漲姿勢！在實驗室中使用3D列印的四種創新方法

漲姿勢！在實驗室中使用3D列印的四種創新方法！

漲姿勢！在實驗室中使用3D列印的四種創新方法！

的不斷髮展，為各行各業帶來了各種優勢，比如減少成本，縮短製造週期等，正因如此，許多研究人員已經開始利用它們，來製造從定製的實驗裝置到人體器官逼真模型等一切東西。

來自莫斯科澤林斯基有機化學研究所的化學家

3D列印技術

帶領自己的團隊研究出利用3D列印技術的四種新方法。

Valentine Ananikov

1、靈活應用3D打印製造零件

英國巴斯大學的物理學家Julian Stirling是團隊的成員，該團隊所設計的光學顯微鏡是由3D列印的塑膠部件製成。該創意原理是在坦尚尼亞的田野裡建造它們，並透過在血液中尋找寄生蟲，利用它們來診斷瘧疾。Julian Stirling說：“在坦尚尼亞，我們面臨的問題是缺乏機械學知識和用於維修科學裝置的當地部件，而進口部件既昂貴又耗時。但是透過3D列印技術列印部件，當地的醫生和科學家便可以採用快速且廉價的方式修復他們的顯微鏡。坦桑尼亞當地的一家企業甚至利用電子垃圾和其他當地材料製造了

。”

包括Thingiverse和MyMiniFactory在內的一些網站為科學家提供論壇，從而分享可列印部件的計算機模型。但根據Stirling的經驗，這些網站上的模型通常是不完整的，缺乏特定專案的文件或修改設計的關鍵檔案。因此，他的團隊使用名為

FDM印表機

的開放原始碼的程式語言從頭開始建立顯微鏡的構建，並且可以使用3D列印技術列印顯微鏡。

實踐告訴Stirling，在實驗室使用3D印表機和在當地使用存在著很大的差異。坦尚尼亞的氣候十分潮溼，因此，3D列印塑膠長絲通常比在可以控制氣候的實驗室中更難列印，這是因為溼度會影響塑膠長絲，從而導致列印失敗的次數增多。此外，印表機斷電的情況並不少見，但是隻有部分印表機在恢復供電後才能繼續列印半成品物體。Stirling和他的團隊在氣候問題上無能為力，但他們確實利用不間斷的電力供應，以確保他們的印刷工作能夠順利完成。

OpenSCAD

紐約羅切斯特大學醫學中心泌尿外科醫生Ahmed Ghazi利用

2、仿生學器官

，製造出非功能性人體器官。外科醫生可以利用這些器官進行有機器人輔助的手術。對於相對複雜的手術，比如切除腫瘤，3D列印技術的應用因患者不同而大相徑庭。正如Ghazi所指出的，“腫瘤無教條可言。”

Ghazi首先對患者的組織進行3D計算機輔助斷層掃描，然後將資料輸入商業醫學建模軟體

3D列印技術

，該軟體產自比利時魯汶的Materialise，以及加州聖拉斐爾Autodesk的免費工具

Mimics

，用於建立3D模型。然後，他利用FDM印表機將這些模型列印成中空的塑膠模具，插入連線到假血液泵的血管複製品，並向模具中注入水凝膠，水凝膠會凝固成具有器官般硬度的物體，形成的結構非常真實。

Ghazi和他的團隊每週都使用這些模型進行4次手術實操。在每個案例中，他們建立了兩份模型，並選擇最精確的表現形式。他們正在訓練其他醫生在心臟和肝臟手術等領域應用這項技術。Ghazi 說道：“這些技術的發展前景會越來越好。”

但缺陷依然存在。Ghazi說道，FDM印表機生產的模具通常具有微小的稜紋和凹痕。這些缺陷通常太小，以致於肉眼無法看到，但透過機器人攝像頭卻能清楚地看到，這可能會影響外科醫生的體驗。Ghazi的解決方案是在模具內部塗上一層室溫蠟，填充凹凸不平的地方，從而使最終產品變得平滑。

Meshmixer

也可以應用多材料打印出具有仿生學特性的器官模型，幫助醫生進行手術模擬或科研。

Stratays的J750

對於大福克斯市北達科他州大學的石油工程師

3、複製岩石模型

來說，3D列印成為了從岩石中最佳化提取油氣的工具。

Ostadhassan使用

Mehdi Ostadhassan

等程式，結合各種3D印表機和材料，列印“岩石”。這些岩石模型具有真實的物理性質，包括微小而細緻的孔隙，Ostadhassan將它們置於物理壓力之下，以便更好地理解液體是如何在真實的等同物中流動。

為了建立最真實的岩石，Ostadhassan使用了一系列的列印方法，包括粘合劑噴射技術，將液體粘合劑逐層地塗在石膏粉或矽砂上。該過程生成的物體具有與真實岩石相似的力學性質。但未粘合的粉末也會卡在毛孔中，這會降低最終產品的質量。在一些實驗中，Ostadhassan需要使用疏水處理，以獲取“潤溼性”。立體石版印刷機在列印具有細孔的岩石方面表現更佳，有助於研究流體流動特性，但它們所生成的模型不如粘結劑噴印岩石那般牢固。

正因如此，Ostadhassan正與其他研究人員合作開發定製的印表機，這種印表機不僅可以模擬出真實岩石的孔隙和裂縫，還能生成與真實岩石具有相同機械強度的模型。

OpenSCAD和商業3D電腦輔助設計軟體AutoCAD(來自Autodesk)

中國深圳科學應用3D列印機制造商UniMaker的執行長Yang Yang表示：“3D列印所用的材料非常有限。”

Yang說道，另一個新興的領域就是金屬。具有金屬功能的印表機使用一束電子或一束鐳射，將金屬粉末熔化成特定的圖案。來自珀斯西澳大利亞大學物理學家

4、金屬材料

研究暗物質，但他現在正在研究使用基於鐳射手段的3D金屬印表機來構建超導鈮網格。這可以用來阻擋干擾暗物質探測的強磁場。

使用傳統的機械加工來製造這種金屬網，需要有毒的潤滑劑，並會浪費大量昂貴的鈮。因此，Bourhill的團隊正在使用高能鐳射將金屬粉末的橫截面熔化在一起。但由於鈮非常堅硬且熔點是2500°C，因此，這個過程需要大量的電力。

曾幾何時，像Bourhill這樣的研究人員的選擇是有限的。但隨著3D印表機越來越普及，研究人員的選擇也越來越多。中國武漢華中科技大學材料工程師Yusheng Shi說道：“3D列印正在實現個性化製造，取代集中式製造。”