年度回顧:2019年3D打印研究前沿-從醫(yī)學(xué)到月球

赫爾(Hull)的3D打印半身像,使用3D Systems ProJet x60打印機(jī)和他著名的第一臺(tái)3D打印機(jī)SLA-1上(照片:國(guó)家發(fā)明家名人堂)
如今,研究人員創(chuàng)造和使用復(fù)雜的技術(shù),這些技術(shù)幫助他們?cè)诎l(fā)現(xiàn)方面以及為關(guān)鍵應(yīng)用創(chuàng)造新產(chǎn)品和工具方面不斷進(jìn)取。盡管醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尤其受到2019年研究的嚴(yán)重影響,但許多其他領(lǐng)域也是如此。從醫(yī)學(xué)開始,這是今年中國(guó)3D打印網(wǎng)要關(guān)注的五個(gè)研究領(lǐng)域:
醫(yī)學(xué)
今年3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域所帶來的創(chuàng)新是引人注目的,而對(duì)于那些沒有在智囊團(tuán)或顯微鏡前度過時(shí)光的人來說,它們?cè)谀承┓矫鎺缀趿钊穗y以理解。
不可否認(rèn)的是,關(guān)于3D打印的很多事情都是娛樂和游戲。畢竟,今天,您可能會(huì)在許多小學(xué)里找到一臺(tái)3D打印機(jī),讓孩子們學(xué)習(xí)如何制作小物件和小裝飾品,甚至可能在下午或傍晚在您當(dāng)?shù)氐膱D書館中發(fā)現(xiàn)令人驚訝的年輕學(xué)生坐在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行3D設(shè)計(jì)。自己觀看,然后專心觀看各層如何從臺(tái)式3D打印機(jī)逐一打印。這樣一來,最初的興趣變成了對(duì)學(xué)習(xí)和創(chuàng)造的熱情,許多學(xué)生可能會(huì)繼續(xù)打印諸如義肢之類的醫(yī)療設(shè)備或從事其他研究項(xiàng)目。
但是,當(dāng)我們研究拯救處于喪失生命邊緣的患者的時(shí)候,3D打印的就變得越來越重要。研究人員致力于尋找更好的方法來治療患者,尤其是那些患有癌癥和其他危及生命的疾病的患者。可以制作3D模型以多種方式復(fù)制腫瘤并幫助外科醫(yī)生,從對(duì)患者及其家人的診斷和教育到幫助醫(yī)學(xué)生進(jìn)行培訓(xùn),但最終,外科醫(yī)生可能為他們執(zhí)行過的一些最具創(chuàng)新性的程序做準(zhǔn)備。例如,一個(gè)3D模型可能會(huì)伴隨它們很長(zhǎng)一段時(shí)間,從診斷到它在手術(shù)室中用作圍繞小兒骨科手術(shù)的手術(shù)指南的時(shí)間。
在過去的一年中,醫(yī)學(xué)發(fā)明家創(chuàng)造了許多植入物,設(shè)備等。在e-NABLE慶祝其幫助他人八周年之際,志愿者幾乎遍及世界各地,研究了幫助需要接受3D打印假肢的人的方法。

八周年快樂,e-NABLE! (照片:e-NABLE)
3D打印藥物的潛力以及諸如分配器之類的各種外圍設(shè)備也不斷涌現(xiàn)。但毫無疑問,生物打印還是今年的亮點(diǎn),盡管科學(xué)家還沒有達(dá)到為人體打印替代器官的真正意義,以取代對(duì)捐贈(zèng)者和候補(bǔ)名單的需求,但他們?nèi)栽趧?chuàng)造令人難以置信實(shí)用3D打印模型進(jìn)行治療和訓(xùn)練,為急需治療的患者提供3D打印的鈦胸骨,甚至是微型心臟部件。
3D打印的迷你心臟(照片:BIOLIFE4D)
3D打印的這一領(lǐng)域預(yù)計(jì)只會(huì)在2020年進(jìn)一步擴(kuò)大,最終,研究人員將成為生物打印和制造人體器官的圣杯。
(照片:BIOLIFE4D)
材料:金屬與復(fù)合材料的3D打印
盡管實(shí)驗(yàn)室的研究人員繼續(xù)創(chuàng)建自己的軟件和硬件以完成復(fù)雜的研究(通常是對(duì)現(xiàn)有3D打印機(jī)進(jìn)行修改或使用開源軟件),但是材料的研究范圍卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們幾年前的想象。如今,不僅金屬的3D打印持續(xù)增長(zhǎng),研究人員還在學(xué)習(xí)更多有關(guān)可增強(qiáng)金屬粉末的復(fù)合材料(例如顆粒增強(qiáng)金屬?gòu)?fù)合材料)的信息,這些復(fù)合材料可用于航空航天,汽車等主要應(yīng)用和行業(yè)。
通過球磨和直接混合制備的TiC / Ti納米復(fù)合粉末中的納米顆粒分布示意圖,為SLM制備。 (照片:新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué))
添加劑和金屬(以及聚合物)的組合為科學(xué)家以及從汽車制造商到軍方的幾乎每個(gè)行業(yè)的制造商提供了更多選擇。在微重力或零重力環(huán)境中發(fā)展,太空中的金屬3D打印也是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。
航天
科學(xué)家似乎從未厭倦了有關(guān)太空旅行,殖民化,遠(yuǎn)離地球按需建造材料等方面的研究。當(dāng)然,許多研究都是由NASA推動(dòng)的,但公眾仍對(duì)在不久的將來前往火星(或任何類型的太空殖民地)的想法著迷,當(dāng)然,在建造過程中必須伴隨多種選擇,包括機(jī)器人技術(shù)。同樣,材料和復(fù)合材料是研究人員的重要研究領(lǐng)域,例如在高溫下燒結(jié)熱固性復(fù)合材料以及對(duì)航空航天技術(shù)的其他研究。
摘自“在航空航天應(yīng)用中高溫?zé)Y(jié)熱固性復(fù)合材料”(圖片:“熱固性聚酰亞胺復(fù)合材料的激光燒結(jié)”)
同時(shí)還創(chuàng)建了許多不同的引擎組件,以及有關(guān)引擎推進(jìn)器和其他零件的廣泛研究,以優(yōu)化火箭和衛(wèi)星技術(shù)。
建筑3D打印技術(shù)
盡管在不久的將來所有人都可以使用3D打印房屋的現(xiàn)實(shí)可能有些牽強(qiáng),但從辦公室到漂亮房屋再到小房子到可能的可負(fù)擔(dān)房屋的各個(gè)層次的結(jié)構(gòu)制造都取得了進(jìn)步。
[圖片:3DPrinthuset]
大型3D打印機(jī)已經(jīng)由許多國(guó)家的研究人員制造,其想法是為建筑公司提供令人難以置信的好處,例如價(jià)格適中,按需(快速)生產(chǎn),對(duì)工作人員的需求減少等。這些打印機(jī)也可能能夠快速創(chuàng)建整個(gè)社區(qū)。
WASP 3D打印機(jī)將制造圓形的價(jià)格合理的外殼。 (圖片:WASP 3D)
回到材料研究之后,混凝土一直受到人們的關(guān)注,因?yàn)檠芯咳藛T發(fā)現(xiàn)了多種方法來擠出一直以來都是非常常規(guī)的物質(zhì)。現(xiàn)在,科學(xué)家們正在尋找替代建筑的方法,例如混凝土泡沫板,意在替代傳統(tǒng)制造方法的土聚合物混凝土,以及創(chuàng)建更輕巧的空間結(jié)構(gòu)-使用3D打印的最大好處之一就是可以制造更輕的零件-通常情況下,以前根本無法通過傳統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)建的零件。
混凝土泡沫板
能源與發(fā)電
從多孔陽極到制造電池的新技術(shù),研究人員一直在尋找儲(chǔ)存和制造能量的新方法。風(fēng)力渦輪機(jī)受到3D打印領(lǐng)域的廣泛關(guān)注,因?yàn)榭梢愿p松地創(chuàng)建和維護(hù)零件。世界各地的科學(xué)家都在試圖找到更好的使用風(fēng)力渦輪機(jī)的方法,因?yàn)樗鼈儞碛袩o窮無盡的能源,但是從歷史上看,它是昂貴的,并且從總體上來說具有挑戰(zhàn)性。借助3D打印,研究人員還能夠探索改進(jìn)小型風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)的方法。
作用在HAWT葉片橫截面上的力和速度矢量θ⌢是葉片的切線方向。
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