3D打印涉及领域广泛 近期革命性技术盘点
- 2016-04-21 10:04:187009
这两年，随着3D打印行业的迅猛发展，3D打印技术在艺术设计、航空航天、*、医疗和消费电子产品等多个领域都大有用武之地。而近来，更是借着互联网和智能制造的东风，开发出更多让人匪夷所思的3D打印新技术。而这些新成果，也将再次改变整个3D打印产业的历史，重塑3D打印技术的“新生命”！
NASA开发出等离子3D纳米打印技术
日前，美国宇航局（NASA）的科学家们开发出了一种新型纳米材料打印工艺，该工艺主要是利用喷嘴通过氦等离子体的开关来喷射纳米管。当等离子体关闭时，纳米管的密度小，该等离子体能够以很高的密度和良好的附着力将纳米管聚集在柔性基板上。但是由于打印之后需要将其加热到几百度来干燥油墨，因此仍然无法使用纸或布等材料。
而如今，来自NASAAmes研究中心和美国SLAC国家加速器实验室研究人员开发出了一种新的3D打印方法解决了这个问题。这种基于等离子的打印系统并不需要热处理阶段，事实上，整个过程只需要40摄氏度左右的温度，而且也不要求打印材料一定是液态的。为了展示他们的技术，研究团队在一张纸上覆盖了一层碳纳米管。为了做到这一点，他们通过一个喷嘴直接将碳纳米管和氦离子等离子体的混合物喷到纸上。由于等离子体能将粒子集中在纸的表面，形成一个稳固的层，所以并不需要进一步处理。除此之外，他们还使用同样的技术3D打印了两个简单的化学和生物传感器。通过将某种分子添加到纳米管与等离子体的混合物中，他们可以改变纳米管的电阻并响应某些化合物。他们3D打印的化学传感器是用来检测氨气的；而生物传感器则是专门相应多巴胺的，这是一种与帕金森或者癫痫症之类的疾病有关的神经传递素。
Meyyappan表示这种方法很容易就能商业应用，只需进行一下比较简单和廉价的开发即可。目前该团队正在调整他们的技术，使其能够支持其它的打印材料，比如铜等。这种技术还能够将电池材料打印到很薄的金属（比如铝）板上，然后将该金属板卷起来，制造出非常小，但是功能却非常强大的电池，以用在手机或者其他设备上。
生物打印笔BioPen问世
生物3D打印技术总是能让人拍案叫绝，无论是可以存活几十天的3D打印大脑皮层组织，还是移植到老鼠身上的3D打印卵巢，这些都让人感觉不可思议。近日，澳大利亚伍伦贡大学的研究人员们更是开发出了一种生物3D打印笔，堪称生物3D打印界的3Doodler。
这只笔被称为BioPen（生物笔），它的神奇之处在于，医生可以在手术过程中，直接拿着笔将细胞“画”在患者受损的骨头或者软骨组织上。听起来很神奇吧！据了解，BioPen内部装着含有干细胞的生物墨水，它们被裹在生物聚合物中，如褐藻胶（一种海藻提取物），外部再由一层水凝胶保护着。这些墨水可以直接挤压在骨头上，再通过笔身的UV灯凝固，之后这些干细胞便会在人体内繁殖，与神经，肌肉，骨细胞分隔开来，终形成组织。
从某种程度上来说，该项研究对于修复软骨组织手术有着变革性影响，软骨组织损伤后，往往很难确定究竟要植入何种形状的人工软骨，而如今只需用BioPen将受损部位填满，软骨组织便可自行恢复。此外，该项解决方案还可以更进一步地做成定制化模式，加上特定的药物，促进康复和再生长速度。据了解，目前BioPen的原型是用医疗级塑料和钛金属3D打印而成的，重量很轻且利于消毒。迄今为止从3D打印笔BioPen挤出的细胞存活率在97%以上，堪称是当前生物3D打印界的一大奇迹发明。
4D打印技术潜力巨大
近日，美国迈阿密大学的科学家们开发出一种方法可以控制3D打印对象*部位的化学成分及其3D位置，可以说又为3D打印增加了一个新的维度。该研究团队设计出了一个革命性的系统，该系统使用了基于溶液的模式反应。结合了1平方厘米的平行阵列、微流体和光化学聚合反应，使刷状聚合物在玻璃表面上生长。这个工艺本身只需要几个步骤，无需使用高能激光束就可以达到亚微米的分辨率。
据了解，组成该聚合反应的几个部分——单体、光引发剂和溶剂——会流入拥有一个阵列的微流控室。每个阵列大约有1.5万个聚二甲基硅氧烷的角锥状物以80微米的间隔排列，会使光线照到它们身上，这种光会启动反应，在下面的表面上制作刷状聚合物的图案。如果要用不同的化合物成分组成相邻的图案，只需移动这些即可。然后再将新的单体溶液引入这些微流控室，并重复这一过程。据称，位置还控制着打印对象细部的位置，光照射时间决定着聚合反应的程度，也就是对象高度，而单体标识决定着化学成分。
Braunschweig认为他们的这种4D打印技术潜力巨大，在基因芯片、蛋白质阵列和刺激相应面方面都有很好的应用前景。研究团队的终目标是重建具有结构复杂性和化学性能的生物接口，比如大面积的细胞表面。我们期待他们将来会有更大的进展！
3DSystems展示机械臂3D打印机
日前，在美国密苏里州St.Louis举办的2016增材制造用户群大会（AMUG2016）上，3D打印巨头3DSystems公司展示了一款全新的工业级SLA3D打印机——Figure4。在这款设备上非常罕见地使用了一个工业机器人臂，而且这个设计据说实际上源自于该公司的创始人、SLA技术的ChuckHull于1984年申请的SLA技术。这是一款在某种程度上面向自动化的SLA3D打印工艺，它甚至可以用于大规模制造。据悉，该工艺是由一系列代表者一个流水线式3D打印及后期处理每一步的离散式模块组成的。
Figure4系统把工业机器人臂当作阶段的3D打印机，用机械臂的末端作为打印平台，快速将3D打印对象从一大桶液态光敏树脂中逐层固化拉出，这个过程速度相当快。据称这主要是由于使用的光源和树脂之间的一种专业膜发挥了作用。尽管这种神秘的膜具体细节尚未披露，不过估计原理上可能跟Carbon公司的高速3D打印技术CLIP有点类似。在打印过程中，多出的材料可以在打印对象被冲洗和进一步固化之前进行回收。由于这个过程是可扩展的，因此从技术上说可以创建一个该设备的阵列从而实现SLA部件的大规模制造。3DSystem还专门为该系统开发了*的光敏聚合物，据称该材料拥有非同一般的强度、耐磨、耐温差、生物相容性和弹性等性质。
除此之外，Figure4还有许多技术细节尚未披露，比如它使用的那种专业膜是什么样子的、使用的光源类型等。不过这是一款值得期待的产品，就让我们等待它正式发布的那一天吧。
UCLA研发出能将CO2变为3D打印建材的技术
近日，来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）的一个跨学科的科学家团队开发出了一个独特的解决方案，可以同时消除上述世界上主要的两大温室气体源。他们巧妙的应用了烟囱和混凝土排放出的二氧化碳创建了一个闭环过程：从发电厂的烟囱中捕获碳，并用它来创造出可以3D打印的混凝土——二氧化碳混凝土（CO2NCRETE）。
这技术把人们视为有害的、从烟囱中排放出来的二氧化碳变成了有价值的东西。当然，这并不是人类尝试从发电厂的排放中捕获二氧化碳，之前也有人做过。希望不仅能够捕捉更多的温室气体，而且在捕获之后不是将其储存起来（这是目前的做法），真正要做的事用它来创造一种可以取代水泥的新型建筑材料。研究人员认为这种方式尤其适用于那些燃煤发电厂，可以有效地降低二氧化碳排放。这对于火电厂众多的中国来说由其有意义。
到目前为止，这种由二氧化碳转化而来的新型建筑材料已经能够实现实验室规模的生产，科学家们甚至使用3D打印机将其打印成小圆锥体。他们展示了一个实验过程，在这个过程中石灰与二氧化碳能够结合起来终生成水泥类材料。但是该实验的目的不是要开发一种建筑材料，而是一个全过程的解决方案，这个解决方案集成了所有需要的技术，能够把二氧化碳变成成品。
在生物医学的环境中使用3D打印时，人们往往感兴趣的是分辨率和精度。但是在建筑中，尽管这些都很重要，但是尺度完全不同。大的挑战是，3D打印的并不是一个长度仅5厘米的东西，而是5米长的建筑构件。这种尺寸上的可扩展性是非常重要的一部分。而重要的是，这项技术在经济上是可持续的。这项技术可以为发电厂带来经济上的激励，使其可以把烟囱废弃变成可用的材料和产品。它把需要解决的一个问题，变成了有利可图的产品和服务。这才是其真正的价值所在。
（原标题：近期3D打印新革命性技术盘点）