由于3D打印零件表面易出现粗糙、多孔且呈现粉末状的情况，这些微小的结构为细菌和真菌提供了繁殖的环境。这种情况尤其是对于需要贴身使用的聚酰胺3D打印医疗器械、运动防护装置来说是不利的。

本期，3D科学谷将分享一种能够改善3D打印聚酰胺零件抗菌性能的新型表面处理方法。在依据此方法所开展的相关研究中，经过表面处理的3D打印零件与未经过处理的3D打印零件经过了微生物生长情况比对分析。

表面改性减少细菌附着

当前常用的塑料3D打印零件表面后处理方法包括涂层和机械打磨。机械打磨并不会将表面存在的微孔进行密封，并且在处理过程中会产生可进入人体呼吸系统的聚合物微纤维，因此尤其不适用于处理医疗呼吸设备中用到的3D打印零部件。涂层处理可以产生光滑、密封的表面，但是大大增加了后处理成本。

如果对于3D打印塑料零件的抗菌性要求较高，还有另一种方法是将粉末打印材料与抗菌颗粒混合，但是这种方式限制了材料的选择，并可能降低材料所需的机械性能。

图1 a）3D打印后的粗糙表面；b）BLAST技术处理后的平滑表面。来源： Infinite Science

在相关研究中，研究人员使用了一种基于蒸汽的新型表面平滑技术，该技术被称为BLAST（边界层自动平滑技术）。BLAST 工艺在受控的环境下进行，可以均匀地平滑和密封难以到达的区域（例如3D打印零件的内腔和管道系统）。这一方法不仅仅适用于PA12、PA11等3D打印聚酰胺材料，也适用于多种其他热塑性聚合物3D打印材料，例如TPU，ABS，ULTEM等。

在BLAST过程中，聚酰胺3D打印部件顶层经过回流处理，从而形成光滑、密封和易于清洁的表面（如图1b）。加工后的表面分别通过了ISO 10993-5和ISO 10993-10的细胞毒性和皮肤刺激性测试。该方法的优点之一是完全清除了松散的半烧结颗粒。

 材料与方法

研究中测试了由PA12 3D打印的12个零件, 其中6个经过BLAST技术处理，其余6个未经过处理。测试样件是由惠普 Multi-Jet Fusion（MJF）3D打印技术制造的。

为了比较，研究人员使用Mitutoyo Surftest SJ-210表面粗糙度分析仪测量了已处理和未处理样品的表面粗糙度。在进行表面处理前后分别在每个表面的不同区域进行五次测量，并取平均值。这项工作是根据ASTM标准ASTM D7127执行的。

抗微生物活性的测定是基于MOD ISO 22196：2011标准方法进行的。在35°C（±2）的相对湿度> 90％的条件下，测试时间为24小时（±1）。将样品在65°C的干热条件下灭菌1小时，然后针对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌进行测试。

 结果与讨论

加工样品和未加工样品的表面粗糙度比较如图2所示。通过BLAST处理，PA12 3D打印零件可以获得Ra值低于1μm的注塑成型表面。如小标准偏差所示，经过BLAST技术处理的表面也表现出良好的重复性。

图2 表面粗糙度结果。来源：Infinite Science

分析表明，经过后处理的3D打印零件已通过抗菌测试，显示针对MRSA的细菌生长减少量为99.88％，针对大肠杆菌为99.78％，而未经后处理的零件未通过测试，显示随着时间的流逝MRSA的减少程度有限，并且大肠杆菌显著增长。

3D打印零件抗菌性能的改善可以通过消除细菌生长的有利环境来解释，即后处理消除了容易被微生物附着和生长的毛孔、松散的粉末以及粗糙表面的粗糙封闭区域。3D打印零件表面改性的物理性质使细菌附着和生长减少。

结果表明，测试样品的极限拉伸强度没有损失，断裂伸长率（EAB）明显增加，而杨氏模量则下降。断裂伸长率的增加，是由于去除表面孔隙后，PA 12 3D打印零件表面上引起裂纹的部位减少了。此外在这类后处理设备中加工的PA 12 3D打印零件尺寸变化可忽略不计，保留了零件公差和细节特征。

 结论

蒸气型表面平滑处理后处理技术有效地减少了PA12 3D打印零件加工表面上的细菌附着和生长。在这方面，这一过程比标准的表面后处理和涂覆方法更有效，并且可以使增材制造零件更广泛地用于医疗器械领域，尤其是用于制造与呼吸设备相关的零部件。

参考资料：

K. Rybalcenko et.al. Surface processing of additively manufactured articles for the improvement of antimicrobial properties. Infinite Science Publishing.

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而惠普不会孤单，其他大公司包括美泰，东芝，宝丽来，联想，佳能和米其林有望加入3D打印行列。

Carbon 3D一直对外声称其设备要生产注塑的表面质量，并具有工程塑料的力学性能。

而另外一家叫CloudDDM的公司，在位于肯塔基州Louisville的工厂里安装有配有自动化的100台3D打印机，用于制造一次性零部件，或批量制造同样的零部件。3D科学谷与CloudDDM的沟通了解到该工厂打印的产品全部是塑料产品。

的确，正如下图所示，生产小黄鸭的方法有两种：一种是注塑生产工艺，一种是3D打印工艺，二者的平衡点随着3D打印工艺速度的提升而呈右移趋势。

3D打印与注塑竞争的可能性有多大？无疑，注塑工艺的优势在于大批量，而3D打印的优势在于小批量或者是用于非常复杂的设计。目前，要替代掉注塑工艺，3D打印的发展空间要么是小批量简单设计，要么是大批量非常复杂的设计。

图片来源：sculpteo

图表参考资料Tim Caffrey, Wohlers Associates

而3D打印技术要想在小批量简单产品的生产工艺上取得一席之地，就需要在打印价格方面更便宜。3D打印技术要想在大批量复杂产品的生产工艺上获得比注塑工艺更大的优势就需要打印速度更快。

的确，很多研究与开发都在幕后安静的进行，媒体无法获得报道，而没有被报道的技术极有可能已经具备与注塑工艺正面竞争的能力。

而推动塑料3D打印技术进入生产领域的将不仅仅是设备厂商，材料方面像陶氏化学公司，巴斯夫，帝斯曼和沙特基础工业这些大企业一直在幕后研发他们用于3D打印领域的新材料技术。

而惠普，理光，佳能，普生、富士、施乐这些二维打印机设备厂商将会对塑料3D打印技术的市场竞争格局带来改变。

下一步，3D科学谷认为我们无法判断在塑料3D打印的市场上将谁主沉浮，有一点是可以肯定的，那就是设计思路的改变。用为注塑工艺所设计塑料产品的思路来用于3D打印技术的设计是不行的，设计师需要突破设计思维的限制，从新出发，从设计端就理解3D打印技术的优势和价值所在，为增材制造而设计。

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这或许只是惠普野心计划的冰山一角，惠普决定要创造一个完整的3D打印生态系统。从他们的表现可以看出，他们已经积极布局扫描仪，3D打印机，惠普公司期待一些新的快速增长的市场。

惠普多喷嘴的熔融技术是为了解决当今技术的三大问题：速度、精度和成本。这项技术的工作原理是非常有趣的。这是一个多化学过程，第一层的粉铺好，然后喷射熔剂，并在同一时间，喷射细化剂，为了产生高清晰度的边缘，然后再通过热源将粉末熔融，如此以来，层层堆叠成物体的形状。

如上所述，这些打印机能够制作物体的速度比市面上的技术快10倍，难以置信的快速喷射技术可以大规模生产1000个齿轮。惠普给了我们一些统计，每一个高质量的激光烧结机制造这些齿轮至少需要38小时，而他们的新的多喷头熔融技术，可以在短短3小时完成齿轮的生产。

“我们研究了现有的3D打印市场，我们看到了很大的潜力，但在技术和性能方面也看到了很大的差距，” Stephen Nigro,惠普喷墨和图形解决方案方面的高级副总裁说“惠普计划提供一个解决方案，可以解决这些差距和扩展3D打印技术的潜力。”

令人难以置信的速度并不是唯一的亮点，惠普的新技术优越之处还包括它的精度。喷射系统速度达到惊人的3.5亿滴/秒，打印精度高达20微米，而一个典型的激光烧结机的精度是200-400微米。根据惠普，该机拥有不同的颜色，打印纹理的能力很强。

此外，惠普是以一个开放的平台推出这种新技术，允许任何人的新材料或应用程序来和惠普分享这一技术，而开放性是创新的关键。

其他在这一领域经营的公司还包括3D Systems和Stratasys等公司（3D Systems和Stratasys在3D科学谷的打印机企业库有收录），他们正在努力培育自己的市场，开发早期的原型产品并创建定制化的工具。作为打印机巨头的惠普进入3D打印领域，将对那些初创企业造成巨大压力。

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