導讀：一種新的方法允許在短時間內(nei) 用多達8種不同的油墨進行打印，這要歸功於(yu) 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建他們(men) 按需想象的任何物理形狀，正在徹底改變製造。但是，大多數商用打印機一次隻能由一種材料製成物體(ti) ，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製。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的分辨率和10cm/s的打印速度構建大約1升體(ti) 積的3D對象大約需要10天。要在不到1天的時間內(nei) 構建相同的對象，就需要實現一個(ge) 具有16個(ge) 噴嘴同時打印的打印頭！

現在，由哈佛大學懷斯生物啟發工程研究所（Wyss）和約翰·保爾森工程與(yu) 應用科學學院（SEAS）開發的一項稱為(wei) 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(cong) 而可以使用從(cong) 單個(ge) 噴嘴到大型多噴嘴陣列的打印頭，僅(jin) 以目前所需時間的一小部分來創建複雜的形狀。這些3D打印頭本身是使用3D打印製造的，從(cong) 而使其能夠快速定製，並便於(yu) 製造界的其他用戶采用。每個(ge) 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(yu) 蜂鳥拍打翅膀一樣快。該研究發表在《Nature》雜誌上。

MM3D打印獨特的3D打印頭設計使它能夠無縫地切換多個(ge) 不同的材料之間高達50次每秒，大大簡化打印複雜結構的過程。

共同第一作者、Wyss研究所的研究員Mark Skylar-Scott博士說：“當使用傳(chuan) 統的基於(yu) 擠壓的3D打印機打印對象時，打印對象所需的時間與(yu) 對象的長度成正比，因為(wei) 打印噴嘴必須沿三個(ge) 維度移動，而不僅(jin) 僅(jin) 是一個(ge) 維度。MM3D將多噴嘴陣列與(yu) 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，並有助於(yu) 將縮放定律從(cong) 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(ge) 噴嘴，每個(ge) 噴嘴最多可以打印八種不同的材料。一係列分支通道將“墨水”分配給噴嘴。

MM3D打印快速切換油墨的關(guan) 鍵是打印頭內(nei) 的一係列Y形連接，多個(ge) 油墨通道在一個(ge) 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(hui) 導致靜態油墨進入另一臂向後流動，這可以防止油墨混合並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(cong) 每個(ge) 噴嘴連續流出的多種材料的細絲(si) ，並可以構造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(cong) 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於(yu) 在每個(ge) 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。連接可以被多路複用用於(yu) 更大的打印工作，並且可以定製以考慮具有不同物理特性的材料(從(cong) 右開始)

“由於(yu) MM3D打印可以快速地產(chan) 生物體(ti) ，因此人們(men) 可以使用其特性隨時間變化的反應性材料，例如環氧樹脂、有機矽、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(men) 還可以輕鬆地將具有不同特性的材料集成在一起，以創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(wei) 了證明他們(men) 的技術，研究人員打印了三浦折紙結構，該結構由剛性的“麵板”部分與(yu) 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(men) 組裝在一起，形成堆疊的層——MM3D打印頭能夠在一步內(nei) 打印出整個(ge) 物體(ti) ，方法是使用8個(ge) 噴嘴連續擠出兩(liang) 個(ge) 交替的環氧油墨，固化後的硬度相差四個(ge) 數量級。鉸鏈在成功打印之前經受了1000多個(ge) 折疊循環，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打印還可用於(yu) 創建更複雜的對象，包括致動機器人。該研究小組設計並打印了一種由剛性和軟彈性體(ti) 組成的柔軟機器人，形狀類似於(yu) 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(cong) 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，並且可以與(yu) 其他機器人連接以承載更重的負載。

Wyss研究所和Hansjörg Wyss的核心教員，SEAS的生物啟發工程教授、通訊作者Jennifer A. Lewis，Sc.D.說：“這種方法可以快速設計和製造體(ti) 素相關(guan) 物質，這是我們(men) 領域的新興(xing) 範例。使用我們(men) 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(ti) 中。”

重要的是，當前的MM3D打印頭隻能打印周期性（即重複）的零件。但是該團隊認為(wei) MM3D打印將繼續發展，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(men) 還正在探索使用犧牲性油墨來創建更複雜的形狀。

Wyss創始人、哈佛醫學院的猶大福克曼大學血管生物學教授和波士頓兒(er) 童醫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(men) 無需昂貴的機械和原材料即可進行創新，從(cong) 而使製造業(ye) 發生了革命性變化。這一新進展有望極大地改善這一激動人心領域的創新步伐。”