3D打印陶瓷便携式质谱仪组件
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 紧凑且强大

质谱 (MS) 是定量化学分析的黄金标准，广泛应用于医疗保健、研究和国防等领域。质谱仪的核心是滤质器，它利用电磁场根据质荷比对真空中的电离物质进行分类。

尽管如此，主流质谱仪体积庞大、昂贵、笨重且耗电，限制了它们在原位和自主化学分析应用中的使用。因此，人们对开发紧凑且功能强大的质谱仪来解决这些缺点非常感兴趣。

通过增材制造，研究人员能够轻松尝试新设计，他们迭代了许多不同的四极滤波器设计，这些四极滤波器被一系列三角形晶格包围以提供耐用性。

设计迭代
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麻省理工的科学家将他们的微型过滤器称为四极杆, 它非常精确，因为一些商业级滤质器的成本可能超过 100,000 美元，并且需要数周的时间来制造。

知乎-质谱中的“四极杆”是做什么用的？四极杆是最常用的质量分析器之一,四极杆质谱计属于动态质谱, 由于仅利用纯电场工作, 无需涉及磁场 ,其结构简单 ,重量较轻；仅要求离子入射能量小于某一上限，不要求入射离子实现能量聚焦,从而可引入结构简单、高灵敏度的离子源, 并且适用于具有一定能量分散的离子,如二次离子;扫描速度快 ,可通过调节电参量实现仪器灵敏度和分辨本领的调整,同一台仪器可满足不同的分析要求。这些优点使得四极杆从诞生开始就备受关注,并得到了迅速发展。目前四极杆质谱技术已相当成熟, 作为一种结构紧凑、功能齐全、价格低廉的质谱仪器, 在物理学、分析化学、医学、环境科学、生命科学等领域中获得了广泛应用。

麻省理工学院微系统技术实验室 (MTL) 的首席研究科学家、详细介绍微型四极杆的论文资深作者表示，还有其他小型四极杆过滤器，但它们无法与专业级质量过滤器相媲美。如果尺寸和成本可以更小而不会对性能产生不利影响，那么这种硬件就有很好的应用前景。

四极杆是一种常见的滤质器，由围绕轴的四个金属杆组成。向这些棒施加电压会产生电磁场。根据场的特性，具有特定质荷比的离子移动通过过滤器的中心，而其他离子则从侧面逸出。调整电压混合可以瞄准具有不同质荷比的离子。

尽管设计简单，但典型的不锈钢四极杆相对较重。使其小型化具有挑战性，因为较小的过滤器可能会引入制造误差并收集较少的离子，从而降低化学分析的灵敏度。

该团队通过利用增材制造来创建具有最佳尺寸的小型化四极杆，以提高精度和灵敏度，从而解决了尺寸和灵敏度之间的权衡问题。与许多带有可能降低性能的圆杆的商业过滤器不同，3D打印实现的设计灵活性增强了过滤能力。

 光固化

该过滤器由玻璃陶瓷树脂制成，这是一种相对较新的可打印材料，可以承受高达 900 摄氏度的温度，并在真空中有效运行。其优势源自以下事实：比大多数商业同类产品更小、更轻，并且通过增材制造实现了结构一体化。

该设备是通过大桶光固化3D打印技术制造的，科学家利用3D打印机的多功能性设计了带有双曲杆的四极杆，这种形状非常适合质量过滤，但使用传统方法制造起来具有挑战性。

此外，在杆周围3D打印了一个复杂的点阵网络，以增强耐用性并确保杆正确定位，即使设备受到移动或摇晃也是如此。

最后一步涉及到化学镀，这是一种在棒上涂上薄金属膜以使其导电的技术。该过程包括遮盖整个装置（除了杆），并将四极杆浸入精确加热的化学浴中并控制搅拌条件。这确保了金属薄膜在棒上的均匀沉积，而不会损坏设备的其余部分或导致棒中的短路。

在测试3D打印的四极杆时，科学家们观察到比其他微型过滤器更高的分辨率。长度约为 12 厘米，四极杆的密度仅为同类不锈钢过滤器的四分之一。此外，其他实验表明，其3D打印四极杆所达到的精度可与更大规模的商用滤波器相媲美。

QMF 是许多其他类型质谱系统‘分析引擎’的核心，因此这项研究在整个质谱领域具有重要意义，该领域代表了全球数十亿美元的产业。下一步，科学家计划通过延长过滤器来优化四极杆的性能。

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日前，MIT麻省理工学院宣布他们的一种设计使用剪纸制造超强、轻质的结构。坚固的金属网格采用剪纸技术制成，比软木更轻，并且具有可定制的机械性能。

麻省理工学院的研究人员利用剪纸技术来开发超强、轻质的材料，这些材料具有可调节的机械性能，如刚度和柔韧性。 这些材料可用于飞机、汽车或航天器。
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多孔材料是由许多堆积在一起的细胞组成的材料，例如蜂窝。 这些晶胞的形状在很大程度上决定了材料的机械性能，包括其刚度或强度。 例如，骨骼中充满了天然材料，使其重量轻，但坚硬而坚固。

多孔材料
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 轻量化、定制化

受到自然界中发现的骨骼和其他细胞固体的启发，人类使用相同的概念来开发建筑材料。 通过改变构成这些材料的晶胞的几何形状，研究人员可以设计材料的机械、热或声学特性。 这类的建筑材料用于许多应用，从减震包装泡沫到散热器等等。

麻省理工学院的研究人员利用剪纸技术制造出了一种被称为板状晶格的高性能建筑材料，据称，其规模比科学家之前通过增材制造所能实现的规模要大得多。

研究人员开发了一种模块化构造工艺，其中许多较小的部件被成型、折叠并组装成 3D形状。利用这种方法，麻省理工的科研人员制造了超轻、超强的结构，在指定的负载下，它们可以变形。

由于这些结构重量轻，但坚固、坚硬，并且相对容易大规模批量生产，因此它们在建筑、飞机、汽车或航空航天部件中具有较大的应用潜力。

板晶格是由板的三维交叉点而不是梁制成的蜂窝结构。这些高性能结构比桁架晶格更坚固、更坚硬，但其复杂的形状使得使用 3D 打印等常用技术制造它们具有挑战性，特别是对于大规模工程应用。

麻省理工学院的研究人员通过剪纸技术克服了这些制造挑战。剪纸是一种通过折叠和剪纸制作3D形状的技术，剪纸技术用于制作夹层结构的时候，必须将平板连接到该波纹芯的顶部和底部，并固定在锯齿形折痕形成的狭窄点上。这通常需要强力粘合剂或焊接技术，从而导致组装速度缓慢、成本高昂且难以规模化。麻省理工学院的研究人员修改了一种常见的折纸折痕图案，称为 Miura-ori 图案，因此与钻石上的刻面一样，通过刻面提供了平坦的表面，可以使用螺栓或铆钉更轻松地将板固定在该表面上。

此外，研究人员设计、折叠和切割图案的方式使他们能够调整某些机械性能，例如刚度、强度和弯曲模量，他们将这些信息以及 3D 形状编码到折痕图中，用于创建这些剪纸波纹。例如，根据折叠的设计方式，一些单元可以被固定，以便它们在压缩时保持其形状，而另一些单元可以被变形，以便它们弯曲。通过这种方式，研究人员可以精确控制结构的不同区域在压缩时如何变形。

由于结构的灵活性是可控的，这些可变形部位可用于支持机器人或其他具有移动、扭曲和弯曲部件的动态应用。

 模块化

为了制造机器人等更大的结构，研究人员引入了模块化工艺。他们批量生产更小的折痕图案，并将其组装成超轻、超强的3D结构。较小的结构具有较少的折痕，从而简化了制造过程。

就像3D打印一样。但与3D打印不同的是麻省理工的工艺可以为材料的性能设定限制，利用麻省理工的方法，科研人员制造出抗压强度超过62牛顿的铝结构，但每平方米的重量仅为90公斤。（软木每平方米重约 100 公斤。）这种结构非常坚固，能够承受的力是典型铝波纹板的三倍。

这种技术可用于许多材料，例如钢和复合材料，使其非常适合生产飞机、汽车或航天器的轻型减震部件。

然而，研究人员发现他们的方法可能很难建模。因此，未来他们计划为这些剪纸板网格结构开发用户友好的CAD设计工具。此外，他们希望探索降低模拟设计的计算成本方法，从而更方面定制化所需的材料特性。

这项工作的部分资金由比特和原子研究联盟中心、AAUW 国际奖学金和 GWI Fay Weber 资助。

国内方面，根据3D科学谷的市场观察，季华实验室开发了单胞结构、多胞结构、梯度板状晶格结构及构建方法，据称，该设计方法简单，可实现性强，相较于其他梯度点阵晶格结构在施加载荷时表现出均匀稳定的塑形变形，具有优异的能量吸收能力。

此外，求解逆均匀化问题是设计微结构材料的一种强有力的方法，这其中包括基于密度的，基于等几何分析的，基于双向结构演化的以及水平集方法，通常需要在高性能计算中心（HPC）的算力支持下达到高效并行以减小运行时间，中国科技大学提出了一套在GPU上求解大规模逆均匀化问题的框架。该框架使用C++和CUDA编程语言编写，通过利用统一内存和混合精度策略，减小了对GPU显存容量的需求。由于混合精度带来的精度损失，求解过程会出现数值问题，作者通过对矩阵零空间的处理来避免。同时也设计了合理内存布局以及核函数来提高并行效率。为了满足用户多样化的设计需求，作者在该框架基础上设计了一套自动微分功能的接口，用户只需定义自己的插值函数和目标函数而不用再去编写繁琐的灵敏度分析代码，提高了框架扩展性并减少用户出错的可能。

参考资料：中科大：基于单GPU的大规模微结构设计框架（含开源代码）

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 研究人员首先将患者心脏的医学图像转换为3D计算机模型，然后使用光聚合3D打印设备，得到的是一个柔软、灵活的外壳，与患者自己的心脏形状一模一样，研究小组还可使用这种方法3D打印患者的主动脉。

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为了模拟心脏的泵血动作，该团队制作了类似于血压袖带的袖套，将打印出来的心脏和主动脉包裹起来。每个“袖套”的底面都类似于有精确图案的气泡膜。当“袖套”连接到气动系统时，研究人员可调整流出的空气，有节奏地使套筒内气泡膨胀并收缩心脏，模仿其泵送动作。

研究小组还在主动脉周围给一个单独的套筒充气。他们表示，可调整这种收缩以模仿主动脉瓣狭窄。

医生通常通过外科手术植入人造瓣膜来治疗主动脉狭窄，这种人造瓣膜可以扩大主动脉的自然瓣膜。研究团队表示，未来医生可能会使用他们的新程序首先3D打印患者的心脏和主动脉，然后在3D打印的模型中植入各种瓣膜，看看哪种设计能产生最好的功能，并适合特定的患者。这一心脏模型也可被实验室和医疗器械行业用作测试各种类型治疗方法的现实平台。

研究人员表示，每个人的心脏都是不同的，新系统的优势在于，不仅可重建患者心脏的形态，还可重建其在生理和疾病方面的功能。

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根据3D科学谷的市场观察，麻省理工媒体实验室研发了一种可以将试验电路板与智能穿戴、消费电子产品的3D打印物理原型集成在一起的技术，这项技术为3D打印原型赋予了新的功能，即除了进行产品设计外观测试以外，还能够进行产品电子功能的快速测试。这一技术将进一步丰富电子产品3D打印快速原型的功能。

3D打印“曲线电路板（CurveBoards）”及专用设计软件。来源：MIT

 试验电路板也能实现“随形”设计了

广泛用于电子原型制造的平台是“试验电路板（breadboard）”，麻省理工学院的研究人员发明的新技术，能够将试验电路板直接集成到物理原型上，目的是提供一种更快，更轻松的方法来试验电路功能，在智能设备和柔性电子在产品开发阶段即可实现交互。

传统的试验电路板是规则的矩形板，表面上钻有许多针孔，孔之间具有金属连接和接触点。工程师可以将电子系统的组件（从基本电路到完整的计算机处理器）插入他们希望连接的针孔中。然后，根据需要快速测试，或重新排列和重新测试组件。

传统平板状的试验电路板。来源：Paixin.com

但是测试电路板几十年来一直保持相同的形状，而可穿戴设备和各种智能设备的外观和触感却在快速迭代。通常，工程师需要首先在传统测试电路板测试电路，然后安装到产品原型上，如果需要修改电路，则返回电路板进行测试，当再遇到问题时，仍需重复这一过程。

集成了试验电路板的3D打印电子设备原型-“曲线电路板（CurveBoards）”。来源：MIT

麻省理工学院研究团队针对以上问题研发了新型的“曲线电路板（CurveBoards）”。顾名思义，这种电路板将不再是传统电路板那样的矩形板，而是具有3D形状。也可以说，这是一种集成了试验电路板的3D打印原型，既有电子产品的外观，表面上又具有试验电路板的结构和功能。

“曲线电路板（CurveBoards）中的核心技术是一种自定义设计编辑软件。该软件能够自动设计电子产品的原型，并自动将所有针孔均匀地映射到整个对象。然后，用户为连接通道选择自动或手动布局。在自动选项中，用户只需单击按钮即可在所有针孔中探索不同的连接布局。在手动选项中，则可以使用交互式工具来选择针孔组并指示针孔之间的连接类型。最终，设计将导出到文件中进行3D打印。

正如研究团队在论文中所描述的那样，曲线电路板“保留了电子产品的外观和感觉”同时使设计人员可以在原型迭代过程中尝试组件配置并测试交互式场景。

在上传3D对象之后，该软件将其形状表示为众多微小的“小方块”，每个小方块都有各自的参数。通过这种方式，小方块之间就有了固定的间距。圆锥状的针孔，将被放置在正方形正方形角接触的每个点上。此外，某些几何技术可确保选定的通道将连接所需的电气组件，而不会彼此交叉。

在这项技术研发的过程中，研究人员柔软、耐用、不导电的有机硅材料，3D打印曲线电路板。但为了形成连接通道，他们还开发了一种定制的导电硅材料，将材料注入针孔，然后在打印后流过这些通道。该材料是一种硅树脂混合物，开发该材料的目的是实现最小的电阻，从而在制造各种类型的电子器件时起作用。

安装了电子元器件的3D打印曲线电路板。来源：MIT

为了验证曲线电路板，研究人员3D打印了多种智能产品原型-曲线电路板，并在这些原型上安装了电子元器件。例如，配备扬声器和音乐流功能的菜单控件的耳机；带有数字显示器的交互式手镯；可配有小型照相机的茶壶；带有柔性显示屏的可穿戴电子书阅读器。

研究团队开发曲线电路板的最终目的是实现更快、更好的电子产品原型制造。他们对CurveBoards原型的优势进行了验证。参与验证的设计师被分为两组：一组使用传统方形测试电路板和单独的3D打印原型，另一组直接使用3D打印的曲线电路板。反馈表明，曲线电路板总体上更快，更容易使用。

研究人员表示与传统将方形测试电路板安装在产品的外观原型上的方式相比，这种将试验电路板与原型集成在一起的3D打印技术，旨在实现“中等保真度”的电子产品快速原型，尤其是在需要将产品与人进行交互测试时，使用曲线电路板更加适合。

这一技术中的核心软件仍将继续优化，研究人员希望设计穿戴电子设备的通用模板，例如帽子和手环模板。有了现成的模板，设计人员在设计同类产品时，可以在前期快速试验基本电路和用户交互。此外，研究人员希望将一些早期原型制作步骤完全移至软件中，在软件生成的3D模型上设计和电路测试，甚至可以进行用户交互。经过多次迭代，他们可以3D打印更最终的曲线电路板。

不得不说，麻省理工学院开发的曲线电路板是极具颠覆性的，它一改传统试验电路板保持多年的“刻板形象”，借助3D打印技术能够实现复杂设计的优势，实现了试验电路板的“随形”设计，同时也给电子产品的3D打印原型赋予了新的电路测试功能。在产品研发中，研究团队使用了FDM 3D打印机。3D科学谷期待这一技术将来与市场上更多已商用的塑料3D打印技术，包括MJF、Polyjet等彩色3D打印技术相兼容，为重视用户交互的穿戴电子产品原型制造带来更丰富的解决方案。

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研究团队在Nature 杂志子刊Nature Communication 中发表了题为“Structured multimaterial filaments for 3D printing of optoelectronics”的研究论文。

用于光电子部件制造的多材料长丝与3D打印工艺。来源：Nature Communications

 一次打印同时制造多种材料

在这项研究中，研究团队使用了配备特殊喷嘴的普通3D打印机与特殊的3D打印丝材。这种3D打印长丝由金属、半导体材料、绝缘体材料以复杂的微结构排列在一起，外部被聚合物粘结剂所包围。

多材料3D打印的飞机模型机翼。来源：MIT News

在打印过程中，长丝材料在以较低的温度通过喷嘴，外层的材料被熔化，但内部材料仍然坚固，从而保证制造出的电子设备功能不受到影响，而表面熔化的材料足以牢固的粘附至相邻的材料上，从而形成3D结构。

3D打印机翼
顶部和底部有光发射器，机翼大部分有光探测器
来源：Nature Communications

在研究过程中，团队通过该线材打印了一个飞机模型的机翼，所用丝材包含了用于制造发光和光检测电子设备的材料，这些电子组件的潜在应用为揭示机翼中可能形成的微观裂缝。

研究团队在飞机模型机翼的3D打印中使用了八种不同的材料。根据MIT(麻省理工学院) , 原则上材料种类还可以更多，在这项研究工作之前，由于不同材料所需要的打印工艺和硬件均有区别，通过单一3D打印机同时进行金属材料、半导体材料和绝缘材料三种不同材料的制造是非常具有挑战性的。

根据3D科学谷的市场观察，研究论文的通讯作者Yoel Fink教授以及合作伙伴，在嵌入不同材料的热拉伸纤维的研究领域已经开展了二十年工作，他们研发了一系列包含电子元件的纤维材料，这些材料能够实现通信、可传输数据的闪光灯等功能。而在新的3D打印工艺中，这些纤维材料成为了生产功能性电子设备的原材料。

根据MIT , 以上3D打印材料和工艺将可以用于制造具有不同电子功能的零部件、产品，其中一个应用方向是医疗器械制造。

例如用这一工艺制造假肢，除了实现假肢与患者残肢之间的匹配之外，制造工程师还能够将具有监控作用的电子元件直接嵌入在假肢中的指定位置。另外，还可以制造带有细胞生长监控传感器的组织再生支架。当然，也可以用于制造带有电子功能的零部件原型。

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来自麻省理工学院的研究团队开发了一种可以灵活定制机械性能和几何形状的3D打印网格材料，该材料既可用于制造轻便、柔软的可穿戴支具，又可应用于植入式医疗设备。

3D打印网格材料，通过调整波浪结构改变材料性能。
来源：MIT

 如纺织面料般柔韧的材料

麻省理工学院科学家团队开发的3D打印网格材料具有良好的柔韧性。

3D打印为网格结构的定制提供了便利性，设计师可以通过调整网状结构实现材料的个性化定制，既可以制造脚踝、膝盖支具等外部佩带的设备，又可用于制造植入式设备，例如疝气修补网。

用于制造踝关节、膝关节支具的网格材料。来源：MIT

研究团队通过三款支具展示了3D打印网格材料的性能：

脚踝支架-作用是防止穿戴者的脚踝向内转动，同时保持穿戴者关节移动的灵活性；

膝关节支架-不影响膝盖弯曲；

手部护具-护具与指关节相匹配。

这项研究的侧重点在提供既能够为满足支撑人体组织所需的机械性能，又能够满足几何形状，并且像纺织面料那样灵活及舒适。

研究人员在天然材料胶原蛋白中找到了这款材料的设计灵感。胶原蛋白是人体软组织中的结构蛋白，韧带、肌腱和肌肉中都含有胶原蛋白。在显微镜下观察到的胶原蛋白看起来就像是弯曲交织在一起的股线，当被拉伸时会变直。

研究人员模仿胶原蛋白的特点，以热塑性聚氨酯（TPU）为原材料，设计了模拟胶原蛋白分子结构的3D打印波浪状的网格材料，它们坚韧、可拉伸。

波浪状结构是调整整块材料性能的关键，通过改变波浪结构，材料的特性将能够被改变，网状材料变硬之前，波浪越高网格材料在在低应变下拉伸得越多。

研究团队对于材料为脚踝提供的支撑作用进行了测试，研究人员为健康的志愿者们提供了可以粘附在脚踝外侧的3D打印网状材料，然后用脚踝僵硬度测量机器人Anklebot 对志愿者进行测试。机器人分别对佩带了支撑材料与没有佩带支撑材料的志愿者移动脚踝时所用的力进行了测试。

这些测试揭示了3D打印网格如何影响踝关节在各个方向的刚度，并发现3D打印网状材料在反转期间增加了踝关节的刚度，同时使踝关节不受其他方向运动的影响。

根据麻省理工学院机械工程副教授A. John Hart，这种网状材料制造的方式比较简单，通过FDM 桌面级3D打印机就可以实现制造。

根据3D科学谷的了解，研究团队还对网格状材料的设计思路进行了拓展，比如说，类似的设计方式还可以用于制造金属3D打印网格材料，前面提到的可植入人体的疝网就可以通过金属材料进行制造。研究团队还想出一种方法，通过在弹性网的某些部分上印刷不锈钢纤维，然后再印刷第三弹性层，就像三明治夹心结构一样将坚硬的不锈钢材料夹在中间，通过这种方法创建的3D打印网格材料可以延伸到一定程度，但当材料变硬时可以提供额外的力量和支撑，这对于制造防止肌肉过度训练的器械尤其有意义。

研究人员还在类似设计思路的基础上开发了一种3D打印超材料，该材料在被拉伸的时候不会变窄收缩，反而是变得更宽。这类材料可用于制造支撑身体中需要高度弯曲部位的支具，例如膝关节支具。

麻省理工的研究团队表示，凡是有可能与人体接触的医疗设备，例如支具、矫形器、甚至心血管支架都有可能成为这类3D打印网格材料的应用场景。

与此研究相关的论文发表于Advance Functional Materials, 题为”Additive Manufacturing of Biomechanically Tailored Meshes for Compliant Wearable and Implantable Devices”。

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G3DP2与G3DP关键参数对比

该研究成果被发表在同行评审期刊《3D打印与增材制造》（3DPrinting and Additive Manufacturing）的研究论文《透明玻璃结构增材制造》（Additive Manufacturing of Transparent Glass Structures）中。
论文称，该系统是“一个将数字化集成的三区热控制系统与四轴运动控制系统相结合的新型熔融玻璃增材制造平台，能够在确保产品精度及可重复性的同时使生产率与可靠性大幅提升，具备工业级生产能力，对于玻璃材料而言，这些在以前都是无法实现的。”

该系统由一个封闭的加热箱和一个热控制的二次箱组成。前者的任务是容纳熔融玻璃，后者是玻璃转化为三维物体的地方。

上部热模块及下部运动控制模块分解视图（左）；整个系统横截面，显示内部细节（右）

玻璃挤出系统可进行严格控制，以确保杂质及结构问题不会对结晶过程造成破坏。据美国科技类博客Tech Crunch推文称，由此产生的透明玻璃结构可用于建筑或装饰用途。
曾于2017年米兰设计周期间展出的一套3米高的玻璃柱，就是G3DP2生产的杰作之一。该装置突出了3D打印玻璃的几何复杂度、强度、精度与透明度，展示了该发明在建筑设计中的巨大应用潜力。

2017年米兰设计周期间展出的3D打印玻璃柱

参与该系统研究工作的MIT研究人员希望其发明能够为更多的玻璃3D打印应用打开大门，因为这种材料在各个行业都有许多用途。
他们在研究论文中写道：“通过结合增材制造技术的巨大优势和玻璃的诸多材料特性（如透明度、强度和化学稳定性），将来我们可能会制作出多功能建筑材料的新原型。”

文章来源：Stratasys

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视频：体素化3D打印

 商业化的彩色3D打印

2017年，Stratasys率先推出了体素化的3D打印解决方案，其Polyjet系列的J750将多材料和高精度多色彩3D打印推向了一个全新的水平。随后惠普宣布将在2018年推出全彩3D打印系统能实现体素级别的分辨精度，从而实现快速制造。其他方面包括XYZ Printing的da Vinci彩色3D打印以及Mcor都纷纷达到了前所未有的色彩分辨率水平。

商业化方面，Stratasys GrabCAD Voxel Print允许在体素级别操作这些材料浓度、结构和颜色映射，这意味着用户可以创建新的数字材料来满足他们的需求。这些可以包括先前的结构、颜色渐变、内部属性和纹理，这在以前是不可能的。GrabCAD Voxel Print的用户可以使用他们自己的模型层切片器工具来逐个分配体素级别的属性，允许他们从边界表示到体积建模。然后软件生成一个GrabCAD Voxel文件，可以直接加载到GrabCAD，然后在J750上3D打印。

 Fraunhofer

根据3D科学谷的市场研究，2015年，来自德国Fraunhofer计算机图形研究所的研究人员Alan Brunton及其同事发表了一篇题为《推进3D彩色打印的边界：误差扩散与半透明材质（Pushing the Limits of 3-D Color Printing: Error Diffusion with Translucent Materials）》的论文，描述了一种能够生成高度清晰和相当准确的彩色3D打印对象的算法过程，根据这种算法3D打印出来的对象相当的逼真。

研究人员充分利用了几十年来学术界对于彩色成像、色彩管理和2D彩色打印的知识成果，以最大限度地提高质量和充分挖掘高分辨率多材料3D打印机的功能，并将其变为现实。他们的研究专注于“体素化”的喷墨三维打印。类似于二维图片的像素由一个点所蕴含的颜色来计算，可以将其理解为由单个喷墨液滴来表示的一个3D像素。对于喷墨技术来说，全彩3D打印的难度在于，就算只有1立方厘米大小的一个3D打印对象，也包括了大约1800万滴的树脂。所以对于控制算法来说，这是一个非常巨大的体素数量，因此对于大多数彩色喷墨的3D打印来说，它们的色彩精度并不是最佳的。

Fraunhofer这项研究专注于“体素化”的喷墨三维打印。类似于二维图片的像素由一个点所蕴含的颜色来计算，可以将其理解为由单个喷墨液滴来表示的一个3D像素。可以理解为这些研究人员创造的这种算法能够使一台3D打印机直接使用一种分层半色调方法控制每个体素的颜色和材质。所谓的半色调，是利用网点来模型一个对象的连续色调变化。

 哈佛

根据3D科学谷的市场观察，2018年哈佛大学Wyss实验室和麻省理工学院多媒体实验室的研究人员通过一种新的方法，实现了一小时的时间内打印出高精度的人类大脑模型。

核磁共振和CT扫描等医学成像技术可以产生一系列高分辨率的平面化的位图图像，通过这些图像可以获得如何来建立三维建模的信息。但是，研究人员发现现有的建模方法仍存在耗费时间长、过程繁琐，分辨率低等问题。

半色调又称灰度级，它是反映图像亮度层次、黑白对比变化的技术指标。这种半色调的方法被哈佛大学Wyss研究所James Weaver采用，从而使得核磁共振和CT扫描的图像更容易、更快速地被3D打印设备读取。半色调的方式能够支持3D打印机使用两种不同的材料打印复杂的医学图像，形成一种易于3D打印的格式，以便于能够更好地表达原始扫描数据所记录的所有细节。

研究人员使用基于半色调的3D打印方法来创建大脑和肿瘤模型，该模型忠实地保存了原始MRI数据中存在的所有细节层次，几乎与人眼可区分的分辨率相同。使用这种相同的方法，还能够使用瓣膜组织的不同材料与瓣膜内形成的钙沉积物相对应地打印出人体心脏瓣膜的可变刚度模型，从而产生表现出机械性能梯度的模型，方便医生深入了解钙沉积对瓣膜功能的实际影响。

 MIT

与哈佛大学Wyss实验室的合作研究下，麻省理工学院媒体实验室的Mediated Matter小组发明了新的3D打印方法，无论其复杂程度如何，其颜色和形状与照片一样详细。这相当于传统二维的CMYK打印，但通过3D打印实现，结果令人惊叹

到目前为止，我们很难通过3D打印来显示某些类型的数据模型，例如大脑或星际尘埃云中的相互连接的神经元组织，这些图片具有许多分散的结构，漂浮在空间中而不与其他结构连接。这对3D打印造成了一个问题：3D打印的对象通常需要连接所有部件 – 如此复杂的对象与奇怪的拓扑结构几乎无法通过3D打印制作出来，麻省理工的媒体实验室开辟出解决方法。

麻省理工的媒体实验室在2018年5月《Science Advances》（科学进展）上发表的一篇论文描述了这种方法。这些浮点被捕获在透明材料内部，称为体素。每个小点都分配了三个坐标（X，Y和Z），这些坐标将点放置在三维空间中。该过程类似于传统的2D彩色打印。但不是在一张纸上打印，而是在空间中记录了每个点的位置。这样3D打印出来的模型，就像展示侏罗纪的臭虫如何被困在琥珀中一样栩栩如生.

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3D打印医疗模型是通过软件对CT、核磁共振等设备产生的医学影像进行三维建模，并将建模文件传输给3D打印设备进行打印而产生的。总体来说，将位图格式的图像转化为3D打印机可以读取的三维模型数据，这个过程不仅耗费时间，还容易出现精度不高的问题。如今哈佛大学Wyss实验室和麻省理工学院多媒体实验室的研究人员通过一种新的方法，实现了一小时的时间内打印出高精度的人类大脑模型。

核磁共振和CT扫描等医学成像技术可以产生一系列高分辨率的平面化的位图图像，通过这些图像可以获得如何来建立三维建模的信息。但是，研究人员发现现有的建模方法仍存在耗费时间长、过程繁琐，分辨率低等问题。

与灰度图片不同，灰度图片需要几种灰度来表达渐变（左图），而半色调（新闻图片中常见）可以仅使用单一颜色的墨迹（右图）来保留灰度渐变。

半色调又称灰度级，它是反映图像亮度层次、黑白对比变化的技术指标。这种半色调的方法被哈佛大学Wyss研究所James Weaver采用，从而使得核磁共振和CT扫描的图像更容易、更快速地被3D打印设备读取。半色调的方式能够支持3D打印机使用两种不同的材料打印复杂的医学图像，形成一种易于3D打印的格式，以便于能够更好地表达原始扫描数据所记录的所有细节。

研究人员使用基于半色调的3D打印方法来创建大脑和肿瘤模型，该模型忠实地保存了原始MRI数据中存在的所有细节层次，几乎与人眼可区分的分辨率相同。使用这种相同的方法，还能够使用瓣膜组织的不同材料与瓣膜内形成的钙沉积物相对应地打印出人体心脏瓣膜的可变刚度模型，从而产生表现出机械性能梯度的模型，方便医生深入了解钙沉积对瓣膜功能的实际影响。

这种方法不仅可以保留高水平的细节并将其打印到医学模型中，而且还可以节省大量的时间和金钱，例如，原来的方式需要手工分割一个健康人脚的CT扫描，例如，它的所有内部骨骼结构，骨髓，肌腱，肌肉，软组织和皮肤都需要超过30个小时，即使是经过培训的专业人员也是如此，而这种方法能够在一个小时内完成。

通过这种方法，3D打印的钙化心脏瓣膜的多材料模型可以显示具有矿物质密度的精细梯度的硬钙沉积物（白色），这是原来的生物医学3D打印方法不可能完全捕获的。

结果是令人满意的，根据华盛顿大学放射学助理教授，西雅图弗吉尼亚州临床放射学家Beth Ripley博士，当看到这项技术能够做什么时，感到不可思议，这种方法可以快速创建精美细致的3D打印医学模型，使得3D打印医疗模型更容易被医疗领域作为研究和诊断的工具。

–—-3D科学谷Review

目前市场上提供的医疗模型建模解决方案走向成熟，比利时Materialise公司在从二维图像到三维模型的转化方面提供了商业化软件产品。飞利浦公司于2016年发布了一款新版医学视觉分析和量化软件，软件中集成了医疗模型的3D成像和3D打印功能，为生成精准的3D打印医疗模型提供了便利性。此外，GE医疗还发布了GE AW4.7工作站，它可以将CT扫描的数据快速转换并实现3D建模，然后直接传送至3D打印机进行制作，并且具有优秀的上下游设备兼容性。在这方面，GE医疗还与Stratasys中国建立了战略合作关系，通过Stratasys J750全彩多材料 3D 打印机，可根据真实的患者成像数据，在一次打印中逼真地模仿各种组织特性。

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目前，汽车已在安全气囊和一些座椅上使用充气。但因为充气物体需一种难以使用的薄而有弹性的材料才可正常运行，工程师们也没有尝试过任何太复杂或太激进的计划。

麻省理工（MIT）的自组装实验室（Self-Assembly Lab）正在研发一种名为“液体打印气体动力学”的新工艺以改变此状况。打印时将液化材料挤入凝胶槽，然后固化成型。3D打印通常只能使用硬塑料，但MIT实验室能将100%硅胶打印成各种复杂的材料，通过可编程的方式来设计材料，再通过3D打印成为充气或放气的气囊。根据自组装实验室的联合主任兼创始人Skylar Tibbits “这个过程涉及到空气编程，不同于0和1（计算机中二进制储存）的方式，这个过程发送的是不同的空气脉冲。”

材料看起来像是能生活、呼吸、膨胀、休眠的活性材料。与此同时，宝马公司（BMW）过去十年间一直致力于未来充气车概念，其中一个概念就是想象汽车具有可变形的灵活外壳。另一设想是配置可移动的、充气性模拟仪表盘，还可以标示前方障碍物。所以说宝马的需求和MIT的研究方向有着很高的契合度。

充气材料意味着可完全定制汽车内饰：座椅可合并并可按照不同的方向膨胀；还可以通过编程设置座椅的硬度或柔软度；当然还可重新设计安全气囊。此外，或许还有更多用处。MIT还没透露宝马公司（BMW）将如何使用该项新技术，但根据研究人员的看法，技术可能运用的地方就在于需要充气和放气的产品。

以上来源：盖世汽车

–—- 3D科学谷Review

根据3D科学谷的了解，宝马设计部门和麻省理工学院的自组装实验室于2016年开始他们的研究，宝马渴望将来通过汽车内饰能够以互动和适应的概念来重塑出行体验。

对于麻省理工来说，通常需要复杂的机电设备来驱动和控制那些复杂的成型充气产品，而麻省理工现在能够打印复杂的充气结构，具有定制驱动和可调刚度。这些带自我转换的复杂渠道和口袋完成了复杂的机电设备所扮演的角色。

关于自驱动和减震，麻省理工素来颇有研究，就在2016年，麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室的研究人员（CSAIL）还成功打印出第一个3D打印功能型机器人，机器人由固体材料组成，通过液体压力驱动。这些液压驱动的机器人在打印完成后即可以从商业上可用的三维打印机和“走出去”的机器，几乎没有组装要求。

在2016年，麻省理工学院的计算机科学和人工智能实验室的研究人员（CSAIL）还开发了3D打印软质材料，可以精确控制冲击力吸收程度。这种3D打印减震材料可以提高无人机、手机、鞋和更多需要减震的产品的耐久性，最重要的是其阻尼水平是可以预设的，使得减震材料实现灵活的可编程性。这种可编程的减震材料可扩展到更多的用途，包括减震的跑步鞋、安全帽，以及通过减轻机器人身上电机的震动，使得摄像机和传感器的工作更加精确和灵敏。

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