材料不够。你能打印它吗?疫情下救援部队的三维打印

随着新的皇冠流行病在世界上的不断蔓延,包括美国和意大利在内的许多受灾最严重的地区出现了卫生和医疗用品短缺,用于检测的口罩、呼吸器、鼻拭子和咽喉拭子以及其他基本用品供应一直短缺。 在关键时刻,3D打印技术已经成为拯救生命的奇迹。上周,包括南佛罗里达大学、哈佛大学和斯坦福大学在内的一个机构联盟宣布,他们已经与美国食品和药物管理局(FDA)谈判,为

随着新的皇冠流行病在世界上的不断蔓延,包括美国和意大利在内的许多受灾最严重的地区出现了卫生和医疗用品短缺,用于检测的口罩、呼吸器、鼻拭子和咽喉拭子以及其他基本用品供应一直短缺。

在关键时刻,3D打印技术已经成为拯救生命的奇迹。上周,包括南佛罗里达大学、哈佛大学和斯坦福大学在内的一个机构联盟宣布,他们已经与美国食品和药物管理局(FDA)谈判,为3D打印测试样品的生产制定通用指南。与此同时,位于马萨诸塞州萨默维尔的3D打印技术开发商和制造商福姆实验室将在俄亥俄州的工厂投资250台打印机,生产用于检测新冠状病毒的鼻拭子。

用于检测新冠状病毒的3D打印鼻拭子

事实上,3D打印也为中国抗击新皇冠流行病做出了贡献。上海一家科技企业利用3D打印技术“打印”隔离病房,解救湖北。湖南的一个小组已经使用3D技术生产了一批医用护目镜,以帮助抗击疫情。它的重量只有普通护目镜的3/4。同时,它可以根据个人面部数据进行定制。

3D隔离病房“打印”图像来源:中国新网络

随着3D打印技术的飞速发展,人们不禁要问:还有什么是“你”无法做到的?

3D打印诞生已久。

3D打印并不是什么新鲜事,它的前身是快速原型制造,在20世纪80年代已经应用于工业设计和生产过程。当时,目前使用的所有3D打印技术都已基本开发出来。相反,“3D打印”这个名字出现得比较晚。直到1995年,两位麻省理工学院的毕业生吉姆·布雷特和蒂曼德森首次提出了“3D打印”的概念。

尽管3D打印技术有很多种,但想法是一样的。技术术语是“分布式材料制造”。让我们举一个每个人都容易理解的例子:一个人做一个柜子需要很长时间。如果你想加速,你必须增加人数。但是如果人数是固定的,你怎么能加快生产速度呢?也就是说,先做一堆积木,然后找个人按照一定的形状把积木堆起来,再把它们粘起来——前提是他能看懂说明书。

来源:维尔画廊

第2部分3D打印独一无二

与传统的加工方法相比,3D打印具有许多独特的特点。

首先,用传统的冲压方法生产一个小汽车零件需要几个步骤。首先,必须有一个冲压模具。这个模具就像月饼的封口,决定了零件的形状。一般来说,它是由高硬度、高韧性的特种模具钢制成的。模具分为上模具和下模具。上模安装在压机上,可以高速压制下模。被加工的材料就像用来做月饼的面团,被挤压成模具的形状。然后,用车床去除多余的零件,并进行磨削和抛光等机械加工,完成零件。

由冲压工艺制成的小型汽车零件(照片来源:名古屋丰田博物馆参观和纪念)

3D打印制作相同零件的程序是什么?首先,在计算机上绘制零件的设计图,然后将设计数据导入3D打印机,开始制造零件。

以熔融沉积型3D打印机为例,低熔点导线如塑料、石蜡等。预先准备好的通过3D打印机的喷嘴加热,然后喷射。在计算机的控制下,喷嘴在空的范围内由低到高逐层拉伸,最终形成零件,无需任何后处理。

左图:一台塑料熔积型低端工业3D打印机,白色线圈是塑料原料

右图:打印机有喷嘴部分的特写和双喷嘴设计。它可以同时打印两张不同的塑料图片:百度图片

上面的例子清楚地反映了3D打印的两个最基本的特征。首先,3D打印与计算机辅助设计和计算机辅助制造密切相关。任何3D打印部件都必须从计算机设计图开始其生命历程。如果事先只有图纸,并且没有计算机可以直接使用的建模数据,则必须在计算机中重新建立模型以绘制设计图纸。

其次,3D打印是一种添加材料的制造技术,也就是说,不同于车床加工等传统的切削材料制造技术,产品是在空的范围内直接将原材料堆叠而成。车床加工可以比作用刀、轴和锤子进行的石雕和切割。最后的作品只比原石少一点点。

另一方面,3D打印就像泥塑。塑造图像的组件是连续叠加的。最终的作品只是比最初的泥塑多了很多。有了这两个不同于其他前辈的特点,3D打印在机械制造技术的武林中独树一帜就不足为奇了。

第三部分3D打印技术,生物材料也可以打印出来

3D打印技术诞生后,人们发明了3D生物打印来解决移植器官来源有限的问题。因为在现有的医疗方法中,获得一个器官的前提是丧失另一个人的器官,而主动或被动丧失的器官数量远远少于所需数量。基于现有打印技术的3D生物打印机使用生物材料,可以将细胞、生长因子等活性成分复合,从而层层构建活体组织。

3D生物打印流程(图片来源:百度图片)

2009年底,有机城生产了第一台3D生物打印机的原型。研究人员将从骨髓、脂肪等组织中提取的干细胞或不同活性因子复合到液体材料中进行印刷,并通过印刷头将液体按照一定的图案印刷在接收平台上。每次打印头打印一层,它会把刻度提高一层,然后开始打印下一层图案,从而逐渐实现人工组织的形成。该过程类似于工业应用中普通3D打印的模型制造。

3D打印也广泛应用于其他生物领域。

目前,医用钛合金人工骨、人工关节等已广泛采用3D打印技术。首先通过CT或核磁共振成像技术获得患者身体的精确三维结构,然后通过计算机处理数据,完成个性化设计。之后,通过3D打印生成独特的人工骨,大大提高了患者的治疗质量。

2017年,西北大学的一个研究小组使用3D打印技术将明胶打印成类似于卵巢组织的结构。然后将从小鼠中提取的卵泡和产生激素的细胞植入明胶骨架中,获得3D打印的人工卵巢组织。人工卵巢移植到摘除卵巢的小鼠体内后,具有卵巢功能良好的特点,能正常排卵,经小鼠多代繁殖后,未发现后代异常。

科学家用镊子夹住凝胶状的小鼠卵巢生物假体图片来源:杨光网

尽管人工制造组织或器官的最终人类梦想还很遥远,3D打印已经帮助我们迈出了开创性的一步。

3D打印,未来可用。

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