多功能3D 打印機(jī)“Printer.HM”:軟材料3D打印的未來

2022年10月31日，南極熊獲悉，英國(guó)劍橋大學(xué)研究人員開發(fā)了一種可破解的多功能3D 打印機(jī)，用于打印經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且開放式設(shè)計(jì)的軟材料。該技術(shù)有可能在組織工程、軟機(jī)器人、食品和環(huán)保材料加工等不同領(lǐng)域開啟進(jìn)一步的創(chuàng)新，幫助創(chuàng)造前所未有的設(shè)計(jì)。

這項(xiàng)研究的詳細(xì)信息以題為“A hackable, multi-functional,and modular extrusion 3D printer for soft materials/用于軟材料的可破解、多功能和模塊化擠壓 3D 打印機(jī)”的論文被發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》期刊上，由Lei, I.M., Sheng,Y., Lei, C.L等人撰稿完成。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41598-022-16008-6

該研究的論文第一作者，澳門大學(xué)助理教授，前劍橋大學(xué)生物界面研究組的Iek ManLei博士表示：“Printer.HM的開放式設(shè)計(jì)、可負(fù)擔(dān)性、改進(jìn)的可定制性和一體化功能將使自己動(dòng)手的研究社區(qū)受益，為現(xiàn)有的商業(yè)打印機(jī)提供可行的替代方案�！�

“Printer.HM”是一款高度可定制的基于擠壓的 3D 打印機(jī)，可與商業(yè) 3D 生物打印機(jī)相媲美。它能夠接受不同的幾何輸入，包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) (CAD) 模型、坐標(biāo)、方程和圖片，以創(chuàng)建具有不同特征的打印。這種多打印頭系統(tǒng)的開發(fā)，建立在一個(gè)可破解的機(jī)械臂上，并通過加熱和紫外線 (UV) 模塊在一個(gè)平臺(tái)上提供多功能，是劍橋大學(xué)工程系和納米科學(xué)學(xué)院研究人員的創(chuàng)意劍橋大學(xué)中心，與澳門大學(xué)和牛津大學(xué)合作。

除了與各種液態(tài)和軟質(zhì)材料提供出色的打印兼容性外，Printer.HM還可以執(zhí)行多種操作，包括：

• 液體分配
• 多材料打印
• 變速打印
• 嵌入式打�。▌�(chuàng)建自由形式和懸垂結(jié)構(gòu)）
• 非平面打印
• 拾取和放置應(yīng)用程序
  

通過可選的加熱和紫外線模塊，可以調(diào)節(jié)熱響應(yīng)和光聚合水凝膠的可打印性，這些水凝膠可用于廣泛的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括藥物輸送、組織工程和傷口愈合。

△Printer.HM的特點(diǎn)是硬件采用多種輔助工具，軟件采用靈活的幾何輸入，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)平臺(tái)上的多種功能。

△使用不同輔助工具協(xié)助打印水凝膠

△多類型的幾何圖形輸入選項(xiàng)可以創(chuàng)建不同特征的打印件

△Printer.HM的多功能

△打印過程

Printer.HM 為其用戶提供設(shè)計(jì)自由度和自定義打印路徑以創(chuàng)建具有不同特征的打印件的能力。它們是：簡(jiǎn)單模式（坐標(biāo)）；一筆打印（方程式）；3D 設(shè)計(jì)（G 代碼）；和可定制的 2D圖案（圖片），后者可以輕松地將手繪草圖轉(zhuǎn)換為打印品，而無需創(chuàng)建 CAD 模型。打印路徑可定制性對(duì)于軟機(jī)器人應(yīng)用特別有用，研究人員創(chuàng)建的由 pH 響應(yīng)水凝膠制成的軟變形系統(tǒng)證明了這一點(diǎn)。

研究人員使用 Printer.HM 創(chuàng)建了花卉圖案的 2D 草圖，然后在四分鐘內(nèi)膨脹并變形為 3D 花卉形狀。而這僅僅是個(gè)開始; 因?yàn)榭刂瞥绦蛲耆�可以破解，用戶可以重新配置設(shè)置并擴(kuò)展其功能，以實(shí)現(xiàn)前所未有的 3D 打印設(shè)計(jì)。研究人員還展示了 Printer.HM 生成復(fù)雜組織解剖結(jié)構(gòu)的潛力，方法是成功地創(chuàng)建了一個(gè)帶有肺和氣管的呼吸系統(tǒng)模型，由藻酸鹽墨水制成，并在支撐槽內(nèi)打印。

Iek Man Lei博士說：“Printer.HM的多功能功能，加上其開放式設(shè)計(jì)和可負(fù)擔(dān)性（總成本在 900 至1,900 英鎊之間），使其成為未來 3D 打印創(chuàng)新的可靠選擇，使用軟、生物和可持續(xù)的材料架構(gòu)。模塊化設(shè)計(jì)允許研究界進(jìn)一步擴(kuò)展 Printer.HM 的功能，開辟無窮無盡的新設(shè)計(jì)的可能性。其他好處包括打印頭與小型生物應(yīng)用中所需的較小尺寸注射器的兼容性，以及對(duì)于那些沒有 CAD 經(jīng)驗(yàn)的人使用圖片幾何輸入來自定義打印路徑的易用性——這特別有利于控制刺激響應(yīng)水凝膠的變形行為�！�

她補(bǔ)充說：“Printer.HM 有潛力為組織工程、軟機(jī)器人、食品和環(huán)保材料加工等不同領(lǐng)域的創(chuàng)新 3D 打印打開大門。它的開放式設(shè)計(jì)、可負(fù)擔(dān)性、改進(jìn)的可定制性和一體化功能將使自助研究社區(qū)受益，為現(xiàn)有商業(yè)打印機(jī)提供可行的替代方案�！�

此處可查看“Printer.HM”的3D 打印部件的代碼和 CAD 設(shè)計(jì)：https://github.com/iekmanlei/Printer.HM。

南極熊評(píng)論

3D打印在前些年十分火爆，備受市場(chǎng)關(guān)注，頻頻見諸報(bào)道。如今，盡管其熱度有所下降，技術(shù)更新迭代的步伐卻從未停止。坦白來講，3D打印技術(shù)確實(shí)有不少進(jìn)步空間，比如設(shè)備和材料的成本高昂，3D模型設(shè)計(jì)的門檻也比較高；再比如，經(jīng)常用于打印硬體材料或器件，而軟體材料的打印卻比較少。這些都在一定程度上限制了3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用，直到現(xiàn)在3D打印產(chǎn)品仍非普通人所能企及。讓3D打印真正深入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用甚至走進(jìn)百姓生活，可謂路漫漫其修遠(yuǎn)兮，科學(xué)家和工程師們?nèi)栽谏舷露�求索�?/div>