生物3D打印技术的新研究进展

离体构建生物组织和器官一直以来都是医学界和工程界共同面临的重要难题.由于三维组织结构成型复杂、微环境控制难度大、商业应用下的生产效率和可重复性等因素限制,传统制造方法很难实现生物组织和器官的有效构建.医学模型和生物相容性支架打印技术已发展较为成熟,但相对固定的加工工艺限制了其在活性生物材料打印领域的拓展;4D生物打印技术的概念提出较晚,重点在于产品的可编程性变形,但有关响应性材料的研究仍然较少.采用生物活性物质和生物兼容性材料作为打印墨水的生物3D打印技术,在复杂内部型腔和外部结构的构建方面优势凸显,可以实现器官组织的个性化定制,并高效生成三维活性构建体,在组织工程中的应用潜力巨大.着眼于生物3D打印中关键技术的发展态势,重点分析面向不同器官组织和功能性支架的生物3D打印机理及应用现状,并探讨其在发展过程中需要面临的挑战和仍需注重解决的问题,希望能为后续生物3D打印技术研究工作的大规模推进提供参考.     

3D打印功能单元研究进展

3D打印技术是快速原型制造技术的一种,也被称为增材制造技术,被誉为"第三次工业革命"的核心技术。3D打印技术的强大优势使得越来越多的学者研究不同功能的复杂结构,以实现零件抗冲击、减震、高能量吸收等功能。本文综述了3D打印功能单元的研究现状,重点介绍了抗冲击与能量吸收结构、减震与降噪结构、散热结构、电磁结构等4种复杂功能单元的研究进展,并对几种功能单元的应用进行总结和展望。     

生物3D打印研究进展：动物、植物及微生物细胞的增材制造

生物有机体的仿生制造对人类探索和运用生命机制具有重要意义。生物3D打印基于计算机三维模型，精准控制活细胞、生物材料、生化因子等物质的空间位置，可以模拟人体的组织结构，制造具有复杂异质性的仿生生物组织，并应用于基础研究和临床转化。近年来，生物3D打印技术还拓展到了植物细胞培养以及微生物合成发酵等领域，展现出巨大的应用潜力。本文将对生物3D打印技术的基本原理及最新进展进行介绍，并从动物、植物和微生物细胞打印三方面综述应用现状及挑战，以期对广义生物3D打印的技术发展及应用趋势进行全面梳理。     

薄壁回转体零件五轴3D打印加工工艺研究

对于传统三轴3D打印机,材料只能在一个方向上层层累积,在打印悬浮结构零件时需要打印多余的支撑结构。而五轴3D打印平台可随时调整打印平面的方位,使打印结构的倾斜角度始终小于其临界支撑角,可避免添加支撑结构。通过对五轴3D打印加工工艺的研究,提出了薄壁回转体类零件的五轴3D打印加工指令的生成方法,并进行了实际设计与打印,结果表明本文提出的五轴3D打印方案有效可行。     

基于琼脂-明胶颗粒的海藻酸钠三维打印工艺研究

为了突破打印复杂结构的限制,确定支撑材料的合适配比,研究打印参数对挤出成型工艺的影响,将琼脂-明胶颗粒作为支撑材料,研究海藻酸钠三维打印工艺。介绍了琼脂-明胶颗粒支撑材料的制备方法,分析了不同气压、不同喷头移动速度及不同温度下的海藻酸钠三维打印效果。通过试验确认:琼脂浓度1.5%～3.5%、明胶浓度1%～2.5%是制备琼脂-明胶颗粒支撑材料的最佳配比范围;喷头移动速度4～10 mm/s、气压压力150 kPa～200 kPa、凝胶温度31～33℃是较为合适的海藻酸钠三维打印工艺参数范围。所研究的三维打印工艺为凝胶类材料的复杂形状三维打印提供了技术参考。     

支持4D打印的可控变形结构设计研究进展

4D打印是结合了3D打印技术和智能材料的一种智能结构增材制造技术。通过几何结构设计、智能材料分布设计,4D打印可以制备具有可调节形状、特性或功能的可控变形结构。可控变形结构通过外界的刺激,按设计好的特定方式发生形状、性能和功能的变化,从而使其满足不同领域的应用需求。对可控变形结构的二维结构设计方法和三维变形设计方法的技术研究进展进行综述,总结了支持4D打印的可控变形结构设计的突出成果以及创新性技术。结合4D打印的概念和支持4D打印的可控变形结构设计的研究现状,对其在机械、生物医学等领域的应用进行了展望。     

基于MAM和PAM的多喷头3D打印系统

针对生物组织工程中多组分生物模型的三维打印问题,对电机挤出沉积式喷头、气动式微滴喷射式喷头、多材质模型路径规划及多喷头协调控制等方面进行了研究,提出了基于MAM和PAM的多喷头3D打印系统及多喷头协调控制方法,优化了PAM打印系统以提高系统打印精度,并改进了路径规划方法从而满足了多材质模型打印;最后利用多材质模型的打印实验对该系统的可行性进行了测试。研究结果表明:多喷头3D打印系统实现了多喷头之间的协调控制,实现了多材质复杂模型的打印;同时MAM和PAM喷头打印精度均满足了生物组织工程的需求,为实现高仿生结构的打印奠定了良好的基础。     

人体器官3D打印的最新进展

三维(3D)打印是当今科研界乃至商业界的一大热点,被认为是第三次工业革命或制造业的新突破点。人体器官打印已被当做概念股炒作上市,吸引了无数人的注意。但器官3D打印还处于刚刚起步阶段,需要做的工作很多。尤其是复杂器官打印面临着巨大的困难和挑战。其中最主要的一个挑战就是分支血管和神经系统的快速构建。近年来已经有大批优秀的科研工作者投入其中,内容涉及人体中各个器官,如骨骼、肾脏、肝脏、心脏、大脑,并取得了一定的成绩。这里分别介绍3D打印技术在大段骨修复材料、血管与血管网、人工肝脏、血管化脂肪组织几方面的最新的研究成果以供大家参考。     

面向3D打印的复杂产品设计综述

3D打印能够在不牺牲产品性能的情况下打印出复杂的产品。相对于传统的制造技术,3D打印为设计者提供了宽阔的设计空间。设计者可以设计具有复杂形状、复杂功能和复杂材料的产品。复杂产品设计目标在于根据3D打印的特点,通过综合产品形状、大小、层次结构以及材质组成实现产品性能的最优化。从设计复杂度角度,将面向3D打印的复杂产品设计分为三类:材料复杂型设计、形状复杂型设计和功能复杂型设计,并对其进行综述和总结。最后对目前的热点问题进行了探讨,并预测了未来的一些发展趋势。     

4D打印形状记忆聚合物的变形机制与响应方式研究

4D打印技术以3D打印技术为基础,是一种可变特性快速成型技术,能使通过增材制造得到的成型固件在外界激励下发生形状、结构或功能的改变。本文首先通过调研及查阅文献,对4D打印形状记忆聚合物的记忆原理及特性进行综述;其次对5类形状记忆材料进行分析,得出其变形机制;最后对这5类材料的响应方式进行研究和总结,给形状记忆材料的选用提供参考。     

面向4D打印双层结构自弯曲的变形激励源布局设计

自弯曲作为4D打印的主要变形形式,近年来受到广大研究者的关注。目前针对4D打印结构自弯曲变形的研究主要以试验为主,即通过大量试验指导4D打印产品设计。针对这一问题,提出了面向4D打印双层结构自弯曲的变形激励源布局设计方法。将简单双层结构作为复杂结构变形的激励源,仅需对激励源进行试验测试,即可通过理论模拟多激励源驱动下的4D打印结构变形结果,实现4D打印结构自弯曲的模拟仿真。同时,通过激励源布局参数反求思路,可以指导4D打印自弯曲结构产品设计,为4D打印结构设计提供了新的思路。最后,通过试验测试验证了该方法的有效性,并发现相较于激励源间距,激励源数量对结构弯曲有更大影响。通过合理设计激励源数量和间距,能够实现对4D打印双层结构自弯曲变形的控制。     

3D打印柔性材料特性及有限元分析方法研究

针对3D打印柔性材料特性及有限元分析问题,对3D打印柔性试件的力学特性和有限元仿真方法进行了研究。通过对不同打印条件的柔性试件进行了单轴拉伸实验,测量了试件的力学特性,得到了打印条件对试件弹性模量和泊松比的影响;利用单轴拉伸实验得到的应力应变数据和不同的Abaqus有限元仿真方法对试件进行了分析,得到了3D打印柔性材料的最佳仿真方法,并利用复杂结构零件的仿真结果对仿真方法进行了验证。研究结果表明:层高和打印方向会影响3D打印柔性试件的弹性模量和泊松比;不同打印条件的试件可等效为不同材料的试件进行仿真,将3D打印柔性材料设置为超弹性体时仿真效果最好。     

利用多材料3D打印制造功能梯度材料的研究

针对目前功能梯度材料制造方法的单一和不足,文中提出一种新的聚合物功能梯度材料生产工艺——利用多材料3D打印工艺制造功能梯度材料零件。首先介绍了多材料3D打印的工作原理;其次,通过制作两个功能梯度零件:变密度材料和变刚度材料,验证了利用多材料3D打印技术制造聚合物功能梯度材料的可行性,对于后续研究具有重要的指导意义。     

挤出式3D打印支撑结构研究

从FDM等挤出式3D打印机的工作原理出发,分析构建打印支撑结构的必要性。通过研究挤出式3D打印机的结构和现有的打印支撑类型来探讨挤出式3D打印机的支撑结构的发展。     

大尺寸高精度金属零件激光3D打印装备通过成果鉴定

正由华中科技大学武汉光电国家实验室(筹)完成的"激光3D打印技术"顺利通过了成果鉴定。这套装备为目前世界上效率领先、打印零件尺寸最大的高精度金属零件激光3D打印装备,其采用4台激光器同时扫描,解决了航空航天复杂精密金属零件在材料结构功能一体化及减重等技术难题,实现了复杂金属零件高精度成     

3D打印电子产品技术发展现状探析

应用3D打印技术制造产品具有快速、结构形体复杂度无限制等技术特性,非常适用于电子产品的单件、多品种小批量研制生产,以及采用传统制造方式难以实现的机电结合、结构功能一体的复杂组件的制造,3D打印技术在电子产品制造中的应用研究意义重大.文中在介绍3D打印技术及其在电子产品制造中的应用发展现状的基础上,对3D打印电子产品技术的发展特点、趋势和需求进行了分析,并以3D打印多层PCB技术为例,对其技术发展难点和解决途径进行了探讨.     

3D打印最小产品记忆性耳蜗植入有望使用

汉诺威激光中心是一个独立的、非盈利的研究机构组织,中心的科学家们使用3D打印技术生产出带有记忆功能和复杂形状的微型植入物,如人体内耳的耳蜗。     

基于增强现实技术的3D打印辅助系统研究

简要介绍了增强现实技术及AR+3D打印技术的应用情况,阐述了基于增强现实技术的3D打印辅助系统的构建和实现过程。该系统利用Unity3D引擎,以3D打印模型为研究对象,将3D打印技术和增强现实技术相结合,实现了虚拟和真实环境的融合显示。系统发布于PC端并应用于3D打印工作和机械结构教学中,对于促进机械行业的智能化发展具有重要意义。     

智能传感器在铸造3D打印中的应用研究

3D打印设备属于高精密设备,其结构复杂,设备智能化程度很高,内部集成大量的检测传感器,以获取各种所需的信号与数据,从而实现复杂的打印逻辑和信息交互。随着3D打印设备的智能化程度越来越高,传统意义上的传感器已经无法满足设备的功能需求,而智能传感器的出现则为3D打印技术的蓬勃发展起到了有力支撑。研究了智能传感器在3D打印机上的应用,介绍了智能传感器的功能,分析了铸造3D打印机的结构和原理,将智能传感器应用于其中,极大地提升了3D打印机的整体性能和稳定性。     

4D打印功能构件的热致变形模式分析与变形设计研究

4D打印通过材料和结构的设计将非线性的控制逻辑打印在材料中,制备可以在温度、磁场、紫外线等激励下发生几何结构、功能、性能等可控转变的功能构件。以双层结构的功能构件为研究对象,通过对温度激励下功能构件基体相和增强相的热膨胀进行分析,研究了4D打印功能构件的热致变形机理,得到了基于形状记忆聚合物纤维排布的功能构件变形模式。在此基础上,分析了功能构件的3D打印工艺参数影响,建立了功能构件热致变形的近似解析模型。采用偏最小二乘法拟合了弯曲和螺旋变形的功能构件热致变形等效模型,通过4D打印的功能构件试件的变形特征与模型计算对比,验证了所拟合的等效模型的正确性。最后,设计并4D打印制备了自变形盒型功能构件和自组装螺旋连接功能构件,验证了功能构件形状、功能和特性的设计和可控编辑,对设计4D打印的功能构件具有指导意义。