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3D打印：帶領(lǐng)人類探索各大領(lǐng)域的微觀世界

作者： 2020年11月30日來源：全球化工設(shè)備網(wǎng) 瀏覽量：

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近日，在《ACS生物材料科學與工程》雜志上，一個研究團隊描述了他們?nèi)绾卫玫统杀镜?D打印機和磁共振掃描數(shù)據(jù)，制作出人類心臟的可變形全尺寸模擬物。換言之，你可以把它拿在手里，捏一下，

　　近日，在《ACS生物材料科學與工程》雜志上，一個研究團隊描述了他們?nèi)绾卫玫统杀镜?D打印機和磁共振掃描數(shù)據(jù)，制作出人類心臟的可變形全尺寸模擬物。換言之，你可以把它拿在手里，捏一下，會有非常真實的質(zhì)感；切開它，你能找到心房和心室。這種人工心臟的出現(xiàn)，將有助于外科醫(yī)生在手術(shù)前更好地練習心臟手術(shù)，也可能最終導(dǎo)致全功能3D打印心臟的出現(xiàn)，并為醫(yī)療設(shè)備開發(fā)商提供一個平臺，用來測試他們的產(chǎn)品。

　　3D打印人類心臟

　　3D打印的心臟是如何完成的呢？首先，他們對一顆真正的心臟進行掃描，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成3D打印機可以讀取的格式。由于3D打印機的工作原理是一層一層地疊加材料，因此他們通過一個切片器程序來運行3D圖像。這臺3D打印機利用海藻酸鹽作為打印材料，這是一種從海藻中提取的黏糊糊的物質(zhì)。研究人員之所以選擇海藻酸鹽，是因為其成本較低，而且與人類心臟組織的材料特性相似。不過，這臺打印機并沒有像普通的3D打印機那樣將成品擠壓到空氣中，而是將人工心臟擠壓到一個裝有支撐凝膠的容器中。

　　在以往的醫(yī)療實踐中，已經(jīng)有外科醫(yī)生在計劃手術(shù)前使用基于病人自身器官掃描的3D打印心臟。但這些人工心臟都是用舊的方法，由硬塑料制成。相比之下，這種新型海藻酸鹽心臟具有與真實組織相似的彈性。此外，該團隊還使用同樣的技術(shù)3D打印了冠狀動脈的一個單獨部分，觀察它是否可以灌注，或者說能否攜帶血液。果然，當研究人員泵入假血時，這個人工動脈并不會漏出液體。范伯格表示，這是很重要的一步，我們越來越接近開發(fā)出血管相互連接的人工心臟。利用這種心臟，外科醫(yī)生就可以在有血液流動的情況下練習縫合動脈。

　　3D打印的主要應(yīng)用領(lǐng)域

　　全球范圍內(nèi)的工業(yè)級3D打印應(yīng)用主要集中在交通運輸、航空航天、工業(yè)裝備、消費級電子產(chǎn)品、醫(yī)療五大領(lǐng)域。3D打印在國內(nèi)的應(yīng)用來看，在航天領(lǐng)域厚積薄發(fā)，處于擴大規(guī)模階段。在航空航天領(lǐng)域中，出于減重與強度要求，航空航天設(shè)備中復(fù)雜結(jié)構(gòu)件或大型異構(gòu)件的比例越來越高，而這正是3D打印的優(yōu)勢。同時在航天領(lǐng)域，對于零件的性能要求的敏感度較高，對價格相對不敏感，也有利于3D打印技術(shù)的采用。對于塑料件，由于目前3D打印材料種類、性能的限制，目前更多是在研發(fā)階段做試制。金屬件由于成本高昂和生產(chǎn)效率較低，無法在大規(guī)模的批產(chǎn)件上使用，因此更多局限于高端車型的性能改進零件。

　　在醫(yī)療領(lǐng)域，齒科已經(jīng)廣泛使用3D打印，金屬植入體的制造規(guī)模也在擴大。醫(yī)療器具，特別是定制化醫(yī)療器具，是十分匹配3D打印特點的一個領(lǐng)域，那些無力負擔傳統(tǒng)方法制作假肢的人現(xiàn)在可以擁有假肢，借助3D打印，可以精確制造假肢，而且成本也較低。

　　工業(yè)領(lǐng)域相對成規(guī)模的還是3D打印注塑模具應(yīng)用；其他各方面，更多的是使用3D打印在研發(fā)階段的樣件試制，以及一些手板件的打印。每種技術(shù)都有自己的優(yōu)勢和局限，同時也會根據(jù)市場的需求調(diào)整自己的發(fā)展曲線，3D打印也是如此。如今，隨著3D打印技術(shù)的推廣和使用，并且被大多數(shù)國家和地區(qū)以及行業(yè)所接受和認可。加上后續(xù)在設(shè)計思維上的轉(zhuǎn)變，材料種類的豐富，技術(shù)成熟度的提升，成本的下降，其會成為傳統(tǒng)的制造業(yè)中非常重要的一個補充，成為新興的生產(chǎn)行業(yè)和新興的生產(chǎn)技術(shù)，促進傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

　　3D打印的發(fā)展方向

　　1.設(shè)備向大型化發(fā)展

　　縱觀航空航天、汽車制造以及核電制造等工業(yè)領(lǐng)域，對鈦合金、高強鋼、高溫合金以及鋁合金等大尺寸復(fù)雜精密構(gòu)件的制造提出了更高的要求。目前現(xiàn)有的金屬3D打印設(shè)備成形空間難以滿足大尺寸復(fù)雜精密工業(yè)產(chǎn)品的制造需求，在某種程度上制約了3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。因此，開發(fā)大幅面金屬3D打印設(shè)備將成為一個發(fā)展方向。

　　2.材料向多元化發(fā)展

　　3D打印材料單一性在某種程度上也是制約了3D打印技術(shù)的發(fā)展。以金屬3D打印為例，能夠?qū)崿F(xiàn)打印的材料僅為不銹鋼、高溫合金、鈦合金、模具鋼以及鋁合金等幾種為常規(guī)的材料。3D打印仍然需要不斷地開發(fā)新材料，使得3D打印材料向多元化發(fā)展，并能夠建立相應(yīng)的材料供應(yīng)體系，這必將極大地拓寬3D打印技術(shù)應(yīng)用場合。

　　3.從地面到太空

　　NASA是美國政府機構(gòu)中較早研究使用3D打印技術(shù)，已利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了用于執(zhí)行載人火星任務(wù)的太空探索飛行器的零部件，并且探討在該飛行器上搭載小型3D打印設(shè)備，實現(xiàn)“太空制造”。“太空制造”是NASA在3D打印技術(shù)方向的重點投資領(lǐng)域。為實現(xiàn)“太空制造”，美國已在太空環(huán)境的3D打印設(shè)備、工藝及材料等領(lǐng)域開展了多個研究項目，并取得多項重要成果。

　　小編結(jié)語

　　隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展與成本的降低，3D打印技術(shù)走入千家萬戶不無可能。也許，未來的某一天，你便可以在家里給自己打印一雙鞋子；也許，未來某一天，在你的車子里就放著一臺3D打印機，汽車的某個零件壞了，便可以及時打印一個重新裝上。期待3D打印讓我們的生活越來越精彩！

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