供稿人：吕洋、高琳 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-03-10
基于挤压的 3D 打印主要使用具有固定出口形状的喷嘴。这需要在分辨率和速度之间进行权衡：高分辨率需要较小的喷嘴直径，而高材料沉积速率需要更大的直径。这种矛盾在多尺度结构中尤为明显，因为这些结构既包含大体积部分，又包含精细特征。此外关于形状，固定喷嘴通常采用圆形横截面，圆形截面的丝材在填充复杂几何形状时容易产生空隙，尤其是在打印固体结构时，导致密度不足和表面粗糙。
约翰霍普金斯大学的研究团队开发了自适应喷嘴 3D 打印 （AN3DP）平台，该平台能够在打印过程中原位主动控制细丝的大小和横截面形状。喷嘴采用锥形内部设计，使其在处理非牛顿流体时特别有效。AN3DP 有助于在单次设置中沉积连续变化大小和形状的细丝。它使挤出细丝直径的变化高达3.33倍，例如，从3到10毫米。喷嘴可以产生一系列形状，包括圆形、方形、矩形和星形。此外，它可以将这些特征尺寸在4到10 mm之间的形状沉积到基板上。
图1 AN3DP平台自适应示意图
AN3DP的核心创新在于其自适应喷嘴设计。该喷嘴由八个独立控制的金属针组成，围绕一个柔性、耐压的硅橡胶膜排列。通过电机驱动电缆系统，针可以向外或向内移动，从而改变喷嘴的出口直径和形状。喷嘴的内部设计为锥形，优化了剪切变稀材料的挤出效果，适合在狭窄空间内的嵌入式打印。
图2 控制AN3DP打印头
与传统 3D 打印方法相比，AN3DP 通过制造具有连续梯度的组件、消除离散化需求并实现更高的密度和轮廓精度来证明其功效。该平台大大扩展了基于挤压的 3D 打印机的范围，从而促进了各种应用，包括具有骨状微结构的生物打印载细胞和分层植入物。