打印头是材料挤出3D打印系统的基石，现在能够处理几乎任何材料。近日，约翰霍普金斯大学研究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。系统地总结了喷头技术如何通过多功能设计突破传统制造限制，为复杂材料组合和高精度结构提供了全新解决方案。此外，本文还确定了开放的挑战，并对多材料3D打印的未来进行了展望。相关论文以《多材料挤出3D打印喷头》为题，发表在《自然综述：材料》（Nature Reviews Materials）上。

喷头技术的三大突破

在3D打印领域，喷头技术作为核心部件，其设计直接影响着材料的可打印性和最终产品的性能。喷头技术的发展经历了从单一材料到多材料、从固定形状到动态调整的转变。现代多材料挤出喷头通过以下创新实现了质的飞跃： 

形状调制喷头：精度与速度的平衡传统

3D打印技术受限于固定喷嘴尺寸，难以兼顾高精度和大尺寸结构的打印。而形状调制喷头，包括固定、自适应和多输出喷头，能够动态调整喷嘴尺寸和形状。例如，自适应喷头通过改变出口直径，实现了从微米级到厘米级结构的无缝打印。这种灵活性使得打印复杂几何形状和梯度结构成为可能，为航空航天、医疗等领域的高精度需求提供了解决方案。

▲形状调制打印头

性能调制喷头：材料性能的实时调控

性能调制喷头通过旋转、振动或外部刺激（如磁场、温度）实时调控材料性能。例如，磁性喷头可定向排列铁磁颗粒，制造可编程变形的软体机器人。这种技术不仅拓展了材料的应用范围，还为智能材料和柔性电子设备的开发提供了新途径。在陶瓷制造中，通过温度调控可以优化陶瓷粉末的熔融状态，提高打印件的密度和强度。

▲属性调制打印头

多材料处理喷头：功能梯度材料的实现

多材料处理喷头支持材料快速切换、混合和共挤，实现功能梯度材料或异质结构的打印。例如，共挤喷头可同时挤出硬质和软质材料，制造兼具高刚度和韧性的晶格结构。这种技术在机械超材料、生物打印等领域具有广泛应用前景。例如，在生物打印中，共挤喷头可以同时打印细胞外基质和细胞，促进组织的血管化和细胞存活。

▲多材料打印头

应用领域的广泛拓展

喷头技术的进步为多个领域带来了革命性应用：

应用拓展

机械超材料：通过多材料组合设计出具有负泊松比或可调应变行为的结构。

软体机器人：集成传感与驱动功能，例如磁性喷头打印的软体抓手可远程操控。

生物打印：共挤喷头制造血管化组织，或通过牺牲材料技术形成营养输送通道，提升细胞存活率。

4D打印：利用刺激响应材料（如温敏水凝胶）实现打印后形状自变形。

 ▲材料挤出增材制造中的新兴应用

未来挑战与展望

面临的挑战

材料兼容性：当前喷头多采用光固化聚合物制造，难以适应高温或腐蚀性材料，未来需开发金属或陶瓷喷头。

控制系统优化：现有G代码语言难以协调多模块同步操作，需开发独立控制算法以提升效率。

规模化生产：如何将实验室技术转化为工业级应用，仍需解决速度、精度和成本间的平衡问题。

文章指出，喷头技术的模块化设计为未来创新提供了广阔空间，例如结合更多功能（如4D打印实时调控）或扩展至熔融沉积成型（FFF）等普及技术。随着材料与控制的进一步突破，3D打印有望彻底改变航空航天、医疗和消费品等领域的制造方式。

总结与启示

文章首次将喷头技术归纳为形状调制、性能调制、多材料处理三大创新维度，突破了传统按设备类型划分的研究框架。清晰展现了喷头设计从 "单一执行部件" 向 "智能材料处理器" 的进化路径。涵盖技术原理和工程应用关联分析，为后续研究提供了可复制的研究范式。但该研究仍存在可拓展空间：如对金属、陶瓷基复合材料打印的喷头耐磨损特性分析不足，对极端环境下的喷头系统可靠性研究尚属空白。但整体而言，文章通过 "基础研究 - 技术创新 - 工程应用" 的完整逻辑链，不仅夯实了3D打印喷头技术的理论根基，更以鲜明的问题导向为产业界指明了突破方向。

其中提出的多材料复合制造理念，正在被升华三维粉末挤出打印技术（PEP）的国产创新实践所印证，其针对高性能特种金属和先进陶瓷的特殊加工需求，自主研发了独立双喷嘴挤出系统与三螺杆双组份单喷嘴挤出系统，通过两种差异化技术路径，破解了多材料复合、梯度功能材料制备、高精度界面调控等行业难题，推动金属、陶瓷从单一结构向 “复合结构 - 功能一体化” 器件跨越。随着技术的不断突破，我们有理由期待，3D打印将在更多领域为高端制造带来更多惊喜。

 ▲升华三维PEP技术的颗粒挤出系统

论文信息：

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

来源声明：

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