一、研究背景

三維打印作為傳統(tǒng)減材制造和成形制造的有力補充，通過逐層或逐體素的增材方式構建實體對象。它解決了傳統(tǒng)制造在設計靈活性有限、原型制作緩慢和生產(chǎn)浪費嚴重等方面的關鍵局限，滿足了航空航天、牙科等多個行業(yè)對定制化解決方案的日益增長的需求，同時有助于緩解全球供應鏈挑戰(zhàn)。

不同的3D打印技術在分辨率、機械性能和加工約束方面存在差異，而多材料能力已成為提升零件復雜性、減少連接等后處理工藝需求的關鍵因素。然而，大多數(shù)3D打印工藝本質(zhì)上受到材料兼容性的限制，例如光固化立體成形依賴光固化樹脂，粉末床熔融需要熱塑性聚合物等可熱熔材料。此外，打印過程中切換容器或粉末耗時久，存在材料污染風險，會降低生產(chǎn)效率并限制幾何復雜性。

在3D打印領域，材料擠出法已從早期的熔融沉積成形（FFF）發(fā)展到現(xiàn)代的多材料直接墨水書寫（DIW）。DIW看似簡單，最基本形式僅包含一個通過龍門架安裝的注射器擠壓凝膠狀漿料的壓力泵，但如今已擁有所有增材制造技術中最廣泛的材料選擇范圍，能夠擠出生物和活體材料、陶瓷和玻璃、黑色和有色金屬、彈性體和聚合物及其復合材料等，且這些材料可直接以原生形式、化學固化漿料形式或通過膠體懸浮液間接擠出。

DIW的分辨率范圍廣，從建筑領域的分米級到電子領域的微米級，其相對簡單性帶來了廣泛的靈活性和先進功能，F(xiàn)FF通常被視為DIW的一個子集。配備多功能擠出噴頭的DIW 3D打印機作為核心組件，能夠克服傳統(tǒng)增材制造和材料加工的局限，例如多輸出（多噴嘴）噴頭可解決分辨率-速度權衡問題，核-殼噴嘴能夠擠出液態(tài)金屬等難打印材料。這些噴頭還通過原位材料混合實現(xiàn)連續(xù)性能梯度、高速材料切換、不同材料共擠出以及感應電磁場局部調(diào)節(jié)材料性能等方式，解鎖了前所未有的設計復雜性。

盡管3D打印已在航空航天工程、醫(yī)療牙科應用和消費品生產(chǎn)等多個領域產(chǎn)生了重大影響，但要充分發(fā)揮其技術、經(jīng)濟、環(huán)境和社會潛力，還需要進一步整合更先進的功能材料，在不犧牲精度的前提下實現(xiàn)高生產(chǎn)速度，并提高可重復性和可預測性。多功能擠出噴頭無疑將在改變原型制作、小批量和大規(guī)模制造以及重塑供應鏈方面繼續(xù)發(fā)揮關鍵作用。

二、研究內(nèi)容

（一）噴頭賦能的材料設計

材料的可打印性由其擠出過程中的流變（流動）特性決定，該特性應具有剪切變稀和剪切屈服行為，以促進擠出并防止沉積后變形。這種行為與輸入原料類型無關，原料可以是液體、漿料、顆粒或固體長絲。

可打印材料通常表現(xiàn)出特定系統(tǒng)范圍的流變特性，常被建模為赫歇爾-巴爾克利流體，其剪切應力τ與剪切速率γ˙的關系為：

其中τ?是屈服剪切應力，K是稠度指數(shù)，n是流動指數(shù)。例如，通過出口直徑為0.5 mm的錐形噴嘴進行打印時，稠度指數(shù)K需在0.1 Pa·s?1至103 Pa·s?1之間，流動指數(shù)n<0.8（體現(xiàn)剪切變稀特性），屈服剪切應力τ?>103 Pa。

圖1 | 多材料擠出增材制造。a. 打印系統(tǒng)的基本組成部分，展示噴頭如何連接材料輸入和輸出；b. 噴頭技術進步所支持的各種可打印輸入材料類型和形式；c. 三大類噴頭，可實現(xiàn)形狀和拓撲調(diào)制、墨水和材料性能調(diào)制以及通過多材料加工實現(xiàn)的細絲成分控制；d. 多樣化輸入材料與先進噴頭設計的結合，有助于制造具有復雜拓撲結構和成分的打印零件。圖b中的生物樣品圖像經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻12；圖d中的金字塔樣品和梯度樣品圖像改編自參考文獻247（CC BY 4.0）；3D打印結構化兔子圖像經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻248；不同成分材料圖像經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻222。

大多數(shù)材料并非天生可打印，必須進行改性以獲得所需的流變特性：

• 低粘度材料：添加增稠劑增加粘度，添加添加劑誘導剪切變稀行為，加入填料提高屈服應力，或通過部分交聯(lián)穩(wěn)定材料。

• 過厚或固態(tài)材料：加入溶劑或稀釋劑削弱分子間作用力，添加增塑劑降低粘度，通過機械分散改善流動性，或引入第二相形成泡沫狀結構。

• 溫度調(diào)節(jié)：集成加熱功能的噴頭降低材料粘度便于流動，受控冷卻確保沉積后固化；冷卻低粘度材料可誘導凝膠化或增加粘度。

圖2 | 材料可打印性及改性。a. 低粘度（稀?。┡ｎD流體可通過添加增稠劑、顆?；蚪宦?lián)劑來增加粘度并誘導剪切變稀特性，從而實現(xiàn)可打印性；相反，高粘度（粘稠）材料可通過加入增塑劑、溶劑或采用均化工藝實現(xiàn)可打印性。b. 溫度調(diào)節(jié)可用于熔化或軟化固體材料，或降低粘稠墨水的粘度，使其可擠出。c. 并非總是需要流變改性；墨水可通過紫外線交聯(lián)或前沿聚合等聚合物轉(zhuǎn)化，或通過溶劑蒸發(fā)，在擠出后保持形狀。此外，基質(zhì)材料（如基底或細絲基質(zhì)）可支撐墨水，保持其打印結構。

（二）多功能噴頭的分類及類型

材料擠出3D打印機的噴頭功能可分為八種功能類型：固定型、自適應型、多輸出型、運動型、激勵型、切換型、混合型和共擠出型，并可歸納為三類：形狀調(diào)制、性能調(diào)制和多材料加工。

1. 形狀調(diào)制

形狀調(diào)制噴頭整合了噴頭出口尺寸調(diào)制、形狀變形和拓撲重構功能，能夠動態(tài)調(diào)整細絲擠出輪廓，優(yōu)化分辨率、材料流動和效率。

圖3 | 形狀調(diào)制噴頭。a. 固定噴嘴噴頭示意圖；b. 可切換噴嘴出口形狀的噴頭及所得長絲橫截面；c. 通過固定噴嘴中的流量調(diào)節(jié)控制長絲直徑，以及在打印星形結構中產(chǎn)生的梯度；d. 在犧牲水凝膠基質(zhì)內(nèi)的自由形式嵌入式3D打??；e. 環(huán)氧樹脂基質(zhì)中短碳纖維的剪切應力取向，在蜂窩狀打印結構中得到展示；f. 具有尺寸變化和形狀變化能力的自適應噴頭示意圖；g. 內(nèi)徑調(diào)節(jié)實現(xiàn)徑向顆粒排列（P表示輸入壓力）；h. 自適應噴嘴展示小（左）和大（右）出口直徑，以及示例性打印橫截面；i. 單材料輸入的多輸出噴頭示意圖；j. 用于周期性多孔結構的多輸出噴嘴陣列；k. 固體和多孔結構的體素化多材料打印。圖b經(jīng)Wiley許可改編自參考文獻100；圖c轉(zhuǎn)載自參考文獻105（CC BY 4.0）；圖d轉(zhuǎn)載自參考文獻249（CC BY 4.0）；圖e經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻28；圖g經(jīng)Wiley許可改編自參考文獻127；圖h經(jīng)AAAS許可改編自參考文獻128；圖j經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻134；圖k經(jīng)Springer Nature Limited許可改編自參考文獻38。

• 固定噴嘴噴頭：最原始、最基本的噴頭類型，出口形狀可修改，矩形出口在混凝土3D打印中應用廣泛。保持擠出物直徑接近噴嘴尺寸可減少流動不穩(wěn)定性，通過改變流速可適度調(diào)整細絲直徑。

• 自適應噴嘴噴頭：動態(tài)調(diào)整噴嘴尺寸或形狀，克服固定噴嘴的效率和設計靈活性局限。自適應尺寸噴嘴通過集成致動器實現(xiàn)廣泛的細絲尺寸范圍；自適應形狀噴嘴可實現(xiàn)光滑表面和高致密性打印。

• 多輸出噴頭：通過增加噴嘴數(shù)量提高吞吐速度，微流體分叉通道網(wǎng)絡實現(xiàn)單一輸入多輸出，二維陣列噴嘴進一步提高效率，集成切換噴嘴可實現(xiàn)多材料轉(zhuǎn)換，共形多輸出噴頭和自適應多輸出噴嘴陣列擴展了應用場景。

2. 性能調(diào)制

除了修改出口形狀和拓撲結構外，噴頭還可設計為在擠出過程中通過運動學或激勵機制實時動態(tài)調(diào)整材料性能。

圖4 | 性能調(diào)制噴頭。a. 集成致動器的運動學噴頭示意圖；b. 旋轉(zhuǎn)噴頭（左）及在復合材料中纖維排列（右），上圖為無旋轉(zhuǎn)，下圖為旋轉(zhuǎn)時；c. 利用旋轉(zhuǎn)多材料共擠出噴頭打印亞體素特征；d. 集成輔助激勵單元的激勵噴嘴示意圖；e. 利用電阻加熱線圈的共晶金屬打印加熱噴頭；f. 延遲材料固化直至沉積的冷卻噴頭；g. 用于長絲中顆粒排列的聲學電泳噴頭；h. 用于長絲中鐵磁顆粒排列的電磁噴頭；i. 附著在噴嘴上的紫外線光源，用于快速固化含氣泡結構。圖b經(jīng)PNAS許可改編自參考文獻30；圖c經(jīng)Springer Nature Limited轉(zhuǎn)載自參考文獻42；圖e經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻76；圖f經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻87；圖g經(jīng)Elsevier許可改編自參考文獻143；圖h經(jīng)Springer Nature Limited改編自參考文獻43；圖i經(jīng)Wiley許可改編自參考文獻81。

• 運動學噴頭：通過旋轉(zhuǎn)或平移運動，實現(xiàn)各向異性特征的精確對齊，提高可打印性。旋轉(zhuǎn)噴嘴實現(xiàn)螺旋纖維排列，增強結構性能；平移振動可修改材料流變學特性或防止噴嘴堵塞。

• 激勵噴頭：通過溫度、聲學、 magnetic、光學、靜電等外部刺激調(diào)制材料性能。加熱噴頭降低材料粘度，冷卻噴頭穩(wěn)定材料；聲學附件可對齊顆?；蛱崛「哒扯炔牧?；磁場實現(xiàn)磁性顆粒對齊；紫外線用于材料固化；高壓電場增強聚合物纖維可打印性。

3. 多材料加工

多材料噴頭將多種材料集成到單個噴頭中，解決了傳統(tǒng)多材料增材制造的諸多問題，實現(xiàn)了獨特的材料組合。

圖5 | 多材料噴頭。a. 基本切換噴嘴示意圖；b. 雙輸入單輸出T型接頭噴嘴（左，增大輸出直徑以減少材料過渡長度）和Y型接頭切換噴嘴（右，設計用于將生物墨水組合成具有特定多材料橫截面的打印材料）；c. 四輸入或多輸入單輸出切換噴嘴，用于體素化物質(zhì)打??；d. 基本被動混合噴嘴示意圖（左）和用于創(chuàng)建可調(diào)局部剛度的被動混合噴嘴圖片（右）；e. 主動混合噴嘴示意圖（左）和主動混合噴嘴及所得功能梯度材料圖片（右）；f. 具有軸向、徑向或?qū)訝钔ǖ垒敵龅墓矓D出噴頭示意圖；g. 內(nèi)通道縮回的多核-殼噴嘴，以最小化出口直徑；h. 用于先進共擠出圖案的計算設計分段噴嘴。圖b左經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻169；圖b右經(jīng)ASME International許可轉(zhuǎn)載自參考文獻171；圖c經(jīng)Springer Nature Limited改編自參考文獻38；圖d右經(jīng)Wiley許可改編自參考文獻40；圖e右經(jīng)PNAS許可改編自參考文獻172；圖g經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻41；圖h改編自參考文獻225（CC BY 4.0）。

• 切換噴嘴：通過內(nèi)部通道將兩種不同材料集成到單個噴頭中，實現(xiàn)材料快速切換，減少位置誤差，簡化路徑規(guī)劃。壓力驅(qū)動擠出機可實現(xiàn)更高頻率的材料切換，但缺乏精確流量控制。

• 混合噴頭：通過被動或主動混合組件，實時混合不同材料，實現(xiàn)功能梯度零件或原位混合反應性材料。被動混合利用內(nèi)部幾何形狀，適用于相似流變學特性材料；主動混合使用電機驅(qū)動葉輪，混合質(zhì)量和速度更高。

• 共擠出噴頭：將擠出物細分為不同材料的離散部分，實現(xiàn)亞細絲分辨率。軸對稱共擠出（如核-殼噴頭）可制造多層嵌套結構；非軸對稱共擠出可實現(xiàn)更復雜的材料組合和性能調(diào)控。

4. 混合噴頭

許多噴頭功能具有模塊化特性，適合組合成混合配置，以增強能力或針對特定應用定制功能。例如，多輸出噴頭集成快速切換機制、多輸出噴頭添加自適應垂直運動、共擠出噴頭集成內(nèi)部平移運動等?；旌显O計具有多功能性和高效率等優(yōu)勢，但也增加了系統(tǒng)復雜性，需要更精確的同步和控制。

圖6 | 混合噴頭。a. 最新進展表明，最多可集成四種專用噴頭類型。注：該圖不包括涉及固定噴嘴的組合。文獻中的噴頭模塊組合：自適應+混合、自適應+共擠出、切換+多輸出、激勵+運動學等。b. 多輸出噴嘴陣列與八材料多材料切換噴嘴的模塊化集成；c. 利用運動學多輸出噴嘴進行周期性結構的共形打印；d. 具有平移內(nèi)芯的共擠出噴嘴，用于動態(tài)橫截面形狀；e. 多材料介電彈性體執(zhí)行器，通過共擠出和旋轉(zhuǎn)運動學噴頭形成，并輔以集成紫外線固化。圖b經(jīng)Springer Nature Limited改編自參考文獻38；圖c經(jīng)Wiley許可改編自參考文獻136；圖d經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻231；圖e經(jīng)Springer Nature Limited改編自參考文獻42。

（三）新興應用

將多種噴頭功能與先進材料相結合，催生了廣泛的新興應用，包括機械超材料、軟機器人、4D打印和生物系統(tǒng)等領域。

圖7 | 材料擠出增材制造的新興應用。a. 多材料負泊松比結構，通過集成材料切換模塊的多噴嘴快速制造，具有改進的負泊松比性能；b. 利用共擠出和紫外線增強噴頭的多尺度泡沫結構直接氣泡書寫；c. 由多材料核-殼長絲組成的晶格，具有增強的剛度和韌性；d. 通過打印液晶彈性體墨水并結合紫外線實現(xiàn)的結構顏色；e. 利用增強磁噴頭對齊鐵磁顆粒打印的磁驅(qū)動軟機器人；f. 利用切換噴嘴制造的氣動驅(qū)動軟機器人，該噴嘴在高粘度和低粘度材料之間切換，后者填充間隙和空隙以確保氣密性；g. 利用嵌入式3D打印制造的自主控制章魚軟機器人；h. 利用固定噴嘴對齊的玻璃纖維填充聚合物長絲，經(jīng)加熱處理后變形；i. 利用錐形噴嘴對齊纖維素原纖維的4D打印復合水凝膠，遇水后變形；j. 經(jīng)紫外線刺激的液晶彈性體花朵，通過斷裂交聯(lián)鍵實現(xiàn)變形；k. 3D打印載細胞墨水制造的成骨組織中的血管網(wǎng)絡（左）和同軸噴頭實現(xiàn)的分層分支血管網(wǎng)絡（右）；l. 共擠出到支撐凝膠基質(zhì)中的類肝和肌肉結構。圖a經(jīng)Wiley許可改編自參考文獻234；圖b經(jīng)Wiley許可改編自參考文獻81；圖c經(jīng)Wiley許可改編自參考文獻41；圖d經(jīng)PNAS許可改編自Simon A. Rogers & Ying Diao（參考文獻235）；圖e經(jīng)Springer Nature Limited改編自參考文獻43；圖g經(jīng)Springer Nature Limited轉(zhuǎn)載自參考文獻241；圖h經(jīng)PNAS許可轉(zhuǎn)載自參考文獻243；圖i經(jīng)Springer Nature Limited轉(zhuǎn)載自參考文獻114；圖j經(jīng)Wiley許可改編自參考文獻244；圖k左經(jīng)PNAS許可改編自參考文獻13；圖k右經(jīng)Wiley許可轉(zhuǎn)載自參考文獻245；圖l經(jīng)ACS許可改編自參考文獻223。

• 機械超材料：制造由多種集成材料組成的結構，具有可調(diào)負泊松比和應變行為；利用多相墨水制造輕質(zhì)結構；提高晶格結構的韌性；控制結構顏色。

• 軟機器人：實現(xiàn)軟機器人的磁驅(qū)動變形；制造復雜的內(nèi)部結構和流體通道；克服密封通道制造挑戰(zhàn)；拓寬軟機器人系統(tǒng)的能力。

• 4D打?。菏褂么碳っ舾胁牧希?D結構在打印后能夠通過外部刺激調(diào)整形狀，如熱激活變形、吸水變形、紫外線誘導變形等。

• 生物結構：打印具有血管網(wǎng)絡的生物組織，維持細胞活力；制造類器官和肌肉結構，創(chuàng)造復雜生物系統(tǒng)所需的異質(zhì)性。

（四）未來展望

噴頭技術的進步徹底改變了3D打印，使其從制造單一材料系統(tǒng)的技術發(fā)展成為復雜的多材料平臺。這些創(chuàng)新使得能夠制造以前難以加工的材料（包括多相系統(tǒng)和極端粘度墨水），顯著擴展了可用材料的范圍。

盡管取得了這些進步，仍有很大的潛力有待挖掘。未來的噴頭迭代可能會采用不銹鋼等不同的工藝和材料，實現(xiàn)高溫應用，并與溶劑、載細胞墨水和食品安全材料兼容。直接墨水書寫技術的擴展將解決關鍵的社會挑戰(zhàn)，先進的模塊化噴頭設計將為教育、創(chuàng)新和低成本生產(chǎn)提供廉價途徑。

隨著噴頭功能日益復雜，需要開發(fā)獨立且同步的控制系統(tǒng)，以確保無縫運行，實現(xiàn)流暢的功能，解鎖更復雜的材料和多材料組合。展望未來，先進噴頭技術與新興材料的融合在實際應用中具有巨大潛力，將在基礎設施、交通、機器人和醫(yī)學等領域展現(xiàn)出經(jīng)濟、環(huán)境和社會影響，通過解決規(guī)?；⒉牧霞嫒菪院涂刂频确矫娴奶魬?zhàn)，未來的創(chuàng)新將進一步完善現(xiàn)有能力，為制造領域開辟全新的可能性。

三、研究結論

本研究全面綜述了多材料擠出3D打印噴頭這一快速發(fā)展的領域，深入探討了噴頭在材料設計、克服加工限制以及對新興應用的影響等方面的關鍵作用。

研究明確了材料可打印性的核心影響因素是其流變特性，通過合理改性材料或優(yōu)化噴頭設計，可顯著拓寬可打印材料的范圍。提出了包含八種功能類型的噴頭分類體系，并將其歸納為形狀調(diào)制、性能調(diào)制和多材料加工三大類，詳細闡述了各類噴頭的工作原理、特點、優(yōu)勢及應用場景。

多功能噴頭的發(fā)展使3D打印從單一材料制造邁向復雜多材料平臺成為可能，實現(xiàn)了前所未有的材料成分和結構復雜性，在機械超材料、軟機器人、4D打印和生物結構等新興領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

同時，研究也指出了當前該領域面臨的挑戰(zhàn)，如部分先進噴頭仍局限于學術研究、材料兼容性問題、復雜噴頭的規(guī)?；瘧美щy以及缺乏有效的控制系統(tǒng)等。未來，通過采用更優(yōu)質(zhì)的材料制造噴頭、進一步優(yōu)化噴頭設計、開發(fā)高效的控制系統(tǒng)等，有望解決這些挑戰(zhàn)，推動多材料3D打印技術在更多行業(yè)的廣泛應用，重塑制造業(yè)的格局。

四、論文信息

• 論文標題：Multimaterial extrusion 3D printing printheads（多材料擠出3D打印噴頭）

• 發(fā)表期刊：Nature Reviews Materials

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

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