体素化3D打印，Fraunhofer、哈佛、麻省理工全面发力

3DScienceValley — Fri, 22 Jun 2018 05:05:17 +0000

3D科学谷曾在《预测3D打印2018年五大值得重视的发展趋势》一文中提到3D打印中体素化的3D打印解决方案发展趋势。如今，体素化3D打印正在通过Fraunhofer、哈佛、麻省理工等研究机构以及Stratasys等企业全面发力。

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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哈佛大学Wyss实验室和麻省理工学院通过半色调方法大大缩短从扫描到3D打印的过程

3DScienceValley — Fri, 08 Jun 2018 04:00:54 +0000

3D打印医疗模型能够形象的将病人解剖结构呈现给医生，是医生进行手术预规划的辅助工具，骨科、心脏外科、神经外科等越来越多的医学学科已经利用3D打印医疗模型进行手术预规划，一定程度上帮助医生提高复杂手术的成功率、降低手术风险。

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。

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。

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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哈佛科学家开发重构软件,用于3D打印超材料的设计

3DScienceValley — Tue, 24 Jan 2017 03:01:42 +0000

超材料是指材料的设计表现出不同寻常的特性，是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。迄今发展出的“超材料”包括：”左手材料”、”光子晶体”、”超磁性材料”等。

哈佛John A.保尔森工程和应用科学学院和哈佛Wyss威斯生物启发工程研究所的研究人员在哈佛大学通过多材料3D打印技术开发出可重构超材料的基础设计框架软件。

超材料不同寻常的特性主要依赖于独特的机械结构，而这些特定的结构通常是通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制。

哈佛的研究人员尝试通过建立一个基础设计框架，从而实现几何形状和几个功能之间切换，他们的发现已经发表在自然杂志上。因为这个基础设计框架并不限制打印尺寸，可以从米级到纳米尺度的应用，从减震建筑材料升级到光子晶体的超材料结构。

哈佛大学Katia Bertoldi教授认为在可重构结构领域，设计空间是非常大的，所以面临的挑战是要想出聪明的策略来研究它，通过与设计师和数学家的合作，哈佛找到了一种方法来概括这些规则，并迅速产生了许多有趣的设计。

Wyss威斯工程研究所的科学家很快就意识到，随着多面体立体图形组件（通常）超过六面可作为设计单元，可用于挤压、重构一个模板，或者用于薄壁结构。结合设计和计算建模，他们能够创建一些不同的组合，以及一个用于快速、准确地建立类似材料的蓝图。

这个框架就像一个软件工具包，智能构建可重构的材料。基于计算模型，哈佛大学的研究人员能够量化材料弯曲的各种不同的方式，并计算这样的运动会如何影响像刚度这样的特性。他们现在可以使用他们的数字框架快速循环几百万种不同的图案，让电脑通过理想的属性设置给定一个恰当的设计。一旦一个给定的设计被选中，科学家们能够使用多材料3D打印机以及激光切割纸板、双面胶带等材料组合来创造超材料的原型。

根据研究人员，这个软件工具包为开发超材料能结构和航空航天工程师、材料科学家、物理学家、机械工程师、生物医学工程师、设计师和建筑师是有用的。

国内在超材料方面也涌现出积极的研究，根据3D科学谷的市场研究，活跃的科研单位有东南大学，中国人民解放军空军工程大学，西安交通大学，北京交通大学等。

东南大学通过3D打印一种自相似的空间折叠结构的分形声学超材料，用于宽带声聚焦透镜；

中国人民解放军空军工程大学开发了基于水或水溶液的超材料频率选择表面的设计方法，利用3D打印技术将低介电常数材料打印成特殊形状，使其能对特定尺寸与特定形状的水进行封装；

西安交通大学使用液态光敏树脂和固体微粒作为打印原料进行目标超材料实体进行3D打印，3D科学谷了解到其中液态光敏树脂作为超材料基材的原材料，固体微粒作为人造微结构，最终形成固态光敏树脂为基材并包裹具有二维空间拓扑排序人造微结构的超材料；

北京交通大学通过3D打印技术制备太赫兹波导预制棒，按照波导立体结构逐片打印以形成太赫兹波导预制棒进而拉制成太赫兹波，简化了制作工艺，降低了带有锐角微结构复杂横截面且纵向可变的太赫兹波导预制棒的制作成本，为后续拉制出具有优越传输性能的太赫兹波导，提供了很好的基础。