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疫情下的3D打印技术:以巧取胜

编者按

疫情仍在全球范围内蔓延,世卫组织已宣布欧洲目前成为疫情“震中”,越来越多国家宣布进入“紧急状态”。中国方面,3月12日,中国国家卫生健康委员会新闻发言人米锋表示,中国已过本轮疫情流行高峰,新增发病数持续下降,疫情总体保持在较低水平。

在这段“战疫”期间,大量企业纷纷转产口罩,为控制疫情提供了重要的保障。比亚迪不到30天建成了100条口罩生产线,日产能突破500万片,一跃成为全球最大的口罩生产商。

而除此之外,我们惊喜地发现,尚处于概念发展阶段的3D打印技术,在疫情下屡建奇功。与传统生产方式不同的是,3D打印无需模具,通过电脑上的3D模型就可以实现复制,因此在小批量定制化生产上,3D更具成本优势并能够快速地相应市场需求。

疫情期间,3D打印为医护人员创造便利

  • 3D打印口罩调节器(TPU材料)
  • 口鼻分离型口罩(防止眼镜起雾)
  • 3D打印防护面罩
  • 3D打印护目镜(防雾、轻质)
  • 3D打印免手触开门器
  • 全国首个新型冠状病毒肺部感染病例3D模型
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    新冠肺炎疫情爆发后,出现了很多有关“疫痕”的新闻。科思创亚太创新中心采用3D打印只做了口罩调节器。

    在选材方面,调节器选用科思创热塑性聚氨酯TPU材料。它具备高弹力、软硬适中,缓解长时间佩戴不适感的同时兼具耐磨耐候性;它还安全环保,可用肥皂或漂白剂清洗、酒精消毒,支持多次重复使用。

    首批3D打印出来的50个口罩调节器,捐赠给了湖北孝感防疫指挥部;科思创通过上海金桥碧云公益基金会,向上海市第六人民医院捐赠500个口罩调节器;此外,科思创已联系合作伙伴Raise 3D和Polymaker扩大产能,并与公益组织合作,为更多医护人员缓解耳朵的压力……

    随后,科思创决定将这款口罩调节器的3D打印STL文件公开发布供下载。Coobx公司就根据源文件,在不到一个小时的时间内打印出了首批400个口罩调节器。

    匹克也在4个小时内,结合传统运动鞋打印技术,制作出了““耐磨、透气、柔韧、防滑、环保可回收”,可有效降低戴口罩时对耳朵造成不适的口罩调节器。这款“口罩调节器”所用的P4U+TPU打印线材,是由匹克西安新材料研发中心与万华化学联合开发。

    此外,千临科技、Revo塑成科技、UNIZ科技、创想三维科技有限公司等企业也使用3D打印技术制造了口罩调节器。

    长时间佩戴口罩的医务人员,由于口罩无法调节大小,脸部均出现了不同程度的面部勒痕,甚至出现伤口或红肿。3D打印口罩调节器为坚守在一线的医护人员带来了舒适。

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    长期佩戴口罩,其内部容易潮湿,导致不适。另外,佩戴眼镜的人戴口罩时,眼镜片上容易起雾。

    厦门的威斯坦3D打印公司在疫情期间生产出了KN95•双气流•口鼻分离型口罩,佩戴简单,更换滤芯方便,一个滤芯可使用三到五天,让使用者安全舒适。

    这款产品符合中国检验标准GB2626-2006 KN95,送国家检测机构检验达到KN98以上的标准,大大超过KN95的标准。

    口鼻分离口罩是在传统口罩之上的升级版,将口腔和鼻腔分离,形成两个新风通气通道,有效避免口腔呼出含有各种异味、病菌的气体被鼻腔再次吸入,且气流循环速度更快,呼吸更通畅。公司借助3D打印技术在不到半个月时间内设计生产出了这款口周,材料更使用了食品级PP。

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    深圳市前海蛇口自贸区医院(蛇口医院)、国家增材制造创新中心以及西安启泰坐标医疗科技有限公司,依托共同建设的国家增材制作创新中心深圳蛇口人民医院医学创新分中心,将现行先进的科学技术与医疗辅助产品的研发设计紧密结合,利用3D打印技术,快速完成个体化3D打印防护面罩产品定型、环节优化、成品生产,为医护人员保驾护航,有效地助力了深圳市新冠疫情防控工作。

    该研发团队主要根据佩戴者的头部、面部扫描数据,进行三维建模,2小时就能完成1个个体化防护面罩,并可消毒后重复使用。

    该3D打印面罩为个性化定制,可以精准贴附使用者面部皮肤,能够大幅提升气密性,减低局部压迫,极大提升口罩的适配性和相对密闭性,缓解佩戴口罩造成的耳部疼痛。

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    湖南云箭集团有限公司在原有设备基础上,紧急拉通了一条3D打印医用护目镜专用生产线,日产量提升至2000副。

    湖南云箭集团有限公司生产出来的医用护目镜,不仅镜片防雾效果好、密封度高、重量只有普通护目镜的3/4,还可根据个人面部数据实现私人化定制。在短短153小时内,湖南云箭就完成了产品设计定型,转产生产3D打印护目镜。

    该公司表示,3D打印具有快速应急生产的优势,在疫情等特殊时期,实现无人化制造,减少疫情传播,还可共享数据模型,实现网络协同生产,提高并行生产效率。

    甘肃普瑞特科技有限公司在兰州周边医院采集了100多例医护人员面部数据,经过反复试验和试穿戴,最终确定生产尼龙和树脂两种材质的护目镜。3D打印护目镜保障了医护人员在特殊环境下的贴合性、密闭性、舒适性,减缓使用者的疲劳积累。

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    来自比利时的3D打印领军企业 Materialise 设计了一款3D打印免手触开门器,使人们可以用手臂来开关门,避免了手与门把手的直接接触。Materialise 已免费提供可供打印的设计文件,并呼吁全球的3D打印企业来制造这款开门器,让更多人得以使用,仅需几小时就可以打印出来。

    专家指出,COVID-19(新型冠状病毒)在离开人体后,在物体表面仍能存活一段时间,而门把手便成为了高风险的污染源。这款3D打印开门器可以装在门把手上,它的桨状的延伸部分使人们可以通过用手臂来开关门,避免了手与门把手的直接接触。出于安全性考虑,并非所有的门都能时刻保持开启,而使用这款3D打印开门器可以避免触碰门把手,因而能减少病毒的传播。

    这款免手触开门器无需另外钻孔,即可适配现有的门把手。最初的型号可以装在圆柱形门把手上,Materialise还计划根据需要,利用各种3D打印技术推出更多的设计,来应对新冠病毒的广泛传播。

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    全国首个新型冠状病毒肺部感染病例3D模型成功建模并完成打印。其遵循感染者确诊5天时的肺部病灶CT数据进行3D重建,由3D打印交付商形优科技依托Stratasys J750打印机和Polyjet的材料灵活调节肖氏硬度,透明度及色彩,逼真还原新型冠状病毒肺部感染病例。在模型中,新型冠状病毒的毛玻璃状影像特征得以清晰呈现,有助于医学专家更直观地进行病例实体分析和演绎。

    形优科技为stratasys中国区合作伙伴,其总经理侯杰先生是一位在广州工作生活的武汉人,今年由于疫情没法回家过年,他在第一时间积极响应医学研究需求,着手新型冠状病毒模型的制作。

3D打印技术发展中遭遇的问题

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近期,一则消息成为了热门。由于意大利现在是欧洲冠状病毒的爆发地,该国处于封锁状态,以抵抗COVID-19的迅速传播。大量的病人,让意大利的医疗保健系统及其供应链承受了巨大压力。

布雷西亚一家医院有250名冠状病毒患者,正在接受与呼吸机相连的重症监护。但是很快,医院用完了呼吸阀,需要将患者连接到呼吸机上。阀门的原始供应商无法在要求的时间内提供新的阀门。作为回应,位于布雷西亚的工程公司Isinnova的首席执行官Cristian Fracassi使用3D打印来满足医院的需求,并在此过程中挽救了部分患者的生命。与当地的机械制造商Lonati合作,他们能够在24小时内生产100个呼吸阀。

每个设备需要大约一个小时才能完成3D打印,每个气阀3D打印生产成本不到1欧元。经过医院测试,3D打印呼吸阀能救急——虽然使用寿命比原版更短,但也能支撑8个小时。

然而,Cristian Fracassi对阀门的临床安全方面提出了担忧,因为呼吸阀小孔内部的设计复杂精细,如果没有原始设计图,3D打印很难还原全部细节,暂时只能用于极端情况下的应急需要。

当他为优化呼吸阀细节,向呼吸机制造商求助时,对方不仅一口回绝,还给出了专利警告。该呼吸机制造商称,设计图是不可外泄的公司资产,绕过专利许可复制呼吸阀违法,将有被起诉的风险。

虽然疫情当下,Cristian Fracassi团队也不以盈利为目的,因而得到了人们的支持。但通过这件事情,我们可以发现,3D打印技术在发展过程中,仍有很多问题存在。3D打印的确在短时间内响应了医疗资源的紧缺,但对于医疗器械供应商而言,便宜的替代零件出现,将对其知识产权和企业盈利造成不利影响。

近年来,利用3D运动鞋已经实现了小规模的产业化,而机械设备、打印材料、成本都面临着考验。而在其他领域的应用中,多作为一种原型设计的工具,而非产业化的应用。是因为3D打印面向的是新的产品设计,而不是廉价的复制品。

此外,除了设备和技术的更迭,法规的制定和细化同样是3D打印发展的必经之路。

3D打印材料的分类

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3D打印技术&代表企业

类型 成型技术 打印材料 代表公司
挤出成型 熔融层积(FDM) 热塑性塑料、共融金属、可食用材料 Stratasys(美)
粒状物料成型 直接金属激光烧结(DMLS) 金属 EOS(德国)
电子束熔炼(EBM) 钛合金 ARCAM(瑞典)
选择性激光烧结(SLS) 热塑性粉末、金属粉末、陶瓷粉末 3D Systems(美)
选择性热烧结(SHS) 热塑性粉末 Blueprinter(丹麦)
基于粉末床、喷头和石膏的三维打印(PP) 石膏 3D Systems(美)
光聚合成型 光固化成型(SLA) 光敏聚合物 3D Systems(美)
数字光处理(DLP) 液态树脂 Envision Tec(德国)
聚合体喷射(PI) 光敏聚合物 Objet(以色列)
层压型 层压板制造(LOM) 纸、塑料薄膜、金属箔 CubicTec(美)

3D打印常见的材料

  • 工程塑料
  • 光敏树脂
  • 金属材料
  • 陶瓷材料
  • 生物用高分子材料
  • 其他3D打印材料
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    作为当前应用最广泛的一类3D打印材料,工程塑料占商用3D打印材料的90%以上,应用于FDM设备,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。主要包括热塑性材料和热固性材料。目前常见的工程塑料主要有以下几类:

    ABS:当前最热门的FDM 热塑性塑料之一,通常呈丝状;具有良好的热熔性与冲击强度,是通过熔融沉积3D打印的首选工程塑料。优点在于打印出的部件机械强度好且稳定性高。同时,还可与可溶性支撑材料一起使用。可以进行多种颜色选择,甚至可以自定义颜色,比如Stratasys 公司的ABS plus材料在FDM技术的辅助下就能提供象牙色、白色、黑色等九种颜色的选择。

    PC:白色工程塑料,可与FDM技术相结合制造出耐用的模型、工具或最终产品零件。与ABS塑料相比,PC材料具有更好的强度、耐高温性、抗冲击性等优点,因此可以作为最终零部件使用于超强工程制品的应用。使用PC材料制作的样件可直接装配使用,广泛应用于汽车制造、航空航天、医疗器械等领域。

    PA:机械强度高,且具有一定柔韧性,耐热,耐摩擦。Stratasys 公司的FDM Nylon 12具有出色的强度特性和抗疲劳性,并可抗中度腐蚀性化学品,适于重复闭合、卡扣式和抗振动部件,而Stratasys的FDM Nylon 6同时具有优于其他热塑性塑料的强度和韧性,可经受严格的功能测试,是汽车、航空航天、消费品和工业制造行业中的产品制造商和开发工程师的理想选择。

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    因具有较快的固化速度,光敏树脂表干性能优异,成型后产品外观平滑,可呈现透明至半透明磨砂状。因具有良好的液体流动性和瞬间光固化特性,使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。目前主要有以下三类:

    齐聚物:含有不饱和键的低分子聚合物,种类多,以各类丙烯酸树脂最为常见。齐聚物是光固化材料中最为基础的材料,决定了光敏树脂的黏度、硬度、断裂延伸率等基本物理化学性能。

    反应性稀释剂:是含有双键的小分子溶剂。反应性稀释剂调节体系的黏度,降低齐聚物的黏度,避免喷头因黏度过高而堵塞。反应性稀释剂还参与到光固化反应之中,影响到聚合反应的动力学、聚合程度以及固化物的物理性质等。

    光引发剂:最为关键的组分,决定了光固化材料的质量与光固化反应的速度。可根据引发辐射的能量不同而分为紫外线引发剂和可见光引发剂。由于紫外光引发剂具有存储稳定的优点,现在3D 打印市场上所用的光引发剂都是紫外光引发剂。

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    3D打印金属材料以金属粉末、金属箔以及金属丝的形式存在。金属材料现阶段市场份额较小,但扩张速度最快。

    金属材料可以用于选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔炼(EMB)等工业级别的3D打印机。若把金属材料加入到某些工程塑料材料(如ABS)中去,则可制成适用于FDM 机型的具有一定金属属性的线材。

    在3D打印金属材料的过程中,需要考虑金属的固液相变、表面扩散和热传导等因素,而金属粉末的形态直接影响3D打印产品的质量。如今常见的金属材料包括钛合金、不锈钢、钴铬合金和铝合金等材料。金、银等贵金属粉末材料偶尔也会被用于打印首饰或艺术品等。

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    硅酸铝陶瓷粉末可用于3D打印陶瓷产品,一般呈粉末状,通常用于选择性激光烧结(SLS)打印机。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物。

    陶瓷粉末和粘结剂粉末的配比,会直接影响到陶瓷零部件的性能。粘结剂份量越多,烧结比较容易,但在后处理过程中零件收缩比较大,会影响零件的尺寸精度。粘结剂份量少,则不易烧结成形。

    陶瓷材料具有高强度、耐高温和耐腐蚀等优点,具有应用于航空航天和汽车等领域的潜能。同时,陶瓷材料可以选择的颜色很多,可打印出形态逼真、色彩丰富的产品,是工艺品、建筑和卫浴产品的理想选择。

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    生物3D打印材料主要包括支架材料与直接细胞打印材料。支架类3D打印材料需满足:良好的生物相容性,对细胞及机体无毒害;良好的生物降解特性,可完全被机体降解吸收或排出体外;良好的机械特性,具备一定的力学强度及可塑性,结构可长时间保持稳定,具有较高的孔隙率;良好的表面相容性,利于细胞在材料表面黏附与生长。主要分为以下几类

    PLA:3D打印起初使用得最好的原材料,具有多种半透明色和光泽质感。它源于可再生资源—玉米淀粉和甘蔗,无毒无味,是能够降解的环保型塑料。

    PETG:具有出众的热成型性、坚韧性与耐候性,热成型周期短、温度低、成品率高,兼具PLA和ABS的优点。

    PCL:是一种生物可降解聚酯,熔点较低,常常用作特殊用途如药物传输设备、缝合剂等,同时还具有形状记忆性。在医学领域,可用来打印心脏支架等。

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    碳纤维材料是一种新兴的3D打印材料,强度是钢的五倍而重量却只有其1/3,且还具有耐高温及耐腐蚀等优点。

    导电打印材料是热塑性材料的一种,可用于制造具有电子或是机械功能的3D打印产品,如电路板、手电筒以及可穿戴的照明设备等。

3D打印目前主要的应用场景

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  • 机械类应用:航空航天、汽车零件制造、生物研究
  • 教育应用:教学模型、教学课件、教学工具,创新教育
  • 建筑应用:建筑模型、建筑设计、建筑沙盘
  • 模具应用:模具设计、模具制作
  • 手办应用:手办模型、手办制作
  • 极客、创客应用:打印部分零件
  • 医疗医药齿科:在软、硬组织修复方面,模拟术前方案,打印生物组织、手术植入物手术导板、义齿制作、正畸应用
  • 珠宝艺术品行业:高度定制个性化极高的产品设计与生产

我国3D打印产业的现状

自2011年起,全球掀起了3D打印的热潮。当前,3D打印在汽车、医疗、航空航天等领域取得了积极地进展。我国在3D打印技术领域起步较晚,与国外相比差距较大。但也因此具有较为广阔的增长空间,尤其是近年来有利于行业发展的条件逐渐充足,都将推动我国的3D打印相关行业向上发展。

我国对3D打印相关行业予以大力支持,在过去的几年中,陆续出台《中国制造2025》、《"十三五"材料领域科技创新专项规划》、《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》及《国家支持发展的重大技术装备和产品目录》等政策为3D打印行业营造了积极宽松的发展氛围。

近几年来,我国3D打印市场呈现出稳中向好的态势。因此,越来越多的企业想要分这块大蛋糕,纷纷进入该领域,目前中国所有3D打印相关企业中,约有46.9%是2016年以后进入3D打印市场的。当前中国市场的主流设备品牌包括联泰、EOS、华曙、铂力特、3D Systems、GE、Stratasys、惠普等,多为国外品牌。

从区域分布来看,我国3D打印产业集聚态势明显,目前已基本形成以环渤海、长三角、珠三角为核心,以中西部部分地区为纽带的产业空间发展格局。其中,北京、浙江、陕西、湖北、广东等省份产业发展较快。

我国3D打印产业虽然取得了长足的发展,但发达国家还有较大差距,关键技术滞后、关键装备与核心器件严重依赖进口的问题依然较为突出。此外,中国的专用材料发展滞后,目前国内只开发出钛合金、高强钢等几十种金属,材料成形品性能普遍不高。而行业领军企业及巴斯夫等材料企业纷纷布局专用材料领域,突破一批新型高分子复合材料、高性能合金材料、生物活性材料、陶瓷材料等专用材料。

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结语

在这场全人类的“战疫”行动中,看似离我们生活很遥远的3D打印技术,再次让我们近距离领略了它的魅力。3D打印早期的发展中,桌面3D打印机面向的客户群体为普通个人爱好者,曾经一些3D打印企业或从业者认为每个家庭很快就会拥有3D打印机。然而,事实证明并非如此,近年来,桌面级3D打印机制造商已将注意力转向专业用户或企业用户。这意味着,小型但不低于工业系统性能的3D打印机得到了广泛的应用,3D打印不仅仅是一种娱乐或者概念性的玩具,而是带有功能性的、服务于某个行业市场的设备。

3D打印的技术与上下游生态圈的发展,目前达到了一定的成熟阶段,虽然离大规模生产所要求的质量高度一致性和稳定性还有很多差距。近年来,化工企业为3D打印技术创造的全新材料,将其发展推向了新的高度。3D打印技术仍然在机械设备、打印材料、制造成本、知识产权等方面存在一定的问题,而通过这次疫情,人们或许会从另一方面意识到3D打印的价值。未来材料和设备技术的改进、法规的细化是实现3D打印技术产业化的必经之路。