美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）的研究人员开发了一种创新的模块化3D打印挤出系统，旨在解决大尺寸增材制造中长期存在的效率与精度矛盾。该系统通过将多个小型挤出机集成，利用特殊设计的喷嘴块汇合成单一高输出料流，从而在不增加工具重量的前提下提升产能，并实现了单道打印中的输出可调、精确沉积及多材料打印。
技术突破：模块化设计解决核心矛盾
传统大型挤出机因其庞大重量，需要昂贵且高刚性的龙门架或机器人系统来支撑和移动。更重要的是，在需要高精度的小批量或复杂结构（如锥形件）打印时，大型挤出机在低流量工况下精度下降，料流不稳定，往往不得不降低打印速度以避免热量积聚导致的部件翘曲或打印失败。ORNL的模块化系统提供了全新的解决方案。它允许用户根据需求灵活启用或停用单个小型挤出单元，在保证打印质量不受影响的同时，实现了产能的弹性缩放。项目负责人哈利勒·泰金阿尔普指出，这项技术让小规格挤出头能在不增加额外重量的负担下，达到大型系统的出料量，并在单道熔覆层中实现前所未有的多材料挤出，有望重新定义基于挤出的增材制造。
模块化多挤出机系统。图片来源：ORNL
核心创新：专利喷嘴实现多材料融合
该系统的核心在于其专利未决的喷嘴设计。喷嘴块采用铝青铜材料制成，兼顾了结构强度与导热性能。其内部结构能够将来自平行排列挤出机的两股（或多股）熔融聚合物料流合并。测试表明，该设计能稳定实现料流速率翻倍，并具备提升至三倍、四倍甚至更高倍率的潜力。
此外，研究人员还开发了能生成“芯-壳”结构（即一种材料完全包裹另一种材料）的专用喷嘴。这使得具有不同机械性能（如刚性/柔性）或功能特性（如导电/绝缘）的材料可以在单一道打印线材中实现结合。这种设计不仅创造了功能梯度材料，还有助于提升层间粘合力，直接应对聚合物增材制造中常见的分层问题。
广泛的应用潜力与当前测试状态
凭借其高速、精确且能融合多种材料特性的能力，该系统在多个行业展现出巨大应用潜力：
航空航天：可用于制造兼具抗冲击性和隐身功能的部件，如防撞面板或雷达吸波组件。
能源领域：适用于生产阻燃外壳或轻量化的模块化电池支架及热能系统支撑结构。
国防与土木工程：从轻量化野战庇护所、防护面板到增强型桥面、车辆保险杠等，均可通过一次性连续打印完成。
截至目前，测试主要集中在大尺寸颗粒喂料聚合物挤出工艺上，结果证实了其在加工效率、材料沉积精度和多材料控制方面的提升。然而，该系统尚未针对特定终端应用材料、长期耐久性以及受监管行业（如航空航天、医疗器械）的认证要求进行评估。其技术能力目前仅限于挤出式3D打印工艺，并未解决其他制造方法中的效率挑战。
模块化多挤出机系统配备了一种获得专利的喷嘴，能够生产出芯包覆线材：一种材料包裹在另一种材料之中。图片来源：ORNL
行业背景：柔性多挤出架构成为趋势
ORNL的模块化方案与工业界发展柔性多挤出头架构的努力方向一致。在2025年德国Formnext展会上，BigRep公司展示了搭载双智能制造挤出头（SMX）的设备（如VIIO 250），支持“双模式”同步打印以提升产能。同时，Prusa Research与Bondtech公司联合推出了INDX智能打印头，这是一种双挤出送料/换刀一体化装置，能快速切换材料，支持多材料工作流程而无需长时间停机。这些进展共同表明，通过模块化、多材料和高效率的挤出系统来突破增材制造规模化瓶颈，已成为行业前沿探索的重要路径。
来源：中国3D打印网编译文章！
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