导读：一种新的方法允许在短时间内用多达8种不同的油墨进行打印，这要归功于特殊的打印头，它每秒可以无缝切换多达50次油墨。

3D打印机通过允许用户创建他们按需想象的任何物理形状，正在彻底改变制造。但是，大多数商用打印机一次只能由一种材料制成物体，而能够进行多材料打印的喷墨打印机则受到液滴形成的物理条件的限制。挤出的3D打印允许打印各种材料，但是过程非常缓慢。例如，使用单喷嘴、单材料打印头以人发的分辨率和10cm/s的打印速度构建大约1升体积的3D对象大约需要10天。要在不到1天的时间内构建相同的对象，就需要实现一个具有16个喷嘴同时打印的打印头！

现在，由哈佛大学怀斯生物启发工程研究所（Wyss）和约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）开发的一项称为多材料多喷嘴3D（MM3D）打印的新技术使用高速压力阀来实现快速，连续和无缝的连接可以在多达8种不同的打印材料之间进行切换，从而可以使用从单个喷嘴到大型多喷嘴阵列的打印头，仅以目前所需时间的一小部分来创建复杂的形状。这些3D打印头本身是使用3D打印制造的，从而使其能够快速定制，并便于制造界的其他用户采用。每个喷嘴每秒可以切换材料的速度高达50次，这比眼睛能看到的速度快，或与蜂鸟拍打翅膀一样快。该研究发表在《Nature》杂志上。

MM3D打印独特的3D打印头设计使它能够无缝地切换多个不同的材料之间高达50次每秒，大大简化打印复杂结构的过程。

共同第一作者、Wyss研究所的研究员Mark Skylar-Scott博士说：“当使用传统的基于挤压的3D打印机打印对象时，打印对象所需的时间与对象的长度成正比，因为打印喷嘴必须沿三个维度移动，而不仅仅是一个维度。MM3D将多喷嘴阵列与能够在多种油墨之间快速切换的能力有效地消除了切换打印头所浪费的时间，并有助于将缩放定律从立方减小到线性，因此您可以更快地打印多材料的周期性3D对象。”

喷头可以容纳多个喷嘴，每个喷嘴最多可以打印八种不同的材料。一系列分支通道将“墨水”分配给喷嘴。

MM3D打印快速切换油墨的关键是打印头内的一系列Y形连接，多个油墨通道在一个输出喷嘴处汇合在一起。喷嘴的形状、打印压力和油墨粘度都经过精确计算和调整，因此，当将压力施加到连接点的“臂”之一时，向下流过该臂的油墨不会导致静态油墨进入另一臂向后流动，这可以防止油墨混合并保持打印对象的质量。通过使用一组快速气动阀操作打印头，这种单向流动特性可以快速组装从每个喷嘴连续流出的多种材料的细丝，并可以构造3D多种材料的零件。还可以调整油墨通道的长度，以考虑具有不同粘度和屈服应力的材料，从而比其他油墨更快或更慢地流动。

油墨之间的快速切换是由于在每个喷嘴(最左边)特殊的Y形连接，这是精确调整，以防止混合或回流油墨在印刷。连接可以被多路复用用于更大的打印工作，并且可以定制以考虑具有不同物理特性的材料(从右开始)

“由于MM3D打印可以快速地产生物体，因此人们可以使用其特性随时间变化的反应性材料，例如环氧树脂、有机硅、聚氨酯或生物油墨。”该研究的第一作者、Wyss Institute和SEAS的研究员Jochen Mueller博士说：“人们还可以轻松地将具有不同特性的材料集成在一起，以创建像折纸一样的架构或同时包含刚性和柔性元素的软机器人。”

为了证明他们的技术，研究人员打印了三浦折纸结构，该结构由刚性的“面板”部分与高度柔性的“铰链”部分连接而成。以前构建这种结构的方法需要手动将它们组装在一起，形成堆叠的层——MM3D打印头能够在一步内打印出整个物体，方法是使用8个喷嘴连续挤出两个交替的环氧油墨，固化后的硬度相差四个数量级。铰链在成功打印之前经受了1000多个折叠循环，这表明在打印过程中在刚性和柔性材料之间实现了高质量的过渡。

MM3D打印还可用于创建更复杂的对象，包括致动机器人。该研究小组设计并打印了一种由刚性和软弹性体组成的柔软机器人，形状类似于千足虫，其中包括嵌入式气动通道，这些通道使柔软的“肌肉”被真空依次压缩，从而使机器人“行走”。该机器人能够以每秒近半英寸的速度移动，同时承载的重量是其自身重量的八倍，并且可以与其他机器人连接以承载更重的负载。

Wyss研究所和Hansjörg Wyss的核心教员，SEAS的生物启发工程教授、通讯作者Jennifer A. Lewis，Sc.D.说：“这种方法可以快速设计和制造体素相关物质，这是我们领域的新兴范例。使用我们广泛的功能、结构和生物油墨调色板，不同的材料现在可以无缝地集成到按需打印的3D物体中。”

重要的是，当前的MM3D打印头只能打印周期性（即重复）的零件。但是该团队认为MM3D打印将继续发展，最终将具有可以在不同时间挤出不同油墨的喷嘴，较小的喷嘴可以实现更高的分辨率，甚至更大的阵列可以在各种尺寸和分辨率下进行快速的单步3D打印。他们还正在探索使用牺牲性油墨来创建更复杂的形状。

Wyss创始人、哈佛医学院的犹大福克曼大学血管生物学教授和波士顿儿童医院的血管生物学计划教授，以及SEAS的生物工程学教授唐纳德·英格伯（Donald Ingber）博士说：“ 3D打印技术使人们无需昂贵的机械和原材料即可进行创新，从而使制造业发生了革命性变化。这一新进展有望极大地改善这一激动人心领域的创新步伐。”