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

前段時(shí)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(shì)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(shí)間有明顯的增強(qiáng)。

基于打印機(jī)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(shí)是使用噴頭才打印出來(lái)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(jī)噴頭等。

在影響成形工藝的所有因素中，最核心的是打印機(jī)的噴頭；而對(duì)于中國(guó)的3D打印企業(yè)來(lái)講，我們并不掌握噴頭的生產(chǎn)工藝。這也可能是將來(lái)被以非市場(chǎng)行為實(shí)施制裁的技術(shù)。

在這篇文章中，靖哥將重點(diǎn)的討論打印機(jī)的噴頭，以及為什么中國(guó)應(yīng)該具有自己的打印機(jī)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(chǎng)主流的打印機(jī)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(guò)作用在壓電陶瓷上電壓的變化，能夠在擴(kuò)大噴嘴腔室體積時(shí)吸入“墨水”，在壓縮腔室體積時(shí)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(jī)噴頭的工作示意圖（來(lái)源：EPSON）

圖2 熱泡式打印機(jī)噴頭的工作示意圖（來(lái)源：HP）

壓電式的材料以電壓脈沖的變化來(lái)控制噴頭末端壓電片的振動(dòng)方向及幅度，從而改變末端的體積和壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)墨水的噴射。
它的顯著優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)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(dá)到皮升的級(jí)別。

圖3 脈沖控制噴頭的噴射液滴體積（來(lái)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(jī)的應(yīng)用中，設(shè)備生產(chǎn)商會(huì)根據(jù)材料的需求以及成本來(lái)選擇所需要的打印機(jī)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(jī)噴頭。
這樣一個(gè)看似簡(jiǎn)單的設(shè)備，確是微觀制造級(jí)別的杰作。如果是在宏觀層級(jí)，這樣的工藝非常容易實(shí)現(xiàn)；但事實(shí)是，這些都是在微觀級(jí)別的精密制造。也是我國(guó)需要追趕的領(lǐng)域。

圖4 XAAR壓電打印噴頭結(jié)構(gòu)展示（來(lái)源：XAAR）

中國(guó)發(fā)展打印機(jī)噴頭技術(shù)的必要性

在2D的打印機(jī)應(yīng)用中，2019年小米剛推出的家庭用打印機(jī)產(chǎn)品的整合已經(jīng)贏得了良好的口碑。而中國(guó)諸多家庭、企業(yè)使用的商業(yè)化的打印機(jī)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(chǎng)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(jìn)入市場(chǎng)，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(jī)噴頭技術(shù)方面的積累。

打印機(jī)噴頭對(duì)于科研及工業(yè)化應(yīng)用的深遠(yuǎn)影響
大多數(shù)人還只是將打印機(jī)的噴頭看做是打印機(jī)的一個(gè)部件，特別是買墨盒就“免費(fèi)”送的打印機(jī)中的一個(gè)小部件。但殊不知這是一個(gè)垂直產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)。
這就相當(dāng)于我們?cè)诔^(guò)西方國(guó)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(tái)之上，而面臨被制裁的風(fēng)險(xiǎn)。理想化環(huán)境中相對(duì)優(yōu)勢(shì)、自由貿(mào)易，在當(dāng)前的國(guó)際環(huán)境中是不可靠的。

也許會(huì)有人認(rèn)為，桌面打印機(jī)的市場(chǎng)現(xiàn)在也是被國(guó)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(jī)噴頭的方向依賴于進(jìn)口。這些可能都只是一廂情愿。

如果基于打印機(jī)噴頭的技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，能夠像DM所宣傳的那樣，實(shí)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(shí)，任何一個(gè)不掌握這項(xiàng)技術(shù)的制造業(yè)大國(guó)，都有被踢出制造業(yè)大國(guó)俱樂(lè)部的風(fēng)險(xiǎn)。

打印機(jī)的噴頭技術(shù)不是一個(gè)小的部件，而是一個(gè)物料精準(zhǔn)輸送的平臺(tái)。
它開(kāi)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(jiàn)的將來(lái)，打印機(jī)噴頭會(huì)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(guò)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(shí)現(xiàn)細(xì)胞的存儲(chǔ)以及輸送。2019年，CELLink推出了6噴頭的生物打印機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的材料和細(xì)胞的同時(shí)打印。

圖4 CELLINK的6噴頭型生物打印機(jī)（來(lái)源：CELLINK）

而對(duì)于一個(gè)完整的臟器的打印，這種6噴頭的打印機(jī)輸送材料種類以及精度顯然是不夠的。而如果有一個(gè)完整的打印機(jī)噴頭陣列，具有嚴(yán)格的無(wú)菌環(huán)境的控制，精準(zhǔn)的細(xì)胞無(wú)損輸送能力，則是活體臟器打印的基礎(chǔ)。分離的“墨盒”儲(chǔ)存著所需的細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)、生長(zhǎng)因子、養(yǎng)料等多種物質(zhì)，并在皮升甚至將來(lái)更高的層級(jí)精準(zhǔn)輸送。試想一下，擁有這樣的打印機(jī)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(jià)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(lái)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(jī)噴頭的可重復(fù)的、精準(zhǔn)的物料投遞方式。
而這樣一個(gè)精準(zhǔn)物料投送的平臺(tái)，未來(lái)能夠在其上建立什么樣的產(chǎn)業(yè)與帝國(guó)，也許今天我們還無(wú)法想象。只是，我們很需要擁有這樣的一個(gè)平臺(tái)，一個(gè)從硬件到軟件都有著最核心人才的平臺(tái)。

其次，這樣的一個(gè)平臺(tái)，能夠在更大的范圍影響到制造業(yè)的。
打印機(jī)噴頭技術(shù)的發(fā)展直接能夠?yàn)樯鐣?huì)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(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景。這個(gè)領(lǐng)域打印機(jī)的巨量市場(chǎng)，能夠?yàn)槲覀儑?guó)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(jìn)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(shí)序精準(zhǔn)的輸送并能夠進(jìn)行所需要的錯(cuò)誤檢測(cè)的程序端人員。

而其它衍生的領(lǐng)域可能會(huì)包括對(duì)于材料性能檢測(cè)、對(duì)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(jī)的發(fā)展需要軟件設(shè)計(jì)端與硬件生產(chǎn)端的緊密結(jié)合，滿足市場(chǎng)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(guó)的企業(yè)需要能夠?qū)崿F(xiàn)這部分核心能力的獨(dú)立開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)能力。

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

這類的平臺(tái)，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(kù)立場(chǎng)。如若轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。

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

前段時(shí)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(shì)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(shí)間有明顯的增強(qiáng)。

基于打印機(jī)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(shí)是使用噴頭才打印出來(lái)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(jī)噴頭等。

在影響成形工藝的所有因素中，最核心的是打印機(jī)的噴頭；而對(duì)于中國(guó)的3D打印企業(yè)來(lái)講，我們并不掌握噴頭的生產(chǎn)工藝。這也可能是將來(lái)被以非市場(chǎng)行為實(shí)施制裁的技術(shù)。

在這篇文章中，靖哥將重點(diǎn)的討論打印機(jī)的噴頭，以及為什么中國(guó)應(yīng)該具有自己的打印機(jī)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(chǎng)主流的打印機(jī)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(guò)作用在壓電陶瓷上電壓的變化，能夠在擴(kuò)大噴嘴腔室體積時(shí)吸入“墨水”，在壓縮腔室體積時(shí)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(jī)噴頭的工作示意圖（來(lái)源：EPSON）

圖2 熱泡式打印機(jī)噴頭的工作示意圖（來(lái)源：HP）

壓電式的材料以電壓脈沖的變化來(lái)控制噴頭末端壓電片的振動(dòng)方向及幅度，從而改變末端的體積和壓強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)墨水的噴射。
它的顯著優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)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(dá)到皮升的級(jí)別。

圖3 脈沖控制噴頭的噴射液滴體積（來(lái)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(jī)的應(yīng)用中，設(shè)備生產(chǎn)商會(huì)根據(jù)材料的需求以及成本來(lái)選擇所需要的打印機(jī)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(jī)噴頭。
這樣一個(gè)看似簡(jiǎn)單的設(shè)備，確是微觀制造級(jí)別的杰作。如果是在宏觀層級(jí)，這樣的工藝非常容易實(shí)現(xiàn)；但事實(shí)是，這些都是在微觀級(jí)別的精密制造。也是我國(guó)需要追趕的領(lǐng)域。

圖4 XAAR壓電打印噴頭結(jié)構(gòu)展示（來(lái)源：XAAR）

中國(guó)發(fā)展打印機(jī)噴頭技術(shù)的必要性

在2D的打印機(jī)應(yīng)用中，2019年小米剛推出的家庭用打印機(jī)產(chǎn)品的整合已經(jīng)贏得了良好的口碑。而中國(guó)諸多家庭、企業(yè)使用的商業(yè)化的打印機(jī)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(chǎng)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(jìn)入市場(chǎng)，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(jī)噴頭技術(shù)方面的積累。

打印機(jī)噴頭對(duì)于科研及工業(yè)化應(yīng)用的深遠(yuǎn)影響
大多數(shù)人還只是將打印機(jī)的噴頭看做是打印機(jī)的一個(gè)部件，特別是買墨盒就“免費(fèi)”送的打印機(jī)中的一個(gè)小部件。但殊不知這是一個(gè)垂直產(chǎn)業(yè)鏈的基礎(chǔ)。
這就相當(dāng)于我們?cè)诔^(guò)西方國(guó)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(tái)之上，而面臨被制裁的風(fēng)險(xiǎn)。理想化環(huán)境中相對(duì)優(yōu)勢(shì)、自由貿(mào)易，在當(dāng)前的國(guó)際環(huán)境中是不可靠的。

也許會(huì)有人認(rèn)為，桌面打印機(jī)的市場(chǎng)現(xiàn)在也是被國(guó)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(jī)噴頭的方向依賴于進(jìn)口。這些可能都只是一廂情愿。

如果基于打印機(jī)噴頭的技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，能夠像DM所宣傳的那樣，實(shí)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(shí)，任何一個(gè)不掌握這項(xiàng)技術(shù)的制造業(yè)大國(guó)，都有被踢出制造業(yè)大國(guó)俱樂(lè)部的風(fēng)險(xiǎn)。

打印機(jī)的噴頭技術(shù)不是一個(gè)小的部件，而是一個(gè)物料精準(zhǔn)輸送的平臺(tái)。
它開(kāi)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(jiàn)的將來(lái)，打印機(jī)噴頭會(huì)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(guò)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(shí)現(xiàn)細(xì)胞的存儲(chǔ)以及輸送。2019年，CELLink推出了6噴頭的生物打印機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的材料和細(xì)胞的同時(shí)打印。

圖4 CELLINK的6噴頭型生物打印機(jī)（來(lái)源：CELLINK）

而對(duì)于一個(gè)完整的臟器的打印，這種6噴頭的打印機(jī)輸送材料種類以及精度顯然是不夠的。而如果有一個(gè)完整的打印機(jī)噴頭陣列，具有嚴(yán)格的無(wú)菌環(huán)境的控制，精準(zhǔn)的細(xì)胞無(wú)損輸送能力，則是活體臟器打印的基礎(chǔ)。分離的“墨盒”儲(chǔ)存著所需的細(xì)胞、細(xì)胞外基質(zhì)、生長(zhǎng)因子、養(yǎng)料等多種物質(zhì)，并在皮升甚至將來(lái)更高的層級(jí)精準(zhǔn)輸送。試想一下，擁有這樣的打印機(jī)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(jià)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(lái)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(jī)噴頭的可重復(fù)的、精準(zhǔn)的物料投遞方式。
而這樣一個(gè)精準(zhǔn)物料投送的平臺(tái)，未來(lái)能夠在其上建立什么樣的產(chǎn)業(yè)與帝國(guó)，也許今天我們還無(wú)法想象。只是，我們很需要擁有這樣的一個(gè)平臺(tái)，一個(gè)從硬件到軟件都有著最核心人才的平臺(tái)。

其次，這樣的一個(gè)平臺(tái)，能夠在更大的范圍影響到制造業(yè)的。
打印機(jī)噴頭技術(shù)的發(fā)展直接能夠?yàn)樯鐣?huì)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(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景。這個(gè)領(lǐng)域打印機(jī)的巨量市場(chǎng)，能夠?yàn)槲覀儑?guó)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(jìn)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(shí)序精準(zhǔn)的輸送并能夠進(jìn)行所需要的錯(cuò)誤檢測(cè)的程序端人員。

而其它衍生的領(lǐng)域可能會(huì)包括對(duì)于材料性能檢測(cè)、對(duì)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(jī)的發(fā)展需要軟件設(shè)計(jì)端與硬件生產(chǎn)端的緊密結(jié)合，滿足市場(chǎng)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(guó)的企業(yè)需要能夠?qū)崿F(xiàn)這部分核心能力的獨(dú)立開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)能力。

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

這類的平臺(tái)，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(kù)立場(chǎng)。如若轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系原作者。