学院Mark A. Skylar-Scott等人研发出了一种多材料多喷嘴3D打印技术，该技术的关键在于多材料打印喷头内的流道结构设计以及不同材料之间的精准快速切换。其设计的巧妙之处在于通过立体式的三维流道结构设计将多个材料入口和材料出口集成到单个喷头上，并使用高速电磁阀精准的控制每个流道内的压力使不同材料在喷头出口处可以连续切换打印，从而实现单个喷嘴对材料的体素级控制。这些3D打印头本身也是使用3D打印制造的，从而使其能够快速定制，并便于制造界的其他用户采用。每个喷嘴每秒可以切换材料的速度高达50次。并且这种喷头结构最多可以支持8种材料同步打印，可并行排列多达128个喷嘴，极大提高了3D打印的工作效率以及柔性。
图1. 四种材料八喷嘴的喷头结构
多材料多喷嘴3D打印快速切换油墨的关键是打印头内的一系列Y形连接，多个油墨通道在一个输出喷嘴处汇合在一起。喷嘴的形状、打印压力和油墨粘度都经过精确计算和调整，因此，当将压力施加到连接点的“臂”之一时，向下流过该臂的油墨不会导致静态油墨进入另一臂向后流动，这可以防止油墨混合并保持打印对象的质量。通过使用一组快速气动阀操作打印头，这种单向流动特性可以快速组装从每个喷嘴连续流出的多种材料的细丝，并可以构造多种材料的零件。还可以调整油墨通道的长度，以考虑具有不同粘度和屈服应力的材料，从而比其他油墨更快或更慢地流动。
为了证明该技术的可行性，研究人员打印了可折叠结构以及软体机器人，如图2所示。其中机器人能够以每秒近半英寸的速度移动，同时承载的重量是其自身重量的八倍，并且可以与其他机器人连接以承载更重的负载。
图2. 打印出的折叠结构和软体机器人
值得注意的是，当前多材料多喷嘴3D打印头只能打印周期性（即重复）的零件，但这种多喷嘴的结构相比之前的诸如FDM打印机等是变革性的进步。如果使用较小的喷嘴将会实现在更高的分辨率，甚至更大的阵列下快速的单步3D打印。这将极大提高3D打印的工作效率和柔度。