供稿人：呂洋、高琳 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-03-10
基于擠壓的 3D 打印主要使用具有固定出口形狀的噴嘴。這需要在分辨率和速度之間進行權衡：高分辨率需要較小的噴嘴直徑，而高材料沉積速率需要更大的直徑。這種矛盾在多尺度結構中尤為明顯，因為這些結構既包含大體積部分，又包含精細特征。此外關于形狀，固定噴嘴通常采用圓形橫截面，圓形截面的絲材在填充復雜幾何形狀時容易產生空隙，尤其是在打印固體結構時，導致密度不足和表面粗糙。
約翰霍普金斯大學的研究團隊開發(fā)了自適應噴嘴 3D 打印 （AN3DP）平臺，該平臺能夠在打印過程中原位主動控制細絲的大小和橫截面形狀。噴嘴采用錐形內部設計，使其在處理非牛頓流體時特別有效。AN3DP 有助于在單次設置中沉積連續(xù)變化大小和形狀的細絲。它使擠出細絲直徑的變化高達3.33倍，例如，從3到10毫米。噴嘴可以產生一系列形狀，包括圓形、方形、矩形和星形。此外，它可以將這些特征尺寸在4到10 mm之間的形狀沉積到基板上。
圖1 AN3DP平臺自適應示意圖
AN3DP的核心創(chuàng)新在于其自適應噴嘴設計。該噴嘴由八個獨立控制的金屬針組成，圍繞一個柔性、耐壓的硅橡膠膜排列。通過電機驅動電纜系統(tǒng)，針可以向外或向內移動，從而改變噴嘴的出口直徑和形狀。噴嘴的內部設計為錐形，優(yōu)化了剪切變稀材料的擠出效果，適合在狹窄空間內的嵌入式打印。
圖2 控制AN3DP打印頭
與傳統(tǒng) 3D 打印方法相比，AN3DP 通過制造具有連續(xù)梯度的組件、消除離散化需求并實現更高的密度和輪廓精度來證明其功效。該平臺大大擴展了基于擠壓的 3D 打印機的范圍，從而促進了各種應用，包括具有骨狀微結構的生物打印載細胞和分層植入物。