編者按：本文來自微信公眾號“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3）作者：靖哥，3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

前段時間3D打印的明星創(chuàng)業(yè)公司Desktop Metal借殼上市，業(yè)內(nèi)ExOne, VoxelJet等同樣基于噴頭式的3D打印公司的股票也順勢上漲。當(dāng)然，基于噴頭式工作原理的3D打印設(shè)備的熱度這段時間有明顯的增強。

基于打印機噴頭的成形工藝是原始意義上的3D打印，畢竟所得到3D樣品/產(chǎn)品確實是使用噴頭才打印出來的。這類工藝可以成形的材料覆蓋了金屬、聚合物、陶瓷三類主要的材料。決定其成形質(zhì)量的因素也有諸多的因素，包括粉末材料、后處理工藝以及打印機噴頭等。

在影響成形工藝的所有因素中，最核心的是打印機的噴頭；而對于中國的3D打印企業(yè)來講，我們并不掌握噴頭的生產(chǎn)工藝。這也可能是將來被以非市場行為實施制裁的技術(shù)。

在這篇文章中，靖哥將重點的討論打印機的噴頭，以及為什么中國應(yīng)該具有自己的打印機噴頭。不僅僅在3D打印的范圍，也在精準(zhǔn)物料的輸送領(lǐng)域。

市場主流的打印機噴頭

當(dāng)前在3D打印行業(yè)中使用的噴頭主要有兩種：一種是壓電式的；一種是熱泡式的。如下圖所示，壓電式的噴頭通過作用在壓電陶瓷上電壓的變化，能夠在擴大噴嘴腔室體積時吸入“墨水”，在壓縮腔室體積時噴出“墨水”。而熱泡式在加熱絲作用下生成氣泡，在氣泡的擠壓下將“墨水”噴出，并在氣泡消失后吸入“墨水”。

圖1 壓電式打印機噴頭的工作示意圖（來源：EPSON）

圖2 熱泡式打印機噴頭的工作示意圖（來源：HP）

壓電式的材料以電壓脈沖的變化來控制噴頭末端壓電片的振動方向及幅度，從而改變末端的體積和壓強，實現(xiàn)墨水的噴射。
它的顯著優(yōu)點是不會改變墨水的理化性能；因而能夠使用更多的材料、特別是活性的材料。另外，該技術(shù)可以更加精準(zhǔn)的控制液滴的體積，其精度可以達到皮升的級別。

圖3 脈沖控制噴頭的噴射液滴體積（來源：wikipedia）

熱泡式噴頭的生產(chǎn)廠商以HP和Canon為代表；而壓電式的噴頭以Epson為代表。
在3D打印的領(lǐng)域，大多數(shù)的公司選擇使用壓電式噴頭。在3D打印機的應(yīng)用中，設(shè)備生產(chǎn)商會根據(jù)材料的需求以及成本來選擇所需要的打印機噴頭。如Stratasys選擇的是基于Piezo的噴頭，而HP的MultijetFusion設(shè)備自然是選擇HP生產(chǎn)的熱泡式打印機噴頭。
這樣一個看似簡單的設(shè)備，確是微觀制造級別的杰作。如果是在宏觀層級，這樣的工藝非常容易實現(xiàn)；但事實是，這些都是在微觀級別的精密制造。也是我國需要追趕的領(lǐng)域。

圖4 XAAR壓電打印噴頭結(jié)構(gòu)展示（來源：XAAR）

中國發(fā)展打印機噴頭技術(shù)的必要性

在2D的打印機應(yīng)用中，2019年小米剛推出的家庭用打印機產(chǎn)品的整合已經(jīng)贏得了良好的口碑。而中國諸多家庭、企業(yè)使用的商業(yè)化的打印機其基于噴頭的硬件和軟件的技術(shù)，更多的還是被日本、歐美的這些企業(yè)所掌握。這部分應(yīng)用的市場份額本身已經(jīng)非?？捎^。
在3D打印的應(yīng)用中，HP技術(shù)能夠迅速的進入市場，并在聚合物材料的打印領(lǐng)域贏得一席之地直接可歸因于HP在打印機噴頭技術(shù)方面的積累。

打印機噴頭對于科研及工業(yè)化應(yīng)用的深遠影響
大多數(shù)人還只是將打印機的噴頭看做是打印機的一個部件，特別是買墨盒就“免費”送的打印機中的一個小部件。但殊不知這是一個垂直產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)。
這就相當(dāng)于我們在超過西方國家的5G技術(shù)領(lǐng)域，其底層卻并不建立在完全自由的平臺之上，而面臨被制裁的風(fēng)險。理想化環(huán)境中相對優(yōu)勢、自由貿(mào)易，在當(dāng)前的國際環(huán)境中是不可靠的。

也許會有人認(rèn)為，桌面打印機的市場現(xiàn)在也是被國外技術(shù)所壟斷，我們可以放棄；3D打印技術(shù)我們可以發(fā)展PBF技術(shù)，在打印機噴頭的方向依賴于進口。這些可能都只是一廂情愿。

如果基于打印機噴頭的技術(shù)進一步的發(fā)展，能夠像DM所宣傳的那樣，實現(xiàn)和傳統(tǒng)制造一樣低廉的成本，但卻具有數(shù)字化的柔性制造能力之時，任何一個不掌握這項技術(shù)的制造業(yè)大國，都有被踢出制造業(yè)大國俱樂部的風(fēng)險。

打印機的噴頭技術(shù)不是一個小的部件，而是一個物料精準(zhǔn)輸送的平臺。
它開始于在2D打印的平面/曲面打印應(yīng)用；而后在3D打印中發(fā)揮著物料、粘結(jié)劑的直接輸送。
而在可預(yù)見的將來，打印機噴頭會在生物3D打印領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。在3D打印生物打印的過程中，多通道的打印已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)的配置；而多通道的打印，則需要能夠高效、精準(zhǔn)的實現(xiàn)細胞的存儲以及輸送。2019年，CELLink推出了6噴頭的生物打印機，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的材料和細胞的同時打印。

圖4 CELLINK的6噴頭型生物打印機（來源：CELLINK）

而對于一個完整的臟器的打印，這種6噴頭的打印機輸送材料種類以及精度顯然是不夠的。而如果有一個完整的打印機噴頭陣列，具有嚴(yán)格的無菌環(huán)境的控制，精準(zhǔn)的細胞無損輸送能力，則是活體臟器打印的基礎(chǔ)。分離的“墨盒”儲存著所需的細胞、細胞外基質(zhì)、生長因子、養(yǎng)料等多種物質(zhì)，并在皮升甚至將來更高的層級精準(zhǔn)輸送。試想一下，擁有這樣的打印機噴頭陣列的公司在活體器官打印的年代應(yīng)該是什么樣的存在與價值。

在當(dāng)前疫情肆虐的大環(huán)境下，生物醫(yī)藥技術(shù)在高速的發(fā)展。而將來可能出現(xiàn)的高效能的藥物的精準(zhǔn)分裝，也能夠得益于打印機噴頭的可重復(fù)的、精準(zhǔn)的物料投遞方式。
而這樣一個精準(zhǔn)物料投送的平臺，未來能夠在其上建立什么樣的產(chǎn)業(yè)與帝國，也許今天我們還無法想象。只是，我們很需要擁有這樣的一個平臺，一個從硬件到軟件都有著最核心人才的平臺。

其次，這樣的一個平臺，能夠在更大的范圍影響到制造業(yè)的。
打印機噴頭技術(shù)的發(fā)展直接能夠為社會提供三方面的人才：
1. 硬件方面。在硬件的層面，這是芯片領(lǐng)域精密加工的一個典型應(yīng)用場景。這個領(lǐng)域打印機的巨量市場，能夠為我們國家培養(yǎng)大量的熟練產(chǎn)業(yè)工人。
2. 材料方面。根據(jù)所使用打印材料的粘度、表面張力、導(dǎo)電性能，一批在不同領(lǐng)域進行應(yīng)用的材料專家的誕生。

3. 軟件方面。能夠以設(shè)定的時序精準(zhǔn)的輸送并能夠進行所需要的錯誤檢測的程序端人員。

而其它衍生的領(lǐng)域可能會包括對于材料性能檢測、對于硬件質(zhì)量監(jiān)控等專業(yè)化的設(shè)備及服務(wù)公司。

小結(jié)

3D打印機的發(fā)展需要軟件設(shè)計端與硬件生產(chǎn)端的緊密結(jié)合，滿足市場的需求，從而得到高效的應(yīng)用發(fā)展。而在核心軟件與硬件的發(fā)展中，大國的企業(yè)需要能夠?qū)崿F(xiàn)這部分核心能力的獨立開發(fā)、生產(chǎn)能力。

而打印機的噴頭，更是一種精準(zhǔn)、高效的物料的輸送平臺。它是今天的2D、3D打印領(lǐng)域的核心技術(shù)，也將進一步發(fā)展服務(wù)于生物活性組織、器官的打印，以及將來我們尚無法預(yù)知的技術(shù)和應(yīng)用。

這類的平臺，我們必須要有才行的。

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布，不代表3D打印資源庫立場。如若轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。

編者按：本文來自微信公眾號“靖哥3D打印”（ID:gh_d599e1b42ab3）作者：靖哥，3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

前段時間3D打印的明星創(chuàng)業(yè)公司Desktop Metal借殼上市，業(yè)內(nèi)ExOne, VoxelJet等同樣基于噴頭式的3D打印公司的股票也順勢上漲。當(dāng)然，基于噴頭式工作原理的3D打印設(shè)備的熱度這段時間有明顯的增強。

基于打印機噴頭的成形工藝是原始意義上的3D打印，畢竟所得到3D樣品/產(chǎn)品確實是使用噴頭才打印出來的。這類工藝可以成形的材料覆蓋了金屬、聚合物、陶瓷三類主要的材料。決定其成形質(zhì)量的因素也有諸多的因素，包括粉末材料、后處理工藝以及打印機噴頭等。

在影響成形工藝的所有因素中，最核心的是打印機的噴頭；而對于中國的3D打印企業(yè)來講，我們并不掌握噴頭的生產(chǎn)工藝。這也可能是將來被以非市場行為實施制裁的技術(shù)。

在這篇文章中，靖哥將重點的討論打印機的噴頭，以及為什么中國應(yīng)該具有自己的打印機噴頭。不僅僅在3D打印的范圍，也在精準(zhǔn)物料的輸送領(lǐng)域。

市場主流的打印機噴頭

當(dāng)前在3D打印行業(yè)中使用的噴頭主要有兩種：一種是壓電式的；一種是熱泡式的。如下圖所示，壓電式的噴頭通過作用在壓電陶瓷上電壓的變化，能夠在擴大噴嘴腔室體積時吸入“墨水”，在壓縮腔室體積時噴出“墨水”。而熱泡式在加熱絲作用下生成氣泡，在氣泡的擠壓下將“墨水”噴出，并在氣泡消失后吸入“墨水”。

圖1 壓電式打印機噴頭的工作示意圖（來源：EPSON）

圖2 熱泡式打印機噴頭的工作示意圖（來源：HP）

壓電式的材料以電壓脈沖的變化來控制噴頭末端壓電片的振動方向及幅度，從而改變末端的體積和壓強，實現(xiàn)墨水的噴射。
它的顯著優(yōu)點是不會改變墨水的理化性能；因而能夠使用更多的材料、特別是活性的材料。另外，該技術(shù)可以更加精準(zhǔn)的控制液滴的體積，其精度可以達到皮升的級別。

圖3 脈沖控制噴頭的噴射液滴體積（來源：wikipedia）

熱泡式噴頭的生產(chǎn)廠商以HP和Canon為代表；而壓電式的噴頭以Epson為代表。
在3D打印的領(lǐng)域，大多數(shù)的公司選擇使用壓電式噴頭。在3D打印機的應(yīng)用中，設(shè)備生產(chǎn)商會根據(jù)材料的需求以及成本來選擇所需要的打印機噴頭。如Stratasys選擇的是基于Piezo的噴頭，而HP的MultijetFusion設(shè)備自然是選擇HP生產(chǎn)的熱泡式打印機噴頭。
這樣一個看似簡單的設(shè)備，確是微觀制造級別的杰作。如果是在宏觀層級，這樣的工藝非常容易實現(xiàn)；但事實是，這些都是在微觀級別的精密制造。也是我國需要追趕的領(lǐng)域。

圖4 XAAR壓電打印噴頭結(jié)構(gòu)展示（來源：XAAR）

中國發(fā)展打印機噴頭技術(shù)的必要性

在2D的打印機應(yīng)用中，2019年小米剛推出的家庭用打印機產(chǎn)品的整合已經(jīng)贏得了良好的口碑。而中國諸多家庭、企業(yè)使用的商業(yè)化的打印機其基于噴頭的硬件和軟件的技術(shù)，更多的還是被日本、歐美的這些企業(yè)所掌握。這部分應(yīng)用的市場份額本身已經(jīng)非?？捎^。
在3D打印的應(yīng)用中，HP技術(shù)能夠迅速的進入市場，并在聚合物材料的打印領(lǐng)域贏得一席之地直接可歸因于HP在打印機噴頭技術(shù)方面的積累。

打印機噴頭對于科研及工業(yè)化應(yīng)用的深遠影響
大多數(shù)人還只是將打印機的噴頭看做是打印機的一個部件，特別是買墨盒就“免費”送的打印機中的一個小部件。但殊不知這是一個垂直產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)。
這就相當(dāng)于我們在超過西方國家的5G技術(shù)領(lǐng)域，其底層卻并不建立在完全自由的平臺之上，而面臨被制裁的風(fēng)險。理想化環(huán)境中相對優(yōu)勢、自由貿(mào)易，在當(dāng)前的國際環(huán)境中是不可靠的。

也許會有人認(rèn)為，桌面打印機的市場現(xiàn)在也是被國外技術(shù)所壟斷，我們可以放棄；3D打印技術(shù)我們可以發(fā)展PBF技術(shù)，在打印機噴頭的方向依賴于進口。這些可能都只是一廂情愿。

如果基于打印機噴頭的技術(shù)進一步的發(fā)展，能夠像DM所宣傳的那樣，實現(xiàn)和傳統(tǒng)制造一樣低廉的成本，但卻具有數(shù)字化的柔性制造能力之時，任何一個不掌握這項技術(shù)的制造業(yè)大國，都有被踢出制造業(yè)大國俱樂部的風(fēng)險。

打印機的噴頭技術(shù)不是一個小的部件，而是一個物料精準(zhǔn)輸送的平臺。
它開始于在2D打印的平面/曲面打印應(yīng)用；而后在3D打印中發(fā)揮著物料、粘結(jié)劑的直接輸送。
而在可預(yù)見的將來，打印機噴頭會在生物3D打印領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。在3D打印生物打印的過程中，多通道的打印已經(jīng)成為了標(biāo)準(zhǔn)的配置；而多通道的打印，則需要能夠高效、精準(zhǔn)的實現(xiàn)細胞的存儲以及輸送。2019年，CELLink推出了6噴頭的生物打印機，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的材料和細胞的同時打印。

圖4 CELLINK的6噴頭型生物打印機（來源：CELLINK）

而對于一個完整的臟器的打印，這種6噴頭的打印機輸送材料種類以及精度顯然是不夠的。而如果有一個完整的打印機噴頭陣列，具有嚴(yán)格的無菌環(huán)境的控制，精準(zhǔn)的細胞無損輸送能力，則是活體臟器打印的基礎(chǔ)。分離的“墨盒”儲存著所需的細胞、細胞外基質(zhì)、生長因子、養(yǎng)料等多種物質(zhì)，并在皮升甚至將來更高的層級精準(zhǔn)輸送。試想一下，擁有這樣的打印機噴頭陣列的公司在活體器官打印的年代應(yīng)該是什么樣的存在與價值。

在當(dāng)前疫情肆虐的大環(huán)境下，生物醫(yī)藥技術(shù)在高速的發(fā)展。而將來可能出現(xiàn)的高效能的藥物的精準(zhǔn)分裝，也能夠得益于打印機噴頭的可重復(fù)的、精準(zhǔn)的物料投遞方式。
而這樣一個精準(zhǔn)物料投送的平臺，未來能夠在其上建立什么樣的產(chǎn)業(yè)與帝國，也許今天我們還無法想象。只是，我們很需要擁有這樣的一個平臺，一個從硬件到軟件都有著最核心人才的平臺。

其次，這樣的一個平臺，能夠在更大的范圍影響到制造業(yè)的。
打印機噴頭技術(shù)的發(fā)展直接能夠為社會提供三方面的人才：
1. 硬件方面。在硬件的層面，這是芯片領(lǐng)域精密加工的一個典型應(yīng)用場景。這個領(lǐng)域打印機的巨量市場，能夠為我們國家培養(yǎng)大量的熟練產(chǎn)業(yè)工人。
2. 材料方面。根據(jù)所使用打印材料的粘度、表面張力、導(dǎo)電性能，一批在不同領(lǐng)域進行應(yīng)用的材料專家的誕生。

3. 軟件方面。能夠以設(shè)定的時序精準(zhǔn)的輸送并能夠進行所需要的錯誤檢測的程序端人員。

而其它衍生的領(lǐng)域可能會包括對于材料性能檢測、對于硬件質(zhì)量監(jiān)控等專業(yè)化的設(shè)備及服務(wù)公司。

小結(jié)

3D打印機的發(fā)展需要軟件設(shè)計端與硬件生產(chǎn)端的緊密結(jié)合，滿足市場的需求，從而得到高效的應(yīng)用發(fā)展。而在核心軟件與硬件的發(fā)展中，大國的企業(yè)需要能夠?qū)崿F(xiàn)這部分核心能力的獨立開發(fā)、生產(chǎn)能力。

而打印機的噴頭，更是一種精準(zhǔn)、高效的物料的輸送平臺。它是今天的2D、3D打印領(lǐng)域的核心技術(shù)，也將進一步發(fā)展服務(wù)于生物活性組織、器官的打印，以及將來我們尚無法預(yù)知的技術(shù)和應(yīng)用。

這類的平臺，我們必須要有才行的。

本文經(jīng)授權(quán)發(fā)布，不代表3D打印資源庫立場。如若轉(zhuǎn)載請聯(lián)系原作者。