約翰霍普金斯大學(xué)發(fā)明的自適應(yīng)噴嘴，可實(shí)現(xiàn)快速且準(zhǔn)確的3D打印

導(dǎo)讀：在3D打印中，用戶通常面臨選擇高分辨率或高速打印的困境。直徑較小的噴嘴適合高分辨率打印，能呈現(xiàn)細(xì)節(jié)；而直徑較大的噴嘴則能提高打印速度。然而，一種新的技術(shù)或方法可能會(huì)使用戶不再需要在精確性和速度之間做出妥協(xié)。

△約翰霍普金斯大學(xué)開發(fā)的自適應(yīng)3D打印噴嘴

2024年7月6日，南極熊獲悉，約翰霍普金斯大學(xué)惠廷工程學(xué)院的研究人員Jochen Müller和Seok Won Kang開發(fā)了一種名為AN3DP的自適應(yīng)噴嘴技術(shù)，可以在3D打印過程中動(dòng)態(tài)調(diào)整直徑和橫截面形狀。這項(xiàng)創(chuàng)新使得用戶可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率和高速度的打印效果，而無需在精確性和速度之間做出妥協(xié)。這種技術(shù)不僅能夠加快打印速度，還能保證打印過程中的精細(xì)細(xì)節(jié)，有效避免打印錯(cuò)誤，為3D打印領(lǐng)域帶來了重要的進(jìn)展。

△該團(tuán)隊(duì)的研究成果已發(fā)表在《Science Advances》雜志上，題目為“通過主動(dòng)噴嘴尺寸和形狀控制實(shí)現(xiàn)多尺度3D打印”

同時(shí)優(yōu)化噴嘴尺寸和長(zhǎng)絲橫截面形狀

固定噴嘴通常會(huì)導(dǎo)致過度擠出或擠出不足，進(jìn)而引發(fā)階梯效應(yīng)，特別是在處理既有復(fù)雜細(xì)節(jié)又有實(shí)體元素的部件時(shí)。因此，該團(tuán)隊(duì)的主要?jiǎng)訖C(jī)是通過使用自適應(yīng)噴嘴來改進(jìn)3D打印的過程和結(jié)果。

工程師們從人類和動(dòng)物的可伸縮抓取工具以及肌腱機(jī)制中獲得了靈感。AN3DP噴嘴配備了八個(gè)可移動(dòng)的針腳，這些針腳通過彈性薄膜連接在一起。電機(jī)控制這些針腳的運(yùn)動(dòng)，以調(diào)整噴嘴的形狀和大小，而薄膜則確保材料流動(dòng)的均勻性。

這種移動(dòng)針腳與彈性薄膜的組合對(duì)于生產(chǎn)精確而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，并且能夠?qū)崿F(xiàn)快速生產(chǎn)。與市場(chǎng)上現(xiàn)有的可變噴嘴相比，AN3DP的設(shè)計(jì)不僅可以調(diào)整噴嘴的直徑，還能改變長(zhǎng)絲的橫截面形狀，從而更好地控制成型材料的形狀。

△AN3DP噴嘴

除了針和膜外，精確度和速度還得益于自適應(yīng)噴嘴的錐形內(nèi)部設(shè)計(jì)。研究人員表示，“傳統(tǒng)的3D打印機(jī)使用固定噴嘴，這限制了分辨率或速度。較小的噴嘴可以提高分辨率，但會(huì)減慢打印速度，而較大的噴嘴可以提高速度，但會(huì)減少細(xì)節(jié)。AN3DP的設(shè)計(jì)克服了這一問題，它可以根據(jù)每個(gè)打印特征的具體要求進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)高分辨率和更快的打印速度�！�

△通過在打印過程中調(diào)整噴嘴的形狀和大小，可以創(chuàng)建更光滑、連續(xù)的表面，從而提高打印物體的整體質(zhì)量

自適應(yīng)噴嘴消除“Minecraft效應(yīng)”

AN3DP目前可以擠出各種材料，包括聚合物、水凝膠、陶瓷、金屬、復(fù)合材料甚至生物材料。該系統(tǒng)能夠承受高達(dá)200°C的工作溫度，并計(jì)劃將來集成到FFF系統(tǒng)中。這種新型噴嘴對(duì)于提高打印質(zhì)量有顯著作用。

△AN3DP打印頭的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

Müller解釋道：“這種自適應(yīng)噴嘴的主要優(yōu)點(diǎn)之一是能夠減少‘階梯’效應(yīng)。這種效應(yīng)類似于《Minecraft》（我的世界）游戲中的方塊狀圖案，當(dāng)使用固定尺寸的噴嘴在傾斜或彎曲的表面上打印時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的臺(tái)階效果，而非光滑的表面。通過在打印過程中調(diào)整噴嘴的形狀和尺寸，我們可以實(shí)現(xiàn)更加平滑、連續(xù)的表面，從而提高打印對(duì)象的整體質(zhì)量�！�

該團(tuán)隊(duì)表示AN3DP也有改進(jìn)的空間。目前噴嘴的設(shè)計(jì)需要手動(dòng)安裝和清潔，這是它目前的主要缺點(diǎn)。除了這些額外的工作外，噴嘴目前只能用于單一的制造過程。

Müller和Kang目前正在努力調(diào)整設(shè)計(jì)，以克服這些限制，并將AN3DP開發(fā)成為可行的解決方案。他們的目標(biāo)是使AN3DP成為日常和工業(yè)應(yīng)用中具有吸引力的解決方案，并改善各個(gè)領(lǐng)域的打印效果，從航空航天部件和軟電子設(shè)備到結(jié)構(gòu)梁和墻壁。