前不久，国际顶级期刊《Nature（自然）》报道了哈佛大学多材料多喷头3D打印新技术（MM3D），它将多个材料流道的出入口集成于单个（或多个）注射器式喷头上，用高速电磁阀控制每个流道的压力，使不同材料在喷嘴处进行轮换打印，从而实现多材料的3D打印。由于多材料多喷头3D打印，是增材制造业十分关心的一种重要技术，因此这篇报道引起了巨大的反响。
然而哈佛大学团队的研究，仅适用于挤出流态材料的注射器型3D打印，并未涉及另一类挤出式3D打印 — 熔丝制造（FFF/FDM）。因为FFF采用的原材料是固态丝材，必须在喷头中通过200°C以上的高温使材料熔融，然后才能从喷嘴挤出。FFF型挤出式3D打印具有可用高性能丝材品种丰富，有配套的大量丝材专业生产厂商，以及3D和丝材价格比较便宜等优势，近年来发展迅速，市场占有率不断攀升。但其最大劣势是打印效率低，虽然也有双喷头结构打印机，但也只能一个个喷头轮流交替打印，其中一个喷头打印成形材料，另一个喷头打印支撑材料，这种缺点在打印大型工件时尤为突出，所需打印时间往往长达几天，甚至十几天以上，不仅效率低下，而且还可能在持续长时间的打印中，因打印机故障或打印工艺问题而导致工件报废，因此不得不将大型工件拆分为几个小件，由几台打印机分别打印后，拼装为一个大工件，如此不仅麻烦，而且会降低工件的精度与强度。
为在FFF型材料挤出式3D打印机上，实现多材料多喷头3D打印，国内外曾有不少研究工作者提出过多种设计方案，例如图1所示，这种设计有5个喷头，每个喷头安装在一个可移动的龙门式框架上，虽可实现大型工件的多材料多喷头并行协同整体打印，但是龙门式框架质量大，重心高，结构庞杂，难于实现快速运动，难于达到提高打印效率的目的，因此至今未见商品化的多材料多喷头并行协同运行FFF 3D打印机。有的FFF型3D打印机，虽可安装多个喷头，可打印多种材料，但不能并行协同地打印整体大型工件。
图1 一种FFF型多材料多喷头3D打印机
近日有关报道称，昆山市工研院智能制造公司3D研究所，与昆山三维打印科技有限公司通力合作，经历一年多的努力，研制成功了我国首台FFF型双喷头并行协同材料挤出式3D打印机（图2和图3），用简洁实用的方法，解决了：双喷头双材料条件下，打印区域划分，公共打印区域设置，等待点选择，打印轨迹选定与自动生成，防碰撞规则，打印效率影响因素与预估，以及上述各项的优化、对于打印件强度与表面品质的影响，机械与控制系统的设计与实现，软件编写。两个挤出不同材料（或同种材料）的喷头并行协同运行，每个喷头各走各的路径，各打印各的图形，协调互补，构成整体大型工件，打印效率成倍增长，并能在工件的不同部位，用不同材料打印成不同色彩、不同性能的结构。
图2 昆山FFF型双喷头并行协同材料挤出式3D打印机工作过程
图3 昆山FFF型双喷头并行协同材料挤出式3D打印机的打印件
昆山研制的上述新型3D打印机，将在2020年2月上海亚洲TCT展览会上亮相。这种打印机可以采用辊轮式送料喷头或螺杆式送料喷头，螺杆式送料喷头与辊轮式送料喷头比较，前者的材料挤出流量大3倍以上，打印效率更高。因此，采用双喷头并行协同打印技术和螺杆式送料喷头后，将使FFF型材料挤出式3D打印机的效率提高5～6倍。预计2020年将推出两种商品化产品，打印工件边长分别为500mm（双材料、双喷头）和1200mm（3材料、3喷头），为进一步实现更多材料更多喷头的FFF型3D打印，必须解决许多更困难的技术问题，特别是众多的优化算法与软件，因此昆山研发公司殷切希望与高校全方位合作，期待有更多的研究生，共同致力于多材料多喷头的FFF型3D打印技术研究！
