在3D打印的新时代

研究人员正在发明改变游戏规则的技术,研发的3D打印的新应用



在本世纪中叶十五,这将改变历史进程的一个新技术被发明。古腾堡的印刷机,凭借其活字,信息的传播推广和被广泛认为是文艺复兴时期的一个主要因素想法。

五百多年后,一个新类型的印刷在MIT的实验室发明的。伊曼纽尔萨克斯,机械工程教授,发明了被称为粘合剂喷印的过程。在粘合剂喷射印刷,喷墨打印头以选择性地滴液体粘合剂材料为粉末床 - 产生由层的三维物体层。

这三片的MIT的建筑10组件的各成分使用不同制造工艺的商业添加剂印刷圆顶。所述片通过伊利迈克尔萨克斯一个原始设计和其顶部粘合剂喷墨打印的本发明后后建模。信用:菲菲弗兰克尔

高盛的ESTA过程中创造一个新的名字:3D打印。 “我父亲是个出版商和我的母亲是一名编辑,”解释萨克斯。 “长大后我的父亲会带我到印刷机凡作了他的著作,影响了我的决定哪个名字的3D打印过程。”

Sachs的粘合剂喷墨印刷方法在20世纪80年代和20世纪90年代在现在被称为添加剂制造,已经到了描述各种基于层的制造技术的一个术语领域开发了几种技术之一。在过去的三个十年中,出现了添加剂研究制造爆炸。这些技术有可能改变了无数产品的设计和制造方式的潜力。


的3D打印带来的最直接的应用之一已经过气的产品快速成型。 “这需要很长的时间用传统的制造方法为原型,”解释萨克斯。 3D打印已经改变ESTA过程,从而实现快速迭代和测试产品的开发过程中。

ESTA灵活性,是一个改变游戏规则的设计者。 “你现在可以在CAD创造数十款设计,其输入到3D打印机,在几个小时你有你的原型的事,”玛丽亚补充阳气,机械工程教授和主任bt365手机的实验室意念。 “它给你设计开发的水平,以前根本是不可能的。”

在整个工程机械的bt365手机的部门,许多教师一直在寻找新的方法来跨研究领域的一个浩大包括3D打印。无论是印刷纳米尺度的飞机金属部件,印刷物,或打印复杂的生物材料支架推进药物发现,这些研究人员在可能有各个行业的持久影响的方式测试用3D打印技术的极限。

提高速度,成本和准确性

有迹象表明,阻碍我们的添加剂制造具有对古登堡的印刷机的水平产生影响的几个技术障碍。一。约翰哈特,机械工程和bt365手机的实验室制造和生产力主任副教授,聚焦了他对这些问题的研究解决的。

“一到制作3D打印到设计师,工程师和整个产品生命周期的制造商访问的最重要的障碍是速度,成本和每道工序的质量,”解释哈特。

他的研究试图克服这些障碍,并让下一代3D打印机可以在未来的工厂将使用的。对于这种要被完成的,设计的协同作用在机器,材料加工,并且需要计算。

有关教授约翰哈特的研究包括3D印刷对象:一个优化的飞机机翼的核心(顶部)的比例模型;通过桌面金属,公司哈特共同创立在2015年生产的金属钻头和两个环(中和右);塑料齿轮(左下),印刷由哈特的实验室比商业同行快10倍发明了一种高速机器上;和挠性网(底部中心),用于定制医疗括号使用。信用:菲菲弗兰克尔

以工作为实现ESTA的协同作用,哈特的研究小组检测了3D打印的最知名的风格涉及的过程:挤压。在挤出,塑料被熔化并通过在打印头的喷嘴挤压。

“我们分析了过程的基本ITS限制条款 - 聚合物是如何被加热,并成为熔融,多少力才能通过喷嘴推材料,并在围绕打印头的移动,速度补充说:”哈特。

有了这些新的见解,哈特和他的团队设计速度运行,除现有的打印机快十倍新的打印机。齿轮,将有采取1-2小时,以打印可能是现在准备在5至10分钟。在速度ESTA急剧增加是一种新型的打印头设计哈特说有一天希望将商业化的台式机和工业两款打印机的结果。

而这种新技术可以提高我们的快速打印能力塑料,印刷金属需要不同的方法。对于金属,精确的质量控制是工业用三维打印的尤其重要。金属3D打印已经被用于创建对象,从飞机燃料喷嘴髋关节植入物,但它才刚刚开始成为主流。使用金属3D打印特别容易裂纹和缺陷,由于在该过程中固有的大的热梯度的物品制成。

解决ESTA问题,哈特被嵌入的质量控制打印机本身内部。 “我们正在建设的仪器和算法监控印刷工艺和检测任何错误哈弗,小如正在打印几微米,视物”,解释哈特。

ESTA通过先进的监控模拟补充,包括模型可以预测如何即用作原料用于打印的粉末被分布,并且可以还确定如何修改打印处理以考虑变化。

哈特的研究小组,不断开拓在3D打印使用的新材料。我已经开发的方法适用于打印使用纤维素,是世界上最丰富的聚合物,以及碳纳米管,纳米材料在使用莫非柔性电子产品和低成本的射频标签。

 

当谈到3D打印纳米尺度,哈特的同事尼古拉斯xuanlai芳,机械工程教授,多年来致力于这些材料有多小能的极限。

使用轻印刷纳米材料

由半导体和硅芯片产业启发,芳已开发出三维印刷技术,使上的纳米级的打印。作为博士生,方先有了兴趣在3D一边寻找一种更有效的方法,使微传感器和微型泵所用药物交付印刷。

教授尼古拉斯·方与博士后硕金说在纳米光子学和纳米制造3D实验室。信用:约翰freidah

“3D打印前,你需要昂贵的设备,使这些微型传感器”解释芳。 “你会送回来,然后设计布局,以硅生产厂家,那么你会等待4-6个月让您的芯片回来。”这个过程太耗费时间,花了他的实验伙伴之一四年获得八个小片。

在三维打印技术的进步做出较大的产品更便宜,更高效,制造工艺坊开始研究如何将这些技术可能会在一个较小的规模使用。

我转过身来,被称为3D印刷工艺立体。在立体光刻,光通过透镜和原因分子发送到硬化成三维聚合物 - 作为光聚合的已知的方法。

或所谓的衍射极限 - - 其大致四几百纳米,可以使用光固化被印刷对象的大小是由光穿过所述光学透镜发送的波长的限制。芳和他的团队研究人员首次突破ESTA限制。

“我们基本上是把光学技术的精确度和其应用到3D打印,说:”芳。的过程中,被称为投影微立体光刻,转换光的光束成一系列波状图案的。波状图案通过银以产生细纹小如40个纳米,这比衍射极限小10倍,比一缕头发的宽度小一百倍传送。

使用投影microSTereolithography三维印刷技术,教授尼古拉斯芳印刷这个小埃菲尔铁塔模型被弯曲之后可以“记住”其形状。信用:齐(凯文)GE

的能力,使用3D打印这个小的图案特征拥有无数的应用。该技术方中有,一直在研究一种用途是创建一个小的泡沫状作为这可能是用于汽车发动机的催化转化的基板结构。 ESTA结构的温室气体可以治疗在发动机起动之后以分子水平在时刻。

“当你第一次启动你的引擎,它是挥发性有机成分和有毒气体的问题最多。如果我们要升温催化转换器ESTA很快,我们就可以有效地治疗这些气体更多,“我解释道。

芳创造了一个新类也3D的印刷使用微立体光刻投影超材料。这些材料组成的复杂的结构和几何形状。与大多数固体材料,超材料在不与热膨胀和不冷缩。

“超材料这些可以在电路板中使用,以防止过热或相机镜头,以确保不存在收缩,可能会导致在无人驾驶飞机或UAV透镜失去焦点,说:”芳。

最近,你已合作方中用格里菲斯可爱,生物和机械工程的工程创新教学的教授的学校,微型投影立体适用于生物工程领域。

越来越多的人体组织与3D打印的帮助

人体细胞没有被编程在二维培养皿中生长。而从人的主机可能会采取多,一旦他们够厚,他们基本上是饿死无血液持续供应细胞。这已被证明在组织工程中,那里的医生和研究人员感兴趣的是一盘在器官移植使用生长组织领域尤其成问题。

使用投影微立体,研究人员在教授琳达·格里菲斯的实验室已打印的支架,可以帮助干细胞培养成脑组织。信用:皮埃尔sphabmixay

为细胞的健康成长,并组织到组织 体外,他们需要在结构上的或“骨架”。上世纪90年代,可爱格里菲斯,在组织工程和再生医学方面的专家,变成一个新兴的技术来创建这些支架放置 - 三维打印。

“我知道,复制复杂的人体生理 体外,我们需要做支架内的微携带营养物质的细胞和模仿存在于实际器官的机械应力,解释说:”格里菲斯。

她共同发明了一种工艺,使3D打印支架从缝线中使用的相同的生物可降解材料。具有支化结构微小通道的复杂网络是在印刷这些支架的结构。难道血液通过旅游渠道,成长,使细胞开始形成最终的组织。

在过去的二十年中,过程ESTA过气横跨各个医学领域,包括骨再生,并在人耳的形状越来越多软骨使用。格里菲斯和她的合作者,而原本想再生一个肝脏,他们的大部分研究都集中在如何用药物肝交互。

“一旦我们成功增长的肝组织,下一步是解决从中获取有用的表语药物研发信息的挑战,补充说:”格里菲斯。

开发更复杂的支架提供更好的表语信息,格里菲斯同方在运用自己的纳米3D打印技术,组织工程合作。在一起时,它们建立了一个自定义的投影微立体光刻机,可以打印称为肝mesophysiological系统(LMS)高分辨率支架。微立体平版印刷允许对组成LMS支架具有通道宽小至40微米。这些小的通道在升高的流速,这允许氧气在整个密集填充的细胞团扩散使生物人工器官的灌注。

“这些微结构的更详细分钟的打印,我们正在接近这为我们提供了如肝脏炎症和药物毒性准备药物开发问题的准确信息,除了有用的数据关于单细胞癌转移的系统,”格里菲斯补充道。

鉴于肝脏的加工和代谢药物核心作用,模仿它的功能在实验室的能力具有革命性的药物发现领域的潜力。

博士候选人皮埃尔sphabmixay考察了教授琳达·格里菲斯实验室的组织样本。信用:约翰friedah

格里菲斯的团队还运用自己的投影微立体光刻技术为诱导多能干细胞成长为类似人类的脑组织创建支架。 “通过不断增长的3D打印支架这些干细胞,我们希望能够以研究复杂的疾病,如阿尔茨海默氏症,以创造下一代更成熟的脑组织体,解释说:”皮埃尔sphabmixay,格里菲斯实验室的机械工程博士生。

与业界合作

对于3D打印,使对产品如何设计和生产都产生持续的影响,研究人员需要紧密合作,行业。以帮助弥补差距ESTA,bt365手机为中心的数字先进的添加剂技术和生产(APT)在2018年年底推出。

“这个想法是相交的添加剂制造的研究,产业发展,教育所有学科bt365手机的保护伞下,”解释哈特等人创办并担任的董事贴切。 “我们希望将有助于加速容易通过3D打印的,并且使我们能够更好地集中我们的研究迈向超越今天可以想像真正的突破。”

创刊于十一月容易,因为2018年,bt365手机的公司和十二个创始成员 - 这些公司包括如安赛乐米塔尔,欧特克,博世,formlabs,通用汽车公司和大众汽车集团 - 一家大型展会在德国和在校园里见过。最近,他们召开了在bt365手机对添加剂制造可扩展劳动力培训研讨会。

“我们已经创造了APT的成员合作关系,团结和解决当前限制通过3D打印的常见问题 - 更广泛地说,新概念数字驱动生产 - 在规模大,补充说:”哈登昆兰,程序APT的经理。许多人还认为波士顿3D打印创新和创业精神,感谢的部分震中由bt365手机的教师和校友创办的几个快速增长的本地创业公司。

副教授约翰·哈特教授说,与大卫·格里格斯研究生在他的实验室的定制系统选择性激光熔化的前面。在该系统中,激光扫描在正金属粉末,熔融该粉末以形成由层一部分的3D层。信用:约翰friedah

努力像贴切,再加上开创性的工作,添加剂制造在bt365手机的研究领域正在做能否重塑之间,设计和制造各行业新产品的关系。

设计师可以快速原型和迭代设计的产品。更安全,更准确的金属铰链可以印刷在飞机或汽车的使用。超材料可以被印刷而形成的电子芯片不过热。整个器官可以从供体细胞上的3d印刷支架中生长。而这些技术可能不会引发下一次复兴的印刷机一样,他们提供的解决方案的一些最大的问题社会面临的21ST 世纪。