Nature：多材料多喷头3D打印制造出体素级柔性物体

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来源：南极熊3D打印，西湖大学工学院张博语，冯帆，周南嘉提供技术内容

3D打印技术在多材料打印方面一直存在着一定的技术瓶颈，因此我们平时常见的挤出式3D打印机都是只有一个喷头，只能同时打印一种材料，就像下面这样。

为了实现多材料的3D打印，设备厂商一般会选择将喷头增加为两个，分别打印不同的材料，比如一种材料作为最终模型，另一种材料作为支撑结构等。然而，如果想再进一步的增加材料种类数量，则会变得很困难，因为再增加喷头会很困难。

△某品牌双喷头FDM 3D打印机

△双喷头打印的两种材料模型（来源：森工科技）

如果想使用一个喷头来打印多种材料，则会变得非常困难，尤其很难实现在精确的位置更换材料，主要是因为在不同材料之间的切换速度太慢了。因此，只能做成混色的效果，就像下图这样。

△单喷头多材料混色3D打印（来源：森工科技）

近日，这项技术获得了新的突破。2019年11月13日，哈佛大学工程与应用科学学院Jennifer A. Lewis教授团队，在国际顶级期刊《Nature》在线发表名为“Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing”的研究文章。

文章报道了一种多材料3D打印技术（MM3D），其通过在单个喷嘴喷出材料时的快速切换，实现了体素级的多材料功能结构的快速打印，极大的拓展了3D打印在复杂功能结构的制造能力。也就是说，用一个喷头，快速切换打印材料，来实现多材料的精准打印，就像下面这样。

△材料切换速度非常快

这样一来，就可以通过控制材料的精确切换，来打印两种材料，实现下图这样的效果。

如果仅仅是这样就能上《Nature》的话，那就太小看自然杂志了。既然两种材料可以打印，那么换成4种材料也能完美应对。

而更加令人震惊的是，喷头可以进一步增加为4个，同时打印四种材料的结构，最多甚至可以支持8种材料同步打印。

16个喷头同时打印也不在话下，作者表示，最多可以并行排列多达128个喷头。

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。

再把不同材料的软硬度特性、结构设计结合起来，就可以制造出功能性的产品。该团队利用MM3D打印技术一体化的制造出了折纸结构以及软体机器人。

△3D打印出的可折叠结构

△同时打印硬性材料和柔性材料

△通过气体来控制其舒张

△然后就成了3D打印软体机器人，甚至可以搬运两个烧瓶

展望未来，这种集成化的多材料打印喷头将实现体素化功能性结构的快速打印，此外在打印分辨率和打印效率方面，定制化的打印墨水和和打印结构的功能化同样具有重要的研究和应用价值。

Lewis教授团队在3D打印领域深耕多年，完成了诸如智能材料4D打印、多材料打印以及嵌入式打印等多种打印技术的突破。

据了解，在目前已经商业化的3D打印设备中，以Stratasys J850为代表的高端3D打印机也已经实现了多材料、多色彩的3D打印。比如下面这个眼睛，就是用了多材质、多颜色的打印实现的。Stratasys使用的是其公司独家的PolyJet技术。

可是你说这个眼睛都是硬性的材料，没有发挥材料的软硬度特性，那么请再看下下面这个眼睛。

不过Stratasys J850目前的售价在数百万元，而Jennifer A. Lewis教授团队的MM3D技术方案可以在很低的成本下实现。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1736-8

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