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導(dǎo)讀：一種新的方法允許在短時(shí)間內(nèi)用多達(dá)8種不同的油墨進(jìn)行打印，這要?dú)w功于特殊的打印頭，它每秒可以無(wú)縫切換多達(dá)50次油墨。
3D打印機(jī)通過(guò)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(shù)商用打印機(jī)一次只能由一種材料制成物體，而能夠進(jìn)行多材料打印的噴墨打印機(jī)則受到液滴形成的物理?xiàng)l件的限制。擠出的3D打印允許打印各種材料，但是過(guò)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(gòu)建大約1升體積的3D對(duì)象大約需要10天。要在不到1天的時(shí)間內(nèi)構(gòu)建相同的對(duì)象，就需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有16個(gè)噴嘴同時(shí)打印的打印頭！
現(xiàn)在，由哈佛大學(xué)懷斯生物啟發(fā)工程研究所（Wyss）和約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)稱為多材料多噴嘴3D（MM3D）打印的新技術(shù)使用高速壓力閥來(lái)實(shí)現(xiàn)快速，連續(xù)和無(wú)縫的連接可以在多達(dá)8種不同的打印材料之間進(jìn)行切換，從而可以使用從單個(gè)噴嘴到大型多噴嘴陣列的打印頭，僅以目前所需時(shí)間的一小部分來(lái)創(chuàng)建復(fù)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(gè)噴嘴每秒可以切換材料的速度高達(dá)50次，這比眼睛能看到的速度快，或與蜂鳥(niǎo)拍打翅膀一樣快。該研究發(fā)表在《Nature》雜志上。
MM3D打印獨(dú)特的3D打印頭設(shè)計(jì)使它能夠無(wú)縫地切換多個(gè)不同的材料之間高達(dá)50次每秒，大大簡(jiǎn)化打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)的過(guò)程。
共同第一作者、Wyss研究所的研究員Mark Skylar-Scott博士說(shuō)：“當(dāng)使用傳統(tǒng)的基于擠壓的3D打印機(jī)打印對(duì)象時(shí)，打印對(duì)象所需的時(shí)間與對(duì)象的長(zhǎng)度成正比，因?yàn)榇蛴娮毂仨氀厝齻€(gè)維度移動(dòng)，而不僅僅是一個(gè)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(fèi)的時(shí)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(duì)象。”
噴頭可以容納多個(gè)噴嘴，每個(gè)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(guān)鍵是打印頭內(nèi)的一系列Y形連接，多個(gè)油墨通道在一個(gè)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(guò)精確計(jì)算和調(diào)整，因此，當(dāng)將壓力施加到連接點(diǎn)的“臂”之一時(shí)，向下流過(guò)該臂的油墨不會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)油墨進(jìn)入另一臂向后流動(dòng)，這可以防止油墨混合并保持打印對(duì)象的質(zhì)量。通過(guò)使用一組快速氣動(dòng)閥操作打印頭，這種單向流動(dòng)特性可以快速組裝從每個(gè)噴嘴連續(xù)流出的多種材料的細(xì)絲，并可以構(gòu)造3D多種材料的零件。還可以調(diào)整油墨通道的長(zhǎng)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(dòng)。
油墨之間的快速切換是由于在每個(gè)噴嘴(最左邊)特殊的Y形連接，這是精確調(diào)整，以防止混合或回流油墨在印刷。連接可以被多路復(fù)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(kāi)始)
“由于MM3D打印可以快速地產(chǎn)生物體，因此人們可以使用其特性隨時(shí)間變化的反應(yīng)性材料，例如環(huán)氧樹(shù)脂、有機(jī)硅、聚氨酯或生物油墨?！痹撗芯康牡谝蛔髡?、Wyss Institute和SEAS的研究員Jochen Mueller博士說(shuō)：“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(gòu)或同時(shí)包含剛性和柔性元素的軟機(jī)器人。”
為了證明他們的技術(shù)，研究人員打印了三浦折紙結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)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(gòu)建這種結(jié)構(gòu)的方法需要手動(dòng)將它們組裝在一起，形成堆疊的層——MM3D打印頭能夠在一步內(nèi)打印出整個(gè)物體，方法是使用8個(gè)噴嘴連續(xù)擠出兩個(gè)交替的環(huán)氧油墨，固化后的硬度相差四個(gè)數(shù)量級(jí)。鉸鏈在成功打印之前經(jīng)受了1000多個(gè)折疊循環(huán)，這表明在打印過(guò)程中在剛性和柔性材料之間實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的過(guò)渡。
MM3D打印還可用于創(chuàng)建更復(fù)雜的對(duì)象，包括致動(dòng)機(jī)器人。該研究小組設(shè)計(jì)并打印了一種由剛性和軟彈性體組成的柔軟機(jī)器人，形狀類似于千足蟲(chóng)，其中包括嵌入式氣動(dòng)通道，這些通道使柔軟的“肌肉”被真空依次壓縮，從而使機(jī)器人“行走”。該機(jī)器人能夠以每秒近半英寸的速度移動(dòng)，同時(shí)承載的重量是其自身重量的八倍，并且可以與其他機(jī)器人連接以承載更重的負(fù)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(shuō)：“這種方法可以快速設(shè)計(jì)和制造體素相關(guān)物質(zhì)，這是我們領(lǐng)域的新興范例。使用我們廣泛的功能、結(jié)構(gòu)和生物油墨調(diào)色板，不同的材料現(xiàn)在可以無(wú)縫地集成到按需打印的3D物體中?！?/span>
重要的是，當(dāng)前的MM3D打印頭只能打印周期性（即重復(fù)）的零件。但是該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為MM3D打印將繼續(xù)發(fā)展，最終將具有可以在不同時(shí)間擠出不同油墨的噴嘴，較小的噴嘴可以實(shí)現(xiàn)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(jìn)行快速的單步3D打印。他們還正在探索使用犧牲性油墨來(lái)創(chuàng)建更復(fù)雜的形狀。
Wyss創(chuàng)始人、哈佛醫(yī)學(xué)院的猶大?？寺髮W(xué)血管生物學(xué)教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)計(jì)劃教授，以及SEAS的生物工程學(xué)教授唐納德·英格伯（Donald Ingber）博士說(shuō)：“ 3D打印技術(shù)使人們無(wú)需昂貴的機(jī)械和原材料即可進(jìn)行創(chuàng)新，從而使制造業(yè)發(fā)生了革命性變化。這一新進(jìn)展有望極大地改善這一激動(dòng)人心領(lǐng)域的創(chuàng)新步伐?！?/span>
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