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3D打印:带领人类探索各大领域的微观世界

来源: 未知 /  作者: 未知   时间: 2020-11-27 16:19
  近日,在《ACS生物材料科学与工程》杂志上,一个研究团队描述了他们如何利用低成本的3D打印机和磁共振扫描数据,制作出人类心脏的可变形全尺寸模拟物。换言之,你可以把它拿在手里,捏一下,会有非常真实的质感;切开它,你能找到心房和心室。这种人工心脏的出现,将有助于外科医生在手术前更好地练习心脏手术,也可能最终导致全功能3D打印心脏的出现,并为医疗设备开发商提供一个平台,用来测试他们的产品。
 
  3D打印人类心脏
 
  3D打印的心脏是如何完成的呢?首先,他们对一颗真正的心脏进行扫描,然后将数据转换成3D打印机可以读取的格式。由于3D打印机的工作原理是一层一层地叠加材料,因此他们通过一个切片器程序来运行3D图像。这台3D打印机利用海藻酸盐作为打印材料,这是一种从海藻中提取的黏糊糊的物质。研究人员之所以选择海藻酸盐,是因为其成本较低,而且与人类心脏组织的材料特性相似。不过,这台打印机并没有像普通的3D打印机那样将成品挤压到空气中,而是将人工心脏挤压到一个装有支撑凝胶的容器中。
 
  在以往的医疗实践中,已经有外科医生在计划手术前使用基于病人自身器官扫描的3D打印心脏。但这些人工心脏都是用旧的方法,由硬塑料制成。相比之下,这种新型海藻酸盐心脏具有与真实组织相似的弹性。此外,该团队还使用同样的技术3D打印了冠状动脉的一个单独部分,观察它是否可以灌注,或者说能否携带血液。果然,当研究人员泵入假血时,这个人工动脉并不会漏出液体。范伯格表示,这是很重要的一步,我们越来越接近开发出血管相互连接的人工心脏。利用这种心脏,外科医生就可以在有血液流动的情况下练习缝合动脉。
 
  3D打印的主要应用领域
 
  全球范围内的工业级3D打印应用主要集中在交通运输、航空航天、工业装备、消费级电子产品、医疗五大领域。3D打印在国内的应用来看,在航天领域厚积薄发,处于扩大规模阶段。在航空航天领域中,出于减重与强度要求,航空航天设备中复杂结构件或大型异构件的比例越来越高,而这正是3D打印的优势。同时在航天领域,对于零件的性能要求的敏感度较高,对价格相对不敏感,也有利于3D打印技术的采用。对于塑料件,由于目前3D打印材料种类、性能的限制,目前更多是在研发阶段做试制。金属件由于成本高昂和生产效率较低,无法在大规模的批产件上使用,因此更多局限于高端车型的性能改进零件。
 
  在医疗领域,齿科已经广泛使用3D打印,金属植入体的制造规模也在扩大。医疗器具,特别是定制化医疗器具,是十分匹配3D打印特点的一个领域,那些无力负担传统方法制作假肢的人现在可以拥有假肢,借助3D打印,可以精确制造假肢,而且成本也较低。
 
  工业领域相对成规模的还是3D打印注塑模具应用;其他各方面,更多的是使用3D打印在研发阶段的样件试制,以及一些手板件的打印。每种技术都有自己的优势和局限,同时也会根据市场的需求调整自己的发展曲线,3D打印也是如此。如今,随着3D打印技术的推广和使用,并且被大多数国家和地区以及行业所接受和认可。加上后续在设计思维上的转变,材料种类的丰富,技术成熟度的提升,成本的下降,其会成为传统的制造业中非常重要的一个补充,成为新兴的生产行业和新兴的生产技术,促进传统制造业的转型升级。
 
  3D打印的发展方向
 
  1.设备向大型化发展
 
  纵观航空航天、汽车制造以及核电制造等工业领域,对钛合金、高强钢、高温合金以及铝合金等大尺寸复杂精密构件的制造提出了更高的要求。目前现有的金属3D打印设备成形空间难以满足大尺寸复杂精密工业产品的制造需求,在某种程度上制约了3D打印技术的应用范围。因此,开发大幅面金属3D打印设备将成为一个发展方向。
 
  2.材料向多元化发展
 
  3D打印材料单一性在某种程度上也是制约了3D打印技术的发展。以金属3D打印为例,能够实现打印的材料仅为不锈钢、高温合金、钛合金、模具钢以及铝合金等几种为常规的材料。3D打印仍然需要不断地开发新材料,使得3D打印材料向多元化发展,并能够建立相应的材料供应体系,这必将极大地拓宽3D打印技术应用场合。
 
  3.从地面到太空
 
  NASA是美国政府机构中较早研究使用3D打印技术,已利用3D打印技术生产了用于执行载人火星任务的太空探索飞行器的零部件,并且探讨在该飞行器上搭载小型3D打印设备,实现“太空制造”。“太空制造”是NASA在3D打印技术方向的重点投资领域。为实现“太空制造”,美国已在太空环境的3D打印设备、工艺及材料等领域开展了多个研究项目,并取得多项重要成果。
 
  随着3D打印技术的不断发展与成本的降低,3D打印技术走入千家万户不无可能。也许,未来的某一天,你便可以在家里给自己打印一双鞋子;也许,未来某一天,在你的车子里就放着一台3D打印机,汽车的某个零件坏了,便可以及时打印一个重新装上。期待3D打印让我们的生活越来越精彩!

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