約翰霍普金斯大學(xué)推出混合成型3D打印技術(shù)，將破解速度與精度兩難問題

2025年5月6日，南極熊獲悉，美國(guó)約翰·霍普金斯大學(xué)懷廷工程學(xué)院土木與系統(tǒng)工程系（CaSE）的研究人員提出了一項(xiàng)新技術(shù)，旨在解決3D打印領(lǐng)域中速度與質(zhì)量之間權(quán)衡的新方法。這種工藝被稱為混合成型3D打印技術(shù)（HyFAM），它巧妙地結(jié)合了增材制造的高精度與鑄造、模塑等成型技術(shù)的高效率。

△相關(guān)研究成果已發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊上，題目為“混合成型-增材制造”（傳送門）

CaSE的助理教授兼主要研究作者Jochen Mueller解釋道：“我們并未將增材制造和成型制造視為相互競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)，而是探索如何將二者的優(yōu)勢(shì)融合。通過這種融合，我們不僅創(chuàng)造了一種全新的生產(chǎn)方法，而且克服了它們各自的局限性�！�

HyFAM融合增材與成型優(yōu)勢(shì)

增材制造（通常被稱為3D打印）以定制化和材料多樣性而著稱，但受限于圓形噴嘴的設(shè)計(jì)，它的打印速度通常較慢，并且容易產(chǎn)生缺陷。相對(duì)地，成型制造方法（如模塑或鑄造）雖然能夠快速生產(chǎn)出高質(zhì)量的零件，但它們需要復(fù)雜的工具，且設(shè)計(jì)的靈活性較低。

混合成型-增材制造技術(shù)有效地彌合了傳統(tǒng)制造方法之間的差距。該技術(shù)首先利用類似鑄造的快速成型工藝來填充那些不需要精細(xì)細(xì)節(jié)的大體積部分，從而顯著提升生產(chǎn)效率；而在需要高精度的區(qū)域（例如外表面和復(fù)雜特征）時(shí)，則轉(zhuǎn)而采用傳統(tǒng)3D打印技術(shù)。這種混合方法避免了對(duì)整個(gè)物體進(jìn)行逐體素打印的低效過程，特別適用于那些只有小部分區(qū)域需要高分辨率或復(fù)雜特征的物體。

研究團(tuán)隊(duì)成員、博士生、論文第一作者Nathan Brown指出：“盡管增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的細(xì)節(jié)，但使用小型噴嘴打印時(shí)，整個(gè)過程會(huì)變得緩慢。對(duì)于內(nèi)部特征較大且尺寸差異顯著的部件，這將成為一個(gè)主要的效率障礙�！�

據(jù)Jochen Mueller介紹，與傳統(tǒng)3D打印相比，HyFAM技術(shù)在打印具有大量鑄模填充的物體時(shí)，速度可提升10至20倍；而對(duì)于細(xì)節(jié)豐富的部分，速度大約可以提高兩倍。

為了展示HyFAM的廣泛適用性，Mueller和Brown利用各種適合擠出的材料進(jìn)行了物體打印實(shí)驗(yàn)。這些材料包括硅膠、陶瓷、金屬、環(huán)氧樹脂、水泥、粘土，甚至巧克力。這個(gè)過程要求精確控制材料流動(dòng)和厚度，以確保均勻填充。此外，該技術(shù)還依賴于選擇固化后性能相似的材料，以避免收縮、翹曲等制造問題。

△HyFAM比傳統(tǒng)的3D打印要快得多

提升3D打印效率與設(shè)計(jì)靈活性

在HyFAM技術(shù)中，填充階段可以跨越單層、多層甚至全部打印層，無需像傳統(tǒng)3D打印那樣逐層構(gòu)建。這種方法還有助于確保3D打印部件均勻粘合，從而避免出現(xiàn)縫隙和其它常見的缺陷。

研究人員指出，他們的方法尤其適用于大規(guī)模定制場(chǎng)景，這些場(chǎng)景中的物體往往包含詳細(xì)和非詳細(xì)的部分。Mueller評(píng)論道：“雖然HyFAM對(duì)于極其復(fù)雜且統(tǒng)一的物體可能不是最佳選擇，但它在速度、材料靈活性和設(shè)計(jì)復(fù)雜性方面的綜合優(yōu)勢(shì)，未來將成為從建筑到軟機(jī)器人等眾多領(lǐng)域的潛在解決方案。”

下一步，Mueller和Brown計(jì)劃通過實(shí)驗(yàn)不同材料以及結(jié)合具有不同機(jī)械性能的材料來進(jìn)一步拓展HyFAM的功能，以期開拓更多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。