约翰霍普金斯大学发明的自适应喷嘴，可实现快速且准确的3D打印

导读：在3D打印中，用户通常面临选择高分辨率或高速打印的困境。直径较小的喷嘴适合高分辨率打印，能呈现细节；而直径较大的喷嘴则能提高打印速度。然而，一种新的技术或方法可能会使用户不再需要在精确性和速度之间做出妥协。

△约翰霍普金斯大学开发的自适应3D打印喷嘴

2024年7月6日，南极熊获悉，约翰霍普金斯大学惠廷工程学院的研究人员Jochen Müller和Seok Won Kang开发了一种名为AN3DP的自适应喷嘴技术，可以在3D打印过程中动态调整直径和横截面形状。这项创新使得用户可以同时实现高分辨率和高速度的打印效果，而无需在精确性和速度之间做出妥协。这种技术不仅能够加快打印速度，还能保证打印过程中的精细细节，有效避免打印错误，为3D打印领域带来了重要的进展。

△该团队的研究成果已发表在《Science Advances》杂志上，题目为“通过主动喷嘴尺寸和形状控制实现多尺度3D打印”

同时优化喷嘴尺寸和长丝横截面形状

固定喷嘴通常会导致过度挤出或挤出不足，进而引发阶梯效应，特别是在处理既有复杂细节又有实体元素的部件时。因此，该团队的主要动机是通过使用自适应喷嘴来改进3D打印的过程和结果。

工程师们从人类和动物的可伸缩抓取工具以及肌腱机制中获得了灵感。AN3DP喷嘴配备了八个可移动的针脚，这些针脚通过弹性薄膜连接在一起。电机控制这些针脚的运动，以调整喷嘴的形状和大小，而薄膜则确保材料流动的均匀性。

这种移动针脚与弹性薄膜的组合对于生产精确而复杂的结构至关重要，并且能够实现快速生产。与市场上现有的可变喷嘴相比，AN3DP的设计不仅可以调整喷嘴的直径，还能改变长丝的横截面形状，从而更好地控制成型材料的形状。

△AN3DP喷嘴

除了针和膜外，精确度和速度还得益于自适应喷嘴的锥形内部设计。研究人员表示，“传统的3D打印机使用固定喷嘴，这限制了分辨率或速度。较小的喷嘴可以提高分辨率，但会减慢打印速度，而较大的喷嘴可以提高速度，但会减少细节。AN3DP的设计克服了这一问题，它可以根据每个打印特征的具体要求进行调整，从而实现高分辨率和更快的打印速度。”

△通过在打印过程中调整喷嘴的形状和大小，可以创建更光滑、连续的表面，从而提高打印物体的整体质量

自适应喷嘴消除“Minecraft效应”

AN3DP目前可以挤出各种材料，包括聚合物、水凝胶、陶瓷、金属、复合材料甚至生物材料。该系统能够承受高达200°C的工作温度，并计划将来集成到FFF系统中。这种新型喷嘴对于提高打印质量有显著作用。

△AN3DP打印头的设计和实现

Müller解释道：“这种自适应喷嘴的主要优点之一是能够减少‘阶梯’效应。这种效应类似于《Minecraft》（我的世界）游戏中的方块状图案，当使用固定尺寸的喷嘴在倾斜或弯曲的表面上打印时，会出现明显的台阶效果，而非光滑的表面。通过在打印过程中调整喷嘴的形状和尺寸，我们可以实现更加平滑、连续的表面，从而提高打印对象的整体质量。”

该团队表示AN3DP也有改进的空间。目前喷嘴的设计需要手动安装和清洁，这是它目前的主要缺点。除了这些额外的工作外，喷嘴目前只能用于单一的制造过程。

Müller和Kang目前正在努力调整设计，以克服这些限制，并将AN3DP开发成为可行的解决方案。他们的目标是使AN3DP成为日常和工业应用中具有吸引力的解决方案，并改善各个领域的打印效果，从航空航天部件和软电子设备到结构梁和墙壁。