在實(shí)驗(yàn)室中使用3D打印的四種創(chuàng)新方法！

魔猴君  行業(yè)資訊   2109天前

3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，為各行各業(yè)帶來(lái)了各種優(yōu)勢(shì)，比如減少成本，縮短制造周期等，正因如此，許多研究人員已經(jīng)開(kāi)始利用它們，來(lái)制造從訂制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備到人體器官逼真模型等一切東西。
靈活應(yīng)用3D打印制造部件
英國(guó)巴斯大學(xué)的物理學(xué)家Julian Stirling是團(tuán)隊(duì)的成員，該團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的光學(xué)顯微鏡是由3D打印的塑料部件制成。該創(chuàng)意原理是在坦桑尼亞的田野里建造它們，并通過(guò)在血液中尋找寄生蟲，利用它們來(lái)診斷瘧疾。Julian Stirling說(shuō)：“在坦桑尼亞，我們面臨的問(wèn)題是缺乏機(jī)械學(xué)知識(shí)和用于修理科學(xué)設(shè)備的當(dāng)?shù)夭考?，而進(jìn)口部件既昂貴又費(fèi)時(shí)。但是通過(guò)3D打印技術(shù)打印部件，當(dāng)?shù)氐尼t(yī)生和科研員便可以采用快速且廉價(jià)的方式修復(fù)他們的顯微鏡。坦桑尼亞當(dāng)?shù)氐囊患移髽I(yè)甚至利用電子垃圾和其他當(dāng)?shù)夭牧现圃炝薋DM打印機(jī)。”
包括Thingiverse和MyMiniFactory在內(nèi)的一些網(wǎng)站為科研員提供論壇，從而分享可打印部件的計(jì)算機(jī)模型。但根據(jù)Stirling的經(jīng)驗(yàn)，這些網(wǎng)站上的模型通常是不完整的，缺乏特定項(xiàng)目的文檔或修改設(shè)計(jì)的關(guān)鍵文件。因此，他的團(tuán)隊(duì)使用名為OpenSCAD的開(kāi)放源代碼的編程語(yǔ)言從頭開(kāi)始建造顯微鏡的構(gòu)建，并且可以使用3D打印技術(shù)打印顯微鏡。
實(shí)踐告訴Stirling，在實(shí)驗(yàn)室使用3D打印機(jī)和在當(dāng)?shù)厥褂么嬖谥艽蟮牟町?。坦桑尼亞的氣候十分潮濕，因此?D打印塑料長(zhǎng)絲通常比在可以控制氣候的實(shí)驗(yàn)室中更難打印，這是因?yàn)闈穸葧?huì)影響塑料長(zhǎng)絲，從而導(dǎo)致打印失敗的次數(shù)增多。除此之外，打印機(jī)斷電的情況并不少見(jiàn)，但是只有部分打印機(jī)在恢復(fù)供電后才能繼續(xù)打印半成品物體。Stirling和他的團(tuán)隊(duì)在氣候問(wèn)題上無(wú)能為力，但他們確實(shí)利用不間斷的電力供應(yīng)，以確保他們的印刷工作能夠順利完成。
仿生學(xué)器官
紐約羅切斯特大學(xué)醫(yī)學(xué)中心泌尿外科醫(yī)生Ahmed Ghazi利用3D打印技術(shù)，制造出非功能性人體器官。外科醫(yī)生可以利用這些器官進(jìn)行有機(jī)器人輔助的手術(shù)。對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的手術(shù)，比如切除腫瘤，3D打印技術(shù)的應(yīng)用因病人不同而大相徑庭。正如Ghazi所指出的，“腫瘤無(wú)教條可言。”
Ghazi首先對(duì)病人的組織進(jìn)行3D計(jì)算機(jī)輔助斷層掃描，然后將數(shù)據(jù)輸入商業(yè)醫(yī)學(xué)建模軟件Mimics，該軟件產(chǎn)自比利時(shí)魯汶的Materialise，以及加州圣拉斐爾Autodesk的免費(fèi)工具M(jìn)eshmixer，用于建造3D模型。然后，他利用FDM打印機(jī)將這些模型打印成中空的塑料模具，插入連接到假血液泵的血管復(fù)制品，并向模具中注入水凝膠，水凝膠會(huì)凝固成具有器官般硬度的物體，形成的結(jié)構(gòu)非常真實(shí)。
Ghazi和他的團(tuán)隊(duì)每周都使用這些模型進(jìn)行4次手術(shù)實(shí)操。在每個(gè)案例中，他們建造了兩份模型，并選擇最精確的表現(xiàn)形式。他們正在訓(xùn)練其他醫(yī)生在心臟和肝臟手術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)。Ghazi 說(shuō)道：“這些技術(shù)的發(fā)展前景會(huì)越來(lái)越好。”
但缺陷依然存在。Ghazi說(shuō)道，F(xiàn)DM打印機(jī)生產(chǎn)的模具通常具有微小的棱紋和凹痕。這些缺陷通常太小，以致于肉眼沒(méi)有辦法看到，但通過(guò)機(jī)器人攝像頭卻能清楚地看到，這可能會(huì)影響外科醫(yī)生的體驗(yàn)。Ghazi的解決方案是在模具內(nèi)部涂上一層室溫蠟，填充凹凸不平的地方，從而使最終產(chǎn)品變得平滑。
Stratays的J750也可以應(yīng)用多材料打印出具有仿生學(xué)特性的器官模型，幫助醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)模擬或科研。
復(fù)制巖石模型
對(duì)于大?？怂故斜边_(dá)科他州大學(xué)的石油工程師Mehdi Ostadhassan來(lái)說(shuō)，3D打印成為了從巖石中優(yōu)化提取油氣的工具。Ostadhassan使用OpenSCAD和商業(yè)3D電腦輔助設(shè)計(jì)軟件AutoCAD(來(lái)自Autodesk)等程序，結(jié)合各種3D打印機(jī)和材料，打印“巖石”。這些巖石模型具有真實(shí)的物理性質(zhì)，包括微小而細(xì)致的孔隙，Ostadhassan將它們置于物理壓力之下，以便更好地理解液體是如何在真實(shí)的等同物中流動(dòng)。
為了建造最真實(shí)的巖石，Ostadhassan使用了一系列的打印方法，包括粘結(jié)劑噴射技術(shù)，將液體粘結(jié)劑逐層地涂在石膏粉或硅砂上。該過(guò)程生成的物體具有與真實(shí)巖石相似的力學(xué)性質(zhì)。但未粘合的粉末也會(huì)卡在毛孔中，這會(huì)降低最終產(chǎn)品的質(zhì)量。在一些實(shí)驗(yàn)中，Ostadhassan需要使用疏水處理，以獲取“潤(rùn)濕性”。立體石版印刷機(jī)在打印具有細(xì)孔的巖石方面表現(xiàn)更佳，有助于研究流體流動(dòng)特性，但它們所生成的模型不如粘結(jié)劑噴印巖石那般牢固。
正因如此，Ostadhassan正與其他研究人員合作開(kāi)發(fā)訂制的打印機(jī)，這種打印機(jī)不僅可以模擬出真實(shí)巖石的孔隙和裂縫，還能生成與真實(shí)巖石具有相同機(jī)械強(qiáng)度的模型。
金屬材料
中國(guó)深圳科學(xué)應(yīng)用3D打印機(jī)制造商UniMaker的首席執(zhí)行官Yang Yang表示：“3D打印所用的材料非常有限?！盰ang說(shuō)道，另一個(gè)新興的領(lǐng)域就是金屬。具有金屬功能的打印機(jī)使用一束電子或一束激光，將金屬粉末熔化成特定的圖案。來(lái)自珀斯西澳大利亞大學(xué)物理學(xué)家Jeremy Bourhill研究暗物質(zhì)，但他現(xiàn)在正在研究使用基于激光手段的3D金屬打印機(jī)來(lái)構(gòu)建超導(dǎo)鈮網(wǎng)格。這可以用來(lái)阻擋干擾暗物質(zhì)探測(cè)的強(qiáng)磁場(chǎng)。
使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工來(lái)制造這種金屬網(wǎng)，需要有毒的潤(rùn)滑劑，并會(huì)浪費(fèi)大量昂貴的鈮。因此，Bourhill的團(tuán)隊(duì)正在使用高能激光將金屬粉末的橫截面熔化在一起。但由于鈮非常堅(jiān)固且熔點(diǎn)是2500°C，因此，這個(gè)過(guò)程需要大量的電力。
曾幾何時(shí)，像Bourhill這樣的研究人員的選擇是有限的。但隨著3D打印機(jī)越來(lái)越普及，研究人員的選擇也越來(lái)越多。工程師說(shuō)道：“3D打印正在實(shí)現(xiàn)個(gè)性化制造，取代集中式制造。”

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)