前不久，國(guó)際頂級(jí)期刊《Nature（自然）》報(bào)道了哈佛大學(xué)多材料多噴頭3D打印新技術(shù)（MM3D），它將多個(gè)材料流道的出入口集成于單個(gè)（或多個(gè)）注射器式噴頭上，用高速電磁閥控制每個(gè)流道的壓力，使不同材料在噴嘴處進(jìn)行輪換打印，從而實(shí)現(xiàn)多材料的3D打印。由于多材料多噴頭3D打印，是增材制造業(yè)十分關(guān)心的一種重要技術(shù)，因此這篇報(bào)道引起了巨大的反響。

然而哈佛大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研究，僅適用于擠出流態(tài)材料的注射器型3D打印，并未涉及另一類擠出式3D打印 — 熔絲制造（FFF/FDM）。因?yàn)?/span>FFF采用的原材料是固態(tài)絲材，必須在噴頭中通過200°C以上的高溫使材料熔融，然后才能從噴嘴擠出。FFF型擠出式3D打印具有可用高性能絲材品種豐富，有配套的大量絲材專業(yè)生產(chǎn)廠商，以及3D和絲材價(jià)格比較便宜等優(yōu)勢(shì)，近年來發(fā)展迅速，市場(chǎng)占有率不斷攀升。但其最大劣勢(shì)是打印效率低，雖然也有雙噴頭結(jié)構(gòu)打印機(jī)，但也只能一個(gè)個(gè)噴頭輪流交替打印，其中一個(gè)噴頭打印成形材料，另一個(gè)噴頭打印支撐材料，這種缺點(diǎn)在打印大型工件時(shí)尤為突出，所需打印時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)幾天，甚至十幾天以上，不僅效率低下，而且還可能在持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間的打印中，因打印機(jī)故障或打印工藝問題而導(dǎo)致工件報(bào)廢，因此不得不將大型工件拆分為幾個(gè)小件，由幾臺(tái)打印機(jī)分別打印后，拼裝為一個(gè)大工件，如此不僅麻煩，而且會(huì)降低工件的精度與強(qiáng)度。

為在FFF型材料擠出式3D打印機(jī)上，實(shí)現(xiàn)多材料多噴頭3D打印，國(guó)內(nèi)外曾有不少研究工作者提出過多種設(shè)計(jì)方案，例如圖1所示，這種設(shè)計(jì)有5個(gè)噴頭，每個(gè)噴頭安裝在一個(gè)可移動(dòng)的龍門式框架上，雖可實(shí)現(xiàn)大型工件的多材料多噴頭并行協(xié)同整體打印，但是龍門式框架質(zhì)量大，重心高，結(jié)構(gòu)龐雜，難于實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，難于達(dá)到提高打印效率的目的，因此至今未見商品化的多材料多噴頭并行協(xié)同運(yùn)行FFF 3D打印機(jī)。有的FFF型3D打印機(jī)，雖可安裝多個(gè)噴頭，可打印多種材料，但不能并行協(xié)同地打印整體大型工件。

圖1 一種FFF型多材料多噴頭3D打印機(jī)

近日有關(guān)報(bào)道稱，昆山市工研院智能制造公司3D研究所，與昆山三維打印科技有限公司通力合作，經(jīng)歷一年多的努力，研制成功了我國(guó)首臺(tái)FFF型雙噴頭并行協(xié)同材料擠出式3D打印機(jī)（圖2和圖3），用簡(jiǎn)潔實(shí)用的方法，解決了：雙噴頭雙材料條件下，打印區(qū)域劃分，公共打印區(qū)域設(shè)置，等待點(diǎn)選擇，打印軌跡選定與自動(dòng)生成，防碰撞規(guī)則，打印效率影響因素與預(yù)估，以及上述各項(xiàng)的優(yōu)化、對(duì)于打印件強(qiáng)度與表面品質(zhì)的影響，機(jī)械與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，軟件編寫。兩個(gè)擠出不同材料（或同種材料）的噴頭并行協(xié)同運(yùn)行，每個(gè)噴頭各走各的路徑，各打印各的圖形，協(xié)調(diào)互補(bǔ)，構(gòu)成整體大型工件，打印效率成倍增長(zhǎng)，并能在工件的不同部位，用不同材料打印成不同色彩、不同性能的結(jié)構(gòu)。

圖2 昆山FFF型雙噴頭并行協(xié)同材料擠出式3D打印機(jī)工作過程

圖3 昆山FFF型雙噴頭并行協(xié)同材料擠出式3D打印機(jī)的打印件

昆山研制的上述新型3D打印機(jī)，將在2020年2月上海亞洲TCT展覽會(huì)上亮相。這種打印機(jī)可以采用輥輪式送料噴頭或螺桿式送料噴頭，螺桿式送料噴頭與輥輪式送料噴頭比較，前者的材料擠出流量大3倍以上，打印效率更高。因此，采用雙噴頭并行協(xié)同打印技術(shù)和螺桿式送料噴頭后，將使FFF型材料擠出式3D打印機(jī)的效率提高5～6倍。預(yù)計(jì)2020年將推出兩種商品化產(chǎn)品，打印工件邊長(zhǎng)分別為500mm（雙材料、雙噴頭）和1200mm（3材料、3噴頭），為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更多材料更多噴頭的FFF型3D打印，必須解決許多更困難的技術(shù)問題，特別是眾多的優(yōu)化算法與軟件，因此昆山研發(fā)公司殷切希望與高校全方位合作，期待有更多的研究生，共同致力于多材料多噴頭的FFF型3D打印技術(shù)研究！