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3D新聞

3D打印技術(shù)在多個領(lǐng)域取得進(jìn)展

星之球科技 來源:Ringier2021-07-13 我要評論(0 )   

3D打印技術(shù)是制造業(yè)的未來,發(fā)展至今打印速度和規(guī)模得到了極大提高,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大。近年來,3D打印技術(shù)發(fā)展如何?在哪些領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展?...

3D打印技術(shù)是制造業(yè)的未來,發(fā)展至今打印速度和規(guī)模得到了極大提高,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大。近年來,3D打印技術(shù)發(fā)展如何?在哪些領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展?


中國工程院院刊《Engineering》刊發(fā)《3D打印技術(shù)在多個領(lǐng)域取得進(jìn)展》一文,在分析3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,概述了連續(xù)液體界面生產(chǎn)技術(shù)、高面積快速打印技術(shù)等3D打印新技術(shù)。文章指出,3D打印技術(shù)正不斷擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域并取得顯著發(fā)展,如汽車零部件、體育器材、生物醫(yī)學(xué)、房屋建造、火箭制造等領(lǐng)域。最后,文章提到,3D打印在技術(shù)、政策及體制方面面臨著諸多挑戰(zhàn),仍需進(jìn)一步發(fā)展,實現(xiàn)更多技術(shù)進(jìn)步。


3D打印概念成為主流已近40年,倡導(dǎo)者稱贊這項技術(shù)是“制造業(yè)的未來”(future of manufacturing)?,F(xiàn)在, 3D打印的打印速度和規(guī)模得到極大提高,生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍也逐步擴(kuò)大。近年來,這些進(jìn)步均證明了3D打印技術(shù)正越來越靠近人們對它的預(yù)設(shè)。


當(dāng)今最常見的3D打印種類,即增材制造,使用光線將液態(tài)塑料樹脂逐層固化為固體。這個過程通常比較慢,制造手持設(shè)備常常需要大半個下午。此外,各層之間的接口往往比較脆弱,成品結(jié)構(gòu)易碎。因此,3D打印并沒有取代傳統(tǒng)的制造過程,而是和一些非常特殊的用途聯(lián)系起來。美國伊利諾伊州埃文斯頓西北大學(xué)工程學(xué)教授Chad Mirkin表示:“在很大程度上,3D打印主要局限于原型設(shè)計,因為它速度慢、產(chǎn)量低、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定?!?/p>


大約5年前,美國北卡羅來納大學(xué)的工程師發(fā)明了一種新型的3D打印技術(shù),即“連續(xù)液體界面生產(chǎn)”(CLIP),與同類技術(shù)相比,這種技術(shù)的生產(chǎn)速度提高了100倍。這項技術(shù)獲得極大的進(jìn)步。位于美國加利福尼亞州雷德伍德市的一家名為Carbon公司獲取了該項技術(shù),該公司采用了一種半滲透窗,可以將氧氣注入液體樹脂,從而形成一種能防止固化的薄的“死區(qū)”(dead zone)。在該區(qū)域上方,光線將樹脂固化成固體。機(jī)械臂緩慢地將不斷增長的固體從樹脂中拉出,使其他材料得以固化和黏附,這種技術(shù)無需一系列層合界面,因此產(chǎn)品更加堅固。


盡管CLIP的速度提高備受關(guān)注——Carbon公司已與福特汽車公司、阿迪達(dá)斯體育用品公司和里德爾體育公司達(dá)成協(xié)議,分別為它們生產(chǎn)汽車零件、運動鞋底和橄欖球頭盔,但其固化過程會釋放出大量熱量,這可能導(dǎo)致打印的零件翹曲和破裂。為了散熱,打印的成品尺寸實際上被限制為25cm×25cm×41cm。


Mirkin說:“Carbon公司證實了3D打印可被用于制造業(yè),而且他們在許多行業(yè)做得都非常好,但是他們還沒有找到快速打印大型物體的方法。”


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■圖1:一種名為HARP的新型3D打印技術(shù),該技術(shù)使一層液態(tài)冷卻劑在一大桶液態(tài)樹脂下面循環(huán),從而消除物體打印時隨著體積不斷擴(kuò)大而產(chǎn)生的熱量,使它們在短短幾個小時內(nèi)就可以達(dá)到成年人的尺寸。這款HARP打印機(jī)高約4 m,帶有0.76 m×0.76 m的打印床,可以打印一個大型的連續(xù)結(jié)構(gòu)或許多不同的小型結(jié)構(gòu)。來源:美國伊利諾伊州埃文斯頓西北大學(xué)(新聞稿)




在2019年年末,Mirkin的團(tuán)隊宣稱其開發(fā)了一項名為“高面積快速打印”(HARP)的新技術(shù),該技術(shù)使液體冷卻劑在一桶液態(tài)樹脂下面循環(huán)。冷卻劑是一種氟化油,在打印時會直接從正在打印的物體上吸走熱量,從而使它們在短短幾個小時內(nèi)就可以達(dá)到成年人的尺寸(圖1)。Mirkin將使用多臺投影儀發(fā)出的光進(jìn)行打印的方法稱為“平鋪”(tiling)工藝,其打印尺寸可以達(dá)到約1 m×1 m×4 m。將來,其他投影儀可使HARP 能夠制造更大的物品?!皬睦碚撋现v,平鋪工藝消除了尺寸限制,”Mirkin說。


為了使HARP商業(yè)化,Mirkin和同事成立了Azul 3D公司(位于美國伊利諾伊州斯科基市),該公司預(yù)計在2021年年底前開始銷售打印機(jī)。Mirkin希望HARP能改變3D打印的商業(yè)模式。“幾乎所有的3D打印公司都必須從他們的硬件上獲得可觀的收入,因為他們根本沒有使用足夠的樹脂來使此項技術(shù)具有良好的商業(yè)模式?!彼硎?,“借助HARP,該公司不需要僅依靠銷售硬件來獲得收入,因為他們還可以通過銷售生產(chǎn)大量零件所需的樹脂來賺錢。這樣,由于初始硬件成本幾乎變得無關(guān)緊要,所以HARP降低了進(jìn)入門檻?!?/p>


3D打印技術(shù)正顯示出其在處理微小物體方面的潛在價值。將傳統(tǒng)3D打印機(jī)中使用的“墨水”(塑料、聚合物和金屬合金)換成嵌入生物介質(zhì)中的活細(xì)胞,這項技術(shù)將成為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的一個有趣工具,未來有可能被用于制造替代組織。3D生物打印已被用于制造簡單的組織,如皮膚、軟骨和部分心肌。隨著技術(shù)的進(jìn)步,3D生物打印可能會被用于制造更復(fù)雜的器官,如視網(wǎng)膜、腎臟和肺。主要的挑戰(zhàn)包括組成器官的各種各樣的細(xì)胞類型,以及需要提高足夠的分辨率來打印輸送氧氣和清除廢物的微小血管。


“我不知道我們能否達(dá)成這個目標(biāo)——有各種不同的細(xì)胞類型和維持它們存活所需的血管系統(tǒng),器官實在是太復(fù)雜了?!泵绹髂崽K達(dá)州明尼蘇達(dá)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授Michael McAlpine說,“我們一直以來的錯誤在于試圖完全復(fù)制生物學(xué)。也許通過聚合物和電子技術(shù),你可以制造出一個能像肝臟一樣工作的設(shè)備,但實際上該設(shè)備比大自然創(chuàng)造出來的要好得多?!?/p>


3D生物打印已得到了更直接的應(yīng)用,其中包括藥物發(fā)現(xiàn)和消費品測試。在McAlpine的許多項目中,有一個可用于脊髓再生的3D打印設(shè)備和嵌入有可監(jiān)測患者生理和生化標(biāo)志物的傳感器的電子紋身。


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■圖2:Icon公司(位于美國得克薩斯州奧斯汀市)的Vulcan II 3D打印機(jī)堆積了一層大約2.5cm×5cm的名為“l(fā)avacrete”的混凝土基線材料,建造了如圖所示的37m2房屋的墻壁,花費了約24h。(來源:Icon公司)


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■圖3:Icon公司的Vulcan II 3D打印機(jī)位于三個結(jié)構(gòu)的最末端,該打印機(jī)在美國得克薩斯州奧斯汀市的一個地基上創(chuàng)建了三座37 m2  房屋的墻壁,這些房屋的平面圖各不相同。(來源:Icon公司)


雖然3D生物打印主要集中在很小的領(lǐng)域,但是美國得克薩斯州的創(chuàng)新者正在使用超大規(guī)模的3D打印來建造房屋(圖2)。位于得克薩斯州奧斯汀市的建筑技術(shù)公司Icon開發(fā)了一臺名為Vulcan II的3D打印機(jī),該打印機(jī)可以在大約24 h內(nèi)打印37 m2 的兩居室房屋的墻壁。Vulcan II是專門為偏遠(yuǎn)農(nóng)村的房屋建造而設(shè)計的,由于有限的資源、無法預(yù)測的天氣以及不穩(wěn)定的電源,使用傳統(tǒng)的建筑方式幾乎是不可能完成房屋建造的。這臺高 3.5m、重1725kg的機(jī)器連續(xù)堆積了一層高2.5cm、寬5cm的被稱為“l(fā)avacrete”的可延展型混凝土基線材料,并將其硬化成墻(圖3)。


Icon公司目前正在51英畝(注:1 acre=4046.873m2)土地上為美國奧斯汀東北部地區(qū)的無家可歸者打印數(shù)十套房屋,并為墨西哥塔巴斯科小鎮(zhèn)約50個家庭提供房屋。雖然Vulcan II減少了建造房屋的工作量,但建造過程并非一步到位,工人仍然需要打下地基并安裝屋頂。3D打印房屋除了能節(jié)省時間外,與其他低成本住房相比,它還能夠打印平滑曲線和傾斜墻壁以實現(xiàn)其更自由的設(shè)計。


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■圖4:Relativity Space公司(總部位于美國加利福尼亞州洛杉磯市)的 Stargate 3D打印機(jī)使用定向能量沉積制造巨大的金屬物體,如火箭的燃料箱和發(fā)動機(jī)。打印機(jī)高9 m,且具有3個龐大的機(jī)械臂。一只機(jī)械臂使用強(qiáng)大的激光來熔化金屬絲,金屬絲會逐層沉積以形成火箭的零件。另外兩只機(jī)械臂用于固定工具以完成打印的部件(來源:Relativity Space公司)


在另一項大規(guī)模應(yīng)用中,總部位于美國加利福尼亞州洛杉磯市的Relativity Space公司開發(fā)了一種名為“Stargate”的3D打印機(jī)(圖4),用于建造幾乎不以地面為基礎(chǔ)的物體,即30 m高的火箭飛船。Relativity Space公司計劃用3D打印技術(shù)打印第一枚火箭的整個生產(chǎn)線,即 Terran-1,但不包括電子設(shè)備、電纜和少量活動部件。相比之下,SpaceX、Blue Origin和其他公司也使用3D 打印技術(shù),但僅用于生產(chǎn)部分零件。Relativity Space 公司與許多衛(wèi)星運營商簽訂了發(fā)射有效載荷的合同,并同意他們使用美國國家航空航天局位于密西西比州漢考克縣的John C.斯坦尼斯航天中心的兩個測試設(shè)施。該公司還獲得了從美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地的“Launch Complex-16”發(fā)射“Terran1”火箭的權(quán)利,其中第一枚火箭有望在2021年發(fā)射。


盡管火箭通常由數(shù)千個單獨的零件組成,但Relativity Space公司設(shè)計的零件卻合并了一些部件,這些部件通常是被分開制造然后組裝的。所以,他們的火箭零件數(shù)量將是同類火箭的零件數(shù)量的1/100。更少的零件意味著更少的接口和更少的出錯機(jī)會。此外,盡管大多數(shù)制造商必須重新配置其設(shè)備以制造額外的硬件,但Relativity Space公司只需要在打印機(jī)軟件中運行一個新程序即可創(chuàng)建下一個零件。而且與傳統(tǒng)的火箭制造相比,該公司的3D打印機(jī)進(jìn)行設(shè)計更改也更容易且成本更低。


“一般,航天工業(yè)要規(guī)避風(fēng)險,相較于創(chuàng)新,更希望有更多的信心實現(xiàn)成功發(fā)射?!卑踩澜缁饡綘I部門項目主任Ian Christensen說,該基金會總部位于美國科羅拉多州布魯姆菲爾德市,其致力于促進(jìn)和平可持續(xù)的外層空間的利用?!跋?D打印火箭這樣完全新穎的東西,市場將如何反應(yīng),這是一個懸而未決的問題?!?/p>


僅僅因為現(xiàn)實中3D打印已經(jīng)開始滿足人們對它的期望,但人們?nèi)杂懈嘈坌牟哪繕?biāo)。Relativity Space公司不僅不滿足于通過制造火箭將衛(wèi)星送入軌道,還著眼于將打印機(jī)運送到火星,以便在火星上打印火箭,從而將土壤樣本送回地球?!斑@種采樣返回的概念在理論上是有趣的,但幾乎可以肯定,它需要與政府的太空探索和行星科學(xué)項目相結(jié)合,而這些項目進(jìn)展緩慢?!盋hristensen說,“像在技術(shù)方面的挑戰(zhàn)一樣,這一概念在政策及體制方面也面臨著挑戰(zhàn)。”


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