供稿人:張曉宇 李滌塵 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2019-12-03
目前在市場上以及各科研單位見到的3D打印機（例如熔融沉積成形打印機，材料噴射成形打印機等）多為單噴嘴結(jié)構(gòu)，也就是同時只能打印一種材料，如果想實現(xiàn)多材料的打印，就必須在打印過程中停機更換材料并調(diào)整工藝參數(shù)，大大降低了打印效率。后來雙噴嘴3D打印機出現(xiàn)，可以實現(xiàn)兩種材料的同時打印，但多數(shù)情況下一個噴嘴打印主體結(jié)構(gòu)，另一個噴嘴打印支撐。這并沒有實現(xiàn)變革性的突破。
哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院Mark A. Skylar-Scott等人研發(fā)出了一種多材料多噴嘴3D打印技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵在于多材料打印噴頭內(nèi)的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計以及不同材料之間的精準(zhǔn)快速切換。其設(shè)計的巧妙之處在于通過立體式的三維流道結(jié)構(gòu)設(shè)計將多個材料入口和材料出口集成到單個噴頭上，并使用高速電磁閥精準(zhǔn)的控制每個流道內(nèi)的壓力使不同材料在噴頭出口處可以連續(xù)切換打印，從而實現(xiàn)單個噴嘴對材料的體素級控制。這些3D打印頭本身也是使用3D打印制造的，從而使其能夠快速定制，并便于制造界的其他用戶采用。每個噴嘴每秒可以切換材料的速度高達50次。并且這種噴頭結(jié)構(gòu)最多可以支持8種材料同步打印，可并行排列多達128個噴嘴，極大提高了3D打印的工作效率以及柔性。
圖1. 四種材料八噴嘴的噴頭結(jié)構(gòu)
多材料多噴嘴3D打印快速切換油墨的關(guān)鍵是打印頭內(nèi)的一系列Y形連接，多個油墨通道在一個輸出噴嘴處匯合在一起。噴嘴的形狀、打印壓力和油墨粘度都經(jīng)過精確計算和調(diào)整，因此，當(dāng)將壓力施加到連接點的“臂”之一時，向下流過該臂的油墨不會導(dǎo)致靜態(tài)油墨進入另一臂向后流動，這可以防止油墨混合并保持打印對象的質(zhì)量。通過使用一組快速氣動閥操作打印頭，這種單向流動特性可以快速組裝從每個噴嘴連續(xù)流出的多種材料的細絲，并可以構(gòu)造多種材料的零件。還可以調(diào)整油墨通道的長度，以考慮具有不同粘度和屈服應(yīng)力的材料，從而比其他油墨更快或更慢地流動。
為了證明該技術(shù)的可行性，研究人員打印了可折疊結(jié)構(gòu)以及軟體機器人，如圖2所示。其中機器人能夠以每秒近半英寸的速度移動，同時承載的重量是其自身重量的八倍，并且可以與其他機器人連接以承載更重的負(fù)載。
圖2. 打印出的折疊結(jié)構(gòu)和軟體機器人
值得注意的是，當(dāng)前多材料多噴嘴3D打印頭只能打印周期性（即重復(fù)）的零件，但這種多噴嘴的結(jié)構(gòu)相比之前的諸如FDM打印機等是變革性的進步。如果使用較小的噴嘴將會實現(xiàn)在更高的分辨率，甚至更大的陣列下快速的單步3D打印。這將極大提高3D打印的工作效率和柔度。