Nat. Rev. Mater.: 多材料挤出3D打印喷头 - 约翰霍普金斯大学Jochen Mueller教授团队

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Nat. Rev. Mater.: 多材料挤出3D打印喷头 - 约翰霍普金斯大学Jochen Mueller教授团队

高分子科技

2025-05-28

导读：综述多材料挤出3D打印喷头最新进展，喷头技术在实现复杂材料设计核心作用...

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随着传统制造方法在设计灵活性、原型制作速度和生产浪费方面的局限性日益凸显，3D打印技术作为一种新兴的增材制造方法应运而生。3D打印通过逐层构建物体，能够满足航空航天、医疗、消费品等行业对定制化解决方案的日益增长的需求。然而，大多数3D打印技术受限于材料兼容性，且多材料加工能力不足。材料挤出技术，尤其是直接墨水写入（DIW），凭借其广泛的材料适用性和多功能性，成为3D打印领域的重要发展方向。DIW技术能够处理从生物材料到金属等多种材料，并通过先进的喷头设计实现复杂的材料组合和结构设计，为3D打印技术的进一步发展提供了关键支持。

近日，美国约翰霍普金斯大学Jochen Mueller教授团队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。

2025年5月22日，相关综述论文以“Multimaterial extrusion 3D printing printheads”为题发表在Nature Reviews Materials上。文章的核心内容集中在3D打印技术中的喷头技术，特别是多材料挤出3D打印喷头的最新进展、分类、应用以及未来发展方向。

图文介绍

喷头作为材料挤出3D打印系统的核心，连接了材料输入和输出，决定了打印材料的种类和成型效果。文章将喷头分为三大类：形状调制喷头（固定、自适应和多输出）、属性调制喷头（运动和刺激）以及多材料处理喷头（切换、混合和共挤出），并介绍了它们在材料设计和制造中的关键作用。

图1. 多材料挤压增材制造

图2进一步探讨了材料的流变特性（流动特性）对3D打印的影响。为了使材料具有良好的可打印性，需要通过添加增稠剂、稀释剂、交联剂等添加剂或通过温度控制来调整材料的粘度、剪切变稀行为和屈服应力。这些调整不仅提高了材料的可打印性，还为开发新型打印材料提供了理论基础。

图2. 材料可印刷性和修改性

图3展示了形状调制喷头的三种类型：固定喷头、自适应喷头和多输出喷头。固定喷头是最基本的类型，而自适应喷头能够动态调整喷头的尺寸或形状，以适应不同的打印需求，从而提高打印质量和效率。多输出喷头则通过多个喷嘴同时挤出材料，显著提高了打印速度。这些喷头在建筑、航空航天等领域的应用前景广阔。

图3. 形状调制喷头

图4介绍了属性调制喷头的两种类型：运动喷头和刺激喷头。运动喷头通过旋转或振动来调整材料的纤维排列或流动特性，而刺激喷头则通过外部刺激（如磁场、温度）来改变材料的物理属性。这些喷头技术在复合材料制造、生物医学和电子制造等领域具有广泛的应用前景。

图4. 属性调制喷头

图5展示了多材料处理喷头的三种类型：材料切换喷头、混合喷头和共挤出喷头。这些喷头能够在一个喷头中切换、混合和共挤出多种材料，实现复杂的材料组合和性能梯度。这种技术在生物医学、电子制造和软体机器人等领域具有重要的应用价值。

图5. 多材料喷头

图6探讨了混合喷头的概念，即将多种喷头功能集成于一体，以实现更复杂的打印任务。混合喷头可以通过组合不同的喷头类型（如多输出喷头与切换机制、旋转喷头与共挤出喷头）来实现更高效、更灵活的打印效果。这种设计为3D打印技术的未来发展提供了更多的可能性。

图6. 混合喷头

图7展示了3D打印技术在多个新兴领域的应用，包括机械超材料、软体机器人、4D打印和生物医学。这些应用展示了3D打印技术的强大潜力，例如通过多材料打印实现的机械超材料具有独特的力学性能，软体机器人可以通过集成传感器和执行器实现更灵活的动作，而4D打印则能够在打印后通过外部刺激实现形状变化。这些创新为未来的制造和创新提供了新的思路。

图7. 材料挤压增材制造的新兴应用

综上，本文综述了多材料挤出3D打印喷头的最新进展，强调了喷头技术在实现复杂材料设计和提高打印效率中的核心作用。介绍了八种原型喷头类别及其混合类型，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。喷头技术的进步使得材料的形状调制、属性调制和多材料处理成为可能，从而推动了航空航天、医疗、消费品等多个领域的应用发展。尽管如此，3D打印技术仍面临材料兼容性、生产速度和精度等挑战。未来，喷头技术需要进一步集成更先进的功能材料，提高生产速度而不牺牲精度，并改善重复性和可预测性，以充分发挥其在制造业中的潜力。

原文链接

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

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