全球3D打印產(chǎn)業(yè)成果頻出

文‖《上海國資》記者 孫一元 整理

全球3D打印產(chǎn)業(yè)成果頻出

文‖《上海國資》記者 孫一元 整理

首個(gè)高速金屬增材制造系統(tǒng)

有許多例子說明使用3D打印增材制造技術(shù)更有成效且更劃算，但在大多數(shù)情況下，傳統(tǒng)的制造工藝仍然是最好的。因?yàn)樯a(chǎn)一個(gè)定制3D打印零件的時(shí)間內(nèi)，通過傳統(tǒng)制造工藝可以生產(chǎn)數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)零件。即使對于像牙科或醫(yī)療植入物這樣的小零件，打印過程可能都需要幾個(gè)小時(shí)，然后每個(gè)零件都需要單獨(dú)處理、刨光。然而，一個(gè)技術(shù)公司聯(lián)盟可能即將改變這種情況，這些公司由歐盟負(fù)責(zé)，旨在通過集成3D打印和表面處理技術(shù)來開發(fā)高性能生產(chǎn)線。

日前，一個(gè)被稱為Hyproline的歐洲增材制造項(xiàng)目展示了他們的新型增材制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)已被優(yōu)化為適合小部件的高速生產(chǎn)。該系統(tǒng)可以使用 316L不銹鋼、鈦金屬或銅材料3D打印小批量或單獨(dú)定制的金屬部件，最終打印成功并去除多余的材料，然后從生產(chǎn)線上自動(dòng)移走成品。這些企業(yè)被集合在一起進(jìn)行Hyproline項(xiàng)目，這多虧了歐盟第七框架計(jì)劃的研究與技術(shù)開發(fā)(FP7)所提供的為期三年的資助，該計(jì)劃在2017年推出，旨在鼓勵(lì)未來的企業(yè)發(fā)展。

Hyproline項(xiàng)目的最終產(chǎn)品是PrintValley，一個(gè)循環(huán)輸送系統(tǒng)，包括100個(gè)獨(dú)立搭建的平臺，每一個(gè)都可以單獨(dú)地升高、降低或去除。每個(gè)平臺都可在同一時(shí)間制造個(gè)體、定制金屬零件或小批量生產(chǎn)金屬零件。平臺跟隨旋轉(zhuǎn)式傳送帶移動(dòng)，零件可以在上面被3D打印、3D掃描缺陷或打印錯(cuò)誤、激光加工以去除多余的打印材料或表面缺陷，然后用一個(gè)集成的拾放機(jī)器人移走。Print Valley可以容納多個(gè)自定義模塊，除了那些 包含在Hyproline示范單位里的。這意味著，幾乎任何類型的制造或裝配系統(tǒng)都可以包括在內(nèi)，包括數(shù)控銑床、噴墨3D打印系統(tǒng)以及給零件上色的工具。

這個(gè)歐盟資助的Hyproline聯(lián)盟目的是開發(fā)一個(gè)工藝，將3D打印技術(shù)用于高速生產(chǎn)。目標(biāo)是使自動(dòng)化的增材制造過程能夠小批量生產(chǎn)金屬部件，減少上市時(shí)間，提高精度，減少浪費(fèi)材料和廢棄零件的數(shù)量。這些都被認(rèn)為是中小型歐洲公司制造小型金屬零件的關(guān)鍵目標(biāo)，如電子、牙科、醫(yī)療和珠寶應(yīng)用。PrintValley將生產(chǎn)小型金屬零件的時(shí)間從一天減少到幾分鐘。

謀求3D打印完整的導(dǎo)彈

在美國亞利桑那州圖森（Tucson），雷神(Raytheon)公司設(shè)計(jì)部門的工程師們正在對3D打印的導(dǎo)彈部件進(jìn)行測試。這家美國國防承包商認(rèn)為，盡管如今增材制造還只能取代某些部件的制造，但有一天它可以3D打印整個(gè)導(dǎo)彈。從整體上看，3D打印的應(yīng)用在民用方面的比例較大，但是這并不意味著3D打印機(jī)不能用于制造致命的東西。雷神公司就是這么想的，這家美國國防承包商是全球制導(dǎo)導(dǎo)彈的最大生產(chǎn)商。該公司正在追隨著其他軍工企業(yè)，如洛克希德·馬丁和MBDA等的腳步，探索在其導(dǎo)彈上使用既強(qiáng)又輕的3D打印部件的可能性。

據(jù)了解，自從最近購買了一套商業(yè)3D打印機(jī)之后，雷神公司幾乎沒有機(jī)會(huì)關(guān)上機(jī)器，該公司的設(shè)計(jì)工程師團(tuán)隊(duì)一直在嘗試用各種新的方式來制造導(dǎo)彈部件。雷神導(dǎo)彈系統(tǒng)公司總裁Taylor Lawrence認(rèn)為，3D打印機(jī)將很快被用在前線為導(dǎo)彈提供零部件，這將改變戰(zhàn)術(shù)，消除供應(yīng)鏈問題，極大地加快備件更換過程。然而，在此期間，工程師必須確定哪些導(dǎo)彈部件可以比較安全有效地使用3D打印來替代。目前已經(jīng)確認(rèn)的只有少數(shù)零部件，但雷神公司正試圖完全跳出來，在更高的角度來考慮整個(gè)制造過程的時(shí)間和成本的削減。該公司甚至正在研究其導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、印刷電路，以及雷達(dá)微波組件應(yīng)用3D打印技術(shù)的可能性?！霸谀軌?D打印整個(gè)導(dǎo)彈前我們還要經(jīng)歷很長一段時(shí)間，但是我們確實(shí)看到了曙光。”Lawrence表示。

哈佛科學(xué)家成功3D打印“生物機(jī)器人”

日前，哈佛大學(xué)的研究人員完成了重要的一步。在一次探索心臟組織工程的嘗試中，由該校教授Kit Kevin Parker帶領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)打造出了一條“活”的微型魔鬼魚。這個(gè)神奇的生物機(jī)器人是用大鼠心臟肌肉組織和3D打印的黃建軟骨組成的，它能夠?qū)獾拿}動(dòng)產(chǎn)生反應(yīng)。

當(dāng)然，這條硬幣大小的魔鬼魚并不是真正活的。盡管這些組織細(xì)胞是活的，而且它們也能夠?qū)饩€產(chǎn)生反應(yīng)，以方便移動(dòng)，但該生物實(shí)際上并不能進(jìn)行自主決策、繁殖等。盡管如此，這也可以稱得上是顛覆性的突破，并足以推動(dòng)機(jī)器人、人工智能、生物工程和3D生物打印領(lǐng)域更多的創(chuàng)新。對大多數(shù)顛覆性突破一樣，它也開始于一個(gè)簡單的想法。兩年前，Parker教授帶著年輕的女兒去波士頓的新英格蘭水族館，在那里他看到自己的女兒完全沉迷于魔鬼魚。教授看著展覽，開始思考如何開發(fā)能夠以類似蜿蜒模式移動(dòng)的肌肉?！巴蝗痪拖褚坏篱W電擊中了我，它看起來很像心臟的肌肉層，這使我找到了用肌肉組織打造該系統(tǒng)的方法?！彼貞浀?。

它是如何工作的？簡單地說，這條小小的魔鬼魚結(jié)合工程、細(xì)胞培養(yǎng)、遺傳學(xué)和生物力學(xué)等領(lǐng)域的最新科技進(jìn)展于一體，其重量只有10克，其骨架是用非常薄的黃金3D打印而成的，上面還鋪了兩層薄薄的彈性聚合物。該聚合物上面覆蓋了大約20萬個(gè)活的心肌細(xì)胞，這些細(xì)胞取自大鼠的心肌。

為了控制細(xì)胞，研究團(tuán)隊(duì)使用了光遺傳學(xué)技術(shù)，這是一種神經(jīng)科學(xué)研究的常用方法，即用光來打開和關(guān)閉神經(jīng)。神經(jīng)元或心臟肌肉并不會(huì)自動(dòng)對光產(chǎn)生反應(yīng)，但通過光遺傳學(xué)，可以通過一段DNA對細(xì)胞進(jìn)行升級。這段特殊的DNA編碼代表了一種可以對光產(chǎn)生反應(yīng)的蛋白，從而使細(xì)胞呈現(xiàn)光敏感性。如今，當(dāng)光線爆發(fā)時(shí)，經(jīng)過基因修改的細(xì)胞收縮，然后推動(dòng)鰭向下滑動(dòng)，當(dāng)細(xì)胞放松時(shí)，該人造魔鬼魚的骨架會(huì)將鰭收回來。結(jié)果就是這樣一個(gè)根據(jù)光線波動(dòng)來游泳的魔鬼魚機(jī)器人。Parker教授指出，在這個(gè)設(shè)計(jì)中，細(xì)胞起到了傳感器和致動(dòng)器的作用，這既有好處也有缺點(diǎn)：雖然活的肌肉細(xì)胞比合成的致動(dòng)器更節(jié)能，但它們也很容易受傷害。為了保持其活力，它們需要浸泡在帶糖和鹽的溫暖溶液里。

在每個(gè)鰭上加上一個(gè)光源，使研究人員能夠分別刺激右側(cè)或左側(cè)的鰭，并操縱這個(gè)生物機(jī)器人向任意方向移動(dòng)。不同頻率的光可以控制鰭的速度，進(jìn)而改變魔鬼魚的速度。Parker表示，盡管可能還要好幾年他才能夠打造出真正的人造心臟，不過這條幾乎活生生的3D打印魚肯定是其朝著正確方向邁出的非常重要一步。

人類功能性肝細(xì)胞組織3D打印

由羅氏制藥和Organovo公司合作進(jìn)行的一個(gè)內(nèi)部研究顯示：3D生物打印的人類肝臟組織在人類雙細(xì)胞以及多細(xì)胞器官領(lǐng)域擁有廣泛的潛力。因此，利用3D生物打印技術(shù)創(chuàng)造的人類混合型胚胎干細(xì)胞能夠真正減少人類對定向藥物的異常反應(yīng)。

據(jù)了解，在生物學(xué)研究領(lǐng)域中，人們過去都是將一種或多種細(xì)胞局限于一個(gè)狹小的二維平面環(huán)境中進(jìn)行培養(yǎng)。雖然這種方法最終也能夠令細(xì)胞形成組織結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)最終達(dá)到的厚度也只能是幾個(gè)細(xì)胞直徑那么多。而如今，生物3D打印技術(shù)改變了這一切，它令傳統(tǒng)的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)更上一層樓?，F(xiàn)在，生物學(xué)研究者們可以在三維的環(huán)境當(dāng)中進(jìn)行細(xì)胞的定向培育，而且可以達(dá)到想要的各種厚度。

在羅氏制藥和Organovo公司進(jìn)行的這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，3D生物打印技術(shù)為細(xì)胞組織的生長提供了一個(gè)完美的三維環(huán)境，令其能夠在各個(gè)方向上進(jìn)行定向分裂，為之后的生物組織和細(xì)胞化學(xué)數(shù)據(jù)評估奠定了基礎(chǔ)。換言之，利用各類人體肝細(xì)胞在三維環(huán)境中進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，將有助于科學(xué)家們更加方便地去調(diào)查并分析人類的組織病理學(xué)和生物化學(xué)數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步深入研究人體組織創(chuàng)造條件，而且這比真正進(jìn)行復(fù)雜的人體實(shí)驗(yàn)要容易得多，成本也大幅降低。

使用3D生物打印的組織，制藥業(yè)的研究人員現(xiàn)在無需人類志愿者就能夠測試藥物在“人體”器官上的可能效果。這使得藥物開發(fā)人員可以進(jìn)行更為激進(jìn)的實(shí)驗(yàn)，而不用考慮測試對象的生命安全。