3D打印的10种前沿应用(第4期)

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本期关注3D打印在航天、医疗、汽车制造、文物保护等领域的10种前沿应用:3D打印产品为骨肿瘤患者带来福音、中国首个3D生物打印产品广州面世、3D打印卫星燃料箱及宇航服、世界首个飞行3D打印机器人现身英国、埃及用3D打印复制法老王墓葬……

本期关注3D打印在航天、医疗、汽车制造、文物保护等领域的10种前沿应用:3D打印产品为骨肿瘤患者带来福音、中国首个3D生物打印产品广州面世、3D打印卫星燃料箱及宇航服、世界首个飞行3D打印机器人现身英国、埃及用3D打印复制法老王墓葬……

1.世界首例金属3D打印锁骨和肩胛骨成功植入骨肿瘤患者体内

近日,西安第四军医大学西京骨科医院骨肿瘤科郭征教授带领的团队采用金属3D打印技术制备出与患者锁骨和肩胛骨完全一致的钛合金假体,并成功植入骨肿瘤患者体内,成为肩胛带不定形骨重建的世界首次应用,标志着3D打印个体化金属骨骼修复技术的进一步成熟。锁骨和肩胛骨属于肩胛带部位的不定形骨,罹患恶性骨肿瘤时常常需要完整切除,但传统重建技术难以获得满意的外观和功能,始终是临床的棘手问题。3D打印技术可以制备出患者原有正常形态的金属骨骼,从而替代切除的肿瘤骨骼,恢复肢体的完整性和功能。此外,该团队的前期研究成果在Biomaterials等杂志上发表并获得3项国家发明专利授权,形成了脊柱椎间融合器、股骨头支撑棒和骨肿瘤个体化假体3D打印系列产品,目前正进行产品检测和临床验证工作。

2.中国首个3D生物打印产品广州面世

近日,在广州产生了中国首个3D生物打印技术产品——人工硬脑膜“睿膜”。2名海归博士研制的人工硬脑膜获得中国食品药品监督管理总局(CFDA)注册。这台打印机曾打印出硬脑膜、骨骼,未来还有望打印出皮肤。据了解,3D生物打印可以满足个性化医疗增补材料的需求,而且具有排斥反应低、安全性更高的优势。生物3D打印机与传统的打印机最大的区别在于它所使用的“墨水”。工业3D打印机的“墨水”是工业材料,如金属、塑料粉末,生物3D打印机则是组成人类生物体的基本元素如细胞、细胞液或高分子材料。

3.洛克希德公司与Stratasys合作3D打印卫星燃料箱

日前,洛克希德·马丁公司与Stratasys公司下属的3D打印服务部门RedEye合作,3D打印了两个大型的燃料箱模拟器。其中最大的燃料箱有15英尺长,这是太空项目有史以来制造的最大的3D打印零部件之一。 较大的燃料箱是用10个不同的部分分别建造而成的,较小的则是分成了6个不同的部分。RedEye使用了一台Fortus 900mcs 3D打印机以及聚碳酸酯(PC)作为打印材料。这两个燃料箱花了近两个星期来打印,每个部分大约150小时。焊接组合则要花费几个小时。这些工作完成后,RedEye还要对各部分的接缝和表面进行打磨。在所有的部件加工完毕后,总装还需要240个小时。这两个燃料箱经过了一系列的质量检验和精度的测量,并被批准用于首次概念总装。

4.美国宇航局用3D打印技术造下一代宇航服

2014 年3 月美国太空总署NASA 在官网上发起了票选下一代宇航服的活动,让民众参与火星宇航服的设计,NASA 全新的太空装定名为Z 系列。最早一款Z-1 宇航服于2012年问世,设计非常接近电影《玩具总动员》中的角色巴斯光年,被时代周刊评为当年最佳发明之一。此次共有Z-2 系列的三款宇航服参与票选,三款设计的风格都延续了巴斯光年的设计,外型更为流畅。 近日美国国家宇航局NASA 公布了下一代宇航服设计方案的票选结果,Z 系列的第二款设计Z-2Technology脱颖而出,赢得了六成投票者的支持。这款全新的宇航服将采用3D 打印技术制造,在经过水池、太空舱和模拟火星环境中一系列测试后未来有可能应用于登陆火星。NASA 认为Z 系列宇航服能够推动科技的发展,未来登陆火星时这些技术都是可以使用的。新款宇航服将在2014 年11 月问世。

5.世界首个飞行3D打印机器人现身英国

伦敦帝国学院的Hamlyn中心在机器人技术的研究和技术创新方面处在最前沿。他们最近研制出了世界上首款飞行3D打印机器人,这种机器人可以筑巢,并带着重箱出入难以到达的地方,而且完全自主。这种飞行3D打印机器人的主要功能是可以在有挑战性的环境中移除危险物品。要移除一个对象,这个飞行3D打印机器人首先打印出一种粘性物质粘在目标物体上。然后第二个机器人会在GPS和传感器的引导下落在这种泡沫状的粘性物质上。几分钟后,粘性物质硬化,第二个机器人再次起飞,这次是带着结合在一起的目标物体一起飞走。据了解,这种无人机可用于从核设施中移除放射性废物,或修复损坏的屋顶和建筑桥梁等。

6.本田将3D打印技术用于赛车发动机开发

本田高性能开发公司(HPD)是北美本田汽车集团旗下的子公司,主要业务是开发高性能的赛车用途汽车发动机。HPD是印地赛车活动的唯一发动机提供商,并且为美国利曼与欧洲利曼耐力赛事提供原型赛车发动机。

HPD公司其实早就应用3D Systems公司的3D打印机用于开发HR28TT发动机塑料原型零部件与设计修改,然而他们希望有所突破,因此采购了3D Systems公司的ProJet™ 3000 CPX RealWax™蜡材料3D打印机,使用这一个崭新的材质能够使设计得以实时调整,而且生产金属部件的时间也远比传统方式短。ProJet™ 3000 CPX RealWax™打印出完整的发动机约需两天的时间,然后交付给铸造场进行金属件的制造,约2至3个星期就能够取得金属发动机部件。据了解,HR28TT共有五个零件是通过过此种方式生产出来:左右排气导管、左右摇臂本体以及滤油器本体。最后的测试表明设计非常成功,在房车赛事上也有出色的表现。通过3D打印机设计模型可以将开发和制造时间缩短6周时间。更重要的是开发发动机阶段能够快速的修改使产品趋近完美。现在HPD公司已经全面采用ProJet™ 3000 CPX RealWax™进行所有发动机的开发工作。

7.西铁城手表在产品研发中使用3D打印技术

在应用3D打印技术之前,西铁城公司的成型中心主要使用数控加工设备制作、迭代最终的手表设计及装配夹具。因为这种类型的加工方式常常增加成本及时间的延误,之后西铁城公司决定使用3D打印机。这个选择大幅减少了他们在成型中心花费的成本及时间。 从设计师的草图到原型,涉及到重复的设计审查和调整,以及一个新的原型加工后每个建议的修改,需要大量的时间和金钱。由于开发时间限制了验证模型的制作量,西铁城公司无法深入探索设计师的想法。3D打印的导入给了设计师们更多的时间来检视早期的设计,因此他们可以设计出更好的最终产品。西铁城使用3DSystems公司生产的ProJet3510HD3D打印机制作了许多模型。由于VisiJet材料可以上漆,他们很容易就能制造出一个具有与成品接近外观的样品,也帮助他们发现一些模型在物理结构方面的问题,因此可对产品进行微调变更。

8.Shapeways公司推出黄金打印服务

近日Shapeways在其网站上添加了14K黄金的3D打印服务。使用3D打印技术,珠宝商、设计师和制造商可以设计制造出传统方法无法完成的复杂形状的首饰。 Shapeways的首饰制造工艺融合了3D打印与传统的制造技术,它首先用高分辨率3D打印机制造出蜡模,然后再用失蜡法浇铸。最后进行清洗,并手工打磨,使其焕发出黄金标志性的迷人光泽。

然而,3D打印黄金并非Shapeways的独门秘技,越来越多的公司开发出了3D打印黄金的专门工艺。位于美国Somerville的一家珠宝设计公司Nervous System就3D打印出了一件18K金的Kinematics黄金手链。Nervous System是与3D打印咨询公司A3DM以及3D打印公司Cooksongold合作完成的这个项目。Cooksongold公司与EOS合作开发的Precious M080激光烧结设备就是专门用于珠宝和钟表行业的。

目前只有美国消费者可以订购3D打印的黄金首饰,Shapeways承诺在经过两个月的试售期后将扩大其销售对象。但价格不菲,25×25×25毫米的14K金吊坠要价在1000美元左右。

9.迪斯尼公司发明3D打印软质玩具

近日,迪士尼研究院(Disney Research)撰写了一份名为《打印泰迪熊》(Printing Teddy Bears)的报告,报告为3D打印技术开创了一个全新的领域,即软材料3D打印。与塑料等硬质地的玩具不同,3D打印的软质(编织)玩具能够赋予玩具更广阔的可塑空间,而且也比比硬质的玩具更容易受到消费者的欢迎。

迪士尼研究院目前正在加快速度推出3D打印软质玩具的原型产品,未来这种玩具可以被定型为普通的软质玩具,比如毛绒公仔;此外其还可以安装一些额外的电子零部件,比如传感器、显示屏、马达等等以使得玩具自身可以行动。除了研发3D打印软质玩具之外,迪士尼研究院的科研团队还在推进另一项3D打印玩具衍生品计划。迪士尼研究院科研团队希望将语音交互技术应用于3D打印玩具,这样消费者便能和3D打印玩具进行“对话”,而使用这种技术让玩具本身也成为了一款特殊的扬声器。研究人员先使用3D打印技术将软质玩具打印出来,之后再用具有导电功能的喷漆将玩具表面覆盖。此外,在玩具的内部还安装了一个同样通过3D打印出来的造声隔膜。当人向玩具说话时,这层特殊的喷漆就变成了语音信号的接收器。

10.3D打印复制法老王墓葬

为了保护位于卢克索(Luxor)的著名法老王图坦卡蒙(Tutankhamun)日渐脆弱的墓葬原貌。埃及政府使用3D扫描和3D打印技术全面复制了这座古墓。 自上世纪90年代以后,日益增多的游客已经引起油漆和墙壁灰泥气泡,对这些精美的壁画造成了不可逆转的破坏。游客的呼吸、温度和湿度的变化已经开始造成坟墓中的泥灰和墙漆崩解,而且整个古迹都面临着崩溃的风险。 于是,埃及地方政府开始限制墓葬的访问量,并且引入3D打印技术,希望通过3D打印制造出这个古迹的复制品供游客参观,以此保护原址。 

马德里的Factum Arte公司接受了这个任务,他们使用的3D激光扫描仪,数码相机和3D打印机来复制墓室中的壁画,这个过程花了数年时间才完成。 复制的墓室非常准确,以至于4月30日到卢克索参加该复制墓室开幕仪式的图坦卡蒙专家感到非常惊讶和激动。 其实,复制图坦卡蒙墓葬只是一个大项目的一部分:Factum Arte计划未来继续复制图特摩斯三世、纳菲尔塔莉和塞提一世等法老王的古墓。


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