3D列印產業最具發展潛力的五大新技術

近期，我們從新聞里就可以看到3D列印前沿技術領域正逐漸散發著光芒。在全球3D列印產業人士的持續努力下，3D列印技術以及其前沿性的應用又得到了進一步的升華。如今，我們曾經的「幻想」正一步步走向現實，你準備好接受這一切了嗎？

太空中3D列印真正的活體心臟

這將是一個巨大的醫學突破，並會改變等待心臟移植手術的患者的生活：3D列印一顆人類的心臟。這件事聽起來似乎很瘋狂，但是來自美國印第安納州的一家名為Techshot的公司正在努力將它變成現實。

但是，迄今為止，儘管3D列印技術已經經歷了很長的路，我們能夠看到各種各樣的3D列印零件、產品、玩具、植入物假體等，但是要列印出器官依然很難。為此，Techshot別出心裁，正在與另外兩家公司合作，希望能夠在太空零重力狀態下創建一顆人類的心臟。「目前人們在3D列印沒有很多血管的骨組織方面取得了進展，但是真正的問題是血管，是如何讓血管在組織內生長。」Boland說。目前世界各地的科學家們都在嘗試生物列印器官，但都沒有取得突破。「真正的關鍵在於如何讓細胞生長，由於地面上的重力問題，人們已經嘗試了10到15年，一直不能實現血管化，只有血管化之後，細胞才能夠在該結構中生長。」Vellinger解釋說。

這就是為什麼這支團隊想到太空里試試。「重力是地面上的一個阻礙，在太空里由於沒有重力，就為製造一個更加完美的結構創造了機會。」Vellinger說。最近，該研究團隊把他們的設備帶到了奧蘭多和並成功地在零重力模擬器中對它進行了測試,之前我們也曾經報道過這件事。「我們在這個過程中實際上在用活的人類幹細胞列印嬰兒的心臟結構。我們下一步的計劃是使用同一台機器，把它掛在一枚可以進入地球軌道的探空火箭上，再下一步我們將把這項技術放在國際空間站上。」Vellinger說。科學家們希望，他們的設備能夠在國際空間站上3D列印出首個人類心臟。「NASA對這非常感興趣。」Vellinger說。Boland說，第一次移植指日可待。「我們預測到2024年，我們將從太空帶回一個可移植的器官。」他說。「隨著各方面的技術逐步具備，再加上太空環境，我們認為這是一個取得重大突破的真正機會。」Vellinger補充說。

重塑材料結構的3D列印研發技術

不論在建築業、航空航天業還是電子工業中，選擇材料都是一件困難的事情。現有的材料均有一些局限性，導致設計製造時要為它們妥協。不過情況正在發生改變，阿拉伯聯合大公國的馬斯達爾學院正在進行的一項研究，科學家們希望通過重新設計現有材料的內在幾何結構，3D列印出適用於特定用途的高性能材料。Rashid Abu Al-Rub 教授和他的團隊目標明確，他們並不想重新創造材料，而是選擇了專註於改變我們所熟知的塑料、金屬、水泥等材料的內在幾何構造。這種對材料根本上的改變使得 Abu Al-Rub 的團隊能夠控制材料的機械、導熱和導電的屬性，他們甚至能夠突破一些材料原有的特性。

通常，密度和強度是緊密相關的。強度較高的金屬密度高，質量大；而強度低的海綿則密度低，質量小。但改變了鋁材的內在結構之後，「新」的材料能夠同時具有輕量和高強度的特性。其中原理和埃菲爾鐵塔相同，是獨特的結構而不是高強度的特種材料讓這座鐵塔高聳入雲。Abu Al-Rub 團隊在研究中開發了一款計算機模型，這個模型能夠生成上千種現有材料的幾何結構供不同行業選擇。這些複雜的結構的尺寸有時是納米級的，多虧了 3D 列印技術的進步才讓它們走出了計算機。

該團隊表示他們的研究可能改變未來的材料設計。目前他們正在尋找業界夥伴合作，初步嘗試將研究成果商業化。

超聲波金屬3D列印技術

當大多數人想到3D列印時，他們想到的是典型的增材過程，在這一過程中許多層材料被融合成期望的最終形狀。然而，增材製造並不總是完美製成最終產品。事實上，為了創建最終零件，大多數金屬3D列印工藝還需要額外的研磨或其他處理措施。由於這個原因，有一些公司，如Mazak、 DMG MORI和Cincinnati Inc.，將增材和減材結合來實現預期的結果。最近有一家公司開發了一種新型混合製造技術，被稱為超聲波增材製造（UAM）。通過利用聲波而不是熱能，Fabrisonic的UAM平台可被用於一些其他系統做不到的應用。

在接受媒體採訪時，Fabrisonic公司CEO Mark Norfolk解釋說，UAM機器實際上是一個內置了超聲波焊接技術的數控銑床。薄薄的金屬箔被一層一層放置，繼而用超聲波焊接在一起。然後用銑床切割密集堆放的金屬片，以創建出最終零件。不像其他金屬3D列印工藝，在UAM中金屬不是被高溫熔化。這就是UAM工藝的重要優勢。「溫度不會超過200華氏度，」Norfolk闡述道。「這使我們能夠嵌入感測器，因為我們的零件不熱。我們只是停止構造，鑽出一個小通道，在裡面放入一個感測器，然後繼續在上面構造。再者，它是在低溫下工作，不會損壞感測器。」

Fabrisonic通過製造服務而不是賣設備獲得收入的80%，它發現一些客戶要求將熱電偶嵌入金屬零件。將熱電偶嵌入金屬零件，或者固定在零件的外部，這兩種情況都需要熱感測器在熱環境或化學反應環境下提供溫度讀數，並保護熱電偶不受潛在的危險環境影響。對於一個客戶來說，這個創建熱交換器的過程意味著混合化學物質，根據Norfolk的說法這是一個熱相關過程。他解釋道：「你把化學物質A、B和C放到一起進行化學反應，然後生成了化學物質D。我們把熱電偶沿著液體的混合通道相鄰放置八九個位置，使客戶精確知道它們混合的溫度。

3D列印的人造皮膚技術

近日，歐萊雅開發了一項技術，利用3D列印來進行人體皮膚的高還原度仿造。然而，將此項技術投入商用是令不少觀察者驚訝的，不過這個新聞起碼讓動物保護者們又鬆了一口氣。這是一次化妝品公司和矽谷的合作。歐萊雅美國和生物3D列印公司 Organovo最近宣布，他們共同研發出了非常接近真實人體的皮膚組織，而歐萊雅要用它們來測試產品。 Organovo的技術主要是先建立特定組織的設計架構，然後再用「生物墨水」，其實也就是細胞來列印組織，這項技術還允許組織垂直列印並形成分層。

據Wired報道，在和Organovo合作之前，歐萊雅其實已經有使用體外皮膚組織的業務了，但它依然選擇嘗試更新、更有效的技術，而且新技術還有可能降低生物工程的成本。無論如何，歐萊雅的這項舉動倒是會贏得不少動物保護者的好感，據歐萊雅科技孵化器全球副總裁 Guive Balooch對《女裝日報》表示：「 很久以前，我們就不用動物做實驗了，而是轉用很多預測模型或是工程皮膚組織來測試。創意讓我們能夠測試更多不同的分子以及有毒成分的副作用，以保證安全和療效。」

化妝品測試的問題一度在中國也比較敏感，因為進口化妝品需要進行動物實驗。不過歐萊雅稱公司已經和中國權威組織展開了合作，以嘗試和改變監管框架，讓中國在化妝品行業的標準並符合國際要求，能夠尋找到代替動物測試的方法。2014年開始，中國已經開始減少動物實驗的依賴，國內生產美容產品的公司可以選擇不同的測試方法，但進口品牌依然要經過動物實驗。3D列印技術也為歐萊雅開拓了更多可能性空間，它可以根據人們的需求定製色彩、形狀等不同產品，比如一個顧客就喜歡星巴克綠，那它可以用模擬皮膚看看這個綠色抹在眼皮上到底好不好看。

歐萊雅認為，這項新技術如果能夠讓品牌的更新速度、創新能力和供應鏈都會得到改善，科技就是未來。不過據Wired稱，也有人猜測歐萊雅集團是否在挖掘一個新的市場，可以在燒傷病人等醫療領域有所涉獵。

3D列印微觀細胞定位技術

近日，英國謝菲爾德大學（University of Sheffield）的科學家們在開發可以在生物環境中安全地使用的蠶絲微型火箭上取得了重大突破。通過使用創新的3D噴墨列印方法，該校的化學和生物工程研究人員在製造微觀蠶絲游泳裝置方面向前邁出了一大步。據了解，這種蠶絲裝置可降解，而且對其所處的生物環境完全無害。這意味著，這些裝置將來可能在被用於人體內部的一些應用當中，比如傳遞藥物和定位癌細胞等。

而且，這一新技術使得研究人員可以使用安全、無毒的材料，即意味著該微型火箭不會對任何活組織或生物環境造成傷害或損害。這是一項重大突破，因為在此之前，這樣的裝置往往成本高昂，而且製造起來非常複雜，它們往往是用聚苯乙烯微球、納米碳管或金屬製成，其表面還必須覆蓋一層催化劑層（例如鉑），以便於能夠成功地遊動，但是這些裝置往往對它們所處的生物環境並不友好。而謝菲爾德大學的科學家們這次3D列印的蠶絲火箭長度僅有300微米，直徑100微米，僅相當於人類的一根頭髮絲的厚度，有趣的是，這種微型蠶絲火箭能夠在其所處的生物液體環境中獲得推動其前進的燃料。

據了解，科學家們發明了新的反應性噴墨列印方法，使用將溶解的蠶絲與一種酶混合在一起的溶液首次製造出了這些微型火箭。這種方法的關鍵在於這種溶液，當這種溶液製成後，科學家們只需將其放入一台3D噴墨印表機，像正常的噴墨列印那樣，逐層沉積墨水創造出一列火箭。然後，科學家再在列印完成的溶液上列印一層甲醇，後者就會觸發反應使前者形成剛性的火箭形狀，這種形狀會將酶固定在一種蠶絲晶格結構中。最後，這種酶會作為催化劑，與外界的燃料分子進行反應產生泡沫來推動火箭向前。

研究人員們稱，用酶作催化劑和並用蠶絲3D列印成微型火箭，使他們獲得了一種可生物降解、更便宜、製造方法更簡單、更安全的裝置，為人體微型火箭出現在實驗室以外去除了一個主要障礙。該校化學和生物工程系Xiubo Zhao博士稱：「通過使用像過氧化氫酶這樣天然的酶和蠶絲這樣完全可生物降解的材料，我們製造出來的游泳裝置比以前的更具生物相容性。而且噴墨3D列印技術也使得我們可以在火箭製造之前以數字化的方式定義其形狀。這樣就很容易優化其形狀以控制裝置游泳的方式。」

(來源：OFweek 3D列印網）

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