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  • 在实验室中使用3D打印的五种创新方法

  • 发布时间:2019-01-11 22:54
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  •   在3D打印(也称为增材制造)中,3D计算机模型逐层转换为物理对象,如结冰蛋糕。Ananikov的团队使用该技术在几天内制造定制化学反应器,而不是等待数周或更长时间才能由外部供应商制造和运输。更重要的是,3D打印塑料的成本非常低,以至于该集团可以将设备作为消耗品处理,一次性使用然后丢弃,无需清理。“对于处理跨学科项目的研究实验室,”Ananikov说,“3D打印现在是一种标准工​​具。”

      3D打印机已经被“制造者文化”的成员广泛采用,用于教育和创造创新物品。但它们也越来越成为科学实验室的标准设备。研究人员可以使用它们来替换损坏的仪器部件,构建定制的样品架,并模拟从生物分子到含油岩石的所有内容。临床医生可以使用它们来创建植入物和教学模型。

      物体可以使用多种技术进行3D打印,但最普遍的一种是熔融丝制造(FFF),也称为熔融沉积建模。在FFF打印机中,一根窄的彩色长丝 - 通常是塑料线 - 被加热和挤压,一次形成一层。相比之下,较旧的立体光刻印刷机使用液体光活化树脂罐,其通过激光硬化成精确的形状。FFF打印机倾向于生成比立体平版印刷机更不详细的对象,但使用起来更容易且更便宜。

      商业FFF打印机可以从数百到数千美元的任何东西获得。或者研究人员可以使用开源RepRap项目中的套件或设计自行构建硬件,只需几百美元。

      3D打印并不新鲜:自20世纪80年代以来,立体平版印刷机已经存在。但价格下跌已使该技术广泛应用。以下是研究人员利用3D打印的四种方式。

      英国巴斯大学的物理学家朱利安斯特林是设计可以用3D打印塑料部件制造的光学显微镜的团队的一员。我们的想法是在坦桑尼亚的野外建造这些植物,并通过寻找血液中的寄生虫来诊断疟疾。他说,坦桑尼亚缺乏知识丰富的机械和用于修复科学设备的本地部件,进口部件既费钱又费时。通过3D打印零件,当地医生和科学家可以更快,更便宜地修复显微镜。他补充说,坦桑尼亚的一家当地公司甚至用电子废物和其他当地材料制造了FFF打印机。

      包括Thingiverse和MyMiniFactory在内的多个网站为科学家提供了分享可打印组件计算机模型的论坛。但在斯特林的经验中,这些网站上的模型通常是不完整的,缺少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的开源编程语言从头开始创建其构建。除相机,电机和镜头外,他们的显微镜可以完全3D打印。

      斯特林说,谈到3D打印,很容易出错。但由于该技术速度快且价格低廉,因此迭代设计很简单。“这种体验只能通过反复试验来建立,”他指出。

      实践告诉斯特林,在实验室中使用3D打印机与在现场使用3D打印机之间存在很大差异。坦桑尼亚潮湿气候下的3D打印塑料灯丝通常比气候控制实验室更难,因为湿度会影响塑料灯丝,从而导致打印失败。此外,断电并不罕见,只有一些打印机可以在恢复供电后恢复打印半成品。他说,斯特林和他的团队对气候的影响并不大,但他们确实使用不间断电源来确保他们的打印工作能够完成。

      纽约罗彻斯特大学医学中心的泌尿外科医生Ahmed Ghazi使用3D打印技术创造了非功能性器官,外科医生可以用它来练习机器人辅助手术。对于相对简单的手术,例如移除脾脏,几乎不需要这种手术。但是更复杂的手术,例如切除肿瘤,可能因患者而异。正如加齐所说,“肿瘤不在教科书中。”

      Ghazi从患者组织的3D计算机辅助断层扫描开始,然后将数据输入比利时鲁汶的Materialise商业医学建模软件Mimics和加利福尼亚州圣拉斐尔的Autodesk的免费工具Meshmixer,以创建3D楷模。然后,他使用FFF打印机将这些模型打印为空心塑料模具,插入将连接到假血泵的血管复制品,并将模具注入水凝胶,凝固成具有器官状刚度的物体。由此产生的结构足够逼真,外科医生可以通过包括出血在内的现实后果来实施他们的手术。

      Ghazi说,他和他的团队每周最多使用这些模型进行四次手术。在每种情况下,他们创建两个模型副本并选择最准确的表示。他们正在培训其他医生将这项技术应用于心脏和肝脏手术等领域。“这绝对是一件可以追赶的事情,”加齐说。

      但仍存在不完善之处。Ghazi说,由FFF打印机生产的模具通常具有微小的脊和凹坑。这些缺陷通常太小而无法用肉眼看到,但机器人相机明显可见,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铺上一层室温蜡,填充脊和凹坑,从而使最终产品平滑。“那些小事情会有所作为,”他说。

      对于大福克斯北达科他大学的石油工程师Mehdi Ostadhassan来说,3D打印提供了一种优化从岩石中提取石油和天然气的工具。

      Ostadhassan使用OpenSCAD和商业3D计算机辅助设计软件AutoCAD(来自Autodesk)以及各种3D打印机和材料等程序打印“岩石”。这些岩石模型具有逼真的物理特性,包括微小细致的孔隙,Ostadhassan将它们置于物理压力下,以更好地了解液体如何流过它们的真实等价物。

      为了创造最逼真的岩石,Ostadhassan采用了一系列印刷方法,包括粘合剂喷射技术,其中液体粘合剂逐层施加到石膏粉或硅砂上。该过程产生的物体具有与真实岩石非常相似的机械特性。但Ostadhassan说,未结合的粉末也会卡在毛孔中,从而降低了最终产品的质量。对于一些实验,他需要采用防水处理才能获得“润湿性”。立体平版印刷机可以更好地印刷具有细微孔隙的岩石,以便研究液体流动特性,但是它们生产的模型不如粘合剂喷射印刷的岩石强。

      因此,Ostadhassan正在与其他研究人员合作开发一种定制打印机,可以模拟这些毛孔和裂缝,但仍然可以生产出与真实岩石具有相同机械强度的模型。

      今天的3D打印机可以输出一系列材料 - 但不是全部。“用于3D打印的材料非常非常有限,”UniMaker在中国深圳的首席执行官杨洋表示,该公司生产用于科学用途的3D打印机。但是在这个领域的研究非常激烈,而且正在发生变化。一个热生长区域是生物打印,用于创建结构化生物材料。中国上海交通大学生物医学科学家王金烨表示,她的学校已经在教室里购买了一台这样的设备。这些生物打印机将细胞和水凝胶混合以产生诸如骨骼和肿瘤模型的结构。

      杨说,另一个增长领域是金属。具有金属功能的打印机使用电子束或激光以规定的图案熔化金属粉末。研究暗物质的珀斯西澳大利亚大学物理学家Jeremy Bourhill正在研究使用基于激光的3D金属打印机来制造超导铌网。Bourhill说,这可以用来阻挡会干扰暗物质探测的强磁场。

      使用传统的机械加工来制造网状物将需要有毒的润滑剂并浪费大量的铌,这是昂贵的。所以Bourhill的团队正在使用高功率激光将金属粉末的横截面融合在一起。但由于铌的熔点约为2,500°C,因此该工艺需要相当大的功率。“铌是一种非常坚韧的材料,”Bourhill说。

      曾几何时,Bourhill等研究人员的选择范围有限。但随着3D打印机可用性的增加,中国武汉华中科技大学的材料工程师Yusheng Shi说,发生了根本性的转变:3D打印正在实现个性化制造,取代集中制造。正如这些例子所显示的那样,研究人员刚刚触及了他们可以利用这种力量做些什么。

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