3D打印一周趣闻

3D打印完成关节置换术

哈医大四院骨科五病房廉永云团队，顺利完成一例应用计算机3D打印辅助技术进行的疑难人工全膝关节置换术。3年前，64岁的谭女士出现右膝关节疼痛，半年前加重，当地医院诊断为右膝骨关节炎，建议行人工全膝关节置换术。但谭女士46年前曾行右膝矫形手术，目前右侧股骨远端存在畸形，当地医院建议转至上级医院手术。谭女士曾就诊于全国多家医院，均被告知手术难度较大，无法完成。之后谭女士慕名求诊于哈医大四院廉永云教授，希望能够行手术治疗。使用限制性假体可以有效解决这个问题，但手术费用可能翻倍。针对这些情况，廉永云教授使用计算机3D打印辅助技术，即术前使用计算机进行手术设计，确定截骨角度及截骨量，并使用3D打印技术制作髓外截骨导板，以实现精确截骨。使用计算机3D打印辅助技术，可以重建患者骨骼情况，预估畸形及骨缺损，实现精确的术前设计，减少手术时间，出血量及创伤。据介绍，近两年，通过计算机3D打印辅助技术，哈医大四院骨科五病房已完成了数十例疑难的初次髋，膝关节置换术以及复杂的翻修手术，均取得了满意的效果。

3D打印废料做成新长丝

3D打印机如今已经成为一种普遍的工具，为工业、医疗、模型制造等提供快速原型制造。然而，这也伴随了一些缺点，例如打印过程中，用户总会因为支撑、打印失败、尺寸调整等因素浪费大量材料，这在无形当中增加了制造成本，还会造成环境污染。那么，这个问题该怎么解决呢？荷兰科技公司3DEVO推出了一系列机器，包括材料粉碎机、干燥器和台式长丝挤出机，能够使用户轻松回收打印废料并重新制造新的长丝。整个流程包括切碎、干燥、融化、绕线，最后可以得到新的线轴并进行打印了！3DEVO制造了专用的粉碎机SHR3D IT，能够轻松将旧塑料研磨成颗粒。据称，机器每小时最多能够研磨5.1千克废料，比专业塑料加工节约80%以上的能源。粉碎机还具有便于清洁、更换材料和更换滤网的空间，能够使用户自定义颗粒度。除了废料大小之外，水分也是影响线材质量的重要因素。太过潮湿的材料几乎不可能生产出高质量的3D打印线材。为此，这家公司还制造了干燥机AIRID POLYMER DRYER，旨在消除聚合物内可能发生的任何湿气。此外，在干燥机内，机器配置了搅拌旋转器，确保在所有表面区域能够均匀干燥材料。通过在生产长丝之前干燥颗粒，可以增强所生产长丝的性能特征。

3D打印可伸缩智能纤维

近日，厦门大学白华教授，薛昊副教授报道了一种3D打印方法来制备具有同轴芯-鞘结构的可伸缩弹性纤维，该结构由导电芯层和绝缘层组成。研究人员通过添加石墨烯和PTFE颗粒颗粒成功地控制了PDMS预聚体的流变行为，使其适用于可3D打印的同轴芯-鞘可伸缩纤维。用国产3D打印机打印该同轴弹性纤维，其中核心层打印油墨和套层打印油墨分别进入打印管并通过同轴双出口打印喷嘴挤出。两个通道的气压控制可确保芯层和皮层的印刷油墨同步，这对于纤维的结构稳定性非常重要。然后在170C温度下加热所制备的PDMS预聚物，得到高弹性的同轴纤维。通过上述3D打印方法，可实现大规模的制备同轴弹性纤维。基于上述智能弹性纤维，作者进一步完成了智能纺织品的3D打印准备。图5a示出了智能纺织品的3D打印的示意图。通过3D打印，可以根据需要灵活调整智能纺织品的形状和结构，例如纺织品网格的大小。在这种智能纺织品中，通过PDMS交联和固化在纤维之间形成焊接，并且接头可靠而坚固。这种结构和制作工艺不同于传统纺织品的织造工艺，使整个制备过程简单高效。整个设备可以一次性制造，纤维直径可以小到0.5毫米，甚至更小。此外，这种织物结构作为电子皮肤具有良好的透气性。该智能纺织品具有优异的稳定性和疏水性，即使在洗涤后，设备也能很好地保持原有的结构，没有任何损坏.

3D打印还原呼吸道

西雅图儿童医院展示了如何通过创新提高治疗成效的一个例子：在进入手术室之前，他们会运用3D打印技术来规划手术并练习手术技巧。这种定制护理的方法有助于为患有罕见疾病的患者提供安全和改良的治疗。其中一个案例是一名才出生几天就被送入西雅图儿童医院接受治疗的婴儿，该名婴儿显示出呼吸困难的迹象。在对其进行CT扫描之后，检查出婴儿患有右主支气管狭窄，这是导致新生儿呼吸窘迫的一个罕见病因。该名婴儿的右主支气管狭窄极其严重，这导致她无法有效呼吸，而她的支气管只有发丝大小。西雅图儿童医院呼吸道及消化道计划主任、医学博士Kaalan Johnson负责治疗该名婴儿。Johnson专门研究上呼吸道有复杂呼吸及吞咽问题儿童的治疗方案。由于对精确度的要求非常高，同时手术十分复杂，Johnson及其团队达成了一项协议——提前3D打印滑动气管成形术的每一个步骤，从而制作出与婴儿呼吸道同样大小的模型来进行手术练习和评估。使用Stratasys Digital Anatomy™ 3D打印机，可以精确还原婴儿的呼吸道——甚至是生物力学特性——这让医生可以在得到精确还原的呼吸道上进行练习。能够以数字的方式设计复杂的患者呼吸道，并将其打印出来，不仅能使医生们进行详细的虚拟手术规划，还让他们作为一个团队进行预演，这让所有人对手术的成功开展充满信心。

3D打印技术开发核燃料

3D打印技术目前已经在航空航天、汽车、医疗、油气，以及日用消费品等多个领域得到了广泛应用。但你知道吗？它其实还能够用于制造核燃料！美国爱达荷国家实验室（INL）的科学家就正在进行这样的尝试 — 通过结合传统工艺与3D打印技术，他们已经成功制造出了硅化铀（U3Si2）这样的核燃料。而这种新方式据说不但更加快速经济，还能提高核燃料的循环经济效率。2021年7月9日，加拿大核实验室（CNL）表示，通过利用新的几何构造、新材料、新的燃料混合物，以及将其他材料嵌入核燃料本身的能力，3D打印技术为开发核燃料开辟了新途径。2020年，CNL一直在开发一项将金属散热片嵌入到传统燃料芯块中的设计。这些散热片将有助于将热量从燃料内部传到燃料表面，并传到反应堆冷却剂。模拟结果表明，嵌入这些金属散热片后，核燃料的温度可以大幅降低。随着建模工作的推进，研究团队计划2022年开始制造核燃料。CNL表示，尽管该项技术主要用于“坎杜”重水堆燃料，但也可推广至压水堆和沸水堆燃料研究。

3D打印儿童平衡车

鲍勃是一名3D打印爱好者，平时就喜欢制作各种日常用品，为此他还购买了一台3D打印机。有一天，他突发奇想，打算给自己的儿子3D打印一辆儿童平衡车。说干就干，鲍勃先是参考市面上常见的儿童平衡车绘制了草图，再根据草图创建了3D模型。接着开始3D打印，由于车架尺寸超过了3D打印机的打印尺寸，鲍勃只能把车架切成几个部分，分开打印。大概花费了80个小时的时间，消耗了大约500克的耗材后，鲍勃终于把车架打印了出来。接下来，他对车架进行了打磨处理，并用环氧树脂将车架粘合在了一起。树脂凝固后，鲍勃从事先预留好的开孔，向车架内灌注环氧树脂，直到整个车架内部都填充满环氧树脂。等内部的环氧树脂凝固之后，鲍勃再次用砂纸打磨了整个车架，并涂上了一层红色的环氧树脂。最后，鲍勃给车架安装上了座椅、前叉、轮胎、还有车把手。这样，一辆儿童平衡车就完成了。鲍勃的儿子看到这辆平衡车后，非常喜欢，立马骑着这辆3D打印的车子去“撒野”了。

3D打印镍-铁电池

3D打印技术可制备具有特殊复杂结构的三维电极，新加坡国立大学的De Zhi Kong团队基于此技术制备了一种具有稳定电化学性能的可压缩电池。他们制备的三维准固态镍-铁电池（QSS-NFB）具有良好的可压缩性、超高的比能量密度和优良的长期循环稳定性，在耐压缩和柔性电子技术中具有极其重要的意义。他们分别制备了超薄Ni(OH)2纳米片阵列阴极和多孔α-Fe2O3纳米棒阵列阳极，其均具有超高的活性物质负载量（≥130mg·cm-3），且可压缩性高达60%。此外，压缩后的QSS-NFB在10.6mW·cm-3的功率下表现出优异的循环稳定性（10000次循环后还具有91.3%的容量保持率）和超高的能量密度（28.1mWh·cm-3）。D打印技术可制备具有特殊复杂结构的三维电极，新加坡国立大学的De Zhi Kong团队基于此技术制备了一种具有稳定电化学性能的可压缩电池。他们制备的三维准固态镍-铁电池（QSS-NFB）具有良好的可压缩性、超高的比能量密度和优良的长期循环稳定性，在耐压缩和柔性电子技术中具有极其重要的意义。他们分别制备了超薄Ni(OH)2纳米片阵列阴极和多孔α-Fe2O3纳米棒阵列阳极，其均具有超高的活性物质负载量（≥130mg·cm-3），且可压缩性高达60%（图1b-d）。此外，压缩后的QSS-NFB在10.6mW·cm-3的功率下表现出优异的循环稳定性（10000次循环后还具有91.3%的容量保持率）和超高的能量密度（28.1mWh·cm-3）。

3D打印替代混凝土梁

钢筋混凝土梁是建筑物和桥梁的重要结构件，但它们又长又重，因此需要大型机械来运输和安装。西班牙瓦伦西亚理工大学的研究人员在过去的几年里一直在研究一种更易于管理的替代方案。他们申请了一个系统的专利，该系统使用“类似乐高”的3D打印塑料段，可以拼接在一起，大大节省了重量和施工时间。该团队已经开发了近三年的替代方案，现在已经确定了一个设计，希望能够在建筑界完成一些不同的事情。该系统由一系列独立的片段组成，可以使用回收塑料进行3D打印，然后在现场进行组装，并在上面进行混凝土浇筑，形成结构梁。这些独立段的内部组成灵感来自于厚实紧凑的人体骨骼的形成方式，并为梁提供了一些有用的特性。

3D打印碳纤维速滑冰鞋

目前速滑运动员定制冰鞋主要依靠采集运动员石膏脚模来实现，存在采集过程复杂、效率低、冰鞋制造时间长等问题。而他们将三维扫描技术和足底3D打印技术结合，能够很好地解决上述问题。河北经贸大学杨金田教授团队成员来自河北经贸大学、河北体育学院、河北师范大学、北京体育大学以及东莞理工学院等多所院校。他们目前正在研究的省级科技冬奥专项项目，全称为“个体精准化碳纤维复合材料速滑冰鞋的研发与示范应用”。该项目旨在采用碳纤维高性能复合材料进行速滑冰鞋的研发，通过建立速滑运动员脚型、足底数据库，研发3D足底扫描和打印系统，实现速滑冰鞋的个性化定制和快速制造。据悉，经过一段时间的研发，杨金田教授团队已进入第二代碳纤维速滑冰鞋的测试。“我们通过运用生物力学等技术手段，对第一代产品进行了评测，并与国内外主流品牌碳纤维速滑冰鞋进行了关键参数比对，结果比国内高端速滑冰鞋重量降低4%、冰鞋剥离强度提升7%。即将生产的第二代产品，部分参数上甚至具备了与国外同类产品‘掰手腕’的底气。”杨金田表示，该项目研究截止期为2022年12月，接下来，他们将加快自主研发碳纤维速滑冰鞋迭代提升，力争早日实现对进口品牌的“弯道超车”，为我国冰雪运动发展增强“技力”。

3D打印快递机器人

日本设计公司Final Aim, Inc.正与机器人初创公司OTSAW Digital PTE LTD合作，使用3D打印技术来解决新加坡物流行业中最后一公里送货问题。他们一起使用Ultimaker S3打印机，设计并制造了一个名为Camello的自动送货机器人，以完成物流最后一公里的工作。之前在国内，京东快递等公司也推出过类似的自动送货机器人服务。Ultimaker的渠道总监William Lee表示："3D打印的自动送货机器人，有助于改善物流生态系统，以便顺利和有效地交付给客户，同时为快递公司增加利润率。"在使用CAD软件开发出机器人的设计图之后，Yokoi开始向终端用户、高层管理人员和一线成员征求反馈意见。然后是使用Ultimaker S3制作原型，3D打印不仅仅削减了制造过程的成本，而且为这个过程 "增加了价值"。"3D打印能够将我们的许多想法变成现实。Ultimaker S3非常容易操作，与其他常见的原型制作方法相比，我们发现3D打印对原型制作来说效率更高，"Yokoi表示。