近期全球3D打印最新革命性技術(shù)盤點(diǎn)

  這兩年，隨著3D打印行業(yè)的迅猛發(fā)展，3D打印技術(shù)在藝術(shù)設(shè)計(jì)、航空航天、軍工、醫(yī)療和消費(fèi)電子產(chǎn)品等多個領(lǐng)域都大有用武之地。而近來，更是借著互聯(lián)網(wǎng)和智能制造的東風(fēng)，開發(fā)出更多讓人匪夷所思的3D打印新技術(shù)。而這些新成果，也將再次改變整個3D打印產(chǎn)業(yè)的歷史，重塑3D打印技術(shù)的“新生命”!

  NASA開發(fā)出等離子3D納米打印技術(shù)

  日前，美國宇航局(NASA)的科學(xué)家們開發(fā)出了一種新型納米材料打印工藝，該工藝主要是利用噴嘴通過氦等離子體的開關(guān)來噴射納米管。當(dāng)?shù)入x子體關(guān)閉時(shí)，納米管的密度小，該等離子體能夠以很高的密度和良好的附著力將納米管聚集在柔性基板上。但是由于打印之后需要將其加熱到幾百度來干燥油墨，因此仍然無法使用紙或布等材料。

  而如今，來自NASA Ames研究中心和美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室研究人員開發(fā)出了一種新的3D打印方法解決了這個問題。這種基于等離子的打印系統(tǒng)并不需要熱處理階段，事實(shí)上，整個過程只需要40攝氏度左右的溫度，而且也不要求打印材料一定是液態(tài)的。為了展示他們的技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)在一張紙上覆蓋了一層碳納米管。為了做到這一點(diǎn)，他們通過一個噴嘴直接將碳納米管和氦離子等離子體的混合物噴到紙上。由于等離子體能將粒子集中在紙的表面，形成一個穩(wěn)固的層，所以并不需要進(jìn)一步處理。除此之外，他們還使用同樣的技術(shù)3D打印了兩個簡單的化學(xué)和生物傳感器。通過將某種分子添加到納米管與等離子體的混合物中，他們可以改變納米管的電阻并響應(yīng)某些化合物。他們3D打印的化學(xué)傳感器是用來檢測氨氣的;而生物傳感器則是專門相應(yīng)多巴胺的，這是一種與帕金森或者癲癇癥之類的疾病有關(guān)的神經(jīng)傳遞素。

  Meyyappan表示這種方法很容易就能商業(yè)應(yīng)用，只需進(jìn)行一下比較簡單和廉價(jià)的開發(fā)即可。目前該團(tuán)隊(duì)正在調(diào)整他們的技術(shù)，使其能夠支持其它的打印材料，比如銅等。這種技術(shù)還能夠?qū)㈦姵夭牧洗蛴〉胶鼙〉慕饘?比如鋁)板上，然后將該金屬板卷起來，制造出非常小，但是功能卻非常強(qiáng)大的電池，以用在手機(jī)或者其他設(shè)備上。

  生物打印筆BioPen問世

  生物3D打印技術(shù)總是能讓人拍案叫絕，無論是可以存活幾十天的3D打印大腦皮層組織，還是移植到老鼠身上的3D打印卵巢，這些都讓人感覺不可思議。近日，澳大利亞伍倫貢大學(xué)的研究人員們更是開發(fā)出了一種生物3D打印筆，堪稱生物3D打印界的3Doodler。

  這只筆被稱為 BioPen(生物筆)，它的神奇之處在于，醫(yī)生可以在手術(shù)過程中，直接拿著筆將細(xì)胞“畫”在患者受損的骨頭或者軟骨組織上。聽起來很神奇吧!據(jù)了解，BioPen內(nèi)部裝著含有干細(xì)胞的生物墨水，它們被裹在生物聚合物中，如褐藻膠(一種海藻提取物)，外部再由一層水凝膠保護(hù)著。這些墨水可以直接擠壓在骨頭上，再通過筆身的UV燈凝固，之后這些干細(xì)胞便會在人體內(nèi)繁殖，與神經(jīng)，肌肉，骨細(xì)胞分隔開來，最終形成組織。

  從某種程度上來說，該項(xiàng)研究對于修復(fù)軟骨組織手術(shù)有著變革性影響，軟骨組織損傷后，往往很難確定究竟要植入何種形狀的人工軟骨，而如今只需用BioPen將受損部位填滿，軟骨組織便可自行恢復(fù)。此外，該項(xiàng)解決方案還可以更進(jìn)一步地做成定制化模式，加上特定的藥物，促進(jìn)康復(fù)和再生長速度。據(jù)了解，目前BioPen的原型是用醫(yī)療級塑料和鈦金屬3D打印而成的，重量很輕且利于消毒。迄今為止從3D打印筆BioPen擠出的細(xì)胞存活率在97%以上，堪稱是當(dāng)前生物3D打印界的一大奇跡發(fā)明。

  4D打印技術(shù)潛力巨大

  近日，美國邁阿密大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出一種方法可以控制3D打印對象指定部位的化學(xué)成分及其3D位置，可以說又為3D打印增加了一個新的維度。該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一個革命性的系統(tǒng)，該系統(tǒng)首次使用了基于溶液的模式反應(yīng)。結(jié)合了1平方厘米的平行尖端陣列、微流體和光化學(xué)聚合反應(yīng)，使刷狀聚合物在玻璃表面上生長。這個工藝本身只需要幾個步驟，無需使用高能激光束就可以達(dá)到亞微米的分辨率。

  據(jù)了解，組成該聚合反應(yīng)的幾個部分——單體、光引發(fā)劑和溶劑——會流入擁有一個尖端陣列的微流控室。每個陣列大約有1.5萬個聚二甲基硅氧烷的角錐狀物以80微米的間隔排列，會使光線照到它們身上，這種光會啟動反應(yīng)，在下面的表面上制作刷狀聚合物的圖案。如果要用不同的化合物成分組成相鄰的圖案，只需移動這些尖端即可。然后再將新的單體溶液引入這些微流控室，并重復(fù)這一過程。據(jù)稱，尖端位置還控制著打印對象細(xì)部的位置，光照射時(shí)間決定著聚合反應(yīng)的程度，也就是對象高度，而單體標(biāo)識決定著化學(xué)成分。

  Braunschweig認(rèn)為他們的這種4D打印技術(shù)潛力巨大，在基因芯片、蛋白質(zhì)陣列和刺激相應(yīng)面方面都有很好的應(yīng)用前景。研究團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)是重建具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和化學(xué)性能的生物接口，比如大面積的細(xì)胞表面。我們期待他們將來會有更大的進(jìn)展!

  3DSystems展示機(jī)械臂3D打印機(jī)

  日前，在美國密蘇里州St. Louis舉辦的2016增材制造用戶群大會(AMUG 2016)上，3D打印巨頭3D Systems公司展示了一款全新的工業(yè)級SLA 3D打印機(jī)——Figure 4。在這款設(shè)備上非常罕見地使用了一個工業(yè)機(jī)器人臂，而且這個設(shè)計(jì)據(jù)說實(shí)際上源自于該公司的創(chuàng)始人、SLA技術(shù)的發(fā)明者Chuck Hull于1984年申請的SLA技術(shù)專利。這是一款在某種程度上面向自動化的SLA 3D打印工藝，它甚至可以用于大規(guī)模制造。據(jù)悉，該工藝是由一系列代表者一個流水線式3D打印及后期處理每一步的離散式模塊組成的。

  Figure 4系統(tǒng)把工業(yè)機(jī)器人臂當(dāng)作第一階段的3D打印機(jī)，用機(jī)械臂的末端作為打印平臺，快速將3D打印對象從一大桶液態(tài)光敏樹脂中逐層固化拉出，這個過程速度相當(dāng)快。據(jù)稱這主要是由于使用的光源和樹脂之間的一種專業(yè)膜發(fā)揮了作用。盡管這種神秘的膜具體細(xì)節(jié)尚未披露，不過估計(jì)原理上可能跟Carbon公司的高速3D打印技術(shù)CLIP有點(diǎn)類似。在打印過程中，多出的材料可以在打印對象被沖洗和進(jìn)一步固化之前進(jìn)行回收。由于這個過程是可擴(kuò)展的，因此從技術(shù)上說可以創(chuàng)建一個該設(shè)備的陣列從而實(shí)現(xiàn)SLA部件的大規(guī)模制造。3D System還專門為該系統(tǒng)開發(fā)了專用的光敏聚合物，據(jù)稱該材料擁有非同一般的強(qiáng)度、耐磨、耐溫差、生物相容性和彈性等性質(zhì)。

  除此之外，F(xiàn)igure 4還有許多技術(shù)細(xì)節(jié)尚未披露，比如它使用的那種專業(yè)膜是什么樣子的、使用的光源類型等。不過這絕對是一款值得期待的產(chǎn)品，就讓我們等待它正式發(fā)布的那一天吧。

  UCLA研發(fā)出能將CO₂變?yōu)?D打印建材的技術(shù)

  近日，來自加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)的一個跨學(xué)科的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一個獨(dú)特的解決方案，可以同時(shí)消除上述世界上主要的兩大溫室氣體源。他們巧妙的應(yīng)用了煙囪和混凝土排放出的二氧化碳創(chuàng)建了一個閉環(huán)過程：從發(fā)電廠的煙囪中捕獲碳，并用它來創(chuàng)造出可以3D打印的混凝土——二氧化碳混凝土(CO₂NCRETE)。

  這技術(shù)把人們視為有害的、從煙囪中排放出來的二氧化碳變成了有價(jià)值的東西。當(dāng)然，這并不是人類首次嘗試從發(fā)電廠的排放中捕獲二氧化碳，之前也有人做過。希望不僅能夠捕捉更多的溫室氣體，而且在捕獲之后不是將其儲存起來(這是目前的做法)，真正要做的事用它來創(chuàng)造一種可以取代水泥的新型建筑材料。研究人員認(rèn)為這種方式尤其適用于那些燃煤發(fā)電廠，可以有效地降低二氧化碳排放。這對于火電廠眾多的中國來說由其有意義。

  到目前為止，這種由二氧化碳轉(zhuǎn)化而來的新型建筑材料已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的生產(chǎn)，科學(xué)家們甚至使用3D打印機(jī)將其打印成小圓錐體。他們展示了一個實(shí)驗(yàn)過程，在這個過程中石灰與二氧化碳能夠結(jié)合起來最終生成水泥類材料。但是該實(shí)驗(yàn)的目的不是要開發(fā)一種建筑材料，而是一個全過程的解決方案，這個解決方案集成了所有需要的技術(shù)，能夠把二氧化碳變成成品。

  在生物醫(yī)學(xué)的環(huán)境中使用3D打印時(shí)，人們往往感興趣的是分辨率和精度。但是在建筑中，盡管這些都很重要，但是尺度完全不同。最大的挑戰(zhàn)是，3D打印的并不是一個 長度僅5厘米的東西，而是5米長的建筑構(gòu)件。這種尺寸上的可擴(kuò)展性是非常重要的一部分。而最重要的是，這項(xiàng)技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上是可持續(xù)的。這項(xiàng)技術(shù)可以為發(fā)電廠帶來經(jīng)濟(jì)上的激勵，使其可以把煙囪廢棄變成可用的材料和產(chǎn)品。它把需要解決的一個問題，變成了有利可圖的產(chǎn)品和服務(wù)。這才是其真正的價(jià)值所在。