前不久，國際頂級期刊《Nature（自然）》報道了哈佛大學(xué)多材料多噴頭3D打印新技術(shù)（MM3D），它將多個材料流道的出入口集成于單個（或多個）注射器式噴頭上，用高速電磁閥控制每個流道的壓力，使不同材料在噴嘴處進行輪換打印，從而實現(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)，因此這篇報道引起了巨大的反響。

然而哈佛大學(xué)團隊的研究，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）。因為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和絲材價格比較便宜等優(yōu)勢，近年來發(fā)展迅速，市場占有率不斷攀升。但其最大劣勢是打印效率低，雖然也有雙噴頭結(jié)構(gòu)打印機，但也只能一個個噴頭輪流交替打印，其中一個噴頭打印成形材料，另一個噴頭打印支撐材料，這種缺點在打印大型工件時尤為突出，所需打印時間往往長達幾天，甚至十幾天以上，不僅效率低下，而且還可能在持續(xù)長時間的打印中，因打印機故障或打印工藝問題而導(dǎo)致工件報廢，因此不得不將大型工件拆分為幾個小件，由幾臺打印機分別打印后，拼裝為一個大工件，如此不僅麻煩，而且會降低工件的精度與強度。

為在FFF型材料擠出式3D打印機上，實現(xiàn)多材料多噴頭3D打印，國內(nèi)外曾有不少研究工作者提出過多種設(shè)計方案，例如圖1所示，這種設(shè)計有5個噴頭，每個噴頭安裝在一個可移動的龍門式框架上，雖可實現(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，難于實現(xiàn)快速運動，難于達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)同運行FFF 3D打印機。有的FFF型3D打印機，雖可安裝多個噴頭，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

近日有關(guān)報道稱，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，研制成功了我國首臺FFF型雙噴頭并行協(xié)同材料擠出式3D打印機（圖2和圖3），用簡潔實用的方法，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，等待點選擇，打印軌跡選定與自動生成，防碰撞規(guī)則，打印效率影響因素與預(yù)估，以及上述各項的優(yōu)化、對于打印件強度與表面品質(zhì)的影響，機械與控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，軟件編寫。兩個擠出不同材料（或同種材料）的噴頭并行協(xié)同運行，每個噴頭各走各的路徑，各打印各的圖形，協(xié)調(diào)互補，構(gòu)成整體大型工件，打印效率成倍增長，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打印機的打印件

昆山研制的上述新型3D打印機，將在2020年2月上海亞洲TCT展覽會上亮相。這種打印機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打印機的效率提高5～6倍。預(yù)計2020年將推出兩種商品化產(chǎn)品，打印工件邊長分別為500mm（雙材料、雙噴頭）和1200mm（3材料、3噴頭），為進一步實現(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！