一、研究背景

三维打印作为传统减材制造和成形制造的有力补充，通过逐层或逐体素的增材方式构建实体对象。它解决了传统制造在设计灵活性有限、原型制作缓慢和生产浪费严重等方面的关键局限，满足了航空航天、牙科等多个行业对定制化解决方案的日益增长的需求，同时有助于缓解全球供应链挑战。

不同的3D打印技术在分辨率、机械性能和加工约束方面存在差异，而多材料能力已成为提升零件复杂性、减少连接等后处理工艺需求的关键因素。然而，大多数3D打印工艺本质上受到材料兼容性的限制，例如光固化立体成形依赖光固化树脂，粉末床熔融需要热塑性聚合物等可热熔材料。此外，打印过程中切换容器或粉末耗时久，存在材料污染风险，会降低生产效率并限制几何复杂性。

在3D打印领域，材料挤出法已从早期的熔融沉积成形（FFF）发展到现代的多材料直接墨水书写（DIW）。DIW看似简单，最基本形式仅包含一个通过龙门架安装的注射器挤压凝胶状浆料的压力泵，但如今已拥有所有增材制造技术中最广泛的材料选择范围，能够挤出生物和活体材料、陶瓷和玻璃、黑色和有色金属、弹性体和聚合物及其复合材料等，且这些材料可直接以原生形式、化学固化浆料形式或通过胶体悬浮液间接挤出。

DIW的分辨率范围广，从建筑领域的分米级到电子领域的微米级，其相对简单性带来了广泛的灵活性和先进功能，FFF通常被视为DIW的一个子集。配备多功能挤出喷头的DIW 3D打印机作为核心组件，能够克服传统增材制造和材料加工的局限，例如多输出（多喷嘴）喷头可解决分辨率-速度权衡问题，核-壳喷嘴能够挤出液态金属等难打印材料。这些喷头还通过原位材料混合实现连续性能梯度、高速材料切换、不同材料共挤出以及感应电磁场局部调节材料性能等方式，解锁了前所未有的设计复杂性。

尽管3D打印已在航空航天工程、医疗牙科应用和消费品生产等多个领域产生了重大影响，但要充分发挥其技术、经济、环境和社会潜力，还需要进一步整合更先进的功能材料，在不牺牲精度的前提下实现高生产速度，并提高可重复性和可预测性。多功能挤出喷头无疑将在改变原型制作、小批量和大规模制造以及重塑供应链方面继续发挥关键作用。

二、研究内容

（一）喷头赋能的材料设计

材料的可打印性由其挤出过程中的流变（流动）特性决定，该特性应具有剪切变稀和剪切屈服行为，以促进挤出并防止沉积后变形。这种行为与输入原料类型无关，原料可以是液体、浆料、颗粒或固体长丝。

可打印材料通常表现出特定系统范围的流变特性，常被建模为赫歇尔-巴尔克利流体，其剪切应力τ与剪切速率γ˙的关系为：

其中τ₀是屈服剪切应力，K是稠度指数，n是流动指数。例如，通过出口直径为0.5 mm的锥形喷嘴进行打印时，稠度指数K需在0.1 Pa·s⁻¹至10³ Pa·s⁻¹之间，流动指数n<0.8（体现剪切变稀特性），屈服剪切应力τ₀>10³ Pa。

图1 | 多材料挤出增材制造。a. 打印系统的基本组成部分，展示喷头如何连接材料输入和输出；b. 喷头技术进步所支持的各种可打印输入材料类型和形式；c. 三大类喷头，可实现形状和拓扑调制、墨水和材料性能调制以及通过多材料加工实现的细丝成分控制；d. 多样化输入材料与先进喷头设计的结合，有助于制造具有复杂拓扑结构和成分的打印零件。图b中的生物样品图像经Wiley许可转载自参考文献12；图d中的金字塔样品和梯度样品图像改编自参考文献247（CC BY 4.0）；3D打印结构化兔子图像经Wiley许可转载自参考文献248；不同成分材料图像经Wiley许可转载自参考文献222。

大多数材料并非天生可打印，必须进行改性以获得所需的流变特性：

• 低粘度材料：添加增稠剂增加粘度，添加添加剂诱导剪切变稀行为，加入填料提高屈服应力，或通过部分交联稳定材料。
• 过厚或固态材料：加入溶剂或稀释剂削弱分子间作用力，添加增塑剂降低粘度，通过机械分散改善流动性，或引入第二相形成泡沫状结构。
• 温度调节：集成加热功能的喷头降低材料粘度便于流动，受控冷却确保沉积后固化；冷却低粘度材料可诱导凝胶化或增加粘度。

图2 | 材料可打印性及改性。a. 低粘度（稀薄）牛顿流体可通过添加增稠剂、颗粒或交联剂来增加粘度并诱导剪切变稀特性，从而实现可打印性；相反，高粘度（粘稠）材料可通过加入增塑剂、溶剂或采用均化工艺实现可打印性。b. 温度调节可用于熔化或软化固体材料，或降低粘稠墨水的粘度，使其可挤出。c. 并非总是需要流变改性；墨水可通过紫外线交联或前沿聚合等聚合物转化，或通过溶剂蒸发，在挤出后保持形状。此外，基质材料（如基底或细丝基质）可支撑墨水，保持其打印结构。

（二）多功能喷头的分类及类型

材料挤出3D打印机的喷头功能可分为八种功能类型：固定型、自适应型、多输出型、运动型、激励型、切换型、混合型和共挤出型，并可归纳为三类：形状调制、性能调制和多材料加工。

1. 形状调制

形状调制喷头整合了喷头出口尺寸调制、形状变形和拓扑重构功能，能够动态调整细丝挤出轮廓，优化分辨率、材料流动和效率。

图3 | 形状调制喷头。a. 固定喷嘴喷头示意图；b. 可切换喷嘴出口形状的喷头及所得长丝横截面；c. 通过固定喷嘴中的流量调节控制长丝直径，以及在打印星形结构中产生的梯度；d. 在牺牲水凝胶基质内的自由形式嵌入式3D打印；e. 环氧树脂基质中短碳纤维的剪切应力取向，在蜂窝状打印结构中得到展示；f. 具有尺寸变化和形状变化能力的自适应喷头示意图；g. 内径调节实现径向颗粒排列（P表示输入压力）；h. 自适应喷嘴展示小（左）和大（右）出口直径，以及示例性打印横截面；i. 单材料输入的多输出喷头示意图；j. 用于周期性多孔结构的多输出喷嘴阵列；k. 固体和多孔结构的体素化多材料打印。图b经Wiley许可改编自参考文献100；图c转载自参考文献105（CC BY 4.0）；图d转载自参考文献249（CC BY 4.0）；图e经Wiley许可转载自参考文献28；图g经Wiley许可改编自参考文献127；图h经AAAS许可改编自参考文献128；图j经Wiley许可转载自参考文献134；图k经Springer Nature Limited许可改编自参考文献38。

• 固定喷嘴喷头：最原始、最基本的喷头类型，出口形状可修改，矩形出口在混凝土3D打印中应用广泛。保持挤出物直径接近喷嘴尺寸可减少流动不稳定性，通过改变流速可适度调整细丝直径。
• 自适应喷嘴喷头：动态调整喷嘴尺寸或形状，克服固定喷嘴的效率和设计灵活性局限。自适应尺寸喷嘴通过集成致动器实现广泛的细丝尺寸范围；自适应形状喷嘴可实现光滑表面和高致密性打印。
• 多输出喷头：通过增加喷嘴数量提高吞吐速度，微流体分叉通道网络实现单一输入多输出，二维阵列喷嘴进一步提高效率，集成切换喷嘴可实现多材料转换，共形多输出喷头和自适应多输出喷嘴阵列扩展了应用场景。

2. 性能调制

除了修改出口形状和拓扑结构外，喷头还可设计为在挤出过程中通过运动学或激励机制实时动态调整材料性能。

图4 | 性能调制喷头。a. 集成致动器的运动学喷头示意图；b. 旋转喷头（左）及在复合材料中纤维排列（右），上图为无旋转，下图为旋转时；c. 利用旋转多材料共挤出喷头打印亚体素特征；d. 集成辅助激励单元的激励喷嘴示意图；e. 利用电阻加热线圈的共晶金属打印加热喷头；f. 延迟材料固化直至沉积的冷却喷头；g. 用于长丝中颗粒排列的声学电泳喷头；h. 用于长丝中铁磁颗粒排列的电磁喷头；i. 附着在喷嘴上的紫外线光源，用于快速固化含气泡结构。图b经PNAS许可改编自参考文献30；图c经Springer Nature Limited转载自参考文献42；图e经Wiley许可转载自参考文献76；图f经Wiley许可转载自参考文献87；图g经Elsevier许可改编自参考文献143；图h经Springer Nature Limited改编自参考文献43；图i经Wiley许可改编自参考文献81。

• 运动学喷头：通过旋转或平移运动，实现各向异性特征的精确对齐，提高可打印性。旋转喷嘴实现螺旋纤维排列，增强结构性能；平移振动可修改材料流变学特性或防止喷嘴堵塞。
• 激励喷头：通过温度、声学、 magnetic、光学、静电等外部刺激调制材料性能。加热喷头降低材料粘度，冷却喷头稳定材料；声学附件可对齐颗粒或提取高粘度材料；磁场实现磁性颗粒对齐；紫外线用于材料固化；高压电场增强聚合物纤维可打印性。

3. 多材料加工

多材料喷头将多种材料集成到单个喷头中，解决了传统多材料增材制造的诸多问题，实现了独特的材料组合。

图5 | 多材料喷头。a. 基本切换喷嘴示意图；b. 双输入单输出T型接头喷嘴（左，增大输出直径以减少材料过渡长度）和Y型接头切换喷嘴（右，设计用于将生物墨水组合成具有特定多材料横截面的打印材料）；c. 四输入或多输入单输出切换喷嘴，用于体素化物质打印；d. 基本被动混合喷嘴示意图（左）和用于创建可调局部刚度的被动混合喷嘴图片（右）；e. 主动混合喷嘴示意图（左）和主动混合喷嘴及所得功能梯度材料图片（右）；f. 具有轴向、径向或层状通道输出的共挤出喷头示意图；g. 内通道缩回的多核-壳喷嘴，以最小化出口直径；h. 用于先进共挤出图案的计算设计分段喷嘴。图b左经Wiley许可转载自参考文献169；图b右经ASME International许可转载自参考文献171；图c经Springer Nature Limited改编自参考文献38；图d右经Wiley许可改编自参考文献40；图e右经PNAS许可改编自参考文献172；图g经Wiley许可转载自参考文献41；图h改编自参考文献225（CC BY 4.0）。

• 切换喷嘴：通过内部通道将两种不同材料集成到单个喷头中，实现材料快速切换，减少位置误差，简化路径规划。压力驱动挤出机可实现更高频率的材料切换，但缺乏精确流量控制。
• 混合喷头：通过被动或主动混合组件，实时混合不同材料，实现功能梯度零件或原位混合反应性材料。被动混合利用内部几何形状，适用于相似流变学特性材料；主动混合使用电机驱动叶轮，混合质量和速度更高。
• 共挤出喷头：将挤出物细分为不同材料的离散部分，实现亚细丝分辨率。轴对称共挤出（如核-壳喷头）可制造多层嵌套结构；非轴对称共挤出可实现更复杂的材料组合和性能调控。

4. 混合喷头

许多喷头功能具有模块化特性，适合组合成混合配置，以增强能力或针对特定应用定制功能。例如，多输出喷头集成快速切换机制、多输出喷头添加自适应垂直运动、共挤出喷头集成内部平移运动等。混合设计具有多功能性和高效率等优势，但也增加了系统复杂性，需要更精确的同步和控制。

图6 | 混合喷头。a. 最新进展表明，最多可集成四种专用喷头类型。注：该图不包括涉及固定喷嘴的组合。文献中的喷头模块组合：自适应+混合、自适应+共挤出、切换+多输出、激励+运动学等。b. 多输出喷嘴阵列与八材料多材料切换喷嘴的模块化集成；c. 利用运动学多输出喷嘴进行周期性结构的共形打印；d. 具有平移内芯的共挤出喷嘴，用于动态横截面形状；e. 多材料介电弹性体执行器，通过共挤出和旋转运动学喷头形成，并辅以集成紫外线固化。图b经Springer Nature Limited改编自参考文献38；图c经Wiley许可改编自参考文献136；图d经Wiley许可转载自参考文献231；图e经Springer Nature Limited改编自参考文献42。

（三）新兴应用

将多种喷头功能与先进材料相结合，催生了广泛的新兴应用，包括机械超材料、软机器人、4D打印和生物系统等领域。

图7 | 材料挤出增材制造的新兴应用。a. 多材料负泊松比结构，通过集成材料切换模块的多喷嘴快速制造，具有改进的负泊松比性能；b. 利用共挤出和紫外线增强喷头的多尺度泡沫结构直接气泡书写；c. 由多材料核-壳长丝组成的晶格，具有增强的刚度和韧性；d. 通过打印液晶弹性体墨水并结合紫外线实现的结构颜色；e. 利用增强磁喷头对齐铁磁颗粒打印的磁驱动软机器人；f. 利用切换喷嘴制造的气动驱动软机器人，该喷嘴在高粘度和低粘度材料之间切换，后者填充间隙和空隙以确保气密性；g. 利用嵌入式3D打印制造的自主控制章鱼软机器人；h. 利用固定喷嘴对齐的玻璃纤维填充聚合物长丝，经加热处理后变形；i. 利用锥形喷嘴对齐纤维素原纤维的4D打印复合水凝胶，遇水后变形；j. 经紫外线刺激的液晶弹性体花朵，通过断裂交联键实现变形；k. 3D打印载细胞墨水制造的成骨组织中的血管网络（左）和同轴喷头实现的分层分支血管网络（右）；l. 共挤出到支撑凝胶基质中的类肝和肌肉结构。图a经Wiley许可改编自参考文献234；图b经Wiley许可改编自参考文献81；图c经Wiley许可改编自参考文献41；图d经PNAS许可改编自Simon A. Rogers & Ying Diao（参考文献235）；图e经Springer Nature Limited改编自参考文献43；图g经Springer Nature Limited转载自参考文献241；图h经PNAS许可转载自参考文献243；图i经Springer Nature Limited转载自参考文献114；图j经Wiley许可改编自参考文献244；图k左经PNAS许可改编自参考文献13；图k右经Wiley许可转载自参考文献245；图l经ACS许可改编自参考文献223。

• 机械超材料：制造由多种集成材料组成的结构，具有可调负泊松比和应变行为；利用多相墨水制造轻质结构；提高晶格结构的韧性；控制结构颜色。
• 软机器人：实现软机器人的磁驱动变形；制造复杂的内部结构和流体通道；克服密封通道制造挑战；拓宽软机器人系统的能力。
• 4D打印：使用刺激敏感材料，使3D结构在打印后能够通过外部刺激调整形状，如热激活变形、吸水变形、紫外线诱导变形等。
• 生物结构：打印具有血管网络的生物组织，维持细胞活力；制造类器官和肌肉结构，创造复杂生物系统所需的异质性。

（四）未来展望

喷头技术的进步彻底改变了3D打印，使其从制造单一材料系统的技术发展成为复杂的多材料平台。这些创新使得能够制造以前难以加工的材料（包括多相系统和极端粘度墨水），显著扩展了可用材料的范围。

尽管取得了这些进步，仍有很大的潜力有待挖掘。未来的喷头迭代可能会采用不锈钢等不同的工艺和材料，实现高温应用，并与溶剂、载细胞墨水和食品安全材料兼容。直接墨水书写技术的扩展将解决关键的社会挑战，先进的模块化喷头设计将为教育、创新和低成本生产提供廉价途径。

随着喷头功能日益复杂，需要开发独立且同步的控制系统，以确保无缝运行，实现流畅的功能，解锁更复杂的材料和多材料组合。展望未来，先进喷头技术与新兴材料的融合在实际应用中具有巨大潜力，将在基础设施、交通、机器人和医学等领域展现出经济、环境和社会影响，通过解决规模化、材料兼容性和控制等方面的挑战，未来的创新将进一步完善现有能力，为制造领域开辟全新的可能性。

三、研究结论

本研究全面综述了多材料挤出3D打印喷头这一快速发展的领域，深入探讨了喷头在材料设计、克服加工限制以及对新兴应用的影响等方面的关键作用。

研究明确了材料可打印性的核心影响因素是其流变特性，通过合理改性材料或优化喷头设计，可显著拓宽可打印材料的范围。提出了包含八种功能类型的喷头分类体系，并将其归纳为形状调制、性能调制和多材料加工三大类，详细阐述了各类喷头的工作原理、特点、优势及应用场景。

多功能喷头的发展使3D打印从单一材料制造迈向复杂多材料平台成为可能，实现了前所未有的材料成分和结构复杂性，在机械超材料、软机器人、4D打印和生物结构等新兴领域展现出广阔的应用前景。

同时，研究也指出了当前该领域面临的挑战，如部分先进喷头仍局限于学术研究、材料兼容性问题、复杂喷头的规模化应用困难以及缺乏有效的控制系统等。未来，通过采用更优质的材料制造喷头、进一步优化喷头设计、开发高效的控制系统等，有望解决这些挑战，推动多材料3D打印技术在更多行业的广泛应用，重塑制造业的格局。

四、论文信息

• 论文标题：Multimaterial extrusion 3D printing printheads（多材料挤出3D打印喷头）
• 发表期刊：Nature Reviews Materials
• DOI：https://doi.org/10.1038/s41578-025-00809-y