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3D打印：帶領人類探索各大領域的微觀世界
2020年11月26日 08:45:11
來源：儀表網 點擊量：3688
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如何利用低成本的3D打印機和磁共振掃描數據，制作出人類心臟的可變形全尺寸模擬物。
【化工儀器網 行業動態】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如何利用低成本的3D打印機和磁共振掃描數據，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，會有非常真實的質感；切開它，你能找到心房和心室。這種人工心臟的出現，將有助于外科醫生在手術前更好地練習心臟手術，也可能終導致全功能3D打印心臟的出現，并為醫療設備開發商提供一個平臺，用來測試他們的產品。
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，然后將數據轉換成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。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。
在以往的醫療實踐中，已經有外科醫生在計劃手術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出血管相互連接的人工心臟。利用這種心臟，外科醫生就可以在有血液流動的情況下練習縫合動脈。
3D打印的主要應用領域
范圍內的工業級3D打印應用主要集中在交通運輸、航空航天、工業裝備、消費級電子產品、醫療五大領域。3D打印在國內的應用來看，在航天領域厚積薄發，處于擴大規模階段。在航空航天領域中，出于減重與強度要求，航空航天設備中復雜結構件或大型異構件的比例越來越高，而這正是3D打印的優勢。同時在航天領域，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，目前更多是在研發階段做試制。金屬件由于成本高昂和生產效率較低，無法在大規模的批產件上使用，因此更多局限于車型的性能改進零件。
在醫療領域，齒科已經廣泛使用3D打印，金屬植入體的制造規模也在擴大。醫療器具，特別是定制化醫療器具，是十分匹配3D打印特點的一個領域，那些無力負擔傳統方法制作假肢的人現在可以擁有假肢，借助3D打印，可以精確制造假肢，而且成本也較低。
工業領域相對成規模的還是3D打印注塑模具應用；其他各方面，更多的是使用3D打印在研發階段的樣件試制，以及一些手板件的打印。每種技術都有自己的優勢和局限，同時也會根據市場的需求調整自己的發展曲線，3D打印也是如此。如今，隨著3D打印技術的推廣和使用，并且被大多數國家和地區以及行業所接受和認可。加上后續在設計思維上的轉變，材料種類的豐富，技術成熟度的提升，成本的下降，其會成為傳統的制造業中非常重要的一個補充，成為新興的生產行業和新興的生產技術，促進傳統制造業的轉型升級。
3D打印的發展方向
1.設備向大型化發展
縱觀航空航天、汽車制造以及核電制造等工業領域，對鈦合金、高強鋼、高溫合金以及鋁合金等大尺寸復雜精密構件的制造提出了更高的要求。目前現有的金屬3D打印設備成形空間難以滿足大尺寸復雜精密工業產品的制造需求，在某種程度上制約了3D打印技術的應用范圍。因此，開發大幅面金屬3D打印設備將成為一個發展方向。
2.材料向多元化發展
3D打印材料單一性在某種程度上也是制約了3D打印技術的發展。以金屬3D打印為例，能夠實現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的材料。3D打印仍然需要不斷地開發新材料，使得3D打印材料向多元化發展，并能夠建立相應的材料供應體系，這必將極大地拓寬3D打印技術應用場合。
3.從地面到太空
NASA是美國政府機構中較早研究使用3D打印技術，已利用3D打印技術生產了用于執行載人火星任務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打印設備，實現“太空制造”。“太空制造”是NASA在3D打印技術方向的重點投資領域。為實現“太空制造”，美國已在太空環境的3D打印設備、工藝及材料等領域開展了多個研究項目，并取得多項重要成果。
小編結語
隨著3D打印技術的不斷發展與成本的降低，3D打印技術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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