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智能醫(yī)療將會(huì)在未來(lái)各個(gè)方面影響到我們，比如如何讓一名失明人士重見(jiàn)光明，聽(tīng)起來(lái)你可能不太相信，但近日，科學(xué)家利用3D打印技術(shù)，世上首只仿生眼已經(jīng)取得進(jìn)展，而這一旦研制成功，成百上千萬(wàn)的盲人將有機(jī)會(huì)重見(jiàn)光明！ [圖片] 美國(guó)明尼蘇達(dá)大學(xué)的一支研究人員團(tuán)隊(duì)近日打造了世上首只能夠察覺(jué)光線變化、幫助患者恢復(fù)視力的三維人造“眼球”。這只仿生眼能夠模仿視網(wǎng)膜的功能，與另一移植物協(xié)同運(yùn)作，將看見(jiàn)的圖像轉(zhuǎn)化為可被視網(wǎng)膜細(xì)胞接收的電脈沖，再由視網(wǎng)膜細(xì)胞將視覺(jué)信號(hào)傳回大腦。 當(dāng)然想要實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，3D打印功不可沒(méi)。利用3D打印技術(shù)，科學(xué)家能夠大大提升生產(chǎn)仿生眼的速度，研究人員稱，接下來(lái)他們將在仿生眼球中添加更多的光線感受器，以提高視力質(zhì)量。他們還在設(shè)法用3D打印技術(shù)，在更柔軟的材料上進(jìn)行打印，再將成品嵌入眼眶中。 [圖片] 目前，科學(xué)家已經(jīng)找到了在彎曲表面上3D打印電子元件的方法。他們先是準(zhǔn)備好一個(gè)玻璃半球，然后用特制3D打印機(jī)在上面涂上一層由銀粒子制成的基底墨水。這些墨水并不會(huì)從表面流下，而是會(huì)附著在“眼球”表面上，干燥后形成一層均勻的薄膜。接著，研究人員用這些干燥后的墨水固定由半導(dǎo)體聚合物制成的光電二極管，借光電二極管將光線轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。利用這種方法制成一個(gè)仿生眼球總共需耗時(shí)一小時(shí)。 “仿生眼往往被視為科幻小說(shuō)中才有的東西，但現(xiàn)在有了多材料3D打印機(jī)，我們已經(jīng)離這一目標(biāo)又近了一步。”

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來(lái)自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的三位研究人員使用斷層攝影，體積3D打印方法，以克服因使用鑄造和3D打印制造患者定制的軟醫(yī)療而影響流程鏈和患者護(hù)理的限制設(shè)備。該小組發(fā)表了一篇題為“通過(guò)斷層背投影的彈性體體積3D打印”的論文，詳細(xì)介紹了他們的方法。他們基于層析成像的體積方法比傳統(tǒng)的增材制造快得多，他們能夠在不到30秒的時(shí)間內(nèi)打印復(fù)雜的部件，如助聽(tīng)器外殼和肺動(dòng)脈微型模型。 [圖片] （a）小鼠肺動(dòng)脈模型3D打印32.5秒。 （b）Micro-CT掃描3D打印部件的橫截面;藍(lán)色顯示堅(jiān)固的墻壁。 大多數(shù)增材制造方法，如熔融沉積建模，選擇性激光熔化或立體光刻，一次創(chuàng)建一層對(duì)象。這種類型的工藝對(duì)可以印刷的形狀和材料施加了限制。例如，懸垂結(jié)構(gòu)在印刷期間需要額外的支撐，并且柔軟或彈性材料難以印刷，因?yàn)樗鼈冸S著添加新層而變形。雖然可以使用鑄造來(lái)制造某些彈性部件，但是設(shè)計(jì)自由度受到限制，因?yàn)榍换蚬茈y以脫模。而使用基于斷層攝影的體積3D打印方法，其中可光聚合樹(shù)脂的整個(gè)體積同時(shí)固化。研究人員展示了使用丙烯酸酯和有機(jī)硅的各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速（<30s）印刷。“ [圖片] 體積添加劑制造的概念 計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）掃描實(shí)際上啟發(fā)了斷層掃描3D打印。斷層算法用于處理患者對(duì)象的射線照相投影，從而可以重建被掃描對(duì)象的橫截面圖像。這些圖像表示吸收的X射線劑量如何在物體內(nèi)部分布。基本上，斷層3D打印的過(guò)程可以在光聚合物體積內(nèi)創(chuàng)建固體物體。 為了計(jì)算累積和等于最佳劑量分布的一組投影，必須將一個(gè)Ram-Lak濾波器或斜坡濾波器應(yīng)用于Radon投影，以便產(chǎn)生濾波后投影，然后濾波器“補(bǔ)償由于投影引起的固有模糊效應(yīng)”。“六個(gè)405nm激光二極管，標(biāo)稱功率為6.4W，被準(zhǔn)直并組合成一個(gè)具有緊密間隔鏡子的光束。”研究人員介紹他們的光學(xué)裝置。一旦組合光束耦合到方芯光纖中，光纖的輸出就被放大并通過(guò)非球面透鏡和一組正交柱面透鏡投射到數(shù)字微鏡器件上，這些透鏡具有不同的焦距，有助于將光束調(diào)整到DMD的矩形區(qū)域。 “為了優(yōu)化反射效率，我們?cè)O(shè)置中的DMD固定在旋轉(zhuǎn)支架上，使得設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸對(duì)應(yīng)于微鏡的對(duì)角傾斜軸。然后，我們簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)DMD，直到主反射次序的功率最大化，“研究人員解釋說(shuō)。 “在我們的情況下，旋轉(zhuǎn)角度約為7°，但一般來(lái)說(shuō)，它取決于激光的精確波長(zhǎng)，DMD的像素間距和微鏡的傾斜角度。”該團(tuán)隊(duì)使用4f系統(tǒng)將DMD表面成像為一個(gè)容納光聚合物的圓柱形玻璃小瓶。孔徑阻擋不需要的衍射級(jí)，而靠近小瓶的凹圓柱形透鏡可校正任何失真。然后，當(dāng)DMD中的所有像素都處于“ON”狀態(tài)時(shí)，光束的功率大約為1.6瓦。 [圖片] 有一點(diǎn)需要注意：團(tuán)隊(duì)的斷層體積3D打印方法需要光圖案在構(gòu)建體積的整個(gè)直徑上傳播。研究人員認(rèn)為，這將“限制用于斷層體積印刷的可打印物體的尺寸，因?yàn)榇笪矬w所需的低光引發(fā)劑量將導(dǎo)致聚合物轉(zhuǎn)化率差和印刷部件的機(jī)械性能差。”“換句話說(shuō)，用于容量增材制造的合適樹(shù)脂應(yīng)該具有強(qiáng)反應(yīng)性和低吸收性，這與逐層打印機(jī)的要求相比較，在這些打印機(jī)中，需要強(qiáng)大的反應(yīng)性和樹(shù)脂的強(qiáng)吸收性才能獲得良好的樹(shù)脂 。“研究人員解釋說(shuō)。 因?yàn)樗麄兊姆椒ㄔ?D打印過(guò)程中不需要物體移動(dòng)，所以基于諸如硅樹(shù)脂的材料的粘性樹(shù)脂配方實(shí)際上可以用于產(chǎn)生復(fù)雜的脈管系統(tǒng)圖案。

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弗勞恩霍夫表面工程和薄膜研究所(Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種3D打印方法，利用等離子射流促進(jìn)骨骼與3D打印植入物的融合。 [圖片] 傳統(tǒng)的醫(yī)療植入物已經(jīng)改善了無(wú)數(shù)人的生活，然而，很難相信它們真的有效。這些植入物要么無(wú)法定制，要么非常昂貴，因?yàn)樗鼈兪怯勺⑺芑驒C(jī)械部件制成的。另一方面，人們彼此非常不同。在不同大小、不同形狀的人身上植入一刀切的部件顯然會(huì)導(dǎo)致一些并發(fā)癥，如感染、不適和排斥反應(yīng)。因此，醫(yī)學(xué)專業(yè)人士被3D打印提供的可負(fù)擔(dān)性和定制性所吸引是有道理的，尤其是在3D打印骨骼方面。 大多數(shù)骨植入物都經(jīng)過(guò)化學(xué)涂層處理，以促進(jìn)骨生長(zhǎng)；植入物作為支架，最終被骨包裹，盡管植入物仍然存在。利用Fraunhofer IST的技術(shù)，將一股含氨基的冷等離子體噴到3D打印機(jī)擠出的每一層上。通過(guò)向整個(gè)種植體注入一種骨骼友好的基質(zhì)，生長(zhǎng)速度(假設(shè))會(huì)加快，而排斥反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)則會(huì)降低。混合抗生素也可以阻止感染。 [圖片] 如Fraunhofer IST生命科學(xué)和生態(tài)業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人Jochen Borris博士所解釋的那樣，植入支架也是在共聚物中3D打印，隨著時(shí)間的推移溶解，“我們的目標(biāo)是讓骨細(xì)胞成長(zhǎng)為合成結(jié)構(gòu)盡快并最終更換由身體自身的酶逐漸分解的植入物。“ 根據(jù)需要修復(fù)的骨骼類型，植入某些填充物可以增加種植體的硬度。“我們來(lái)自馬斯特里赫特大學(xué)的項(xiàng)目合作伙伴開(kāi)發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)，使我們能夠單獨(dú)改變植入體內(nèi)部的穩(wěn)定性。”弗勞恩霍夫研究所歐盟項(xiàng)目經(jīng)理托馬斯·紐伯特博士說(shuō)：“就像天然骨骼一樣，植入物現(xiàn)在可以在不同的部位發(fā)揮不同的作用。” 在實(shí)驗(yàn)室里取得一些成果只是將這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)交到需要它的人手中的第一步。“我們目前正在努力簡(jiǎn)化這一過(guò)程，使其更穩(wěn)定。”為了能夠進(jìn)一步發(fā)展和開(kāi)展臨床研究，我們正在尋找工業(yè)合作伙伴，”Borris說(shuō)。 人們不必認(rèn)同每個(gè)人都像雪花一樣獨(dú)一無(wú)二(順便說(shuō)一句，雪花并非如此)的哲學(xué)，就能明白人是不一樣的；3D打印技術(shù)通過(guò)提供更適合、成本更低、更安全的定制解決方案，正使植入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域趕上這一現(xiàn)實(shí)。

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加州大學(xué)圣地亞哥分校的生物工程師開(kāi)發(fā)了一種易于使用的3D生物打印技術(shù)，用天然材料制作逼真的器官組織模型。作為概念驗(yàn)證，加州大學(xué)圣地亞哥分校的3D打印血管網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑷橄侔┠[瘤保持在體外，并且是血管化人體腸道的模型。 [圖片] （L-R）：生物工程研究生Michael Hu和本科生Xin Yi（Linda）Lei使用他們團(tuán)隊(duì)的新3D生物打印技術(shù)構(gòu)建血管化腸道模型。 研究人員表示，目標(biāo)不是制造可以植入體內(nèi)的人造器官，而是制造易于生長(zhǎng)的人體器官模型，可以在體外研究或用于藥物篩選。 “我們希望讓日常科學(xué)家更容易 - 他們可能沒(méi)有其他3D打印技術(shù)所需的專業(yè)化 - 制作他們正在研究的任何人體組織的3D模型，”第一作者，生物工程博士生Michael Hu說(shuō)。他是加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布工程學(xué)院的學(xué)生。 “模型將比標(biāo)準(zhǔn)的2D或3D細(xì)胞培養(yǎng)更先進(jìn)，并且在測(cè)試新藥時(shí)與人類更相關(guān)，目前在動(dòng)物模型上進(jìn)行。” 為了建立一個(gè)活的血管網(wǎng)絡(luò)，研究人員首先使用Autodesk數(shù)字化設(shè)計(jì)一個(gè)支架。研究人員使用商用3D打印機(jī)，用稱為聚乙烯醇的水溶性材料打印腳手架。然后，他們將厚厚的涂層 - 由天然材料制成 - 倒在支架上，讓它固化，然后將支架材料沖洗到內(nèi)部以形成中空血管通道。接下來(lái)，他們用內(nèi)皮細(xì)胞覆蓋通道內(nèi)部，內(nèi)皮細(xì)胞是排列在血管內(nèi)部的細(xì)胞。最后一步是使細(xì)胞培養(yǎng)基流過(guò)血管以保持細(xì)胞存活和生長(zhǎng)。 血管由體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的天然物質(zhì)制成，如纖維蛋白原（一種在血凝塊中發(fā)現(xiàn)的化合物）和基質(zhì)，一種可商購(gòu)的實(shí)際哺乳動(dòng)物細(xì)胞外基質(zhì)形式。 然而，發(fā)現(xiàn)合適的材料是最大的挑戰(zhàn)之一，該研究的共同作者、生物工程本科生辛毅（琳達(dá)）雷表示。 “我們想要使用天然材料而不是合成材料，因此我們可以盡可能地制作與身體內(nèi)部物品盡可能接近的材料。他們還需要能夠使用我們的3D打印方法。” [圖片] Ami Dailamy是馬里實(shí)驗(yàn)室的生物工程研究生，他設(shè)計(jì)了一個(gè)3D打印支架 在一組實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用打印的血管來(lái)保持乳腺癌腫瘤組織在體外存活。 “我們的希望是，可以運(yùn)用我們的系統(tǒng)制作可用于測(cè)試體外抗癌藥物的腫瘤模型，”胡說(shuō)。他們從小鼠中提取腫瘤碎片，然后將一些碎片嵌入打印的血管網(wǎng)絡(luò)中。其他部分保存在標(biāo)準(zhǔn)3D細(xì)胞培養(yǎng)物中。三周后，封裝在血管印跡中的腫瘤組織保持活著。與此同時(shí)，那些處于標(biāo)準(zhǔn)3D細(xì)胞培養(yǎng)中的細(xì)胞大部分已經(jīng)死亡。 在另一組實(shí)驗(yàn)中，研究人員創(chuàng)建了血管化腸道模型。該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)通道組成。一個(gè)是直腸管，內(nèi)襯腸上皮細(xì)胞以模仿腸道；另一個(gè)是血管通道（內(nèi)襯細(xì)胞），在腸道周圍盤(pán)旋。目的是重建一個(gè)被血管網(wǎng)絡(luò)包圍的腸道。然后給每個(gè)通道提供針對(duì)其細(xì)胞優(yōu)化的培養(yǎng)基。在兩周內(nèi)，這些頻道開(kāi)始呈現(xiàn)更逼真的形態(tài)。例如，腸道已經(jīng)開(kāi)始發(fā)芽絨毛，絨毛是腸壁內(nèi)側(cè)的微小指狀突起。 “通過(guò)這種策略，我們可以開(kāi)始在離體環(huán)境中制造復(fù)雜、長(zhǎng)壽的系統(tǒng)。未來(lái)，這可能取代動(dòng)物用于制造這些系統(tǒng)，這就是正在做的事情，”馬里說(shuō)。 “這是一個(gè)概念證明，表明我們可以將不同類型的細(xì)胞組織在一起，如果我們想要在體內(nèi)模擬多器官相互作用，這很重要。在一個(gè)打印品中，我們可以創(chuàng)建兩個(gè)不同的局部環(huán)境，每個(gè)環(huán)境保持不同活著的細(xì)胞類型，并放在一起足夠接近，以便它們可以相互作用，“胡說(shuō)。 該研究最近發(fā)表在Advanced Healthcare Materials上，未來(lái)的工作將集中在優(yōu)化打印血管和開(kāi)發(fā)更接近模仿體內(nèi)血管化腫瘤模型。

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在各種基板上3D打印電子器件是增材制造的新興領(lǐng)域。直接打印電子產(chǎn)品的吸引力主要在于減少工藝步驟，降低資本設(shè)備成本和減少特定工具需求。 [圖片] 當(dāng)然，市場(chǎng)上存在各種各樣的3D打印電子產(chǎn)品的技術(shù)。本期，3D科學(xué)谷通過(guò)深入了解與介紹（DW）直寫(xiě)技術(shù)來(lái)揭示這總技術(shù)如何能夠?qū)崿F(xiàn)與大批量生產(chǎn)相媲美的單件成本潛力。通過(guò)生產(chǎn)高混合度的電子產(chǎn)品，DW直寫(xiě)技術(shù)正在走向更精細(xì)，更具生產(chǎn)潛力的發(fā)展趨勢(shì)。 氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)的技術(shù)挑戰(zhàn) （DW）直寫(xiě)技術(shù)中的一項(xiàng)主要技術(shù)是氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)，其中空氣動(dòng)力學(xué)聚焦于實(shí)現(xiàn)打印約10μm的細(xì)微特征。氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)從墨水的霧化開(kāi)始，產(chǎn)生直徑約1-2微米的液滴，霧化的液滴夾帶在氣流中并輸送到打印頭。合并的氣流以高速通過(guò)會(huì)聚噴嘴并離開(kāi)打印頭，該噴嘴將氣溶膠流壓縮成小直徑，從而噴射在基板上完成打印工作。不過(guò)市場(chǎng)上盡管AJ技術(shù)已在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中得到證實(shí)，但仍存在一些技術(shù)問(wèn)題，限制了該技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用中的推廣使用。 霍尼韋爾的子公司美國(guó)National Technology & Engineering Solutions of Sandia在（DW）直寫(xiě)技術(shù)的流體動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行了改進(jìn)，從而有效的解決了當(dāng)前氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)存在的技術(shù)問(wèn)題： 這些問(wèn)題包括： - 模板 用于氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)的機(jī)械快門(mén)限制了其對(duì)于保形打印的有用性，并且在打印到打印表面期間傾向于排出在快門(mén)中收集的多余墨水，快門(mén)響應(yīng)時(shí)間（約10 ms）限制了高速處理能力。 - 過(guò)噴 用于氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)的超聲和氣動(dòng)霧化（分別為UA和PA）方法產(chǎn)生多分散氣溶膠。多分散氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)聚焦導(dǎo)致印刷特征的邊緣上的過(guò)噴，通常較小的液滴聚焦在與較大的液滴不同的平面上（光學(xué)類比是色差）。 - 工藝可靠性 UA和PA方法產(chǎn)生具有寬液滴尺寸分布的氣溶膠，AJ工藝僅使用分布曲線小端的液滴。因此，氣溶膠使用率小于0.001％。因此，輸入到墨水的過(guò)量能量隨時(shí)間改變墨水特性，并影響打印機(jī)的輸出。低揮發(fā)性溶劑型油墨可延長(zhǎng)高揮發(fā)性溶劑型油墨的印刷時(shí)間，然而，在兩種情況下，在墨水降解之前，總墨水利用率小于10％。有許多使用揮發(fā)性溶劑的優(yōu)質(zhì)墨水。為了抵消這種影響，最近在所有商業(yè)氣溶膠噴射（AJ）3D打印系統(tǒng)中添加了溶劑添加劑。這需要嚴(yán)格的溫度控制并使該系統(tǒng)更復(fù)雜。 - 氣溶膠輸送 UA和PA方法的物理尺寸需要將霧化器安裝在距離打印頭一定距離處。到打印頭的氣溶膠傳輸距離允許液滴沉降，從而導(dǎo)致傳輸線中的堵塞或壓力脈沖，這些壓力脈沖會(huì)影響打印質(zhì)量。 - 多路復(fù)用打印噴嘴 氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)在開(kāi)發(fā)多噴嘴打印頭方面取得了一些成功，但除了上述問(wèn)題之外，單獨(dú)的噴嘴模板和均勻的氣溶膠分布在擴(kuò)展氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)方面也帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)。 - 材料輸出率 氣溶膠理論表明，擴(kuò)散限制了在任何給定時(shí)間內(nèi)給定空間內(nèi)可能存在的液滴數(shù)量，并且可存在的液滴數(shù)量與氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)感興趣的液滴范圍的液滴尺寸無(wú)關(guān)。這限制了當(dāng)前采用UA和PA方法的氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)的最大輸出速率。 [圖片] 雙流體動(dòng)力學(xué) 霍尼韋爾旗下的美國(guó)National Technology & Engineering Solutions of Sandia實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)一種用于雙流體動(dòng)力打印的裝置，包括同軸管組件，該裝置包括：內(nèi)管，具有用于使墨流流過(guò)的出口孔；環(huán)形外管，用于使鞘液流過(guò)其中，其中鞘液具有比墨水流更高的速度，使得墨水流在從內(nèi)管的出口孔排出時(shí)被外鞘流體流體動(dòng)力學(xué)聚焦。 此外，該裝置還可包括位于內(nèi)管出口孔下游的聚焦噴嘴，用于進(jìn)一步聚焦其中的墨流。還可包括用于從內(nèi)管的出口孔下游的墨流中去除鞘液的裝置和用于再循環(huán)去除的鞘液的再循環(huán)通道。 [圖片] National Technology & Engineering Solutions of Sandia所開(kāi)發(fā)的兩種流體的流體動(dòng)力學(xué)聚焦方法為電子和其他高性能應(yīng)用提供了一種新穎的微型打印技術(shù)。獨(dú)特的打印頭幾何形狀允許過(guò)量的鞘液與打印流動(dòng)流分離，以便回收/再利用。 特別是，用于聚焦油墨的鞘液可以選擇性地蒸發(fā)，而對(duì)核心液體射流的沖擊最小。由此可以將聚焦的墨水沉積在基板上以產(chǎn)生所需的特征。液體噴射可以高度集中以產(chǎn)生非常精細(xì)的特征，微流體研究人員已經(jīng)證明，在微流體室中使用流體動(dòng)力學(xué)聚焦可以生產(chǎn)直徑小至400nm的導(dǎo)電線路，這可用于開(kāi)發(fā)新穎的印刷技術(shù)。 與氣溶膠噴射（AJ）3D打印技術(shù)相比，液體射流具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括： - 液體射流非常穩(wěn)定，提供均勻的沉積。 - 流體輸出速率可以非常高，以便快速打印小特征。 - 液體流具有非常好的邊緣清晰度，可實(shí)現(xiàn)RF應(yīng)用。

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克萊姆森大學(xué)的研究人員正在研究一種新的3D打印技術(shù)，該技術(shù)涉及快速激光加工，以創(chuàng)建“質(zhì)子陶瓷電解槽堆疊”，將電能轉(zhuǎn)化為氫氣，作為儲(chǔ)存能量的一種方式。 電解槽可用作汽車中的燃料源或存儲(chǔ)太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)生的能量。新的激光3D打印技術(shù)將減少制造高度壓縮電解槽的成本和時(shí)間。建華“Joshua”Tong，材料科學(xué)與工程副教授，以160萬(wàn)美元從美國(guó)能源部能源效率和可再生能源辦公室領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)研究。這項(xiàng)新技術(shù)不僅可以將制氫成本降低一半，而且還可以將器件尺寸減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。 “我們的成功意味著我們可以提供可持續(xù)的清潔能源，”Tong說(shuō)。 “這是非常棒的部分。我們正在將3D打印提升到一個(gè)新的水平。” [圖片] 建華“Joshua”Tong，左，博士。學(xué)生Shenglong Mu在他們的Sirrine Hall實(shí)驗(yàn)室工作 在Tong的項(xiàng)目中，最大的挑戰(zhàn)之一是弄清楚如何經(jīng)濟(jì)高效地用陶瓷進(jìn)行印刷。當(dāng)常規(guī)制造時(shí)，陶瓷必須在高溫爐中燒結(jié)，通常持續(xù)數(shù)小時(shí)。另外，不同類型的陶瓷需要在不同溫度下燒結(jié)。 此外，電解槽需要四種不同類型的陶瓷，這使得燒結(jié)成為挑戰(zhàn)。然而，研究人員開(kāi)發(fā)出一種3D打印機(jī)，可以放下一層陶瓷，同時(shí)激光燒結(jié)它，無(wú)需使用熔爐。該技術(shù)將允許用戶在不使用爐子的情況下3D打印由四種不同類型的陶瓷制成的電解器。它類似于制作具有許多層的蛋糕并且每層具有不同的風(fēng)味。 該技術(shù)可應(yīng)用于3D打印其他類型的陶瓷產(chǎn)品，包括電池和太陽(yáng)能電池，或高密度電池，允許智能手機(jī)一次保持充電幾天。此外，該技術(shù)可以打開(kāi)3D打印到新產(chǎn)品和隨之而來(lái)的所有優(yōu)勢(shì)。 “例如，汽車燃料電池組的設(shè)計(jì)可以通過(guò)電子郵件發(fā)送到數(shù)千英里之外的工廠，并且可以在幾小時(shí)內(nèi)打印，而不是等待數(shù)天的交付，”Tong說(shuō)。 該部門(mén)主席Rajendra Bordia表示，該研究增強(qiáng)了克萊姆森幫助創(chuàng)造更可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)換方式的努力。“材料科學(xué)與工程系的獨(dú)特定位是在利用電解技術(shù)為可再生能源運(yùn)輸創(chuàng)造能源方面發(fā)揮主導(dǎo)作用，”他說(shuō)。 “從事這個(gè)項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)代表了相關(guān)領(lǐng)域的世界級(jí)專業(yè)知識(shí)，包括用于能量轉(zhuǎn)換，激光加工，增材制造和陶瓷加工的陶瓷材料和設(shè)備。”

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RepRap Ltd的Adrian Bowyer博士寫(xiě)了一個(gè)FreeCAD Python宏，它通過(guò)數(shù)字模型隨機(jī)插入有角度的空心圓柱體，以增加零件3D打印的強(qiáng)度。通常，部分越堅(jiān)固，它就越強(qiáng)。因此，在整個(gè)零件中添加空心管似乎是一種加強(qiáng)它的反直覺(jué)方式。這背后的理論依賴于切片程序產(chǎn)生的填充方式，填充是無(wú)法看到的3D打印內(nèi)部，它是空間密度/堅(jiān)固度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。 FDM上的3D打印（熔融沉積建模）通常不會(huì)打印固體，因?yàn)檫@樣做效率低，耗費(fèi)時(shí)間和材料更多。 [圖片] 因此，切片程序通過(guò)生成最受歡迎的方格網(wǎng)格，三角形或蜂窩圖案來(lái)填充3D打印內(nèi)部的大部分空氣。用戶將填充密度設(shè)置為百分比，0％創(chuàng)建一個(gè)完全空心的外殼，100％創(chuàng)建一個(gè)完全堅(jiān)固的部分。絕大多數(shù)3D打印都設(shè)置為15％到30％之間的填充，因?yàn)樗强斩春蛨?jiān)固的完美結(jié)合。大多數(shù)切片機(jī)的缺點(diǎn)之一是只能將一個(gè)填充密度應(yīng)用于零件，密度總是均勻地分散在整個(gè)3D打印中。 [圖片] 不幸的是，機(jī)械應(yīng)力很少均勻地分散在3D打印件上。在施加重量或壓力的特定區(qū)域中，應(yīng)力通常較大。通過(guò)加長(zhǎng)填充物來(lái)增強(qiáng)這些應(yīng)力點(diǎn)的強(qiáng)度將增加整個(gè)部件的密度并使用比技術(shù)要求更多的材料。 Bowyer博士希望在選定的區(qū)域增加密度，而空心圓柱體可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因?yàn)橛糜谥圃旃鼙诘乃芰稀ｋm然管本身是空心的，但它們的壁是堅(jiān)固的。使管子成角度可以在多個(gè)軸上擴(kuò)展堅(jiān)固性，同時(shí)還提供一些防止分層（層的分離）的保護(hù)。 [圖片] 為了測(cè)試管子是否真正增加了強(qiáng)度，Bowyer博士3D打印了同一部件的兩個(gè)版本：一個(gè)在應(yīng)力點(diǎn)添加了空心管（由FreeCAD的有限元分析（FEA）工具確定），另一個(gè)沒(méi)有。對(duì)兩者施加相同的重量，具有管的那個(gè)工具有54％的抗彎曲性。 [圖片] [圖片]

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隨著全球肉類消費(fèi)量的增加，研究人員和開(kāi)發(fā)人員也在努力創(chuàng)造能夠令人信服地模仿動(dòng)物產(chǎn)品風(fēng)味和質(zhì)地的植物替代品，許多人正在轉(zhuǎn)向3D打印來(lái)解決質(zhì)地問(wèn)題。以色列一家名為Jet Eat的公司已經(jīng)開(kāi)始對(duì)他們計(jì)劃于2020年推出的3D打印素食牛排進(jìn)行品嘗測(cè)試。 [圖片] Eshchar Ben Shitrit于2018年初創(chuàng)立了Jet Eat，從那時(shí)起，他就一直在工作臺(tái)上開(kāi)發(fā)肉類替代品。 Shitrit習(xí)慣于吃肉，熟悉其微妙的屬性，解釋說(shuō)：“肉的特點(diǎn)是四個(gè)組成部分：肌肉，脂肪，肌紅蛋白和結(jié)締組織。我們用我們的3D打印機(jī)和精確的配方復(fù)制了肉類的復(fù)雜基質(zhì)。“ 3D打印機(jī)不是創(chuàng)建復(fù)雜的三維形狀，而是“打印矩形層。在層中，嵌入的屬性，如風(fēng)味和顏色，改變了消費(fèi)者對(duì)最終產(chǎn)品的感知方式，“據(jù)Jet Eats說(shuō)。 Shitrit將這一發(fā)現(xiàn)視為3D打印技術(shù)自然發(fā)展的一部分，評(píng)論說(shuō)：“如今，數(shù)字制造正在從器官到牙科等各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，我相信，在日益數(shù)字化的世界中，它可以應(yīng)用于食品還有。“ 在獲得天使投資者的一些資金后，Jet Eat參加了以色列理工學(xué)院歐洲創(chuàng)新與技術(shù)研究所（EIT）食品加速器網(wǎng)絡(luò)的加速器項(xiàng)目。隨后Jet Eat被選為EIT Food Venture Summit的決賽選手，其獲獎(jiǎng)?wù)攉@得68,000美元的無(wú)股權(quán)現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)。 由于Jet Eats致力于改進(jìn)其配方，因此在Technion正在進(jìn)行口味測(cè)試。 “如果你要生產(chǎn)肉類，那就是品嘗者的關(guān)鍵。人們吃肉本身，而不是用來(lái)生產(chǎn)它的技術(shù)，因此這需要美味，“Shitrit說(shuō)。他沒(méi)錯(cuò)。

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只需一次充電即可行駛超過(guò)1,000英里的汽車和可以連續(xù)運(yùn)行幾天而無(wú)需充電的智能手機(jī)，這些都可能來(lái)自克萊姆森大學(xué)新的研究項(xiàng)目，該項(xiàng)目將3D打印和激光加工結(jié)合在一起。Jianhua“Joshua”Tong和他的團(tuán)隊(duì)正在研究一種新的3D打印技術(shù)，該技術(shù)涉及快速激光加工，以創(chuàng)建“質(zhì)子陶瓷電解槽堆疊”，將電能轉(zhuǎn)化為氫氣，作為儲(chǔ)存能量的一種方式。 [圖片] 電解槽可具有多種用途，包括作為汽車中的燃料源或存儲(chǔ)由太陽(yáng)能和風(fēng)能產(chǎn)生的能量。Tong說(shuō)，新的激光三維打印技術(shù)將減少制造高壓電解槽的成本和時(shí)間。他說(shuō)，這樣做不僅可以將制氫成本降低一半，而且可以將設(shè)備尺寸降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。 Tong是材料科學(xué)與工程的副教授，正在從美國(guó)能源部的能源效率和可再生能源辦公室獲得160萬(wàn)美元的研究。“我們的成功意味著我們可以提供可持續(xù)的清潔能源，”Tong說(shuō)。“這是很棒的部分。我們正在將3D打印推向新的水平。” 如果研究人員使用電解槽取得成功，同樣的技術(shù)可以用于3D打印其他類型的陶瓷產(chǎn)品，包括電池和太陽(yáng)能電池。例如，該技術(shù)可能導(dǎo)致高密度電池，允許智能手機(jī)一次保持充電幾天，他說(shuō)。 Tong的項(xiàng)目是越來(lái)越多的研究，旨在使用3D打印來(lái)改變產(chǎn)品的生產(chǎn)方式。在3D打印中，產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)，然后一次打印一層，這些層堆疊在一起以形成產(chǎn)品。 高中教室中常見(jiàn)的微波級(jí)三維打印機(jī)采用塑料打印。先進(jìn)制造業(yè)面臨的一大挑戰(zhàn)是如何以其他類型的材料經(jīng)濟(jì)高效地進(jìn)行印刷。對(duì)于Tong來(lái)說(shuō)，重點(diǎn)是陶瓷。當(dāng)常規(guī)制造時(shí)，陶瓷必須在高溫爐中燒結(jié)，通常持續(xù)數(shù)小時(shí)。不同類型的陶瓷需要在不同溫度下燒結(jié)。 電解槽需要四種不同類型的陶瓷，這使得燒結(jié)成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)。在Tong的項(xiàng)目中，一臺(tái)3-D打印機(jī)放下一層陶瓷，同時(shí)激光燒結(jié)它，無(wú)需使用熔爐。該技術(shù)將允許用戶在不使用爐子的情況下對(duì)由四種不同類型的陶瓷制成的電解器進(jìn)行3D打印。它類似于制作具有許多層的蛋糕并且每層具有不同的風(fēng)味。 該技術(shù)可以打開(kāi)新產(chǎn)品的3D打印及其帶來(lái)的所有優(yōu)勢(shì)。例如，汽車燃料電池堆的設(shè)計(jì)可以通過(guò)電子郵件發(fā)送到數(shù)千英里以外的工廠，并且可以在幾小時(shí)內(nèi)打印，而不是等待數(shù)天的交付，Tong說(shuō)。該項(xiàng)目匯集了克萊姆森材料科學(xué)與工程系的四名教師。Tong是該項(xiàng)目的主要調(diào)查員，而Hai Xiao，Kyle Brinkman和Fei Peng是聯(lián)合首席調(diào)查員。 該部門(mén)主席Rajendra Bordia表示，該研究增強(qiáng)了克萊姆森幫助創(chuàng)造更可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)換方式的努力。“材料科學(xué)與工程系的獨(dú)特定位是在利用電解技術(shù)為可再生能源運(yùn)輸創(chuàng)造能源方面發(fā)揮主導(dǎo)作用，”他說(shuō)。“從事這個(gè)項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)代表了相關(guān)領(lǐng)域的世界級(jí)專業(yè)知識(shí)，包括用于能量轉(zhuǎn)換，激光加工，增材制造和陶瓷加工的陶瓷材料和設(shè)備。” 工程，計(jì)算和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)Anand Gramopadhye表示，該項(xiàng)目建立在克萊姆森在先進(jìn)制造研究方面的卓越表現(xiàn)之上。“獎(jiǎng)項(xiàng)的數(shù)量證明了進(jìn)入研究的創(chuàng)新理念和頂尖人才，”Gramopadhye說(shuō)。“我祝賀唐博士和他的團(tuán)隊(duì)獲得補(bǔ)助金。”

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陶瓷已成為3D打印領(lǐng)域的熱門(mén)材料。它具有耐熱性，食品安全性，外觀和感覺(jué)比塑料和聚合物更舒適。這就解釋了為什么更多公司使用陶瓷進(jìn)行3D打印。現(xiàn)在，即使是制造商也可以參與其中，因?yàn)樽顚?shí)惠的陶瓷3D打印機(jī)CERAMBOT正在眾籌。 [圖片] “當(dāng)我們查看市場(chǎng)上現(xiàn)有的陶瓷3D打印機(jī)后，缺乏經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。除此之外，現(xiàn)有型號(hào)價(jià)格昂貴，大而且難以使用。我們的目標(biāo)是創(chuàng)造一臺(tái)打印機(jī)陶瓷3D打印價(jià)格實(shí)惠，易于消費(fèi)者使用。“ CERAMBOT創(chuàng)始人Jony Liu告訴中國(guó)3D打印網(wǎng)。 CERAMBOT是一種三角式3D打印機(jī)，可以擠出半濕粘土（或陶瓷），然后可以在窯中退火。它有兩種套件配置：蝸輪柱塞（Pro Extruder）或空氣擠出機(jī)套件，需要未提供的空氣壓縮機(jī)。擠出機(jī)也可以單獨(dú)購(gòu)買，以連接到現(xiàn)有的3D打印機(jī)，例如Flashforge，Ultimaker或Prusa i3。 Pro Extruder可通過(guò)控制面板進(jìn)行控制，而空氣型則可通過(guò)壓力開(kāi)關(guān)手動(dòng)調(diào)節(jié);這可能意味著擠出速率不是由切片軟件決定的，因此開(kāi)始印刷可能會(huì)有點(diǎn)棘手。 [圖片] 工業(yè)直線導(dǎo)軌提供0.1mm的機(jī)械精度，而0.8至1.5mm的噴嘴可以擠出精度為0.4mm，厚度為2mm的薄層。 Pro切片機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)0.4mm以下的層;相比之下，塑料3D打印機(jī)上的標(biāo)準(zhǔn)層厚度約為0.175mm。但是，盡管CERAMBOT可能無(wú)法擠出像紙一樣的薄層，但這并不意味著它不能產(chǎn)生光滑的表面光潔度。陶瓷部件在經(jīng)過(guò)3D打印后仍然是柔韌的，直到它們開(kāi)始干燥，因此用戶可以在窯中硬化之前使部件平滑和雕刻成更具功能性和吸引力。 [圖片] 任何粘土狀物質(zhì)的粘度都比牙膏稍硬，就可以用CERAMBOT，甚至水凝膠擠出。甚至有些粘土不需要烘烤。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)測(cè)試的基板清單包括“氧化鋁，碳化硅，生物陶瓷：羥基磷灰石（HA），磷酸三鈣（β-TCP），納米氧化鋯。”使用1.5mm層允許零件3D打印只需幾分鐘而不是幾小時(shí)。 [圖片] 第一批幸運(yùn)前100名支持者以299美元的價(jià)格用Pro Extruder獲得他們的CERAMBOT。 CERAMBOT將使研究人員，雕塑家，室內(nèi)設(shè)計(jì)師以及任何喜歡使用大量材料的制造商受益匪淺。該眾籌活動(dòng)僅用了6分鐘便達(dá)到了10,000美元的資金目標(biāo)，由此可見(jiàn)無(wú)障礙陶瓷3D打印的市場(chǎng)需求之大。