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哈佛大學懷斯研究所的研究人員開發(fā)了“多材料多噴嘴3D”（MM3D）打印的新技術。該技術使用高速壓力閥實現(xiàn)多達8種不同打印材料之間的快速、連續(xù)和無縫切換。這項新技術可以應用在單個噴嘴或大型多噴嘴陣列的打印頭上，實現(xiàn)3D打印過程中多種材料的自由切換。

每秒切換50次 哈佛大學研究多材料3D打印

這些3D打印頭本身是使用3D打印制造的，從而能夠快速定制并便于工廠使用。每個噴嘴每秒可以切換材料的速度高達50次，甚至連人眼都看不清切換的過程。MM3D打印技術還可用于創(chuàng)建更復雜的對象，包括機器人。

該研究團隊設計并打印了一種由剛性和軟彈性體組成的柔軟機器人，形狀類似于千足蟲，其中包括嵌入式氣動通道，這些通道使柔軟的“肌肉”被真空壓縮。從而使機器人能夠“行走”，在負載八倍于自重的情況下每秒移動大約半英寸，并且可以與其他機器人連接以承受更大的負載。

通訊作者Jennifer A. Lewis，Sc.D.是哈佛大學威斯學院（Wyss Institute）的核心教員，任漢斯約格·威斯（Hansj?rgWyss）生物啟發(fā)工程教授。她說：“這種方法能夠快速設計和制造體素，這是3D打印領域中的新興范例。使用多種功能、結(jié)構(gòu)和生物油墨，我們現(xiàn)在可以將不同的材料無縫地按需集成到3D打印過程中?！?/span>

Lewis教授參與的這項研究還有很長的路要走，因為這種快速、精確的多噴嘴3D打印技術的最終目標是打印生物組織和器官。Lewis教授正在進行有關擠壓3D打印材料和生物材料的研究。而高級器官的3D打印的主要限制之一是使用水凝膠復制復雜的多種材料結(jié)構(gòu)（包括血管）的能力，并且不能損害細胞活性。

目前的限制是，當前的MM3D打印頭只能重復打印相同的零件。但是隨著MM3D打印技術的發(fā)展，最終將打造出可以在不同時間擠出不同墨水的噴嘴、較小的噴嘴以實現(xiàn)更高的分辨率，甚至更大的陣列可以在各種尺寸和分辨率下進行快速的3D打印。

多材料多噴嘴3D（MM3D）打印每秒可在多達八種不同的墨水之間切換50次，從而可以在其他基于擠出的打印方法當前所需的一小部分時間內(nèi)創(chuàng)建復雜的高質(zhì)量3D對象。圖片來源：哈佛大學懷斯學院

大多數(shù)商用打印機一次只能使用一種材料，而能夠進行多材料打印的噴墨打印機則受到液滴形成的物理條件的限制。當使用傳統(tǒng)的擠壓式3D打印機時，打印所需的時間與目標模型的尺寸成正比，因為打印噴嘴必須沿三個維度移動，而不僅僅是一個維度。MM3D將多噴嘴陣列與能夠在多種墨水之間快速切換的功能，有效地消除了切換打印頭所浪費的時間，并有助于將幾何倍數(shù)的打印時長轉(zhuǎn)換為線性增長，從而更快地打印多材料的3D模型。

打印頭可以容納多個噴嘴 每個噴嘴最多可以打印八種不同的材料

MM3D打印快速切換墨水的關鍵是打印頭內(nèi)的一系列Y形管道，多個墨水通道在一個輸出噴嘴處匯合在一起。噴嘴的形狀、打印壓力和墨水粘度都經(jīng)過精確計算和調(diào)整，因此，當將壓力施加到連接點的其中一個分叉時，向下流的墨水會阻止另一個分叉墨水進入并且向后流動，這可以防止墨水混合并保持打印對象的單一材質(zhì)。通過使用一排快速氣動閥操作打印頭，這種單向流動特性可以快速切換每個噴嘴連續(xù)流出的多種材料的細絲，并可以構(gòu)造多種材料符合的零件。

論文共同第一作者Jochen Mueller博士說：“借助MM3D技術，人們可以使用特性隨時間變化的反應性材料，例如環(huán)氧樹脂、硅樹脂、聚氨酯或生物墨水，還可以輕松地將不同特性的材料集成在一起，以創(chuàng)建類似折紙一樣的結(jié)構(gòu)或兼具剛性與柔性部件的軟機器人。

圖每個噴嘴（最左側(cè)）中的特殊Y形連接處可實現(xiàn)墨水之間的快速切換

為了證明他們的技術，研究人員打印了三浦折紙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由剛性的“面板”部分與高度靈活的“鉸鏈”部分連接而成。以前構(gòu)造這種結(jié)構(gòu)的方法需要手動將它們組裝在一起，形成堆疊。現(xiàn)在MM3D打印頭能夠通過使用八個噴嘴連續(xù)擠出兩種交替的環(huán)氧樹脂墨水，一步一步地打印出整體，這些墨水的剛度相差四個數(shù)量級。鉸鏈1000多次折疊之后才損壞，表明在打印出的硬質(zhì)材料和柔性材料實現(xiàn)了高質(zhì)量的搭配契合。