Nature最新综述评论：材料挤出3D打印技术的重要性被低估

3D打印技术参考注意到，nature reviews materials于近日发表了关于“挤出3D打印喷嘴（Multimaterial extrusion 3D printing printheads）”的评论文章。系统总结了八类典型的喷头及其混合类型，探讨了它们在材料设计中的作用、克服加工限制的能力以及对新兴应用的影响。此外，它还指出了目前有待解决的挑战，并对未来多材料3D打印的发展前景进行了展望。

被低估的挤出3D打印技术

在3D打印中，材料挤出工艺已经从早期的使用加热喷嘴和挤出热塑性材料的熔融沉积制造（FFF/FDM），发展到如今的多材料直接墨水书写技术（DIW），它可以利用材料的非牛顿特性确保其在固化前保持稳定。

根据3D打印技术参考的日常总结，2023年首篇3D打印相关的Nature文章，哈佛大学发表了关于多材料螺旋挤出3D打印的新方法；2025第3篇增材Science，中国学者Shengduo Xu博士通过挤出式3D打印技术，成功制备出一种高性能热电材料，并组装出制冷温差达50°C的制冷器件。

哈佛大学具有可编程亚体素控制的架构细丝的旋转多材料3D打印

发表于Science，采用DIW技术3D打印高性能热电材料

DIW技术的最基本形式仅由一个压力泵组成，通过安装在龙门架上的注射器挤出凝胶状浆料。虽看似简单，但它在目前的所有的增材技术中却拥有最广泛的材料选择范围，可制造的材料包括生物和活体材料，陶瓷和玻璃，金属材料，弹性体和聚合物及其复合材料。这些材料可以以其原始形式直接打印，或者作为化学固化浆料糊剂，也可以通过胶体悬浮间接打印。

多材料挤出增材制造

喷嘴是材料挤出3D打印系统的核心部件，可以实现有机和无机材料打印，多材料挤出、混合和材料切换。先进的多功能喷嘴不仅可以调节尺寸和形状，还可以旋转和调整原位特性。喷嘴功能的改进使3D打印部件的设计复杂性更加强大，制造速度更快，还可在多个长度尺度上制造复杂材料组合。

这些科研成果目前已经转化为制造性能可调的结构化超材料、由活细胞制成的功能性组织以及具有集成传感的软机器人。

核心技术突破，喷嘴功能的三大分类

根据材料挤出3D打印技术的演进，多功能打印头被系统划分为形状调制、性能调制、多材料处理三大类，对应8种功能类型。这种分类突破了传统打印头的单一功能限制，实现了从 “材料输送” 到 “材料 - 结构 - 功能协同调控” 的升级：

1. 形状调制：

• 固定喷嘴：标准单材料、单输出喷嘴，具有不同轮廓。

• 自适应喷嘴：动态调整出口尺寸，解决分辨率与速度的矛盾，实现阶梯面填充密度超95%。

• 多材料输出喷嘴：通过微流体分叉网络（64-256个喷嘴），支持8种材料实时切换。

形状调制打印头

2. 性能调制：

• 运动学喷头：旋转喷嘴（纤维螺旋排列）/ 振动（超声降低粘度，压电破除氧化层）。

• 刺激喷头：热 / 磁 / 光刺激（如 UV 实时固化液态金属，磁场定向铁磁颗粒）。

性能调制打印头

3. 多材料处理：

• 快速切换喷头：气压驱动下实现50Hz材料切换（如软硬环氧树脂的无缝过渡，切换时间＜20ms），支持复杂梯度结构。

• 混合喷头：主动混合（4 材料动态配比）；被动微通道（仿生梯度硬度）制造组织工程支架。

• 共挤出喷头：核壳结构（如液态金属芯 + 弹性体壳）打印柔性电路，或通过非轴对称设计制造仿生螺旋结构。实现4种材料动态配比，用于组织工程的梯度硬度支架。

多材料打印喷嘴

材料挤出3D打印技术的创新应用

将不同的打印头功能与先进的材料相结合，可以实现广泛的新兴应用，包括机械超材料、软机器人、4D打印和生物系统。

1. 机械超材料

传统上，机械超材料依赖于高分辨率3D打印来制造具有独特性能的微结构，但由于加工限制，它们只能是单材料结构。多功能挤出喷头的进步解决了这些限制，并显著增强了设计自由度。例如，如今可以使用多种集成材料制造具有可调负泊松比和应变行为的结构。挤出喷头可以使用多相墨水生产轻质结构，这些墨水模仿天然细胞结构的机械性能，同时提供对单元格尺寸和分散度等特征的实时局部微结构可调性。相同的同轴打印头在晶格结构中增强了韧性，同时不牺牲刚度，通过使用非粘附的硅胶层将脆性和柔韧的环氧树脂组件分开。此外，集成紫外线光的打印头可以编程材料的局部表面纹理，通过选择性波长反射来控制结构色彩。

2. 软体机器人

通过整合具有截然不同物理性质的材料，先进的喷嘴功能不仅可以极大地增强软体机器人材料的制造，这些材料还可集成传感和驱动能力。例如，具有集成磁场的喷嘴可以对聚合物墨水中的铁磁颗粒进行排序，从而可以制造出软夹爪、人工肌肉、智能可穿戴设备和手术工具的磁驱动变形。多材料打印与集成切换喷嘴使得复杂的内部结构和流体通道制造成为可能，如通过气动驱动的人工肌肉驱动的软体机器人行走器。

3. 4D打印

利用时间依赖和刺激响应材料，可以使故意设计的3D结构在打印后能够改变其形状。根据材料不同，这些‘4D’结构可以通过外部刺激，如湿度、温度或pH值激活。例如，具有对齐玻璃纤维填料的聚合物可以在热激活后从2D片材变成具有预编程表面拓扑的3D结构。光学刺激可以用于破坏液晶弹性体结构中的交联，导致仿生形状变形。尽管通常使用“4D打印”一词，这些结构的制造过程类似于传统的3D打印物体，并且只有在打印后才能实现其四维行为。然而，人们可以设想未来的多功能打印头在制造过程中将第四维度作为一个特征，以实现真正的4D打印过程。

4. 生物打印

另一个受益于先进的喷头功能的新兴应用是生物3D打印。如组织和血管网络等结构可以通过3D打印技制造支架和类器官。这些过程通常使用生物相容性的墨水，如水凝胶结合活细胞。生物3D打印中的一个关键挑战是保持细胞的活力，通常需要整合血管网络以供应营养和氧气。迄今为止，大多数生物打印应用都依赖于传统的固定喷嘴喷头，因为有效培养大量细胞具有挑战性。然而，先进的喷头技术对于实现全器官制造所需的复杂性、规模和速度至关重要，正如生物打印与各种喷头类型的集成所展示的那样。

未来展望

挤出技术的进步已经彻底改变了3D打印，将其从制造单材料系统发展为复杂的多材料制造平台。这些创新使得制造以前难以处理的材料成为可能，包括多相系统和高粘度墨水，从而大大扩展了可用的材料范围。通过将这些功能集成到多功能喷头中，可以实现前所未有的材料组成和结构复杂性，其分辨率、速度和质量其他制造技术无法比拟。

随着喷头技术的进步，3D打印已经对航空航天工程、医疗和牙科应用以及消费品生产等多个领域产生了实质性影响。未来，3D打印需要进一步整合更先进的功能材料，实现高生产速度而不牺牲精度，并提高重复性和可预测性，以实现其全部的技术、经济、环境和社会潜力。