3D打印技術參考注意到，nature reviews materials于近日發表了關于“擠出3D打印噴嘴（Multimaterial extrusion 3D printing printheads）”的評論文章。系統總結了八類典型的噴頭及其混合類型，探討了它們在材料設計中的作用、克服加工限制的能力以及對新興應用的影響。此外，它還指出了目前有待解決的挑戰，并對未來多材料3D打印的發展前景進行了展望。

被低估的擠出3D打印技術

在3D打印中，材料擠出工藝已經從早期的使用加熱噴嘴和擠出熱塑性材料的熔融沉積制造（FFF/FDM），發展到如今的多材料直接墨水書寫技術（DIW），它可以利用材料的非牛頓特性確保其在固化前保持穩定。

根據3D打印技術參考的日常總結，2023年首篇3D打印相關的Nature文章，哈佛大學發表了關于多材料螺旋擠出3D打印的新方法；2025第3篇增材Science，中國學者Shengduo Xu博士通過擠出式3D打印技術，成功制備出一種高性能熱電材料，并組裝出制冷溫差達50°C的制冷器件。

哈佛大學具有可編程亞體素控制的架構細絲的旋轉多材料3D打印

發表于Science，采用DIW技術3D打印高性能熱電材料

DIW技術的最基本形式僅由一個壓力泵組成，通過安裝在龍門架上的注射器擠出凝膠狀漿料。雖看似簡單，但它在目前的所有的增材技術中卻擁有最廣泛的材料選擇范圍，可制造的材料包括生物和活體材料，陶瓷和玻璃，金屬材料，彈性體和聚合物及其復合材料。這些材料可以以其原始形式直接打印，或者作為化學固化漿料糊劑，也可以通過膠體懸浮間接打印。

多材料擠出增材制造

噴嘴是材料擠出3D打印系統的核心部件，可以實現有機和無機材料打印，多材料擠出、混合和材料切換。先進的多功能噴嘴不僅可以調節尺寸和形狀，還可以旋轉和調整原位特性。噴嘴功能的改進使3D打印部件的設計復雜性更加強大，制造速度更快，還可在多個長度尺度上制造復雜材料組合。

這些科研成果目前已經轉化為制造性能可調的結構化超材料、由活細胞制成的功能性組織以及具有集成傳感的軟機器人。

核心技術突破噴嘴功能的三大分類

根據材料擠出3D打印技術的演進，多功能打印頭被系統劃分為形狀調制、性能調制、多材料處理三大類，對應8種功能類型。這種分類突破了傳統打印頭的單一功能限制，實現了從 “材料輸送” 到 “材料 - 結構 - 功能協同調控” 的升級：

1. 形狀調制：

• 固定噴嘴：標準單材料、單輸出噴嘴，具有不同輪廓。
  

• 自適應噴嘴：動態調整出口尺寸，解決分辨率與速度的矛盾，實現階梯面填充密度超95%。
  

• 多材料輸出噴嘴：通過微流體分叉網絡（64-256個噴嘴），支持8種材料實時切換。

形狀調制打印頭

2. 性能調制：

• 運動學噴頭：旋轉噴嘴（纖維螺旋排列）/ 振動（超聲降低粘度，壓電破除氧化層）。

• 刺激噴頭：熱 / 磁 / 光刺激（如 UV 實時固化液態金屬，磁場定向鐵磁顆粒）。
  

性能調制打印頭

3.多材料處理：

• 快速切換噴頭：氣壓驅動下實現50Hz材料切換（如軟硬環氧樹脂的無縫過渡，切換時間＜20ms），支持復雜梯度結構。

• 混合噴頭：主動混合（4 材料動態配比）；被動微通道（仿生梯度硬度）制造組織工程支架。

• 共擠出噴頭：核殼結構（如液態金屬芯 + 彈性體殼）打印柔性電路，或通過非軸對稱設計制造仿生螺旋結構。實現4種材料動態配比，用于組織工程的梯度硬度支架。

多材料打印噴嘴

材料擠出3D打印技術的創新應用

將不同的打印頭功能與先進的材料相結合，可以實現廣泛的新興應用，包括機械超材料、軟機器人、4D打印和生物系統。

1. 機械超材料

傳統上，機械超材料依賴于高分辨率3D打印來制造具有獨特性能的微結構，但由于加工限制，它們只能是單材料結構。多功能擠出噴頭的進步解決了這些限制，并顯著增強了設計自由度。例如，如今可以使用多種集成材料制造具有可調負泊松比和應變行為的結構。擠出噴頭可以使用多相墨水生產輕質結構，這些墨水模仿天然細胞結構的機械性能，同時提供對單元格尺寸和分散度等特征的實時局部微結構可調性。相同的同軸打印頭在晶格結構中增強了韌性，同時不犧牲剛度，通過使用非粘附的硅膠層將脆性和柔韌的環氧樹脂組件分開。此外，集成紫外線光的打印頭可以編程材料的局部表面紋理，通過選擇性波長反射來控制結構色彩。

2. 軟體機器人

通過整合具有截然不同物理性質的材料，先進的噴嘴功能不僅可以極大地增強軟體機器人材料的制造，這些材料還可集成傳感和驅動能力。例如，具有集成磁場的噴嘴可以對聚合物墨水中的鐵磁顆粒進行排序，從而可以制造出軟夾爪、人工肌肉、智能可穿戴設備和手術工具的磁驅動變形。多材料打印與集成切換噴嘴使得復雜的內部結構和流體通道制造成為可能，如通過氣動驅動的人工肌肉驅動的軟體機器人行走器。

3. 4D打印

利用時間依賴和刺激響應材料，可以使故意設計的3D結構在打印后能夠改變其形狀。根據材料不同，這些‘4D’結構可以通過外部刺激，如濕度、溫度或pH值激活。例如，具有對齊玻璃纖維填料的聚合物可以在熱激活后從2D片材變成具有預編程表面拓撲的3D結構。光學刺激可以用于破壞液晶彈性體結構中的交聯，導致仿生形狀變形。盡管通常使用“4D打印”一詞，這些結構的制造過程類似于傳統的3D打印物體，并且只有在打印后才能實現其四維行為。然而，人們可以設想未來的多功能打印頭在制造過程中將第四維度作為一個特征，以實現真正的4D打印過程。

4. 生物打印

另一個受益于先進的噴頭功能的新興應用是生物3D打印。如組織和血管網絡等結構可以通過3D打印技制造支架和類器官。這些過程通常使用生物相容性的墨水，如水凝膠結合活細胞。生物3D打印中的一個關鍵挑戰是保持細胞的活力，通常需要整合血管網絡以供應營養和氧氣。迄今為止，大多數生物打印應用都依賴于傳統的固定噴嘴噴頭，因為有效培養大量細胞具有挑戰性。然而，先進的噴頭技術對于實現全器官制造所需的復雜性、規模和速度至關重要，正如生物打印與各種噴頭類型的集成所展示的那樣。

未來展望

擠出技術的進步已經徹底改變了3D打印，將其從制造單材料系統發展為復雜的多材料制造平臺。這些創新使得制造以前難以處理的材料成為可能，包括多相系統和高粘度墨水，從而大大擴展了可用的材料范圍。通過將這些功能集成到多功能噴頭中，可以實現前所未有的材料組成和結構復雜性，其分辨率、速度和質量其他制造技術無法比擬。

隨著噴頭技術的進步，3D打印已經對航空航天工程、醫療和牙科應用以及消費品生產等多個領域產生了實質性影響。未來，3D打印需要進一步整合更先進的功能材料，實現高生產速度而不犧牲精度，并提高重復性和可預測性，以實現其全部的技術、經濟、環境和社會潛力。

注：本文由3D打印技術參考創作，未經聯系授權，謝絕轉載。

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