2019.08.12

上海3D打印:在实验室中使用3D打印的四种创新方法

上海3D打印

3D打印技术的不断发展,为各行各业带来了各种优势,比如减少成本,缩短制造周期等,正因如此,许多研究人员已经开始利用它们,来制造从定制的实验设备到人体器官逼真模型等一切东西。

在实验室中使用3D打印的四种创新方法!

灵活应用3D打印制造零件

英国巴斯大学的物理学家JulianStirling是团队的成员,该团队所设计的光学显微镜是由3D打印的塑料部件制成。该创意原理是在坦桑尼亚的田野里建造它们,并通过在血液中寻找寄生虫,利用它们来诊断疟疾。JulianStirling说:“在坦桑尼亚,我们面临的问题是缺乏机械学知识和用于维修科学设备的当地部件,而进口部件既昂贵又耗时。但是通过3D打印技术打印部件,当地的医生和科学家便可以采用快速且廉价的方式修复他们的显微镜。坦桑尼亚当地的一家企业甚至利用电子垃圾和其他当地材料制造了FDM打印机。”

在实验室中使用3D打印的四种创新方法!

包括Thingiverse和MyMiniFactory在内的一些网站为科学家提供论坛,从而分享可打印部件的计算机模型。但根据Stirling的经验,这些网站上的模型通常是不完整的,缺乏特定项目的文档或修改设计的关键文件。因此,他的团队使用名为OpenSCAD的开放源代码的编程语言从头开始创建显微镜的构建,并且可以使用3D打印技术打印显微镜。

实践告诉Stirling,在实验室使用3D打印机和在当地使用存在着很大的差异。坦桑尼亚的气候十分潮湿,因此,3D打印塑料长丝通常比在可以控制气候的实验室中更难打印,这是因为湿度会影响塑料长丝,从而导致打印失败的次数增多。此外,打印机断电的情况并不少见,但是只有部分打印机在恢复供电后才能继续打印半成品物体。Stirling和他的团队在气候问题上无能为力,但他们确实利用不间断的电力供应,以确保他们的印刷工作能够顺利完成。

仿生学器官

纽约罗切斯特大学医学中心泌尿外科医生AhmedGhazi利用3D打印技术,制造出非功能性人体器官。外科医生可以利用这些器官进行有机器人辅助的手术。对于相对复杂的手术,比如切除肿瘤,3D打印技术的应用因患者不同而大相径庭。正如Ghazi所指出的,“肿瘤无教条可言。”

Ghazi首先对患者的组织进行3D计算机辅助断层扫描,然后将数据输入商业医学建模软件Mimics,该软件产自比利时鲁汶的Materialise,以及加州圣拉斐尔Autodesk的免费工具Meshmixer,用于创建3D模型。然后,他利用FDM打印机将这些模型打印成中空的塑料模具,插入连接到假血液泵的血管复制品,并向模具中注入水凝胶,水凝胶会凝固成具有器官般硬度的物体,形成的结构非常真实。

在实验室中使用3D打印的四种创新方法!

Ghazi和他的团队每周都使用这些模型进行4次手术实操。在每个案例中,他们创建了两份模型,并选择最精确的表现形式。他们正在训练其他医生在心脏和肝脏手术等领域应用这项技术。Ghazi说道:“这些技术的发展前景会越来越好。”

但缺陷依然存在。Ghazi说道,FDM打印机生产的模具通常具有微小的棱纹和凹痕。这些缺陷通常太小,以致于肉眼无法看到,但通过机器人摄像头却能清楚地看到,这可能会影响外科医生的体验。Ghazi的解决方案是在模具内部涂上一层室温蜡,填充凹凸不平的地方,从而使最终产品变得平滑。

Stratays的J750也可以应用多材料打印出具有仿生学特性的器官模型,帮助医生进行手术模拟或科研。

复制岩石模型

对于大福克斯市北达科他州大学的石油工程师MehdiOstadhassan来说,3D打印成为了从岩石中优化提取油气的工具。Ostadhassan使用OpenSCAD和商业3D电脑辅助设计软件AutoCAD(来自Autodesk)等程序,结合各种3D打印机和材料,打印“岩石”。这些岩石模型具有真实的物理性质,包括微小而细致的孔隙,Ostadhassan将它们置于物理压力之下,以便更好地理解液体是如何在真实的等同物中流动。

在实验室中使用3D打印的四种创新方法!

为了创建最真实的岩石,Ostadhassan使用了一系列的打印方法,包括粘合剂喷射技术,将液体粘合剂逐层地涂在石膏粉或硅砂上。该过程生成的物体具有与真实岩石相似的力学性质。但未粘合的粉末也会卡在毛孔中,这会降低最终产品的质量。在一些实验中,Ostadhassan需要使用疏水处理,以获取“润湿性”。立体石版印刷机在打印具有细孔的岩石方面表现更佳,有助于研究流体流动特性,但它们所生成的模型不如粘结剂喷印岩石那般牢固。

正因如此,Ostadhassan正与其他研究人员合作开发定制的打印机,这种打印机不仅可以模拟出真实岩石的孔隙和裂缝,还能生成与真实岩石具有相同机械强度的模型。

金属材料

中国深圳科学应用3D打印机制造商UniMaker的首席执行官YangYang表示:“3D打印所用的材料非常有限。”Yang说道,另一个新兴的领域就是金属。具有金属功能的打印机使用一束电子或一束激光,将金属粉末熔化成特定的图案。来自珀斯西澳大利亚大学物理学家JeremyBourhill研究暗物质,但他现在正在研究使用基于激光手段的3D金属打印机来构建超导铌网格。这可以用来阻挡干扰暗物质探测的强磁场。

在实验室中使用3D打印的四种创新方法!

使用传统的机械加工来制造这种金属网,需要有毒的润滑剂,并会浪费大量昂贵的铌。因此,Bourhill的团队正在使用高能激光将金属粉末的横截面熔化在一起。但由于铌非常坚硬且熔点是2500°C,因此,这个过程需要大量的电力。

曾几何时,像Bourhill这样的研究人员的选择是有限的。但随着3D打印机越来越普及,研究人员的选择也越来越多。工程师说道:“3D打印正在实现个性化制造,取代集中式制造。”

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