多材料3D打印-墨水直写 | Nature Reviews Materials

来源：高分子科学前沿

近日，约翰霍普金斯大学的Nathan C. Brown、Daniel C. Ames和Jochen Mueller合作，全面探讨了喷头技术在材料挤出3D打印系统中的核心作用及其最新进展。系统总结了喷头技术如何通过多功能设计突破传统制造限制，并为复杂材料组合和高精度结构提供了全新解决方案。相关论文以《多材料挤出3D打印喷头》为题，发表在《自然综述：材料》（Nature Reviews Materials）。

喷头技术的突破性进展
喷头作为3D打印系统的核心部件，其设计直接影响材料的可打印性和最终产品的性能。传统的3D打印技术受限于单一材料或低效率的多材料切换，而现代多材料挤出喷头通过以下创新实现了质的飞跃：

1.形状调制喷头：包括固定、自适应和多输出喷头，能够动态调整喷嘴尺寸和形状，优化打印分辨率和速度。例如，自适应喷头通过改变出口直径，实现了从微米级到厘米级结构的无缝打印。

2.性能调制喷头：通过旋转、振动或外部刺激（如磁场、温度）实时调控材料性能。例如，磁性喷头可定向排列铁磁颗粒，制造可编程变形的软体机器人。

3.多材料处理喷头：支持材料快速切换、混合和共挤，实现功能梯度材料或异质结构的打印。例如，共挤喷头可同时挤出硬质和软质材料，制造兼具高刚度和韧性的晶格结构。

应用领域的广泛拓展
喷头技术的进步为多个领域带来了革命性应用：

·机械超材料：通过多材料组合设计出具有负泊松比或可调应变行为的结构。

·软体机器人：集成传感与驱动功能，例如磁性喷头打印的软体抓手可远程操控。

·生物打印：共挤喷头制造血管化组织，或通过牺牲材料技术形成营养输送通道，提升细胞存活率。

·4D打印：利用刺激响应材料（如温敏水凝胶）实现打印后形状自变形。

未来挑战与展望
尽管喷头技术已取得显著进展，仍面临以下挑战：

1.材料兼容性：当前喷头多采用光固化聚合物制造，难以适应高温或腐蚀性材料，未来需开发金属或陶瓷喷头。

2.控制系统优化：现有G代码语言难以协调多模块同步操作，需开发独立控制算法以提升效率。

3.规模化生产：如何将实验室技术转化为工业级应用，仍需解决速度、精度和成本间的平衡问题。

文章指出，喷头技术的模块化设计为未来创新提供了广阔空间，例如结合更多功能（如4D打印实时调控）或扩展至熔融沉积成型（FFF）等普及技术。随着材料与控制的进一步突破，3D打印有望彻底改变航空航天、医疗和消费品等领域的制造范式。

图1.多材料挤出增材制造。

图2.材料适印性和改性。

图3.形状调制打印头。

图4.属性调制打印头。

图5.多材料打印头。

图6.混合打印头

图7.材料挤出增材制造中的新兴应用。

论文信息：
Brown, N.C., Ames, D.C. & Mueller, J. Multimaterial extrusion 3D printing printheads. Nat Rev Mater (2025).

https://doi.org/10.1038/s41578-025-00809-y