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3D 打印技术的先进应用

2014-4-18 11:35| 发布者: Saiu| 查看: 582| 评论: 0|原作者: 辛妍|来自: 新经济导刊

摘要: 用3D 打印机打印实体就如同打印一封信: 在电脑上点击打印按钮,一个数字文件 就会被发送到打印机上,喷墨打印机会 在纸上沉积一层油墨,形成一个2D 的图像。然而 在3D 打印中,借助计算机辅助设计,软件将模型 进行一系列的数字切片,并将这些切片的描述发送 到3D 打印机,它会一层一层地添加连续的薄图层, 直到一个实体出现。最大的区别就是,3D 打印机 用的“墨水”是材料。基本上,任何可以挤压、熔 化或者可以加工成粉末的材料,都可以用来打印, 比如塑料、金属或一些复合材料等。

3D 打印机打印实体就如同打印一封信:在电脑上点击打印按钮,一个数字文件就会被发送到打印机上,喷墨打印机会在纸上沉积一层油墨,形成一个2D 的图像。然而在3D 打印中,借助计算机辅助设计,软件将模型进行一系列的数字切片,并将这些切片的描述发送到3D 打印机,它会一层一层地添加连续的薄图层,直到一个实体出现。最大的区别就是,3D 打印机用的“墨水”是材料。基本上,任何可以挤压、熔化或者可以加工成粉末的材料,都可以用来打印,比如塑料、金属或一些复合材料等。

几种常用的3D 打印技术的工艺过程包括光固化(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)和熔融沉积成型(FDM)等。它们的共性是都具有在世界上任何地方制造定制产品,尤其是复杂几何形状的实体的能力。

目前最常用的3D 打印技术是光固化,包括行业领先者Stratasys 在内的许多公司的3D 打印机都采用这一技术。该技术可以使用包括树脂在内的广范的材料制造最精确的细节部件,因此通常用于制作高精密的展示形式的拟合模型。

选择性激光烧结可以用于生产各种规格的金属部件,包括由航天级钛制成的组件。德国的EOS公司和刚刚被通用航空收购的MorrisTechnologies都使用了该技术。也可用于生产尼龙的一次性部件给汽车、跑步者、滚筒等使用。

选择性激光熔化能打印金属如钛、不锈钢、铂,甚至是黄金,制作出的部件与传统铸件一样好,因此在珠宝业和航空航天业的应用增长迅速。常见的打印金属的3D 打印机只能打印网球大小的实体,虽然有些机器可以打印到鞋盒大小,但非常昂贵,这在一定程度上局限了该技术的应用。

熔融沉积成型使用真正的工程级塑料, 如ABS、聚乙烯、尼龙等,生产出的部件与机械加工或者注塑模具生产的部件强度相当,颜色相同,惟一不同的是表面光洁度。

随着材料和工艺过程的改进,3D 打印迅速发展,并被广泛应用于各个专业领域,特别是在汽车、航空航天和医疗:福特公司的工程师的办公桌上早就使用了MakerBot 公司的各种产品,美国国家航空航天局的设施中遍布着Replicator2 打印机,牙科医生用它来制造模具等等。作为MakerBot 公司的首席战略官,Jenny Lawton 女士认为,下一个阶段,也就是在今年将出现的情况会是3D 打印设备在消费者家中扩散。下面列举一些3D 打印的先进应用:

医疗

3D 打印技术在医疗上应该会有很多应用。3D打印能制造专门适合某人身体的定制部件,而这可以是所有的部件。有些研究人员已经用3D 打印机生产出了简单的活体组织,如皮肤、肌肉和血管的短延伸。更大的身体部件,比如肾脏、肝脏、甚至心脏,都有可能在将来被打印出来。如果生物打印机可以使用患者自身的干细胞打印器官,那么就可以减少移植后产生排斥反应的可能性。

2011 年,一名荷兰女子成为世界上第一个使用3D 打印技术制作的钛下颌骨的患者。这不仅节约了原材料成本,同时新方法将手术时间从20 小时降到4 小时,明显降低了手术成本。更重要的是,该技术的应用对患者本身有利,因为用的是一个完全量身定做的部件。大大减少的麻醉(这在患者非常年轻或者年老时都要考虑)有助于加快恢复速度,同时也减少了感染的可能性。

2012 8 月,维也纳技术大学的研究人员开发出一种创建具有特定的化学或生物特性的微米尺度的3D 结构的方法,并以此为基础制作出了能够快速打印微米大小的实体的3D 打印机。研究人员现在正在研制生物相容性树脂,用它可以生成能让活体细胞依附的支架,从而实现系统性生成生物组织。

2012 11 月,WakeForest 再生医学研究所的科学家们已经创建出了一台混合3D 打印机,它可以创造可植入的人体软骨。

2013 2 月,赫里奥特- 瓦特大学的研究人员首次使用3D 打印排列了人类胚胎干细胞。这些打印出的干细胞具有高存活力,大小完全相同,并且维持了多能性,即具有分化成其他细胞类型的能力。这一进展对体外药物开发和毒性测试至关重要,它可能会加速药物测试过程。长远来说,随着该技术进一步发展,将能够从患者自身的细胞中生成可用的3D 器官,从而实现按需提供移植器官。

2013 2 月,美国康奈尔大学的生物医学工程师和康奈尔大学威尔医学院的医师们运用3D 打印和高密度的注射用凝胶制成了人造耳朵。整形外科医生可能可以用这一成果帮助那些出生时就患有先天性小耳畸形的孩子。新耳朵也可以帮助那些由于意外或者癌症而失去了部分或者全部外耳的人。如果所有的安全性和有效性测试成功的话,人造耳最早可能在三年内就进行第一次人体植入试验。他们早在2012 年就已经制成了膝盖软骨、半月板,目前正在研制的有脊柱磁盘和心脏瓣膜,而将来的趋势是制作越来越复杂的器官。有报告说肾脏已经被打印出来了,至于肝脏,可能还需要一些时间。

航空航天

2012 3 月,Stratasys 公司和Optomec 公司完成了为具有功能电子的无人驾驶飞机模型联合开发的智能翼项目。该项目将3D 打印和印刷的电子合并起来,创建了世界上第一个完全打印的混合结构。

这一项目的完成将有可能改变包括医疗设备、消费类电子产品和航空航天等领域的产品开发。Stratasys公司直接数字制造的副总裁Jeff DeGrange 表示,“汇集3D 打印和打印电子电路将会改变设计和制造的游戏规则。它有可能只需要更少的材料和步骤来完全简化生产,将产品推向市场。”2012 5 月,总部设在芝加哥的Sciaky 公司开发出了电子光束直接制造技术。使用该3D 打印技术取代锻造,可以降低F-35 联合攻击战斗机中钛结构件的生产成本。

2012 11 月,南安普顿大学的研究人员用激光烧结尼龙打印出了无人驾驶飞机。

个人消费

2012 10 月,西英格兰大学精细打印研究中心的研究人员称,古代埃及技术中使用的材料可能很适合在3D 打印中制作陶瓷餐具原型。目前的项目在理论上为打印单发射、上釉的陶瓷对象提供了可能性,这是用基于目前的技术无法实现的。无疑,古埃及人的材料会减少当前陶瓷业打印原型所需的时间。

2012 11 月,华威大学的研究人员研制出了一种简单廉价可用于3D 打印机的导电塑料复合材料(由溶解在晶型塑料中的碳粒子形成)。该材料的研制成功将有助于降低3D 打印机的成本。将电子轨道和传感器作为3D 结构的一部分,他们团队已经可以完全用新材料制作出计算机游戏控制器。

你现在还买不到,但是MIT 的美食“The DigitalChocolatier”已经通过印制一层层的糖果制作出了可口的美食。康奈尔大学也在通过它的名叫Fab@Home 的多材料3D 打印机进行打印食品的研究。

其他

2012 4 月,德国卡尔斯鲁厄理工学院研发了一种新的3D 打印方法,目前可以打印出分辨率为65 纳米的聚合物,并有望很快达到30~40 纳米,最终目标是10 纳米。这一方法为大量的新的超级材料开放了路径,该界限可以开发利用各种各样的现象,如超材料隐形原则等。

3D 打印的先进技术及应用已经渗透到越来越多的领域。随着3D 打印技术在打印尺寸和打印精度上的发展,3D 打印必将越来越多地应用到更多的领域,离我们的生活越来越近。

 

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