每秒切换50次 哈佛大学研究多材料3D打印技术

　　哈佛大学怀斯研究所的研究人员开发了“多材料多喷嘴3D”（MM3D）打印的新技术。该技术使用高速压力阀实现多达8种不同打印材料之间的快速、连续和无缝切换。这项新技术可以应用在单个喷嘴或大型多喷嘴阵列的打印头上，实现3D打印过程中多种材料的自由切换。

　　这些3D打印头本身是使用3D打印制造的，从而能够快速定制并便于工厂使用。每个喷嘴每秒可以切换材料的速度高达50次，甚至连人眼都看不清切换的过程。MM3D打印技术还可用于创建更复杂的对象，包括机器人。

　　该研究团队设计并打印了一种由刚性和软弹性体组成的柔软机器人，形状类似于千足虫，其中包括嵌入式气动通道，这些通道使柔软的“肌肉”被真空压缩。从而使机器人能够“行走”，在负载八倍于自重的情况下每秒移动大约半英寸，并且可以与其他机器人连接以承受更大的负载。

　　通讯作者Jennifer A. Lewis，Sc.D.是哈佛大学威斯学院（Wyss Institute）的核心教员，任汉斯约格威斯（HansjrgWyss）生物启发工程教授。她说：“这种方法能够快速设计和制造体素，这是3D打印领域中的新兴范例。使用多种功能、结构和生物油墨，我们现在可以将不同的材料无缝地按需集成到3D打印过程中。”

　　Lewis教授参与的这项研究还有很长的路要走，因为这种快速、精确的多喷嘴3D打印技术的最终目标是打印生物组织和器官。Lewis教授正在进行有关挤压3D打印材料和生物材料的研究。而高级器官的3D打印的主要限制之一是使用水凝胶复制复杂的多种材料结构（包括血管）的能力，并且不能损害细胞活性。

　　目前的限制是，当前的MM3D打印头只能重复打印相同的零件。但是随着MM3D打印技术的发展，最终将打造出可以在不同时间挤出不同墨水的喷嘴、较小的喷嘴以实现更高的分辨率，甚至更大的阵列可以在各种尺寸和分辨率下进行快速的3D打印。

　　多材料多喷嘴3D（MM3D）打印每秒可在多达八种不同的墨水之间切换50次，从而可以在其他基于挤出的打印方法当前所需的一小部分时间内创建复杂的高质量3D对象。图片来源：哈佛大学怀斯学院

　　大多数商用打印机一次只能使用一种材料，而能够进行多材料打印的喷墨打印机则受到液滴形成的物理条件的限制。当使用传统的挤压式3D打印机时，打印所需的时间与目标模型的尺寸成正比，因为打印喷嘴必须沿三个维度移动，而不仅仅是一个维度。MM3D将多喷嘴阵列与能够在多种墨水之间快速切换的功能，有效地消除了切换打印头所浪费的时间，并有助于将几何倍数的打印时长转换为线性增长，从而更快地打印多材料的3D模型。

　　MM3D打印快速切换墨水的关键是打印头内的一系列Y形管道，多个墨水通道在一个输出喷嘴处汇合在一起。喷嘴的形状、打印压力和墨水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其中一个分叉时，向下流的墨水会阻止另一个分叉墨水进入并且向后流动，这可以防止墨水混合并保持打印对象的单一材质。通过使用一排快速气动阀操作打印头，这种单向流动特性可以快速切换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符合的零件。

　　论文共同第一作者Jochen Mueller博士说：“借助MM3D技术，人们可以使用特性随时间变化的反应性材料，例如环氧树脂、硅树脂、聚氨酯或生物墨水，还可以轻松地将不同特性的材料集成在一起，以创建类似折纸一样的结构或兼具刚性与柔性部件的软机器人。

　　为了证明他们的技术，研究人员打印了三浦折纸结构，该结构由刚性的“面板”部分与高度灵活的“铰链”部分连接而成。以前构造这种结构的方法需要手动将它们组装在一起，形成堆叠。现在MM3D打印头能够通过使用八个喷嘴连续挤出两种交替的环氧树脂墨水，一步一步地打印出整体，这些墨水的刚度相差四个数量级。铰链1000多次折叠之后才损坏，表明在打印出的硬质材料和柔性材料实现了高质量的搭配契合。