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打印頭是材料擠出3D打印系統的基石，現在能夠處理幾乎任何材料。近日，約翰霍普金斯大學研究團隊全面探討了噴頭技術在材料擠出3D打印系統中的核心作用及其最新進展。系統地總結了噴頭技術如何通過多功能設計突破傳統制造限制，為復雜材料組合和高精度結構提供了全新解決方案。此外，本文還確定了開放的挑戰，并對多材料3D打印的未來進行了展望。相關論文以《多材料擠出3D打印噴頭》為題，發表在《自然綜述：材料》（Nature Reviews Materials）上。

噴頭技術的三大突破

在3D打印領域，噴頭技術作為核心部件，其設計直接影響著材料的可打印性和最終產品的性能。噴頭技術的發展經歷了從單一材料到多材料、從固定形狀到動態調整的轉變。現代多材料擠出噴頭通過以下創新實現了質的飛躍： 

形狀調制噴頭：精度與速度的平衡傳統

3D打印技術受限于固定噴嘴尺寸，難以兼顧高精度和大尺寸結構的打印。而形狀調制噴頭，包括固定、自適應和多輸出噴頭，能夠動態調整噴嘴尺寸和形狀。例如，自適應噴頭通過改變出口直徑，實現了從微米級到厘米級結構的無縫打印。這種靈活性使得打印復雜幾何形狀和梯度結構成為可能，為航空航天、醫療等領域的高精度需求提供了解決方案。

▲形狀調制打印頭

性能調制噴頭：材料性能的實時調控

性能調制噴頭通過旋轉、振動或外部刺激（如磁場、溫度）實時調控材料性能。例如，磁性噴頭可定向排列鐵磁顆粒，制造可編程變形的軟體機器人。這種技術不僅拓展了材料的應用范圍，還為智能材料和柔性電子設備的開發提供了新途徑。在陶瓷制造中，通過溫度調控可以優化陶瓷粉末的熔融狀態，提高打印件的密度和強度。

▲屬性調制打印頭

多材料處理噴頭：功能梯度材料的實現

多材料處理噴頭支持材料快速切換、混合和共擠，實現功能梯度材料或異質結構的打印。例如，共擠噴頭可同時擠出硬質和軟質材料，制造兼具高剛度和韌性的晶格結構。這種技術在機械超材料、生物打印等領域具有廣泛應用前景。例如，在生物打印中，共擠噴頭可以同時打印細胞外基質和細胞，促進組織的血管化和細胞存活。

▲多材料打印頭

應用領域的廣泛拓展

噴頭技術的進步為多個領域帶來了革命性應用：

應用拓展

機械超材料：通過多材料組合設計出具有負泊松比或可調應變行為的結構。

軟體機器人：集成傳感與驅動功能，例如磁性噴頭打印的軟體抓手可遠程操控。

生物打?。?/span>共擠噴頭制造血管化組織，或通過犧牲材料技術形成營養輸送通道，提升細胞存活率。

4D打?。?/span>利用刺激響應材料（如溫敏水凝膠）實現打印后形狀自變形。

 ▲材料擠出增材制造中的新興應用

未來挑戰與展望

面臨的挑戰

材料兼容性：當前噴頭多采用光固化聚合物制造，難以適應高溫或腐蝕性材料，未來需開發金屬或陶瓷噴頭。

控制系統優化：現有G代碼語言難以協調多模塊同步操作，需開發獨立控制算法以提升效率。

規模化生產：如何將實驗室技術轉化為工業級應用，仍需解決速度、精度和成本間的平衡問題。

文章指出，噴頭技術的模塊化設計為未來創新提供了廣闊空間，例如結合更多功能（如4D打印實時調控）或擴展至熔融沉積成型（FFF）等普及技術。隨著材料與控制的進一步突破，3D打印有望徹底改變航空航天、醫療和消費品等領域的制造方式。

總結與啟示

文章首次將噴頭技術歸納為形狀調制、性能調制、多材料處理三大創新維度，突破了傳統按設備類型劃分的研究框架。清晰展現了噴頭設計從 "單一執行部件" 向 "智能材料處理器" 的進化路徑。涵蓋技術原理和工程應用關聯分析，為后續研究提供了可復制的研究范式。但該研究仍存在可拓展空間：如對金屬、陶瓷基復合材料打印的噴頭耐磨損特性分析不足，對極端環境下的噴頭系統可靠性研究尚屬空白。但整體而言，文章通過 "基礎研究 - 技術創新 - 工程應用" 的完整邏輯鏈，不僅夯實了3D打印噴頭技術的理論根基，更以鮮明的問題導向為產業界指明了突破方向。

其中提出的多材料復合制造理念，正在被升華三維粉末擠出打印技術（PEP）的國產創新實踐所印證，其針對高性能特種金屬和先進陶瓷的特殊加工需求，自主研發了獨立雙噴嘴擠出系統與三螺桿雙組份單噴嘴擠出系統，通過兩種差異化技術路徑，破解了多材料復合、梯度功能材料制備、高精度界面調控等行業難題，推動金屬、陶瓷從單一結構向 “復合結構 - 功能一體化” 器件跨越。隨著技術的不斷突破，我們有理由期待，3D打印將在更多領域為高端制造帶來更多驚喜。

 ▲升華三維PEP技術的顆粒擠出系統

論文信息：

Brown, N.C., Ames, D.C. & Mueller, J. Multimaterial extrusion 3D printing printheads. Nat Rev Mater (2025).

來源聲明：

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