Makerbot公司于2013年推出雙材料FDM打印機(jī)，通過(guò)并排的兩個(gè)擠出噴頭，交替間歇控制兩種材料的擠出過(guò)程，完成雙材料的3D打印過(guò)程。Scott等人報(bào)道了一種獨(dú)特的多通道微流控?cái)D出噴頭，能夠做到材料的按需混合或分配，實(shí)現(xiàn)經(jīng)同一個(gè)噴頭按需擠出不同材料的打印過(guò)程，并且該微流控噴頭能夠通過(guò)簡(jiǎn)單組合的方式實(shí)現(xiàn)至多16x16的陣列排布，極大地加速擠出式3D打印的制造過(guò)程。此外，擠出式3D打印技術(shù)還可通過(guò)對(duì)噴頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多材料的實(shí)時(shí)混合和嵌套過(guò)程。

對(duì)于粉末床打印技術(shù)（如SLS、SLM、EBM等），傳統(tǒng)的滾軸或刮刀式粉末送料機(jī)制無(wú)法做到同時(shí)按需分布多種不同金屬粉末，因此如何在床層沉積不同金屬粉末材料是解決多金屬打印的一項(xiàng)關(guān)鍵問(wèn)題。Wei等人提出一種真空輔助的粉末沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三個(gè)噴頭組成，其中兩個(gè)為粉末沉積噴頭，一個(gè)為真空吸頭。打印時(shí)，先由噴頭A在打印平面鋪展一層金屬粉末A，隨后通過(guò)激光燒結(jié)得到固化的金屬A圖案，之后由真空吸頭吸走未燒結(jié)的金屬粉末A，進(jìn)而使用噴頭B沉積金屬粉末B，繼續(xù)使用激光進(jìn)行固化燒結(jié)，完成一層雙金屬材料的平面打印過(guò)程。該噴頭還能夠根據(jù)需要調(diào)節(jié)原料粉末沉積的流量，從而實(shí)現(xiàn)雙金屬材料漸變梯度的打印過(guò)程。

對(duì)于光固化系統(tǒng)（如SLA、DLP等），由于打印材料全部存放在原料槽中，且固化過(guò)程依靠數(shù)字激光照射液體表面，因此無(wú)法做到同時(shí)生成具有特定圖案的多種液體材料表面。一種替代思路是利用多噴頭打印方式，將不同原料液按需沉積在打印表面形成打印圖案，再使用紫外光照射進(jìn)行固化，代表技術(shù)例如PolyJet和MultiJet。此外，Han等人報(bào)道了一種基于DLP的多材料3D打印技術(shù)，他們?cè)贒LP打印原料槽設(shè)置一組材料切換閥，在完成每種材料的打印后，通過(guò)程序控制將原料槽內(nèi)的液體排空，實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程中的材料切換。但此技術(shù)也有一定局限性，例如在打印水相和油相的復(fù)合聚合物材料時(shí)，管道壁殘留的材料會(huì)在反復(fù)的材料切換中形成乳液，導(dǎo)致紫外光的散射影響成型效果。

此外，不同種類材料之間的復(fù)合材料也能夠通過(guò)改進(jìn)的3D打印工藝得以實(shí)現(xiàn)，例如性質(zhì)差別較大的金屬-高分子復(fù)合材料。Xie等人通過(guò)SLA與FDM結(jié)合的技術(shù)方式，在SLA打印過(guò)程中沉積液態(tài)金屬導(dǎo)線，得到不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的核磁共振測(cè)試探頭，通過(guò)優(yōu)化導(dǎo)線的空間分布，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)物品微米級(jí)別分辨率的核磁共振掃描效果。Khondoker等人設(shè)計(jì)了一種同軸FDM打印噴嘴，通過(guò)合理的內(nèi)外層流速匹配實(shí)現(xiàn)了SEBS包低熔點(diǎn)金屬核殼線材的打印，并進(jìn)一步打印出螺旋的天線接收器。Wu等人使用NbFeB與TPU混合粉末作為原料，通過(guò)SLS技術(shù)選擇性燒結(jié)TPU打印出含有NbFeB顆粒的彈性磁體材料，進(jìn)一步組裝成為開(kāi)關(guān)應(yīng)用于智能壓電傳感。

多層級(jí)系統(tǒng)是指通過(guò)實(shí)體、成分或幾何結(jié)構(gòu)的分層組合形成具有不同屬性（如功能、密度、尺寸等）分界結(jié)構(gòu)的一類系統(tǒng)。自然界中存在著各種形式的多層級(jí)系統(tǒng)，例如河流、沙丘、山川、閃電等，其主要通過(guò)各級(jí)通路的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)輸效率。同樣，多層級(jí)系統(tǒng)在人類生活中也無(wú)處不在，例如社會(huì)中的組織架構(gòu)、道路網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)以及信息數(shù)據(jù)的獲取，其通過(guò)各級(jí)功能的合理分配使得系統(tǒng)整體具有更高的運(yùn)行效率。作為自然界中最精密的系統(tǒng)，生命體也是一種由細(xì)胞、組織、器官、器官系統(tǒng)構(gòu)成的多層級(jí)系統(tǒng)，各級(jí)單元通過(guò)能量和物質(zhì)代謝的互相關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)體的諸項(xiàng)功能。

在人類技術(shù)的早期發(fā)展中，天然材料的使用扮演著重要的角色，例如動(dòng)植物的某些部位（龜甲、海綿、魚骨、樹(shù)干）。隨著現(xiàn)代表征手段的發(fā)展，研究人員們發(fā)現(xiàn)在這些天然生物材料中往往存在某些特征結(jié)構(gòu)的層級(jí)排列行為，例如結(jié)構(gòu)單元（纖維、片層、顆粒）、孔隙或表面結(jié)構(gòu)（褶皺、條紋、粗糙）。而正是通過(guò)這種層級(jí)排列的行為，使得這些材料具有相較于其單一尺度排列下不具備的功能和特性。例如輕質(zhì)高強(qiáng)度的骨頭、堅(jiān)硬的貝殼、抗沖擊的果皮、快速過(guò)濾的海綿、自清潔的葉片表面、高粘附力的昆蟲足底、色彩斑斕的蝴蝶翅膀等。因此，這種具備一定功能或性質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元在不同尺寸跨度下規(guī)則排列構(gòu)成的材料，被稱作多層級(jí)材料。

根據(jù)層級(jí)單元的性質(zhì)，多層級(jí)材料可分為多層級(jí)組分材料和多層級(jí)結(jié)構(gòu)材料。多層級(jí)組分材料是指材料組分單元（原子、分子、晶胞、大分子鏈等）通過(guò)相互作用力形成的局部或整體組分變化的系統(tǒng)，例如堅(jiān)韌的木質(zhì)組織；多層級(jí)結(jié)構(gòu)材料是指材料在不同尺度上具有重復(fù)分布的幾何結(jié)構(gòu)單元，例如疏松多孔的海綿結(jié)構(gòu)。其中，多層級(jí)結(jié)構(gòu)材料根據(jù)層級(jí)單元的分布特征還可分為多層級(jí)表面結(jié)構(gòu)和多層級(jí)孔結(jié)構(gòu)。

天然材料通過(guò)這種在不同尺度上合理的層級(jí)排列，獲得了遠(yuǎn)超其均相材料性質(zhì)的功能和性能，這也啟發(fā)了人們將多層級(jí)結(jié)構(gòu)運(yùn)用在人造材料領(lǐng)域。將性質(zhì)更豐富的化學(xué)合成材料通過(guò)合理的層級(jí)排列，能夠獲得潛在的高性能材料。并且在人造材料中引入多層級(jí)結(jié)構(gòu)也將允許人們?cè)诓粻奚F(xiàn)有材料功能的前提下更多的使用性能稍弱但是更環(huán)保、儲(chǔ)量更豐富、生物相容性更好的材料。

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