2015年12月16日星期三
3D打印技術——後裝保障新寵兒
3D打印技術是指用粉末狀金屬或塑料等可逆向工程粘合的材料，通過逐層堆積融合的方式來構造物體。與傳統制造相比，3D打印具有制造成本低、速度快，材料利用率高，打印範圍廣，適應性好等優點，被廣泛應用於復雜設備的設計制造。3D打印技術在軍事領域中的應用與實戰部署，到底會對未來作戰產生什麼影響，值得重視和研究。
3D打印技術不需要傳統制造方式的鑄錠、制胚、模具、模鍛等過程，可以快速、低成本地進行原型機生產，有效提高材料利用率，且RP數字化生產能夠隨時修正，從3D列印而大幅縮短研制周期、降低研制費用。2013年，美國“固體概念”成功制造出世界上首支3D打印金屬手槍，射擊精度與普通槍支沒有任何差別。士兵輕型裝備、地面機器人和無人飛行器等，也都將是3D打印技術大顯身手之處。
當前，裝備維修保障主要采取冗余備份方式，即預先准備大量零部件，在裝備受損時進行替換。由於裝備受損情況難以預測，保障不足時將因為預先准備的配件少而影響武器裝備的及時修復，保障過量時則會因為預先准備的配件過多而增大保障壓力。在未來戰場上，一旦需要更換損毀的零部件，技術保障人員就可隨時利用攜帶的3D打印機“打印”出受損部件，完成受損裝備的維修保障任務。美國陸軍從2012年開始裝備部隊的移動維修保障實驗室，其實就是一個裝有3D打印機的20英尺長標准集裝箱，可通過卡車或直升機運送至任何地點，增強了部隊的持續作戰能力。
3D打印技術在生物醫藥領域也有廣泛的應用，能打印出骨骼、牙齒、人造肝髒、人造血管等多種人體結構，其“量身制作”的個體化器官，與患者身體匹配更精確，從而提高手術成功率。應用到部隊醫療救助中，該技術可打印出符合傷病員需要的器官，改變傳統治療方式，幫打樣助受傷的官兵重新獲得健康的身體。
3D食樣品物打印機只需將食材和配料預先放入容器，輸入所需食譜，通過配套專業軟件就能把美食“打印”出來。美國紐約康奈爾大學研制了一款3D食物打印機，其打印出的食物色香味俱全，與手工制作的食物並無差別。將3D食物打印機裝配到部隊，可以豐富部隊的伙食種類，制作出更多個性美食，官兵可以隨心所欲選擇或自制食譜，打印漢堡、湯團、餛飩、面包棒等美味的食物；而且可以大幅縮減從原材料到成品的環節，解決食物加工、運輸、包裝等環節中的污染與保存等問題，大幅提高部隊後勤保障效率。同時，3D食物打印機不會產生炊煙，解決了執行作戰任務時因炊煙暴露目標的難題。3D打印技術在軍事作戰其他領域也具有巨大應用前景，必將牽引戰場多領域發生變革，全方位提升部隊戰鬥力。
領航3D打印 中國“智”造走向世界
什麼是3D打印?它是快速成型技術樣品的一種，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。自20世紀90年代中期出現3D打印技術，到1986年開發出第一台商業3D印刷機，再到2013年全球首次成功拍賣“ONO之神”3D打印藝術品，短短二十多年的時間RP，3D打印得到了飛速發展。
如今，3D打印技術已先後進入了航天航空、建築、醫療、房屋建築等領域，未來其應用範圍將會越來越廣闊。2012年，全球3D打印設備市場規模為22。04億美元，同比增長28。6%，2017年預計達3D列印到50億美元，到2020年將達到108億美元。巨大的市場缺口、廣闊的發展前景，3D打打樣印這塊沃土吸引了眾多專家逆向工程學者和企業家去探索、去挖掘。
經過多年的發展，我國3D打印技術研究成果有哪些?行業現狀如何?未來發展方向主要是什麼?其技術難題和發展瓶頸如何解決?如何將3D打印真正實現產業化?為此，采訪了眾多3D打印行業內的著名專家學者和知名企業家，共同探討了3D打印的現狀和未來。
3D打印技術分類知識總結
3D打印按用途主要分為三類：工業領域、文創打樣領域、RP生物醫學領域。如果按照打印工作原理，主要可以分為五大類，分別為直接金屬激光燒結（DMLS）、三維粉末粘接（3DP）、選擇性激光燒結（SLS）、立體平版印刷（SLA）以及熔融沉積成型（FDM）等五大類。下面為大家講解一下各個分類所支持的原料種類及產出產品特性。
首先，直接金屬激光燒結（DMLS）可以支持幾乎任何合金材料原料，具有高精度、高強度，速度快，成品表面光滑等特性，一般應用於航空航天以及工業用配件制造行業，可用於高階模具設計等。
其次，三維粉3D列印末粘接（3DP）支持打印陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等原料，其使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域，讓材料粉末進行粘接，可以同時疊加多種色彩，在強度和精細度方面略有不佳表現。
第三，選擇性激光燒結（SLS）技術可支持熱塑性塑料粉末、金屬粉末、塑料粉末等原料，其使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區域，讓材料粉末進行粘接，可以同時疊加多種色彩，在強度和精細度方面略有不佳表現。
再次，立體平版印刷（SLA）技術主要支持液態光敏樹脂，一般用於商業領域。這種技術是最早被商業化的，其特性表現在液態樹脂遇到激光後固化，具有較高精細度，缺陷表現在成本較高，而且其原料液態光敏樹脂具有毒性，對人體有危害性。
最後，需要提高的是熔融沉積造型（FDM）技術，這種技術支持的原料包括固態熱熔塑料、共晶系統金屬、可食用材料等。FDM技術需要對打印機頭進行加熱，首先軟化熱熔性的條形塑料，然後再進行打印成型，這種技術在3D打印領域屬於最簡單的方式，一樣品般可適用於個人。像造夢俠3D打印機用的就是這種技術，被中國3D打印聯盟譽為性價比最高的機器。
逆向工程
全球及中國3D打印市場規模與發展概況
近年來，3D打印市場高速發展，個人3D列印3D打印市場也已開啟。從1994年到2011年，全球3D打印機市場規模一直保持高速增長態勢，復合增長率達到了17。6%。2011年全球個人3D打印設備銷售量呈現爆發式增長，銷售量從5987台猛增至23265台，增幅接近300%，大幅超過商用3D打印設備增速。
金模網產業研究中心發布的《2015-2020年中國3D打印行業市場調查研究與投資策略分析報告》顯示，2013年全球3D打印市場規模約40億美元，相比2012年幾乎翻了一番。其大體分布概況是歐洲約10億美元，美國約15億美元，中國所占份額約3億美元。預計2017年3D打印設備銷售額將達到將近50-60億美元，整個市場將維持近20%增長率。
2、全球3D打印市場競爭結構
2013年全球3D打印市場規模約40億美元，相比2012年幾乎翻了一番。其大體分布概況是歐洲約10億美元，美國約15億美元，中國所占份額約3億美元。面向工業的3D打印機設置台數按國家進行統計的話，美國占38%，位居第一，其次是日本占9。7%，第三位德國占9。4%，第四位中國占8。7% 。
我國3D打印行業發展總體概況
1、國內3D打印市場規模分析
國內3D打印技術起步晚。但是自3D概念一出，立即受到了熱捧，3D打印技術近年來在國內日趨升溫。據統計，2012年中國3D打印市場規模約為10億元，2013年翻了一番達到20億元。但是與美國、德國等發達國家相比，中國的3D打印產業仍處於起步階段，國內3D打印應用仍主要停留在科研階段，並未實現在工業及個人消費領域大規模推廣。
2、國內3D打印產業技術現狀
我國3D打印技術研究起步於上個世紀90年代，技術研發任務主要由清華大學、西安交通大學、華中科技大學等多所知名高校和部分專業研發機構承擔。認為，經過二十多年的努RP力，我國3D打印技術研究取得了長足的進步。3D打印技術專利申請數量逐年增長，以10%的份額，占據世界第3的位置。3D打印設備制造技術、3D打印材料技術、3D設計與成型軟件開發、3D打印工業應用打樣研究等方面研究成果豐碩，激光直接加工金屬技術、生物細胞3D打印技術等已經處於世界先進水平。我國3D打印技術整機生產水平得到了大幅提升。國內部分企業已實現了一定程度的產業化，部分便攜式桌面3D打印機的價格已樣品具備國際競爭力，成功進入了歐美市場。目前，國內3D打印材料技術工藝水平相對滯後，國產3D打印裝備性能以及穩定性與世界先進水平還有一定差距。
3、國內3D打印企業發展現狀
目前，國產3D打印企業還處在發展上升期。3D打印設備的研制生產主要有2種形式，一種是以北京殷華、陝西恆通智能機器、湖北濱湖機電為代表的部分企業，依托高校研究成果，對3D打印設備進行產業化運作，實現了整機生產與銷售；另一種是以南京紫金立德為代表的部分企業，采取引進技術與自逆向工程我開發相結合的辦法，實現了3D打印機的整機生產和銷售。
雖然部分生產的便攜式桌面3D打印機的價格已具備國際競爭力，成功進入歐美市場，但是這些企業普遍規模較小，產品技術與國外廠商同類產品相比尚處於中低端水平，打印精度、打印速度、打印尺寸和軟件支持等方面還難以較好滿足商用需求。部分東部發達地區企業采取購入3D打印設備，專門為相關企業的研發、生產提供服務。其服務範圍涉及設計模具、樣品制作、輔助設計、文物復原等領域，取得了良好的經濟效益。同時，在政府推動和利益驅動下，部分產業鏈上游企業也紛紛考慮投資開發3D打印設備生產和服務，3D打印企業的數量和規模將進一步擴大。
4、國內3D打印產業布局現狀
目前，國內3D打印產業發展呈現加速增長態勢，但發展不夠均衡，技術側重點受地域經濟影響較為明顯。北京、陝西、上海三地是國內3D打印專利申請量最多的省市，3D打印的研究上均側重於生物體制造、塑料成型、圖像數據處理、電數字數據處理。陝西、遼寧、湖北等省份重工業基礎雄厚，3D打印研究側重於金屬粉末成型、激光燒結成型方法、金屬材料鍍覆等方面，廣東、輕工業和生物醫藥產業基礎較好，3D打印產業及技術研究側重於生物體制造和塑料成型。同時，各地3D產業發展受地域人才資源限制，發展進度很不均衡。目前國內3D打印較為突出的省市多有其境內的高校支撐，如北京的清華大學，陝西的西安交通大學、西北工業大學，湖北的華中科技大學，上海的上海大學、東華大學等高校。這些高校彙集了3D打印技術領域的領軍人才，並帶出來一批研究團隊，也帶動了其對於3D打印技術的研究。
3D打印趨勢：生物3D打印可以拯救生命
當 3D打印技術問世時，人們的預期是RP它會改變家庭、定制企業的生產模式，彌補傳統工業生產形式的種種不足。現在，我們已經看到了時裝設計師3D列印使用3D打印完成以往不可能實現的設計、建築師使用3D打印制造房屋、廠商為消費者推出的定制化產品等等；更酷的是，3D打印甚至還彰顯出更多利用價值，如生物打印，能夠幫助人類拯救生命。下面，一起來看看3D生物打印的趨勢案例：
1。 神經細胞打印美國密西根大學的原位納米和納電子學研究室，目前正在研發基於3D打印的神經細胞再造技術，通過3D打印纖維素納米晶體，實現神經細胞再造，對於活體組織培育、器打樣官3樣品D打印具有積極的影逆向工程響。
2。 甲狀腺打印日前，俄羅斯科學家已經成功通過3D打印技術，完成了甲狀腺打印，並成功移植到小白鼠身上。3D打印甲狀腺通過干細胞培育，並與水凝膠混合打印生成，已具有初步的使用價值，該技術將於本月登陸新加坡國際技術會議，進一步探討應用於人類的可行性。
3。 心髒組織打印醫學研究組織Wake Forest近日表示，針對心髒3D打印技術的研究已經實現突破進展，該組織於近日成功實現了心髒、皮膚細胞的重新編程和打印，將其融合並完善，有望在未來實現真正的完整心髒3D打印。
4。 骨骼打印歐洲的醫生目前已經能夠通過3D打印機，結合鈴酸鈣等材質，構建出與人體骨骼非常接近的3D打印骨骼，從而改善金屬、聚合物及陶瓷材質的排異性，實現更好的骨骼移植。
5。 鼻子及耳朵打印新型的3D打印技術，有望幫助意外失去鼻子和耳朵的用戶重新獲得完整的外觀面貌。該技術可通過混合聚合物和軟骨細胞組織的3D打印，在16分鐘內創造出植入物，植入至患者的鼻子或耳朵部分並塑型，細胞組織能夠很好地與患者自身細胞結合，排斥反應幾率極低。
6。 皮膚打印基於皮膚的3D打印技術，有望改善燒傷患者的痛苦，幫助患者重新開始新生活。醫學研究組織Wake Forest目前已經成功實現了臨床級的測試，在燒傷患者傷口上進行皮膚細胞3D打印，改善傷口的損傷、提升愈合能力。另外，歐萊雅此前也與生物合作，在3D打印皮膚上進行化妝品測試，相比傳統的動物測試，更加安全、人道。
2015年12月2日星期三
3D打印在醫學領域的應用
3D打印肝髒模型：日本築波大學和大日本印刷組成的科研團隊2015年7月8日宣布，已研發出用3D打印機低價制作可以看清血管等內部結構的肝髒立體模型的方法。據稱，該方法如果投入應用就可以為每位患者制作模型，有助於術前確認手術順序以及向患者說明治療方法。這種模型是根據CT等醫療檢查獲得患者數據用3D打印機制作的。模型按照表面外側線條呈現肝髒整體形狀，詳細地再現其內部的血管和腫瘤。
由於肝髒模型內部基本是空洞，重要血管等的位置一目了然。據稱，制作模型需要少量價格RP不菲的樹脂材料，使原本約30萬至40萬日元(約合人民幣1。5萬至2萬元)的制作費降到原先的三分之一以下。利用3D打印技術制作的內髒器官模型主要逆向工程用於研究，由於價格高昂，在臨床上沒有得到普及。科研團隊表示，他們一方面爭取到2016年度實現肝髒模型的實際應用，另一方面將推進對胰髒等器官模型制作技術的研發。
3D打3D列印印頭蓋骨：2014年8月28日，46歲的周至農民胡師傅在自家蓋房子時，從3層樓墜落後砸到一堆木頭上，左腦蓋被撞碎，在當地手術後，胡師傅雖然性命無損，但左腦蓋凹陷，在別人眼裡成了個“半頭人”。除了面容異於常人，事故還傷了胡師傅的視力和語言功能。醫生為幫其恢復形像，采用3D打印技術輔助設計缺損顱骨外形，設計了鈦金屬網重建缺損顱眶骨，制作出缺損的左“腦蓋”，最終實現左右對稱。醫生稱手術約需5至10小時，除了用鈦網支撐起左邊腦蓋外，還需要從腿部取肌肉進行填補。手術後，胡師傅的容貌將恢復，至於語言功能還得術後看恢復情況。
3D打印脊椎植入人體：2014年8月，北京大學研究團隊成功地為一名12歲男孩植入了3D打印脊椎，這屬全球首例。據了解，這位小男孩的脊椎在一次足球受傷之後長出了一顆惡性腫瘤，醫生不得不選擇移除掉腫瘤所在的脊椎。不過，這次的手術比較特殊的是，醫生並未采用傳統的脊椎移植手術，而是嘗試先進的3D打印技術。研究人員表示，這種植入物可以跟現有骨骼非常好地結合起來，而且還能縮打樣短病人的康復時間。由於植入的3D脊椎可以很好地跟周圍的骨骼結合在一起，所以它並不需要太多的“錨定”。此外，研究人員還在上面設立了微孔洞，它能幫助骨骼在合金之間生長，換言之，植入進去的3D打印脊椎將跟原脊柱牢牢地生長在一起，這也意味著未來不樣品會發生松動的情況。
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3D打印在航天科技的應用
2014年9月底，NASA預計將完成首台成像望遠鏡，所有元件基本全部通過3D打印技術制造。NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印技術制造整台儀器的單位。這款太空望遠鏡功能齊全，其50。8毫米的攝像頭使其能夠放進立方體衛星（CubeSat，一款微型衛星）當中。據了解，這款太空望遠鏡的外管、外擋板及光學鏡架全部作為單獨的結構直接打印而成，只有鏡面和鏡頭尚未實現。該儀器將於2015年開展震動和熱真空測試。
這款長50。8毫米的望遠鏡將全部由鋁和鈦制成，3D列印而且只需通過3D打印技術制造4個零件即可，相比而言，傳統制造方法所需的零件數是3D打印的5-10倍。此外，在3D打印的望遠鏡中，可將用來減少望遠鏡中雜散光的儀器擋板做成帶有角度的樣式，這是傳統制作方法在一個零件中所無法樣品實現的。
2014年8月31日，美國宇航局的工程師們剛剛完成了3D打印火箭噴射器的測試，本項研究在於提高火箭發動機某個組件的性能，由於打樣噴射器內液態氧和氣態氫一起混合反應，這裡的燃燒溫度可達到6000華氏度，大約為3315攝氏度，可產生2萬磅的推力，約為9噸左右，驗證了3D打印技術在火箭發動機制造上的可行性。本項測試工作位於阿拉巴馬亨茨維爾的美國宇航局馬歇爾太空飛行中心，這裡擁有較為完善的火箭發動機測試條件，工程師可驗證3D打印部件在點火環境中的性能。
制造火箭發動機的噴射器需要精度較高的加工技術，如果使用3D打印技術，就可以降低制造上的復雜程度，在計算機中建立噴射器的三維圖像，打印的材料為金屬粉末和激光，在較高的溫度下，金屬粉末可被重新塑造成我們需要的樣子。火箭發動機中的噴射器內有數十個噴射元件，要建造大小相似的元件需要一定的加工精度，該技術測試成功後將用於制造RS-25發動機，其作為美國宇航局未來太空發射系統的主要動力，該火箭可運載宇航員超越近地軌道，進入更遙遠的深空。馬歇爾中RP心的工程部主任克裡斯認為3D打印技術在火箭發動機噴油器上應用只是第一步，我們的目的在於測試3D打印部件如何能徹底改變火箭的設計與制造，並提高系統的性能，更重要的是可以節省時間和成本，不太容易出現故障。本次測試中，兩具火箭噴射器進行了點火，每次5秒，設計人員創建的復雜幾何流體模型允許氧氣和氫氣充分混合，壓力為每平方英寸1400磅。
2014年10月11日，英國一個發燒友團隊用3D打印技術制出了一枚火箭，他們還准備讓這個世界上第一個打印出來的火箭升空。該團隊於當地時間在倫敦的辦公室向媒體介紹這個世界第一架用3D打印技術制造出的火箭。團隊隊長海恩斯說，有了3D打印技術，要制造出高度復雜的形狀並不困難。就算要修改設計原型，只要在計算機輔助設計的軟件上做出修改，打印機將會做出相對的調整。這比之前的傳統制造方式方便許多。既然美國宇航局已經在使用3D打印技術制造火箭的零件，3D打印技術的前景是十分光明的。
據介紹，這個名為“低軌道氦輔助導航”的工程項目由一家德國數據分析贊助。打印出的這枚火箭重3公斤，高度相當於一般成年人身高，是該團隊用4年時間、花了6000英鎊制造出來的。等一筆1。5萬英鎊的資助確定之後，他們將於今逆向工程年底在新墨西哥州的美國航天港發射該火箭。一個裝滿氦的巨型氣球將把火箭提升到20000米高空，裝置在火箭裡的全球定位系統將啟動火箭引擎，火箭噴射速度將達到每小時1610公裡。之後，火箭上的自動駕駛系統將引導火箭回返地球，而裡頭的攝像機將把整個過程拍攝下來。
美國國家航空航天局（NASA）官網2015年4月21日報道，NASA工程人員正通過利用增材制造技術制造首個全尺寸銅合金火箭發動機零件以節約成本，NASA空間技術任務部表示，這是航空航天領域3D打印技術應用的新裡程碑。
2015年6月22日報道，國營企業俄羅斯技術集團以3D打印技術制造出一架無人機樣機，重3。8公斤，翼展2。4米，飛行時速可達90至100公裡，續航能力1至1。5小時。發言人弗拉基米爾•庫塔霍夫介紹，用兩個半月實現了從概念到原型機的飛躍，實際生產耗時僅為31小時，制造成本不到20萬盧布(約合3700美元)。
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3D打印在海軍艦艇的應用
2014年7月1日，美國海軍試驗了利用3D打印等先進制造技術快速制造艦艇零件，希望借此提升執行任務速度並降低成本。2014年6月24日至6月26日，美海軍在作戰指揮系統活動中舉辦了第一屆制彙節，開展了一系列“打印艦艇”研討會，並在此期間向水手及其他相關人員介紹了3D打印及增材制造技術。
3D列印 美國海軍致力樣品於未來在這方面培訓水手。采用3D打印及其他先進制造方法，能夠顯著提升執行任務速度及預備狀態，降低成本，避免從世界各地采購RP艦船配件。
美國海軍作戰艦隊後勤科副科長Phil Cull打樣om表示，考慮到成本及海軍後勤及供應鏈現存的漏洞，以及面臨的資源約束，先進制造與3D打印的應用越來越廣，他逆向工程們設想了一個由技術嫻熟的水手支持的先進制造商的全球網絡，找出問題並制造產品。
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3D打印的社會評價
3D打印技術是無法應用於大量生產，所以有些專家鼓吹3D打印是第三次工業革命，這個說法只是個噱頭。康為蘋果代工生產iPhone已經多年。郭台銘以3D打印制造的手機為例，說明3D打印的產品只能看不能用，因為這些產品上不能加上電子元器件，無法為電子產品量產。3D打印即使不生產電子產品，但受材料的限制，可以生產的其他產品也很少，“即使生產出來的產品，也無法量產，而且一摔就碎。
“3D打印的確更適合一些小規模制造，尤其是高端的定制化產品RP，比如汽車零部件制造。雖然主要材料還是塑料，但未來金屬材料肯定會被運用到3D打印中來，”克倫打樣普說，3D打印技術先後進樣品入了牙醫、珠寶、醫療行業，未來可應用的範圍會越來越廣。 2014年11月末，3D打印技術被《時代》周刊為2014年25項年度最佳發明。對消費者和企業而言，這是個福音。
僅在過去一年中，中學生們3D打印了用於物3D列印理課實驗的火車車廂，科學家們3D打印了人類器官組織，通用電氣則使用3D打印技術改進了其噴氣引擎的效率。美國三維系統的3D打印機能打印糖果和樂逆向工程器等，該首席執行官阿維•賴興塔爾說:“這的確是一種巧奪天工的技術。”
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3D打印的限制因素
材料的限制：雖然高端工業印刷可以實現塑料、某些金屬或者陶瓷打印， 但無法實現打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機也還沒有達到成熟的水平，無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。研究者們在多材料打印上已經取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟並有效，否則材料依然會是3D打印的一大障礙。
機器的限制：3D打印技術在重建物體的幾何形狀和RP機能上已經獲得了一定的水平，幾乎任何靜態的形狀都可以被打印出來，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難 以實現了。這個困難對於制造商來說也許是可以解決的，但是3D打印技術想要進入普通家庭，每個人都能隨意打印想要的東西，那麼機器的限制就必須得3D列印到解決才行。
知識產權的憂慮：在過去的幾十年裡，音樂、電影和電視產業中對知識產權的關注變得越來越多。3D打印技術也會涉及到這一問題，因為現實中的很多打樣東西都會得到更 加廣泛的傳播。人們可以隨意復制任何東西，並且數量不限。如何制定3D打印的法律法規用來保護知識產權，也是我們面臨的問題之一，否則就會出現泛樣品濫的現像。
逆向工程道德的挑戰：道德是底線。什麼樣的東西會違反道德規律是很難界定的，如果有人打印出生物器官和活體組織，在不久的將來會遇到極大的道德挑戰。
花費的承擔：3D打印技術需要承擔的花費是高昂的。第一台3D打印機的售價為1萬5。如果想要普及到大眾，降價是必須的，但又會與成本形成衝突。每一種新技術誕生初期都會面臨著這些類似的障礙，但相信找到合理的解決方案3D打印技術的發展將會更加迅速，就如同任何渲染軟件一樣，不斷地更新才能達到最終的完善。
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2015年11月13日星期五
3D打印技術助力生物醫學快速發展（一）
3D打印，即快速成型技術的一種，逆向工程它是一種RP以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。近年來，3D打印技術在生物醫學領域的應用越來越廣泛，本文中盤點了3D打印技術在生物技術發展、臨床應用及市場開發上的研究現狀。
3D打印完整的人體器官是科學家一直以來的目標。近日，德國科學家朝這一目標前進了一大步，他們研制出了可3D打印人體組織的“墨水”。德國弗勞恩霍夫界面工程和生物技術研究所日前發表公報稱，他們對明膠進行化學處理後，使其成為適用於打印人體組織的“墨水”。明膠是從膠原質中提取的一種水溶性蛋白質，它是構成人體組織的主要成分。由明膠制成的生物“墨水”在打印過程中可以保持液態，而非膠狀。在紫外線照射後，這種生物“墨水”的分子會交叉融合，形成一種水凝膠。這種水凝膠聚合體含有大量的水分，與真正的人體組織一樣。當溫度升高至37攝氏度時，它可以在水相環境中保持穩定。
布萊漢姆女子的科學家開發出一種新型顯微機器人技術，該技術能夠組裝符合材料，是3D打印和組3D列印織工程的基礎。相關報道發表在近期的Nature Communications雜志上。組織工程和3D打印無疑在未來醫學中具有舉足輕重的作用。由於缺少足夠的器官供體，許多病人都不能恢復健康。用病人自身的細胞進行組織培養產生新器官不僅能夠緩解器打樣官供體的問題，還能解決排斥反應問題。該新技術采用顯微控制技術，能夠在單細胞水平精確控制分隔細胞的水凝膠結構。該顯微機器人由磁場控制，精確度高。這對組織工程有重要意義，因為人類組織結構非常復雜，組織不同層面，不同位置的細胞類型都有可能是有差異的。Tasoglu博士稱，該新技術較以往技術的優勢在於，能夠精確控制，達到組織工程需要的精度。
對3D打印最重要的期望之一是，我們終有一天能夠打印所需的器官。要一個新肝髒嗎?這就來，按下按鈕就可以了。我們期望的未來並不遙遠，來自澳大利亞臥龍崗大學(樣品UniversityofWollongong)的科學家已經研制出了生物筆(BioPen)，它可以讓外科醫生在人體上3D打印出幾乎全新的骨骼。生物筆使用所謂的“干細胞墨水”，一種可以形成新骨骼的人類細胞。所需的另一種物質是一種聚合物，它可以隔離受到手術的區域，以便干細胞不受打擾的工作。你可以想像這是多麼的行之有效：如果有人在事故中失去了部分骨頭，這種像筆一樣的工具可以直接對受傷區域進行修補。
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數控機械展 新增3D列印區
3D列印正夯，預定明年5月上旬登場的2014年台北國樣品際數控機械暨制造技術展」順應潮流新增3D列印產品專區，預計吸引超過1。RP5萬名國外買主及國內業者到訪。
由中華民國對外貿易發展協會及台灣區機械工業同業公會共同舉辦3D列印的「2014年台北國際數控機械暨制造技術展(MTduo 2014)」將於2014年5月8日至11日在南港展覽館展出。
同時，台北國際木工機械暨材料展及台灣家具制造技術展也同期展出，在買主加乘效應下，參展廠商可開拓全新市場及客源。
外貿協會表示，MTduo 2014展覽預計征集300家廠商，使用1000個攤打樣位，除展示最新型自動化工具機及智慧型機器人產品外，也彙集最夯的3D列印產品國內外大廠，展出最新機種與未來應用趨勢。
外貿協會指出，新增的3D列印產品專區，除力邀國內知名業者馬路科技、實威國際參展，展出代理的美國知名大廠3D-system產品及提供3D逆向工程列印解決方案外，也展出台灣最新3D列印研發產品，包括從專業級到個人級的產品。
此外，為提高參展效益，外貿協會除邀請重量級國際買主來台觀展外，並安排一對一采購洽談會、舉辦新產品發表會與創新技術應用研討會，讓業者一窺產業未來發展趨勢與市場潮流。
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中國３Ｄ列印市場處於產業化起步階段
隨著３Ｄ印表機日前在商城、亞馬遜等電子商務平台上架銷打樣售，３Ｄ列印引發業內外各界討論。亞洲制造業協會首席執行官、世界３Ｄ列印技術產業聯盟秘書長羅軍指出，２０１２年是中國的３Ｄ列印科普年，隨著３Ｄ列印概念的普及，３Ｄ印表機會引起更廣泛的關注和推廣。
３Ｄ列印上世紀８０年代誕生於美國，學名是“增材制造”，是將設計好的物體轉化為三維設計圖，采用分層加工、疊加成型的方式逐層增加材料來RP列印真實物體。其工作原理與傳統列印原理類似，只不過３Ｄ印表機不用紙與墨，而是用塑膠、金屬、陶瓷、沙子等材料做成粉狀後充當“墨水”進行列印。
“市面上（包括網路上）銷售的只是桌面級３Ｄ印表機，這是３Ｄ列印技術裡面最簡單、科技含量最低，而且是3D列印未來最有可能在大眾中得到普及的３Ｄ印表機。”羅軍表示，桌面級３Ｄ印表機主要是滿足設計、創意類行業的需求，目前，價位大都在１萬元人民幣左右，多以國產為主。
據了解，中國市場上的３Ｄ印表機主要分為三大類，分別是桌面級、工業級和生物醫學級。“中國３Ｄ列印技術起步於９０年代初期。目前，還處於產業化的起步階段，基本與國際同步。”羅軍說，中國３Ｄ印表機總體上與國際的差距並不大，但是由於工業化起步較晚、工業基礎比較薄弱，中國在工業級３Ｄ印表機的穩定性、精密度、材料等領域與國外還有一些差距。“但是，中國在大型金屬結構件直接制造方面也有自己的優勢，中國率先突破了在大型復雜金屬結構件制造方面的障礙，走在世界的前列樣品。”
去年１０月，中國３Ｄ列印產業聯盟成立，標志著３Ｄ列印產業的資源整合已經步入新階段，不再是以往“小而散”的狀況。
羅軍預測，中國的３Ｄ列印市場將在三年內從逆向工程目前的約１０億元人民幣增長到１００億元。
全球３Ｄ列印產業的權威研究機構美國沃勒斯發布的全球３Ｄ列印產業報告顯示，２０１２年全球３Ｄ列印設備和服務整體市場為２２億美元，其中，美國約佔６０％，德國、日本、中國等各約佔１０％。
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數字打樣
不同於上述兩種方法，既不需要中介的分3D列印色網點膠片，也不需要印版。將數字印前系統(計算機)中生成的數字彩色圖像(又稱數字頁面或數字膠片)直接轉換成彩色樣張，即從計算機直接出樣張。數字打樣分為軟打樣和硬打樣。
軟打樣是將數字頁面直接在彩色顯示器(如計算機顯示屏)上進行顯示，它能夠做到與計算機處理實時顯示，具有速度快、成本低的優點，但因為是加色法顯色原理，而且材質和觀察條件也與實RP際印刷品相差較遠，如今出現利用液晶顯示屏的軟打樣，已有改進。硬打樣如同計算機彩打樣色噴繪樣品一樣，直接將數字頁面轉換成彩色硬拷貝(采用噴墨打印、染料升華、熱蠟轉移、彩色靜逆向工程電照相等成像技術)。由於計算機圖像處理和模擬、控制技術的進步，盡管紙張和呈色劑都與實際印刷不完全一樣，但數字硬打樣已經可以做到與實際印刷品效果非常接近，高質量的產品(如染料熱升華)可達到95%以上的完全一致。
數字打樣是20世紀90年代初期才興起的打樣方法，但其快速、高效和直接數字轉換的特點與印刷技術數字化和網絡化的發展完全吻合，21世紀初已成為主要的打樣方法之一。
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打樣
在印刷生產過程中，用照相方法或電子分色機RP所制得並作了適當修整的底片，在印刷前印成校樣或用其他方法顯示制版效果的工藝。目的是確認印刷生產過程中的設置、處理和操作是否正確，為客戶提供最終印刷品的樣品，並不要求在視覺效果和質量上與最終印刷品完全一樣。打樣大體可以分為三種方法，即打樣機打樣、（色粉）簡易打樣、數字打樣。
最傳統的也是最可靠的一種打樣方法。它使用與正式印刷機相似的設備、印版、紙張和油墨，但打樣機一般都是單色或雙色機(一次運行只能得到一種或兩種顏色)，自動3D列印化程度不高，需要很高的操作技能和經驗，而且必須事先制作印版，因此打樣機打樣效率低、需要恆溫恆濕環境打樣控制、成本較高。這種打樣方法在中國、日本等國家應用廣泛。
一種利用光化學反應獲得影像和彩色的打樣技術，主要有疊層膠片打樣和色粉打樣兩種。這兩種方法的共同特點是將分色網點膠片(如黃版)與附著在膠片或紙張底基上的感光高分子塗層疊合(采用抽真空的方法)，通過分色加網膠片一側用紫外光源進行曝光，使曝光部分成為不可溶或失去黏著性，然後經過溶液顯影或色粉顯影，即可得到彩色影像。所不同的是，前者使用分別攜帶有黃、品紅、青、黑顏料的感光高分子塗層的四張膠片，將曝光、溶液顯影處理後的膠片疊合在一起即可得到一張透射型彩色樣張；後者使用一張與實際印刷品相同的紙張，將無色黏性高分子塗層(類似於不干膠)附著在上面(采用專用的覆膜機)，經過曝光、色粉顯影處理，重復四次，即可得到一樣品張反射型彩色樣張。色粉打樣起始逆向工程於20世紀70年代中期，在歐、美等國家應用廣泛，但由於成像過程與實際印刷過程相差甚遠，很難做到樣張與印刷品完全一致。
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2015年11月11日星期三
專家說３Ｄ列印正向多領域滲透
看過３Ｄ電影，玩過３Ｄ游戲，逆向工程是否嘗試過３Ｄ列印？以色列３Ｄ列印高管２８日說，３Ｄ列印這項過去１０年間發展起來的新興技術，正向多領域滲透，必將對包括設計業在內的多個行業產生重大影響。
所謂３Ｄ列印，其工作原理與傳統列印原理類似，主要區別在於３Ｄ印表機使用的“墨水”是實實在在的原材料。３Ｄ印表機不用紙或墨，而是通過電腦輔助設計、 遠端資料傳輸、鐳射掃描、材料熔融等一系列技術，使特定金屬粉或者可塑性高的材料熔化，並按電子模型圖的指示一層層疊加“鑄造”起來，最終把電子模型圖變 成實物。據業內人士估算，去年３Ｄ列印產品和服務的銷售額是１７億美元，其中零部件制造業占了很大比重。
以色RP列Ｏｂｊｅｔ亞太區經理吉拉德•伊龍２８日在德國法蘭克福３Ｄ列印技術展會上對新華社說，眼下３Ｄ列印的主要目標群體仍是專業領域人員，但專業群體和業余群體的差距正不斷縮小。伊龍認為，伴隨著科技進步，３Ｄ列印將逐步從專業領域走入民眾日常生活。Ｏｂｊｅｔ 是高解析度、超薄３Ｄ列印系統和材料的全球供應商。該首席執行官大衛•賴斯介紹說，３Ｄ列印現在已開始應用於藝術、醫療等多個領域，幫助藝術家創 作，協3D列印助醫生解決醫療難題。比如，日本、荷蘭研究人員已成功借助３Ｄ列印技術設計培育出人體組織，以減輕患者痛苦。預計，未來的傢俱生產商將不再需要設計千篇一律、缺乏新意的產品，而是由顧客提供自行設計的產品圖。購物網站可能只需提供產品設計圖，由顧客在家自行列印成品，從而大幅減少運費……
雖然３Ｄ列印現階段會對設計業產生重大影響，但賴斯同時表示，借助這項技術實現制造業的徹底改變仍需很長時間。打樣據他判斷，在今後很長樣品一段時間內，３Ｄ列印與傳統制造工藝將不可分割地共存。
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明膠“墨水”可３Ｄ列印人體組織
３Ｄ列印完整的人體器官是科學家一直以來的目標。近日，德國樣品科學家朝這一目標前進了一大步，他們研製出了可３Ｄ列印人體組織的“墨水”。
德國弗勞恩霍夫介面工程和RP生物技術研究所日前發表公報稱，他們對明膠進行化學處理後，使其成為適用於列印人體組織的“墨水”。明膠是從膠原質中提3D列印取的一種水溶性蛋白質，它是構成人體組織的主要成分。
由明膠製成的生物“墨水”在列印過程中可以保持液態，而非膠狀。在紫外線照射後，這種生物“墨水”的分子會交叉融合，形成一種水凝膠。這種水凝膠聚合體含有大量的水分，與真正的人體組織一樣。當溫度升高至３７攝氏度時，它可以在水相環境中保持穩定。
通過控制生物“墨水”的化學處理過程，還可使凝膠具有不同的強度和膨脹性，使其像較堅硬的軟骨組織或柔軟的脂肪組織。
目前，醫學介面臨的最大挑戰是生成帶有血管網的打樣組織。一旦擁有自身的血管體系，３Ｄ列印的組織就可以自給自足地獲得營養。研究人員表示，希望不逆向工程久在此方面獲得突破。
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