導讀：一種新的方法允許在短時間內用多達8種不同的油墨進行打印，這要歸功于特殊的打印頭，它每秒可以無縫切換多達50次油墨。
3D打印機通過允許用戶創(chuàng)建他們按需想象的任何物理形狀，正在徹底改變制造。但是，大多數商用打印機一次只能由一種材料制成物體，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。擠出的3D打印允許打印各種材料，但是過程非常緩慢。例如，使用單噴嘴、單材料打印頭以人發(fā)的分辨率和10cm/s的打印速度構建大約1升體積的3D對象大約需要10天。要在不到1天的時間內構建相同的對象，就需要實現一個具有16個噴嘴同時打印的打印頭！
現在，由哈佛大學懷斯生物啟發(fā)工程研究所（Wyss）和約翰·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）開發(fā)的一項稱為多材料多噴嘴3D（MM3D）打印的新技術使用高速壓力閥來實現快速，連續(xù)和無縫的連接可以在多達8種不同的打印材料之間進行切換，從而可以使用從單個噴嘴到大型多噴嘴陣列的打印頭，僅以目前所需時間的一小部分來創(chuàng)建復雜的形狀。這些3D打印頭本身是使用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，這比眼睛能看到的速度快，或與蜂鳥拍打翅膀一樣快。該研究發(fā)表在《Nature》雜志上。
MM3D打印獨特的3D打印頭設計使它能夠無縫地切換多個不同的材料之間高達50次每秒，大大簡化打印復雜結構的過程。
共同第一作者、Wyss研究所的研究員Mark Skylar-Scott博士說：“當使用傳統(tǒng)的基于擠壓的3D打印機打印對象時，打印對象所需的時間與對象的長度成正比，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油墨之間快速切換的能力有效地消除了切換打印頭所浪費的時間，并有助于將縮放定律從立方減小到線性，因此您可以更快地打印多材料的周期性3D對象。”
噴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。一系列分支通道將“墨水”分配給噴嘴。
MM3D打印快速切換油墨的關鍵是打印頭內的一系列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過精確計算和調整，因此，當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，并可以構造3D多種材料的零件。還可以調整油墨通道的長度，以考慮具有不同粘度和屈服應力的材料，從而比其他油墨更快或更慢地流動。
油墨之間的快速切換是由于在每個噴嘴(最左邊)特殊的Y形連接，這是精確調整，以防止混合或回流油墨在印刷。連接可以被多路復用用于更大的打印工作，并且可以定制以考慮具有不同物理特性的材料(從右開始)
“由于MM3D打印可以快速地產生物體，因此人們可以使用其特性隨時間變化的反應性材料，例如環(huán)氧樹脂、有機硅、聚氨酯或生物油墨。”該研究的第一作者、Wyss Institute和SEAS的研究員Jochen Mueller博士說：“人們還可以輕松地將具有不同特性的材料集成在一起，以創(chuàng)建像折紙一樣的架構或同時包含剛性和柔性元素的軟機器人。”
為了證明他們的技術，研究人員打印了三浦折紙結構，該結構由剛性的“面板”部分與高度柔性的“鉸鏈”部分連接而成。以前構建這種結構的方法需要手動將它們組裝在一起，形成堆疊的層——MM3D打印頭能夠在一步內打印出整個物體，方法是使用8個噴嘴連續(xù)擠出兩個交替的環(huán)氧油墨，固化后的硬度相差四個數量級。鉸鏈在成功打印之前經受了1000多個折疊循環(huán)，這表明在打印過程中在剛性和柔性材料之間實現了高質量的過渡。
MM3D打印還可用于創(chuàng)建更復雜的對象，包括致動機器人。該研究小組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”被真空依次壓縮，從而使機器人“行走”。該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載。
Wyss研究所和Hansj?rg Wyss的核心教員，SEAS的生物啟發(fā)工程教授、通訊作者Jennifer A. Lewis，Sc.D.說：“這種方法可以快速設計和制造體素相關物質，這是我們領域的新興范例。使用我們廣泛的功能、結構和生物油墨調色板，不同的材料現在可以無縫地集成到按需打印的3D物體中。”
重要的是，當前的MM3D打印頭只能打印周期性（即重復）的零件。但是該團隊認為MM3D打印將繼續(xù)發(fā)展，最終將具有可以在不同時間擠出不同油墨的噴嘴，較小的噴嘴可以實現更高的分辨率，甚至更大的陣列可以在各種尺寸和分辨率下進行快速的單步3D打印。他們還正在探索使用犧牲性油墨來創(chuàng)建更復雜的形狀。
Wyss創(chuàng)始人、哈佛醫(yī)學院的猶大福克曼大學血管生物學教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學計劃教授，以及SEAS的生物工程學教授唐納德·英格伯（Donald Ingber）博士說：“ 3D打印技術使人們無需昂貴的機械和原材料即可進行創(chuàng)新，從而使制造業(yè)發(fā)生了革命性變化。這一新進展有望極大地改善這一激動人心領域的創(chuàng)新步伐。”
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