哈佛：多材料多喷嘴，高频无缝切换3D打印系统实现功能器件制造
有内容 有深度 有态度 欢迎关注
11月13日，哈佛大学工程与应用科学学院Jennifer A. Lewis教授团队在国际顶级期刊《Nature》上面在线发表名为“Voxelated soft matter via multimaterial multinozzle 3D printing”的研究文章，涉及一种新型的多材料全彩3D打印系统，为3D打印功能材料制造提供了一种新的途径。本期，3D打印技术参考对其进行介绍。
▌多材料、多喷嘴，无缝高频切换3D打印系统
当前彩色3D打印技术，以惠普多射流熔融技术和stratasys的polyjet技术最为先进，两者严格意义上皆属喷射成型，且多宣称体素打印。目前存在的技术难题是液滴形成的物理限制要求使用低粘度的油墨来保证打印成功。
体素3D打印（来自原文，已上传QQ群）
该团队设计的多材料多喷嘴3D打印系统（MM3D），通过使用高速压力阀控制并行排列的多达128个喷嘴，能够在极短时间内实现八种不同材料无缝高频切换，实现对材料组成、几何形状和结构性质的体素级别控制。该种方法大大拓宽了可以设计和制造复杂图案的体素化材料的范围。
每个喷嘴每秒切换材料的速度高达50次
该技术快速切换墨水的关键是打印头内的一系列Y形连接，多个墨水通道在一个输出喷嘴处汇合在一起。喷嘴的形状、打印压力和墨水粘度均经过精确计算和调整。当将压力施加到接合处时，向下流经的墨水不会混合，更不会进入另一通道和向后流动，这可以保持打印质量。
Y形连接喷嘴的工作过程
荷兰阿姆斯特丹软件机器人组的Johannes TB Overvelde针对该项技术在《Nature》在线发表名为“How to print multi-material devices in one go”的评论文章。他认为该项技术推动了增材制造可达到的速度和材料的界限，使我们比以往任何时候都更能够控制组成、几何形状和结构性质等，甚至于用肉眼无法看到的微小结构。这一突破不仅仅是实践应用的进步，更具备改变设计、制造功能器件的潜力。
研究团队打印的实物
▌3D打印复杂制造与功能制造的宏微观属性
增材制造从宏观上讲可以制造复杂结构，但在微观尺度上，该技术也可以控制结构的组成、几何形状和特性。此前，由于打印机在各种材料之间切换的速度太慢，由多种材料制成的物体可以打印的最小尺寸受到限制。
为了解决一系列的技术难题，研发团队开发出一种微流体喷嘴，可以在喷嘴尖端将多达八种粘性流体作为单独的细丝聚集在一起。通过依次对单个流体加压，它们以高达50 Hz的速率在材料之间切换，并产生大约250微米的尺寸。切换速率足够高，以致于可以打印“体素化”的结构，在3D网格每个点上皆具有不同的材料属性。这项工作成果扩大了小特征尺寸下可以打印的材料范围，从而打开了需要精确控制局部材料属性的3D打印应用市场。
材料快速切换（颜色）
研究人员为了证明体素定期布局可实现功能的有效性，进行了相关实验。首先采用一种坚硬的环氧材料打印刚性薄片，并在中间选取柔软度约为前者1000倍的另一种环氧材料作为中间连接边缘进行结构制造。打印完成后通过外界施加作用力，可以将打印的结构从扁平状可逆地转变成折叠的紧凑状态。此结构的折叠寿命达到1000次以上，这表明在打印过程中刚性和柔性材料可实现高质量的过渡。
刚性区域之间为柔性折叠边缘，体现多材料制造特点
另一项验证是采用两种不同硬度的硅橡胶制成的软机器人。机器人的腿由一些小室组成，这些小室在放气和充气时会沿预定的方向变形。连续的充气和放气可使该结构实行步行运动。通过实验发现，打印成功的软体机器人可承受自身八倍负载。
16脚软硬质弹性体功能机器人
对于这两项研究，使用多个平行喷嘴可显著减少打印时间。目前，该系统的打印头只能打印周期性（即重复的）零件，研究人员的目标是将其发展成可以在不同时间挤出不同墨水的喷嘴，较小的喷嘴可以实现更高的分辨率。将来可以采用阵列式喷嘴在各种尺寸和分辨率下进行快速单步3D打印。
END
哈佛大学的多材料、多喷嘴技术可能会对“结构化”材料的开发产生重大影响。这些材料表现出因工程化的周期性亚结构而特有的性质，这些特性的材料并非由化学方法合成，而是通过重新配置材料和内部结构来调整机械、光学或声学特性。
在微观水平上，通过打印不同物质体素组合来控制对象组成的能力成为一个新的领域，该领域可以将更多创新的功能编程到相同的架构材料中，从而获得更加丰富的功能结构。
注：本项研究的具体内容已上传QQ群。
