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疫情下的3D打印技術:以巧取勝

編者按

疫情仍在全球範圍內蔓延,世衛組織已宣布歐洲目前成為疫情“震中”,越來越多國家宣布進入“緊急狀態”。中國方麵,3月12日,中國國家衛生健康委員會資訊發言人米鋒表示,中國已過本輪疫情流行高峰,新增發病數持續下降,疫情總體保持在較低水平。

在這段“戰疫”期間,大量企業紛紛轉產口罩,為控製疫情提供了重要的保障。比亞迪不到30天建成了100條口罩生產線,日產能突破500萬片,一躍成為全球最大的口罩生產商。

而除此之外,我們驚喜地發現,尚處於概念發展階段的3D打印技術,在疫情下屢建奇功。與傳統生產方式不同的是,3D打印無需模具,通過電腦上的3D模型就可以實現複製,因此在小批量定製化生產上,3D更具成本優勢並能夠快速地相應市場需求。

疫情期間,3D打印為醫護人員創造便利

  • 3D打印口罩調節器(TPU材料)
  • 口鼻分離型口罩(防止眼鏡起霧)
  • 3D打印防護麵罩
  • 3D打印護目鏡(防霧、輕質)
  • 3D打印免手觸開門器
  • 全國首個新型冠狀病毒肺部感染病例3D模型
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    新冠肺炎疫情爆發後,出現了很多有關“疫痕”的資訊。科思創亞太創新中心采用3D打印隻做了口罩調節器。

    在選材方麵,調節器選用科思創熱塑性聚氨酯TPU材料。它具備高彈力、軟硬適中,緩解長時間佩戴不適感的同時兼具耐磨耐候性;它還安全環保,可用肥皂或漂白劑清洗、酒精消毒,支持多次重複使用。

    首批3D打印出來的50個口罩調節器,捐贈給了湖北孝感防疫指揮部;科思創通過上海金橋碧雲公益基金會,向上海市第六人民醫院捐贈500個口罩調節器;此外,科思創已聯係合作夥伴Raise 3D和Polymaker擴大產能,並與公益組織合作,為更多醫護人員緩解耳朵的壓力……

    隨後,科思創決定將這款口罩調節器的3D打印STL文件公開發布供下載。Coobx公司就根據源文件,在不到一個小時的時間內打印出了首批400個口罩調節器。

    匹克也在4個小時內,結合傳統運動鞋打印技術,製作出了““耐磨、透氣、柔韌、防滑、環保可回收”,可有效降低戴口罩時對耳朵造成不適的口罩調節器。這款“口罩調節器”所用的P4U+TPU打印線材,是由匹克西安新材料研發中心與萬華化學聯合開發。

    此外,千臨科技、Revo塑成科技、UNIZ科技、創想三維科技有限公司等企業也使用3D打印技術製造了口罩調節器。

    長時間佩戴口罩的醫務人員,由於口罩無法調節大小,臉部均出現了不同程度的麵部勒痕,甚至出現傷口或紅腫。3D打印口罩調節器為堅守在一線的醫護人員帶來了舒適。

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    長期佩戴口罩,其內部容易潮濕,導致不適。另外,佩戴眼鏡的人戴口罩時,眼鏡片上容易起霧。

    廈門的威斯坦3D打印公司在疫情期間生產出了KN95•雙氣流•口鼻分離型口罩,佩戴簡單,更換濾芯方便,一個濾芯可使用三到五天,讓使用者安全舒適。

    這款產品符合中國檢驗標準GB2626-2006 KN95,送國家檢測機構檢驗達到KN98以上的標準,大大超過KN95的標準。

    口鼻分離口罩是在傳統口罩之上的升級版,將口腔和鼻腔分離,形成兩個新風通氣通道,有效避免口腔呼出含有各種異味、病菌的氣體被鼻腔再次吸入,且氣流循環速度更快,呼吸更通暢。公司借助3D打印技術在不到半個月時間內設計生產出了這款口周,材料更使用了食品級PP。

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    深圳市前海蛇口自貿區醫院(蛇口醫院)、國家增材製造創新中心以及西安啟泰坐標醫療科技有限公司,依托共同建設的國家增材製作創新中心深圳蛇口人民醫院醫學創新分中心,將現行先進的科學技術與醫療輔助產品的研發設計緊密結合,利用3D打印技術,快速完成個體化3D打印防護麵罩產品定型、環節優化、成品生產,為醫護人員保駕護航,有效地助力了深圳市新冠疫情防控工作。

    該研發團隊主要根據佩戴者的頭部、麵部掃描數據,進行三維建模,2小時就能完成1個個體化防護麵罩,並可消毒後重複使用。

    該3D打印麵罩為個性化定製,可以精準貼附使用者麵部皮膚,能夠大幅提升氣密性,減低局部壓迫,極大提升口罩的適配性和相對密閉性,緩解佩戴口罩造成的耳部疼痛。

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    湖南雲箭集團有限公司在原有設備基礎上,緊急拉通了一條3D打印醫用護目鏡專用生產線,日產量提升至2000副。

    湖南雲箭集團有限公司生產出來的醫用護目鏡,不僅鏡片防霧效果好、密封度高、重量隻有普通護目鏡的3/4,還可根據個人麵部數據實現私人化定製。在短短153小時內,湖南雲箭就完成了產品設計定型,轉產生產3D打印護目鏡。

    該公司表示,3D打印具有快速應急生產的優勢,在疫情等特殊時期,實現無人化製造,減少疫情傳播,還可共享數據模型,實現網絡協同生產,提高並行生產效率。

    甘肅普瑞特科技有限公司在蘭州周邊醫院采集了100多例醫護人員麵部數據,經過反複試驗和試穿戴,最終確定生產尼龍和樹脂兩種材質的護目鏡。3D打印護目鏡保障了醫護人員在特殊環境下的貼合性、密閉性、舒適性,減緩使用者的疲勞積累。

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    來自比利時的3D打印領軍企業 Materialise 設計了一款3D打印免手觸開門器,使人們可以用手臂來開關門,避免了手與門把手的直接接觸。Materialise 已免費提供可供打印的設計文件,並呼籲全球的3D打印企業來製造這款開門器,讓更多人得以使用,僅需幾小時就可以打印出來。

    專家指出,COVID-19(新型冠狀病毒)在離開人體後,在物體表麵仍能存活一段時間,而門把手便成為了高風險的汙染源。這款3D打印開門器可以裝在門把手上,它的槳狀的延伸部分使人們可以通過用手臂來開關門,避免了手與門把手的直接接觸。出於安全性考慮,並非所有的門都能時刻保持開啟,而使用這款3D打印開門器可以避免觸碰門把手,因而能減少病毒的傳播。

    這款免手觸開門器無需另外鑽孔,即可適配現有的門把手。最初的型號可以裝在圓柱形門把手上,Materialise還計劃根據需要,利用各種3D打印技術推出更多的設計,來應對新冠病毒的廣泛傳播。

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    全國首個新型冠狀病毒肺部感染病例3D模型成功建模並完成打印。其遵循感染者確診5天時的肺部病灶CT數據進行3D重建,由3D打印交付商形優科技依托Stratasys J750打印機和Polyjet的材料靈活調節肖氏硬度,透明度及色彩,逼真還原新型冠狀病毒肺部感染病例。在模型中,新型冠狀病毒的毛玻璃狀影像特征得以清晰呈現,有助於醫學專家更直觀地進行病例實體分析和演繹。

    形優科技為stratasys中國區合作夥伴,其總經理侯傑先生是一位在廣州工作生活的武漢人,今年由於疫情沒法回家過年,他在第一時間積極響應醫學研究需求,著手新型冠狀病毒模型的製作。

3D打印技術發展中遭遇的問題

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近期,一則消息成為了熱門。由於意大利現在是歐洲冠狀病毒的爆發地,該國處於封鎖狀態,以抵抗COVID-19的迅速傳播。大量的病人,讓意大利的醫療保健係統及其供應鏈承受了巨大壓力。

布雷西亞一家醫院有250名冠狀病毒患者,正在接受與呼吸機相連的重症監護。但是很快,醫院用完了呼吸閥,需要將患者連接到呼吸機上。閥門的原始供應商無法在要求的時間內提供新的閥門。作為回應,位於布雷西亞的工程公司Isinnova的首席執行官Cristian Fracassi使用3D打印來滿足醫院的需求,並在此過程中挽救了部分患者的生命。與當地的機械製造商Lonati合作,他們能夠在24小時內生產100個呼吸閥。

每個設備需要大約一個小時才能完成3D打印,每個氣閥3D打印生產成本不到1歐元。經過醫院測試,3D打印呼吸閥能救急——雖然使用壽命比原版更短,但也能支撐8個小時。

然而,Cristian Fracassi對閥門的臨床安全方麵提出了擔憂,因為呼吸閥小孔內部的設計複雜精細,如果沒有原始設計圖,3D打印很難還原全部細節,暫時隻能用於極端情況下的應急需要。

當他為優化呼吸閥細節,向呼吸機製造商求助時,對方不僅一口回絕,還給出了專利警告。該呼吸機製造商稱,設計圖是不可外泄的公司資產,繞過專利許可複製呼吸閥違法,將有被起訴的風險。

雖然疫情當下,Cristian Fracassi團隊也不以盈利為目的,因而得到了人們的支持。但通過這件事情,我們可以發現,3D打印技術在發展過程中,仍有很多問題存在。3D打印的確在短時間內響應了醫療資源的緊缺,但對於醫療器械供應商而言,便宜的替代零件出現,將對其知識產權和企業盈利造成不利影響。

近年來,利用3D運動鞋已經實現了小規模的產業化,而機械設備、打印材料、成本都麵臨著考驗。而在其他領域的應用中,多作為一種原型設計的工具,而非產業化的應用。是因為3D打印麵向的是新的產品設計,而不是廉價的複製品。

此外,除了設備和技術的更迭,法規的製定和細化同樣是3D打印發展的必經之路。

3D打印材料的分類

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3D打印技術&代表企業

類型 成型技術 打印材料 代表公司
擠出成型 熔融層積(FDM) 熱塑性塑料、共融金屬、可食用材料 Stratasys(美)
粒狀物料成型 直接金屬激光燒結(DMLS) 金屬 EOS(德國)
電子束熔煉(EBM) 鈦合金 ARCAM(瑞典)
選擇性激光燒結(SLS) 熱塑性粉末、金屬粉末、陶瓷粉末 3D Systems(美)
選擇性熱燒結(SHS) 熱塑性粉末 Blueprinter(丹麥)
基於粉末床、噴頭和石膏的三維打印(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)
數字光處理(DLP) 液態樹脂 Envision Tec(德國)
聚合體噴射(PI) 光敏聚合物 Objet(以色列)
層壓型 層壓板製造(LOM) 紙、塑料薄膜、金屬箔 CubicTec(美)

3D打印常見的材料

  • 工程塑料
  • 光敏樹脂
  • 金屬材料
  • 陶瓷材料
  • 生物用高分子材料
  • 其他3D打印材料
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    作為當前應用最廣泛的一類3D打印材料,工程塑料占商用3D打印材料的90%以上,應用於FDM設備,是強度、耐衝擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優的塑料。主要包括熱塑性材料和熱固性材料。目前常見的工程塑料主要有以下幾類:

    ABS:當前最熱門的FDM 熱塑性塑料之一,通常呈絲狀;具有良好的熱熔性與衝擊強度,是通過熔融沉積3D打印的首選工程塑料。優點在於打印出的部件機械強度好且穩定性高。同時,還可與可溶性支撐材料一起使用。可以進行多種顏色選擇,甚至可以自定義顏色,比如Stratasys 公司的ABS plus材料在FDM技術的輔助下就能提供象牙色、白色、黑色等九種顏色的選擇。

    PC:白色工程塑料,可與FDM技術相結合製造出耐用的模型、工具或最終產品零件。與ABS塑料相比,PC材料具有更好的強度、耐高溫性、抗衝擊性等優點,因此可以作為最終零部件使用於超強工程製品的應用。使用PC材料製作的樣件可直接裝配使用,廣泛應用於汽車製造、航空航天、醫療器械等領域。

    PA:機械強度高,且具有一定柔韌性,耐熱,耐摩擦。Stratasys 公司的FDM Nylon 12具有出色的強度特性和抗疲勞性,並可抗中度腐蝕性化學品,適於重複閉合、卡扣式和抗振動部件,而Stratasys的FDM Nylon 6同時具有優於其他熱塑性塑料的強度和韌性,可經受嚴格的功能測試,是汽車、航空航天、消費品和工業製造行業中的產品製造商和開發工程師的理想選擇。

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    因具有較快的固化速度,光敏樹脂表幹性能優異,成型後產品外觀平滑,可呈現透明至半透明磨砂狀。因具有良好的液體流動性和瞬間光固化特性,使得液態光敏樹脂成為3D打印耗材用於高精度製品打印的首選材料。目前主要有以下三類:

    齊聚物:含有不飽和鍵的低分子聚合物,種類多,以各類丙烯酸樹脂最為常見。齊聚物是光固化材料中最為基礎的材料,決定了光敏樹脂的黏度、硬度、斷裂延伸率等基本物理化學性能。

    反應性稀釋劑:是含有雙鍵的小分子溶劑。反應性稀釋劑調節體係的黏度,降低齊聚物的黏度,避免噴頭因黏度過高而堵塞。反應性稀釋劑還參與到光固化反應之中,影響到聚合反應的動力學、聚合程度以及固化物的物理性質等。

    光引發劑:最為關鍵的組分,決定了光固化材料的質量與光固化反應的速度。可根據引發輻射的能量不同而分為紫外線引發劑和可見光引發劑。由於紫外光引發劑具有存儲穩定的優點,現在3D 打印市場上所用的光引發劑都是紫外光引發劑。

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    3D打印金屬材料以金屬粉末、金屬箔以及金屬絲的形式存在。金屬材料現階段市場份額較小,但擴張速度最快。

    金屬材料可以用於選擇性激光燒結(SLS)、直接金屬激光燒結(DMLS)、電子束熔煉(EMB)等工業級別的3D打印機。若把金屬材料加入到某些工程塑料材料(如ABS)中去,則可製成適用於FDM 機型的具有一定金屬屬性的線材。

    在3D打印金屬材料的過程中,需要考慮金屬的固液相變、表麵擴散和熱傳導等因素,而金屬粉末的形態直接影響3D打印產品的質量。如今常見的金屬材料包括鈦合金、不鏽鋼、鈷鉻合金和鋁合金等材料。金、銀等貴金屬粉末材料偶爾也會被用於打印首飾或藝術品等。

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    矽酸鋁陶瓷粉末可用於3D打印陶瓷產品,一般呈粉末狀,通常用於選擇性激光燒結(SLS)打印機。3D打印用的陶瓷粉末是陶瓷粉末和某一種粘結劑粉末所組成的混合物。

    陶瓷粉末和粘結劑粉末的配比,會直接影響到陶瓷零部件的性能。粘結劑份量越多,燒結比較容易,但在後處理過程中零件收縮比較大,會影響零件的尺寸精度。粘結劑份量少,則不易燒結成形。

    陶瓷材料具有高強度、耐高溫和耐腐蝕等優點,具有應用於航空航天和汽車等領域的潛能。同時,陶瓷材料可以選擇的顏色很多,可打印出形態逼真、色彩豐富的產品,是工藝品、建築和衛浴產品的理想選擇。

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    生物3D打印材料主要包括支架材料與直接細胞打印材料。支架類3D打印材料需滿足:良好的生物相容性,對細胞及機體無毒害;良好的生物降解特性,可完全被機體降解吸收或排出體外;良好的機械特性,具備一定的力學強度及可塑性,結構可長時間保持穩定,具有較高的孔隙率;良好的表麵相容性,利於細胞在材料表麵黏附與生長。主要分為以下幾類

    PLA:3D打印起初使用得最好的原材料,具有多種半透明色和光澤質感。它源於可再生資源—玉米澱粉和甘蔗,無毒無味,是能夠降解的環保型塑料。

    PETG:具有出眾的熱成型性、堅韌性與耐候性,熱成型周期短、溫度低、成品率高,兼具PLA和ABS的優點。

    PCL:是一種生物可降解聚酯,熔點較低,常常用作特殊用途如藥物傳輸設備、縫合劑等,同時還具有形狀記憶性。在醫學領域,可用來打印心髒支架等。

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    碳纖維材料是一種新興的3D打印材料,強度是鋼的五倍而重量卻隻有其1/3,且還具有耐高溫及耐腐蝕等優點。

    導電打印材料是熱塑性材料的一種,可用於製造具有電子或是機械功能的3D打印產品,如電路板、手電筒以及可穿戴的照明設備等。

3D打印目前主要的應用場景

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  • 機械類應用:航空航天、汽車零件製造、生物研究
  • 教育應用:教學模型、教學課件、教學工具,創新教育
  • 建築應用:建築模型、建築設計、建築沙盤
  • 模具應用:模具設計、模具製作
  • 手辦應用:手辦模型、手辦製作
  • 極客、創客應用:打印部分零件
  • 醫療醫藥齒科:在軟、硬組織修複方麵,模擬術前方案,打印生物組織、手術植入物手術導板、義齒製作、正畸應用
  • 珠寶藝術品行業:高度定製個性化極高的產品設計與生產

我國3D打印產業的現狀

自2011年起,全球掀起了3D打印的熱潮。當前,3D打印在汽車、醫療、航空航天等領域取得了積極地進展。我國在3D打印技術領域起步較晚,與國外相比差距較大。但也因此具有較為廣闊的增長空間,尤其是近年來有利於行業發展的條件逐漸充足,都將推動我國的3D打印相關行業向上發展。

我國對3D打印相關行業予以大力支持,在過去的幾年中,陸續出台《中國製造2025》、《"十三五"材料領域科技創新專項規劃》、《增材製造產業發展行動計劃(2017-2020年)》及《國家支持發展的重大技術裝備和產品目錄》等政策為3D打印行業營造了積極寬鬆的發展氛圍。

近幾年來,我國3D打印市場呈現出穩中向好的態勢。因此,越來越多的企業想要分這塊大蛋糕,紛紛進入該領域,目前中國所有3D打印相關企業中,約有46.9%是2016年以後進入3D打印市場的。當前中國市場的主流設備品牌包括聯泰、EOS、華曙、鉑力特、3D Systems、GE、Stratasys、惠普等,多為國外品牌。

從區域分布來看,我國3D打印產業集聚態勢明顯,目前已基本形成以環渤海、長三角、珠三角為核心,以中西部部分地區為紐帶的產業空間發展格局。其中,北京、浙江、陝西、湖北、廣東等省份產業發展較快。

我國3D打印產業雖然取得了長足的發展,但發達國家還有較大差距,關鍵技術滯後、關鍵裝備與核心器件嚴重依賴進口的問題依然較為突出。此外,中國的專用材料發展滯後,目前國內隻開發出鈦合金、高強鋼等幾十種金屬,材料成形品性能普遍不高。而行業領軍企業及巴斯夫等材料企業紛紛布局專用材料領域,突破一批新型高分子複合材料、高性能合金材料、生物活性材料、陶瓷材料等專用材料。

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結語

在這場全人類的“戰疫”行動中,看似離我們生活很遙遠的3D打印技術,再次讓我們近距離領略了它的魅力。3D打印早期的發展中,桌麵3D打印機麵向的客戶群體為普通個人愛好者,曾經一些3D打印企業或從業者認為每個家庭很快就會擁有3D打印機。然而,事實證明並非如此,近年來,桌麵級3D打印機製造商已將注意力轉向專業用戶或企業用戶。這意味著,小型但不低於工業係統性能的3D打印機得到了廣泛的應用,3D打印不僅僅是一種娛樂或者概念性的玩具,而是帶有功能性的、服務於某個行業市場的設備。

3D打印的技術與上下遊生態圈的發展,目前達到了一定的成熟階段,雖然離大規模生產所要求的質量高度一致性和穩定性還有很多差距。近年來,化工企業為3D打印技術創造的全新材料,將其發展推向了新的高度。3D打印技術仍然在機械設備、打印材料、製造成本、知識產權等方麵存在一定的問題,而通過這次疫情,人們或許會從另一方麵意識到3D打印的價值。未來材料和設備技術的改進、法規的細化是實現3D打印技術產業化的必經之路。