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3D打印产业最具发展潜力的五大新技术

OFweek 2016-07-12 09:27:42

[导读] 近期,我们从新闻里就可以看到3D打印前沿技术领域正逐渐散发着光芒。在全球3D打印产业人士的持续努力下,3D打印技术以及其前沿性的应用又得到了进一步的升华。如今,我们曾经的“幻想”正一步步走向现实,你准备好接受这一切了吗?

近期,我们从新闻里就可以看到3D打印前沿技术领域正逐渐散发着光芒。在全球3D打印产业人士的持续努力下,3D打印技术以及其前沿性的应用又得到了进一步的升华。如今,我们曾经的“幻想”正一步步走向现实,你准备好接受这一切了吗?

太空中3D打印真正的活体心脏

这将是一个巨大的医学突破,并会改变等待心脏移植手术的患者的生活:3D打印一颗人类的心脏。这件事听起来似乎很疯狂,但是来自美国印第安纳州的一家名为Techshot的公司正在努力将它变成现实现。

但是,迄今为止,尽管3D打印技术已经经历了很长的路,我们能够看到各种各样的3D打印零件、产品、玩具、植入物假体等,但是要打印出器官依然很难。为此,Techshot别出心裁,正在与另外两家公司合作,希望能够在太空零重力状态下创建一颗人类的心脏。“目前人们在3D打印没有很多血管的骨组织方面取得了进展,但是真正的问题是血管,是如何让血管在组织内生长。”Boland说。目前世界各地的科学家们都在尝试生物打印器官,但都没有取得突破。“真正的关键在于如何让细胞生长,由于地面上的重力问题,人们已经尝试了10到15年,一直不能实现血管化,只有血管化之后,细胞才能够在该结构中生长。”Vellinger解释说。

这就是为什么这支团队想到太空里试试。“重力是地面上的一个阻碍,在太空里由于没有重力,就为制造一个更加完美的结构创造了机会。”Vellinger说。最近,该研究团队把他们的设备带到了奥兰多和并成功地在零重力模拟器中对它进行了测试,之前我们也曾经报道过这件事。“我们在这个过程中实际上在用活的人类干细胞打印婴儿的心脏结构。我们下一步的计划是使用同一台机器,把它挂在一枚可以进入地球轨道的探空火箭上,再下一步我们将把这项技术放在国际空间站上。”Vellinger说。科学家们希望,他们的设备能够在国际空间站上3D打印出首个人类心脏。“NASA对这非常感兴趣。”Vellinger说。Boland说,第一次移植指日可待。“我们预测到2024年,我们将从太空带回一个可移植的器官。”他说。“随着各方面的技术逐步具备,再加上太空环境,我们认为这是一个取得重大突破的真正机会。”Vellinger补充说。

重塑材料结构的3D打印研发技术

不论在建筑业、航空航天业还是电子工业中,选择材料都是一件困难的事情。现有的材料均有一些局限性,导致设计制造时要为它们妥协。不过情况正在发生改变,阿拉伯联合酋长国的马斯达尔学院正在进行的一项研究,科学家们希望通过重新设计现有材料的内在几何结构,3D打印出适用于特定用途的高性能材料。Rashid Abu Al-Rub 教授和他的团队目标明确,他们并不想重新创造材料,而是选择了专注于改变我们所熟知的塑料、金属、水泥等材料的内在几何构造。这种对材料根本上的改变使得 Abu Al-Rub 的团队能够控制材料的机械、导热和导电的属性,他们甚至能够突破一些材料原有的特性。

通常,密度和强度是紧密相关的。强度较高的金属密度高,质量大;而强度低的海绵则密度低,质量小。但改变了铝材的内在结构之后,“新”的材料能够同时具有轻量和高强度的特性。其中原理和埃菲尔铁塔相同,是独特的结构而不是高强度的特种材料让这座铁塔高耸入云。Abu Al-Rub 团队在研究中开发了一款计算机模型,这个模型能够生成上千种现有材料的几何结构供不同行业选择。这些复杂的结构的尺寸有时是纳米级的,多亏了 3D 打印技术的进步才让它们走出了计算机。

该团队表示他们的研究可能改变未来的材料设计。目前他们正在寻找业界伙伴合作,初步尝试将研究成果商业化。

超声波金属3D打印技术

当大多数人想到3D打印时,他们想到的是典型的增材过程,在这一过程中许多层材料被融合成期望的最终形状。然而,增材制造并不总是完美制成最终产品。事实上,为了创建最终零件,大多数金属3D打印工艺还需要额外的研磨或其他处理措施。由于这个原因,有一些公司,如Mazak、 DMG MORI和Cincinnati Inc.,将增材和减材结合来实现预期的结果。最近有一家公司开发了一种新型混合制造技术,被称为超声波增材制造(UAM)。通过利用声波而不是热能,FabrisoNIc的UAM平台可被用于一些其他系统做不到的应用。

在接受媒体采访时,Fabrisonic公司CEO Mark Norfolk解释说,UAM机器实际上是一个内置了超声波焊接技术的数控铣床。薄薄的金属箔被一层一层放置,继而用超声波焊接在一起。然后用铣床切割密集堆放的金属片,以创建出最终零件。不像其他金属3D打印工艺,在UAM中金属不是被高温熔化。这就是UAM工艺的重要优势。“温度不会超过200华氏度,”Norfolk阐述道。“这使我们能够嵌入传感器,因为我们的零件不热。我们只是停止构造,钻出一个小通道,在里面放入一个传感器,然后继续在上面构造。再者,它是在低温下工作,不会损坏传感器。”

Fabrisonic通过制造服务而不是卖设备获得收入的80%,它发现一些客户要求将热电偶嵌入金属零件。将热电偶嵌入金属零件,或者固定在零件的外部,这两种情况都需要热传感器在热环境或化学反应环境下提供温度读数,并保护热电偶不受潜在的危险环境影响。对于一个客户来说,这个创建热交换器的过程意味着混合化学物质,根据Norfolk的说法这是一个热相关过程。他解释道:“你把化学物质A、B和C放到一起进行化学反应,然后生成了化学物质D。我们把热电偶沿着液体的混合通道相邻放置八九个位置,使客户精确知道它们混合的温度。

3D打印的人造皮肤技术

近日,欧莱雅开发了一项技术,利用3D打印来进行人体皮肤的高还原度仿造。然而,将此项技术投入商用是令不少观察者惊讶的,不过这个新闻起码让动物保护者们又松了一口气。这是一次化妆品公司和硅谷的合作。欧莱雅美国和生物3D打印公司 Organovo最近宣布,他们共同研发出了非常接近真实人体的皮肤组织,而欧莱雅要用它们来测试产品。 Organovo的技术主要是先建立特定组织的设计架构,然后再用“生物墨水”,其实也就是细胞来打印组织,这项技术还允许组织垂直打印并形成分层。

据Wired报道,在和Organovo合作之前,欧莱雅其实已经有使用体外皮肤组织的业务了,但它依然选择尝试更新、更有效的技术,而且新技术还有可能降低生物工程的成本。无论如何,欧莱雅的这项举动倒是会赢得不少动物保护者的好感,据欧莱雅科技孵化器全球副总裁 Guive Balooch对《女装日报》表示:“ 很久以前,我们就不用动物做实验了,而是转用很多预测模型或是工程皮肤组织来测试。创意让我们能够测试更多不同的分子以及有毒成分的副作用,以保证安全和疗效。”

化妆品测试的问题一度在中国也比较敏感,因为进口化妆品需要进行动物实验。不过欧莱雅称公司已经和中国权威组织展开了合作,以尝试和改变监管框架,让中国在化妆品行业的标准并符合国际要求,能够寻找到代替动物测试的方法。2014年开始,中国已经开始减少动物实验的依赖,国内生产美容产品的公司可以选择不同的测试方法,但进口品牌依然要经过动物实验。3D打印技术也为欧莱雅开拓了更多可能性空间,它可以根据人们的需求定制色彩、形状等不同产品,比如一个顾客就喜欢星巴克绿,那它可以用仿真皮肤看看这个绿色抹在眼皮上到底好不好看。

欧莱雅认为,这项新技术如果能够让品牌的更新速度、创新能力和供应链都会得到改善,科技就是未来。不过据Wired称,也有人猜测欧莱雅集团是否在挖掘一个新的市场,可以在烧伤病人等医疗领域有所涉猎。

3D打印微观细胞定位技术

近日,英国谢菲尔德大学(University of Sheffield)的科学家们在开发可以在生物环境中安全地使用的蚕丝微型火箭上取得了重大突破。通过使用创新的3D喷墨打印方法,该校的化学和生物工程研究人员在制造微观蚕丝游泳装置方面向前迈出了一大步。据了解,这种蚕丝装置可降解,而且对其所处的生物环境完全无害。这意味着,这些装置将来可能在被用于人体内部的一些应用当中,比如传递药物和定位癌细胞等。

而且,这一新技术使得研究人员可以使用安全、无毒的材料,即意味着该微型火箭不会对任何活组织或生物环境造成伤害或损害。这是一项重大突破,因为在此之前,这样的装置往往成本高昂,而且制造起来非常复杂,它们往往是用聚苯乙烯微球、纳米碳管或金属制成,其表面还必须覆盖一层催化剂层(例如铂),以便于能够成功地游动,但是这些装置往往对它们所处的生物环境并不友好。而谢菲尔德大学的科学家们这次3D打印的蚕丝火箭长度仅有300微米,直径100微米,仅相当于人类的一根头发丝的厚度,有趣的是,这种微型蚕丝火箭能够在其所处的生物液体环境中获得推动其前进的燃料。

据了解,科学家们发明了新的反应性喷墨打印方法,使用将溶解的蚕丝与一种酶混合在一起的溶液首次制造出了这些微型火箭。这种方法的关键在于这种溶液,当这种溶液制成后,科学家们只需将其放入一台3D喷墨打印机,像正常的喷墨打印那样,逐层沉积墨水创造出一列火箭。然后,科学家再在打印完成的溶液上打印一层甲醇,后者就会触发反应使前者形成刚性的火箭形状,这种形状会将酶固定在一种蚕丝晶格结构中。最后,这种酶会作为催化剂,与外界的燃料分子进行反应产生泡沫来推动火箭向前。

研究人员们称,用酶作催化剂和并用蚕丝3D打印成微型火箭,使他们获得了一种可生物降解、更便宜、制造方法更简单、更安全的装置,为人体微型火箭出现在实验室以外去除了一个主要障碍。该校化学和生物工程系Xiubo Zhao博士称:“通过使用像过氧化氢酶这样天然的酶和蚕丝这样完全可生物降解的材料,我们制造出来的游泳装置比以前的更具生物相容性。而且喷墨3D打印技术也使得我们可以在火箭制造之前以数字化的方式定义其形状。这样就很容易优化其形状以控制装置游泳的方式。”

[整理编辑:CK365测控网]
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