陶瓷增材制造企业Lithoz 推出了复合材料3D打印机，能够实现陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属、陶瓷与聚合物的多材料增材制造。本期，3D科学谷将与谷友们共同来了解一下这一技术。

CeraFab Multi 复合材料3D打印设备运行与应用场景© Lithoz

不同特性在同一零件中的深度探索

具有不同成分和/或微观结构的特殊类型高级复合材料，也被称为功能梯度材料（FGM）和功能梯度结构（FGS）。无需进行后道的连接或组装，即可实现高度复杂的形状与不同材料相结合的结构，非常适用于替换传统分体式设计的组装部件。

Lithoz 一直在开发突破性的复合材料3D打印技术。Lithoz全新推出的多材料3D打印机CeraFab Multi 2M30，在进行增材制造时不再局限于单项材料。

CeraFab Multi 可以实现的复合材料的潜在结构设计组合© Lithoz

CeraFab Multi 2M30 3D打印机可在单个组件中对陶瓷、金属和聚合物等不同材料及其特性进行组合处理。

CeraFab Multi 2M30 复合材料3D打印设备© Lithoz

CeraFab Multi 2M30的成型舱由两个料盘系统组成。两个独立的料盘系统意味着陶瓷可以与其他陶瓷、聚合物或金属结合。料盘系统根据要求在投影系统上移动，料盘的底部是透明的，允许光源从下方对包含光敏树脂的浆料进行曝光。

打印平台在成型过程中上下移动，而在切换材料时料盘系统会对应切换到成型平台的下方。创新的双料盘系统不仅提高了材料切换的速度、准确性和有效性，同时配备的全自动清洁系统也避免了材料更换过程中的交叉污染。

用不同陶瓷材料一次成型的3D打印零件© Lithoz

Lithoz 复合材料3D打印的一个关键步骤是对所选材料进行一体化烧结。各组分的烧结收缩行为同时也与浆料开发的各类因素有关，如固含量、粒度形状和分布等。Lithoz也正在与客户不断合作探索，确保多材料组件有更好的共烧结工艺。

基于陶瓷的复合材料3D打印应用案例© Lithoz

理论上这台复合3D打印机可以进行各种完全不同的特性在同一零件组合的深度探索：如不同的致密度、不同的硬度、不同的透明度、不同的生物相容性、不同的导电性和磁性、颜色变化组合等。这为众多的应用领域，如电子和嵌入式传感器、生物医学的植入物、航空航天、汽车以及能源系统等，都提供了全新解决思路。

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根据3D科学谷的市场观察，目前的全瓷冠（如氧化锆）CAM 铣削加工中，陶瓷零件是由预制毛坯在预烧结状态下加工而成的，由于陶瓷固有强度较低，铣削加工中薄边框可能会出现断裂，从而导致设计和制造出来的零件之间出现明显的差异。基于这个原因，薄边框和边缘通常需要在这些区域进行过度的轮廓设计，以防止加工过程中边缘断裂。然而，这也导致这些区域中大量的后处理工作。陶瓷3D打印技术为牙冠修复提供了新的设计自由度，同时有望克服标准陶瓷牙冠加工的技术限制。[1]

本期，3D科学谷将分享上海交通大学医学院附属第九人民医院以及欧洲Lithoz 公司与苏黎世大学牙医学中心固定和可移动义齿和牙科材料科学诊所等机构针对3D打印陶瓷牙冠开展的研究成果。以此来感受3D打印陶瓷技术在牙冠加工领域的前景。

3D打印与陶瓷白皮书1.0。来源：3D科学谷

前景可期

 尺寸精度和临床适应性研究 [2，3]

THE JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY 期刊中发表的一篇3D打印陶瓷牙冠相关的论文，题为‘Dimensional accuracy and clinical adaptation of ceramic crowns fabricated with the stereolithography technique’， 通讯作者单位为上海交通大学医学院附属第九人民医院口腔医学院/上海第九人民医院修复科。

3D打印的陶瓷牙冠（图中为使用Lithoz-CeraFab7500设备打印）。来源：上海九院 / 博瑞科三维

论文谈到光固化3D打印技术已经成为有效地制造抗断裂陶瓷修复体的有前途的方法。然而，缺乏对用该技术制造的陶瓷冠的尺寸精度和临床适应性的研究。这项体外研究的目的是评估用光固化3D打印技术制造的陶瓷冠的尺寸精度和临床适应性。

3D打印陶瓷牙冠的尺寸精度和边缘适应性分析。来源：上海九院 / 博瑞科三维

这项研究中使用的材料与方法是，使用口外扫描仪扫描牙突上颌右第一磨牙基牙，并使用3Shape Dental System CAD软件设计牙冠，用2种不同的基于立体光刻光固化工艺的3D打印系统和一种CAD/CAM 加工设备制造了十个陶瓷牙冠。

研究中使用的陶瓷3D打印系统分别是：CeraFab7500（CF）和氧化铝材料；CSL150（CL）和氧化锆材料。CAD/CAM陶瓷牙冠加工设备是X-MILL500（XM），材料为氧化锆。

制造过程包括扫描牙冠并导出数字铸模，使用Geomagic Qualify软件通过将数字模型与参考模型叠加来测量尺寸精度。有机硅复制法用于测量临床适应性。使用方差的单向分析（α= .05）对结果进行统计分析。

与CSL150（65±6μm）或X-MILL500（72±13μm）相比，CeraFab7500的尺寸精度更高（41±11μm）（ P <.001）。CSL150和X-MILL500组之间没有发现显着差异（ P > .05）。与CeraFab7500和CSL150相比，X-MILL500在边缘、角和咬合区域的适应性更好，但在轴向区域的适应性较差（ P <.05），仅在CeraFab7500和CSL150之间的轴向和咬合区域有明显差异（ P <.05）。CeraFab7500和CSL150之间的边缘或角落区域没有发现显着差异（ P> .05）。

论文得出结论两种陶瓷3D打印系统都可以在临床可接受的范围内以高尺寸精度和边缘适应性来制造陶瓷牙冠。

 微观形貌与力学性能 [3]

CERAMIC APPLICATIONS期刊上发表了一篇论文，研究人员对3D打印陶瓷牙冠的微观形貌和力学性能进行了分析测试。

使用Lithoz设备3D打印的牙冠及微观SEM图。来源：博瑞科三维

这项研究采用的材料为Lithoz 研发的牙科专用氧化锆材料，四点弯曲强度可达1000Mpa，最小壁厚可达100μm。

论文作者来自Lithoz 公司、路德维希·马克西米连大学慕尼黑分校齿科医院、维也纳总医院口腔和颌面外科大学医院以及苏黎世大学牙医学中心固定和可移动义齿和牙科材料科学诊所。

3D科学谷Review

从3D打印在义齿加工领域的应用价值来看，金属3D打印技术在烤瓷牙金属内冠制造中的应用获得了快速发展。与其他工业领域将金属3D打印设备用于制造高附加值产品的情况不同，目前烤瓷牙内冠3D打印的应用已成为该领域一种基本的加工手段。虽然在产品性能和生物相容性方面有所提升，但仍无法改变烤瓷牙产品的本质。长期来看，3D打印技术的应用发力点应着眼于更高附加值的产品，例如，通过金属3D打印技术制造纯钛支架、种植体、个性化基台。除此之外，基于光固化工艺的3D打印技术，还有望在能够满足更高的美学和性能要求的陶瓷义齿修复产品的加工中成为常规方式。

在陶瓷3D打印义齿应用商业化发展中，欧洲老牌齿科企业的商业化脚步更快一步。根据3D科学谷的市场观察，2020年Bego和Straumann这两家著名齿科企业都在陶瓷3D打印义齿领域有了新动向。

Bego 贝格推出了一种用于光固化3D打印的陶瓷复合材料，该材料可用于制造永久性单冠、嵌体、高嵌体、贴面。Bego 公开了通过这一材料制造的3D打印陶瓷牙冠的长期稳定性研究结果。（延伸阅读：《案例 l 3D打印陶瓷牙冠的长期稳定性研究》）

著名牙科企业 Straumann 集团是陶瓷增材制造技术的早期采用者，也是Xjet 公司陶瓷纳米射流3D打印技术（NanoParticle Jetting）的早期用户之一。

Straumann 已通过该技术进行新产品迭代与概念验证。日前，双方宣布将合作推广陶瓷纳米射流3D打印技术在牙科最终产品生产中的应用。

Straumann 在许多牙科产品中都有使用陶瓷材料，当了解到陶瓷纳米射流3D打印技术之后，就对其展开了应用研究。Straumann应用的3D打印设备为Carmel 1400 AM 系统。Straumann 表示对这种陶瓷3D打印技术所打印的零件质量、精美细节和准确性有信心，并相信这项技术可以有效地扩大生产规模。该技术打印的陶瓷零件材料密度非常高，接近100％。对于3D打印零件所需要的支撑结构，Xjet 采用的是水溶性支撑材料，这使得打印后去除支撑后处理变得简单。（延伸阅读：《牙科巨头Straumann 将推动陶瓷3D打印技术在生产中的应用》）

更多信息，请参考3D科学谷发布的《3D打印与陶瓷白皮书》，《3D打印与牙科行业白皮书》-上篇、下篇。

参考资料：

[1] 《陶瓷3D打印是牙科产品迈出的一步》，TCT 亚洲视角。

[2] Dimensional accuracy and clinical adaptation of ceramic crowns fabricated with the stereolithography technique. https://doi.org/10.1016/j.prosdent.2020.02.032

[3] 《陶瓷3D打印在牙科领域的应用》，青岛博瑞科三维制造有限公司。

l AMPOWER与3D科学谷正在合作面向全球欧洲、美洲、亚洲市场发布的2020年全球增材制造研发市场报告，欢迎中国企业积极参于有关3D打印领域设备、软件、材料的研发市场调查，敬请关注3D科学谷扫码参与调研。

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最近由COVID-19病毒引起的大流行向世界表明了有效抗击这类疾病的疫苗的重要性和巨大需求。但是，开发有效的疫苗需要大量的努力和极高的安全标准。因此，疫苗生产通常很慢并且非常昂贵，NESSIE项目正是针对这些痛点。NESSIE由挪威研究机构SINTEF，陶瓷3D打印的全球市场领导者Lithoz和葡萄牙生物制药研究中心IBET发起，genIbet和Cerpotech加入了该项目，分别带来了他们在生物制药和创新材料制造方面的专业知识。该项目旨在提高疫苗生产的效率，并且已经为开发纯化病毒（如腺病毒）的新方法做出了贡献。

腺病毒是将基因或疫苗抗原传递给人类的出色载体。实际上，许多成功的疫苗都使用病毒来传递免疫所需的必需成分，这种病毒的生产成本很高。此外，就像许多用于人类的药物一样，这些病毒的纯度和纯化都是非常昂贵的。

该项目使用超高分辨率陶瓷3D打印技术，并采用新颖的色谱柱设计（最先进的纯化技术），将改善分离度并降低生产成本。NESSIE成功生产了第一个色谱载体，并将很快对其进行腺病毒纯化测试。

Nessie的研究项目表明，诸如3D打印之类的革命性技术可以可持续的方式改善我们的医疗系统。今天，我们已经看到了这种数字技术的优势。随着当前医疗用品的短缺，3D打印已证明本地制造不仅可以制造原型，还有助于快速重现组件，而无论其位置如何，而且都无需以复杂的方式依赖复杂的供应链。

文章来源：Lithoz

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涡轮发动机及空心叶片结构图

对于如此复杂的空心叶片，如何制造便成了最大的难题。传统机加工和锻压的手段加工难度很大，很难形成叶片的内腔形状，并且制造过程中材料的利用率低，制造成本高，费时费力。现在只能采用熔模精铸陶瓷型芯来解决这一难题，而在熔模铸造中，作为形成空心铸件内腔形状的陶瓷型芯，它的性能和质量对铸件生产的合格率和成本起着非常大的影响作用。作为叶片制造技术瓶颈之一的陶瓷型芯，其造型材料和制造工艺的不断改进对于增强陶瓷型芯各项性能十分重要，也一直是空心叶片研究中的关键问题。

目前设计的陶瓷铸造型芯越来越复杂，而通过传统的热压注成型、凝胶注模成型、注射成型等方法存在排蜡时间长、工艺复杂、坯体表面易起皮等问题，且传统方法中模具依然是必不可少的，工艺流程较为复杂。因此急需探寻一种新型的、快捷有效的陶瓷型芯制造方法。

陶瓷3D打印技术的出现便及时的解决了这些问题。Lithoz公司的LCM技术可以实现传统工艺无法完成的高复杂结构陶瓷产品的生产。因此，LCM技术给航空航天涡轮发动机和燃气轮机中的高复杂结构的陶瓷叶片型芯提供完美的解决方案，满足他们日益增长的设计需求。而且，LCM技术可以快速、低成本的实现小批量系列的原型产品的生产。由于该技术无需模具，因此大大缩短了研发-市场阶段的周期。与传统的注射成型制造叶片型芯技术相比，3D打印技术是一种无需模具的生产制造技术。因此3D打印技术可以绕过传统工艺必须的、昂贵而又复杂的模具制造部分。

目前，国内外在空心叶片制造中使用比较普遍的主要有硅基和铝基陶瓷型芯。其中，相较于铝基陶芯烧结困难和不易脱芯等问题的存在，硅基陶瓷型芯以热膨胀系数小、稳定性好、表面光洁度高且易于脱芯等一系列优点，而广泛应用于国内外航空工业中。

使用Lithoz的CeraFab8500设备，LithaCore450材料打印的陶瓷叶片型芯

 3D 打印陶瓷叶片型芯的材料

LithaCore450是一款由奥地利Lithoz公司自主研发的一种用于3D打印生产陶瓷叶片型芯的硅基材料。

典型的应用有：用来生产单晶镍基合金的涡轮叶片的铸造型芯；定向凝固铸造型芯；等轴铸造型芯。

LithaCore450是一种可以3D打印制备高精度、高细节陶瓷叶片型芯的材料。烧结后的叶片型芯产品具有非常低的热膨胀率、较高的孔隙率、优异的表面质量和优良的洗滤性等优点。另外，Lithoz可以为客户开发定制化的材料，满足客户广泛的合金铸造需求。

此外，Lithoz最新研发的用于批量打印的CeraFab System S25、S65、S230设备，高精度投影提供高达2560×1600像素的分辨率，横向分辨率高达25微米，保证了打印组件的绝对精度，特别是在微距范围内，最大打印尺寸可达192×120×500mm。可满足客户的不同尺寸的打印需求。

使用Lithoz CFSystem S25、S65、S230设备打印的不同尺寸的陶瓷型芯

 Lithoz 公司 3D 打印叶片铸造陶瓷型芯关键性能

通过 LCM 技术可以打印高精度、高复杂结构的陶瓷叶片型芯。且具有以下特性：
（1） 优良的尺寸重复性和公差
（2） 最大尺寸可达 500mm
（3） 表面光洁度 Ra <3 µm ，保证合金铸件内部通道的表面质量（可通过优化工艺，提供Ra <2 µm的陶瓷型芯）。
（4） 高复杂结构，如机翼最薄处可达 200 µm

 模型尺寸与打印产品公差研究

LithaCore450 陶瓷叶片型芯是使用 Lithoz 公司的 CeraFab 8500 设备生产的。对铸造型芯进行尺寸检查的结果（下图）显示，其与 CAD 模型的最大偏差为 0.1mm，符合铸造型芯应用的尺寸要求（通常是 0.3 毫米）。

打印模型与原始STL文件尺寸对比

另外，不同生产周期下生产的两个陶瓷型芯的尺寸对比（一个带有支撑结构，一个没有支撑结构）。结果如下图，表明不同批次打印的产品具有+/- 0.05mm 的重复性误差。

不同批次，带有支撑结构和不带有支撑结构铸造型芯的尺寸误差对比

由此可见，使用3D打印技术生产陶瓷型芯非常适合，方便快捷，可以打印极其复杂的结构，且性能参数符合空心叶片铸造的实际需求；目前飞机发动机的主流制造商都已经在使用3D打印技术从事陶瓷型芯的研发生产，航空航天巨头法国赛峰集团已经长期使用Lithoz 陶瓷3D机生产叶片型芯，并于2017年欧洲陶瓷增材会议AM Ceramics上展示了初步的成果。

文章来源：Lithoz

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Lithoz专有的基于光刻的陶瓷制造（LCM）技术最近首次应用于3D打印康宁玻璃陶瓷材料。这项成功的实验现已为Lithoz的陶瓷3D打印系列生产了一种新的潜在材料，从而为一种坚韧的、生物相容的超导体开辟了新的应用领域。

 康宁玻璃陶瓷

玻璃陶瓷结合了其基材的优良性能，不仅易于制造，而且与前体玻璃相比具有优异的机械韧性，耐辐射、耐化学损伤，具有良好的压电和光电效应。玻璃陶瓷最早出现于20世纪50年代，在商业上被用于制造雷达天线、牙科植入物、电炉灶台和其他热厨具的外壳。

康宁是玻璃陶瓷材料的发明者，目前通过三个不同的品牌提供:

–可加工的MACOR®,

–射频透明PYROCERAM ®玻璃代码9606，具有高强度和导热系数，低辩证常数，

–具有较低热膨胀系数(CTE) 的康宁玻璃陶瓷，具有更好的抗热震性能。

 康宁公司利用Lithoz设备3D打印的MACOR®玻璃陶瓷

Lithoz LCM 3D打印技术是由维也纳技术大学（TU Wien）于2006年开发的。它使用带有分散陶瓷颗粒的可光固化材料进行工作。逐层聚合后，将生坯从3D打印机中取出，进行后处理，然后烧结形成固态陶瓷零件。

Lithoz的合作伙伴康宁公司也采用了同样的工艺，用康宁玻璃陶瓷制作3D打印零件。将康宁公司玻璃粉末制成的浆料与Lithoz树脂混合，再进行3D打印，烧结，然后退火。康宁公司报道，使用Lithoz设备打印的玻璃陶瓷满足了康宁公司复杂、高分辨率的要求。经测试，烧结密度为2.69 – 2.7克/厘米³, ,双轴抗弯强度为152 – 172 MPa，以及导热系数(在25°C下)为2.25 W / m·K。

LCM技术目前可通过四台商用机器使用LCM技术，包括最新发布的CeraFab系统S65。

Lithoz公司的 CeraFab系统S65

 玻璃陶瓷的应用

机械工程领域

玻璃陶瓷因具有良好的机械性能而在机械工程领域获得应用。利用其强度高、耐磨性好等特性，可用作球机内衬、研磨体等；利用其可切削性，可以使用普通刀具进行精加工，极大地扩展了其使用范围；玻璃陶瓷的热膨胀系数也是作为结构材料使用时的重要参数，低的膨胀系数对于构件的尺寸稳定性及抗热震性有利。

生物医学领域

生物微晶玻璃具有许多优越、独特的性能，如良好的化学稳定性、生物兼容性或者生物活性等。目前，主要用作牙齿材料、人造骨骼、铁磁性抗癌材料等。

航空航天及军事领域

有些微晶玻璃陶瓷材料极为坚固耐用，耐受极高的温度，极强的耐腐蚀性和极低的热底胀系数的特点，并且可被雷达波穿透，可用于制造对空导弹弹头和雷达外罩。

光学领域

微晶玻璃通常没有气孔,且含有一定的玻璃相,因此它可以具有良好的透明性,微晶玻璃具有接近零膨胀的特性,这类微晶玻璃通常用作天文望远镜的镜片。

奥地利Lithoz公司是全球顶尖陶瓷3D打印设备及材料的供应商，由Lithoz陶瓷3D打印机生产的产品，表面粗糙度可达0.4-0.6 μm，致密度高达99.4%以上，产品物理化学性能与传统工艺产品相当。目前，可打印氧化铝、氧化锆、磷酸三钙、氮化硅、硅基材料、金属陶瓷等20余种材料。

文章来源：博瑞科三维

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为了在铸造金属涡轮叶片时可以形成高复杂的内部冷却通道结构，使用陶瓷铸造型芯是非常必要的。铸造叶片冷却后，叶片从模具中取出，同时内部的陶瓷型芯需要溶解掉。
目前设计的陶瓷铸造型芯越来越复杂，而通过传统的注射成型方式无法实现 如此高复杂结构的陶瓷型芯。Lithoz 公司的 LCM 技术可以实现传统工艺无法实现的高复杂结构陶瓷产品的生产。因此，LCM 技术给航空航天和电力工业中的高复杂结构的陶瓷叶片型芯提供完美的解决方案，满足他们日益增长的设计需求。
而且，LCM 技术可以快速、低成本的实现小批量系列的原型产品的生产。由于该技术无需模具，因此大大缩短了研发-市场阶段的周期。
与传统的注射成型制造叶片型芯技术相比，3D 打印技术是一种无需模具的生产制造技术。因此 3D 打印技术可以绕过传统工艺必须的、昂贵而又复杂的模具制造部分。

 3D 打印叶片型芯的材料

LithaCore 450 是一款由奥地利Lithoz 公司自主研发的一种用于3D 打印生产陶瓷叶片型芯的硅基材料。
典型的应用有：用来生产单晶镍基合金的涡轮叶片的铸造型芯；定向凝固铸造型芯；等轴铸造型芯。
LithaCore 450 是一种可以 3D 打印制备高精度、高细节陶瓷叶片型芯的材料。烧结后的叶片型芯产品具有非常低的热膨胀率、较高的孔隙率、优异的表面质量和优良的洗滤性等优点。
另外，Lithoz 可以为客户开发定制化的材料，满足客户广泛的合金铸造需求。

使用 Lithoz 的CeraFab 8500 设备,LithaCore 450 材料生产的叶片铸造型芯

  Lithoz 公司 3D 打印叶片铸造型芯关键性能

通过 LCM 技术可以生产出高精度、高复杂结构的陶瓷叶片型芯。且具有以下特性：
（1） 优良的尺寸重复性和公差
（2） 最大尺寸可达 300mm
（3） 表面光洁度 Ra <3 µm ，保证合金铸件内部通道的表面质量
（4） 高复杂结构，如机翼最薄处可达 200 µm

 模型尺寸与打印产品公差研究

LithaCore450 陶瓷叶片型芯是使用 Lithoz 公司的 CeraFab 8500 设备生产的。对铸造型芯进行尺寸检查的结果（下图）显示，其与 CAD 模型的最大偏差为 0.1mm，符合铸造型芯应用的尺寸要求（通常是 0.3 毫米）。

带有支撑结构的打印模型与其 STL 文件尺寸对比

另外，不同生产周期下生产的两个陶瓷性能模型的尺寸对比（一个带有支撑结构，一个没有支撑结构）。结果如下图，表明不同批次打印的产品具有+/- 0.05mm 的重复性误差。

不同批次，带有支撑结构和不带有支撑结构铸造型芯的尺寸误差对比

文章来源：Lithoz

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多年来，具有生物相容性和生物可降解性的陶瓷已广泛应用在创伤治疗和整形外科等医疗领域。氧化锆、氧化铝和氮化硅作为高性能陶瓷材料的代表，由于其出色的机械性能，耐磨性，低导热性和导电性以及优良的生物相容性等优点，被广泛用于生产永久性植入物及其它医疗器械。医疗部门不仅需要机械性能特别高的高性能陶瓷，同时也需要具有其他特性的生物可降解陶瓷。磷酸三钙和羟基磷灰石属于生物可降解性的陶瓷类，由于它们与骨骼的无机成分相似而被于生物可降解的植入物的生产。通过在愈合过程中材料的降解，可以向细胞提供必要的离子；同时，为细胞向内生长创造了空间。理想状态下，人造骨骼的降解速度与再生组织的生长一样快，从而保证在整个愈合过程中保持一定的机械稳定性。

奥地利Lithoz公司的基于光固化方法的制造工艺（3D打印）是生产高度复杂的部件的非常有效的方法。目前，尤其在医疗器械制造领域中受到越来越多的关注。通过“基于光固化高精度陶瓷3D打印（LCM）”工艺，可以将各种陶瓷（例如氧化锆或羟基磷灰石（HA））制成几乎任何形状，实现外部（结构形式）和内部几何结构（孔设计）。LCM工艺通过光敏陶瓷浆料的选择性固化，实现了生坯高的固含量（陶瓷颗粒的高填充密度），这是获得致密且无缺陷的陶瓷零部件的先决条件。打印过程遵循逐层打印原则。要打印的产品的3D模型在lihtoz软件中自动被切成25μm厚的层，通过选择性曝光，有机基质被交联以形成聚合物和陶瓷颗粒的复合物。聚合物作为陶瓷颗粒之间的粘合剂，从而使其成形。在热后处理中，首先在高温下无残留地去除有机基质，并且通过在超过1000℃的温度下烧结来生产最终的陶瓷组分。

图1：Lithoz的LCM工艺的示意图。通过打印工艺将浆料加工成植入体（陶瓷-聚合物复合材料），将其清洁，脱脂和烧结，获得最终产品。

LCM工艺用于制造医疗器械，可以根据个体患者的生理结构，相对简单、便捷的生产个性化植入物，这些植入物完美匹配局部结构，植入定位更加精确。配合成像技术（如CT，MRI等），可以快速制造高度匹配患者需求的个性化植入物。与注塑成型截然不同，该技术不需要任何模具，可经济便捷地实现一个部件的定制、或者批量生产。

除了能够制造个性化的植入物之外，还可以设计结构以促进甚至激活细胞向内生长。为此需要具有确定的几何形状和孔径的互连系统，以适合于相应的细胞。LCM工艺可以实现最小120μm的薄壁结构、160μm的孔道结构，打印工艺具有高精度和可重复性等优点。

图2：LCM打印工艺示意图：CAD模型（左）-切片-选择性曝光逐层固化

 应用案例：

1、心脏起搏器泵

由于Lithoz的LCM工艺生产的陶瓷零部件具有高精度、高的机械强度等优点，因此维也纳科技大学和维也纳医科大学的研究人员选择LCM工艺作为心脏起搏器泵的制造方法。该项目致力于制造使用氦气动力装置的机械心脏泵的设计、生产。该心脏泵旨在病人心脏手术后的临时心脏辅助泵，其与主动脉内气囊泵结合，可为冠状动脉血管优化供血，以在关键的愈合阶段缓解心脏压力。由于氧化铝材料具有优良的生物相容性、生物惰性和较高的表面光洁度，该项目选择其作为心脏起搏器泵的制造材料。通过lithoz的LCM打印工艺，可以在短时间内非常便捷的生产、测试、优化设计模型。

图3：由高纯度氧化铝制成的心脏起搏器泵的部件（为了更好的可视化，这些部件放大了10倍以上）

2、患者个性化骨修复

林茨开普勒大学医院的项目是使用lithoz的LCM工艺生产患者个性化骨缺损修复件。骨缺损修复件是用于手术修复骨折部位，以便将骨折端固定在一起，同时固定骨折部位。传统产品由金属材料制成，并且必须由外科医生在手术室中适当弯曲调整。但是结合CT等手段，得到完全符合骨修复部件的尺寸，通过lithoz的LCM技术，可以快速、高精度、高质量的生产非常符合患者骨修复部位的个性化骨修复件。同时，与常规使用的材料（如钛合金）相比，使用具有高耐磨性和最高弹性的氧化锆不会出现在使用过程中金属修复件磨损产生颗粒的问题。

图4：由不同陶瓷材料制成的医疗器械

3、骨替换的可降解植入物

严重创伤或肿瘤切除后的骨替换仍然是目前医学的主要挑战。一方面，需要尽快恢复骨骼的稳定性及其保护功能，另一方面应实现对身体自身骨细胞的良好愈合。为此目的，使用可生物可降解的陶瓷（如磷酸三钙），为患者生产个性化植入物，例如用于严重颅脑损伤后的颅骨植入物、用于骨结构支架等。这是由奥地利组织再生机构、路德维希玻尔兹曼实验研究所、临床创伤学/ AUVA联合研发项目。

图5：由磷酸三钙制成的植入物，用于植入入牙科植入物之前进行颌骨增强

图6：用于治疗骨缺损的磷酸三钙颅骨植入物

作者：Dr. Daniel Bomze-奥地利Lithoz公司
Prof. DI Dr. Heinz Redl-维也纳路德维希•玻尔兹曼实验和临床创伤研究所

来源：Lithoz

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人体器官芯片（organs-on-a-chip）是近几年发展起来的一种新兴前沿交叉学科技术，它以前所未有的方式见证机体的多种生物学行为，在新药发现、疾病机制和毒性预测等领域具有重要应用前景。

马德里自治大学和陶瓷3D打印公司Lithoz联合开发了复杂的3D打印陶瓷微系统，可以推进芯片实验室和人体芯片器官的开发与应用。开发团队表示，其3D打印陶瓷器件标志着生物医学领域的突破。

使用Lithoz的CeraFab 7500机器（一种基于光刻的增材制造系统）将陶瓷材料与光敏树脂混合3D打印出来，这种八边形的芯片被打印出来后，通过烧结去除树脂，将陶瓷颗粒熔合在一起成为固体件。这一步很重要，因为它可以达到芯片所需要的密封材料生物医学性能要求（以防止活体材料的泄漏）。

根据研究人员，这种3D打印的陶瓷芯片显示了将陶瓷材料用于生物医学应用的潜力，因为它们比玻璃或塑料具有更高的强度和更好的耐温性。

3D打印陶瓷微系统是一次性成型的，这意味着它不需要任何组件，也无需零部件维护。作为其结构的一部分，复合微系统整合了多孔膜，用来分离不同水平的细胞培养室，类似于transwell的功能。

根据论文，复合微系统还包括通过悬臂陶瓷膜连接的通道网络。 3D科学谷了解到这种微流体系统具有复杂的特征，集成度很高，整体部件尺寸紧凑，细节水平精湛。

总体而言，3D打印陶瓷微系统可以为更复杂的细胞培养测试装置提供有效和相对简单的替代方案，有助于推进仿生3D细胞培养研究的进步。

在国内，根据3D科学谷的市场研究，浙江大学、中科院大连化物所、大连理工大学等在微流控芯片领域颇有建树。其中，大连化物所微流控芯片研究团队利用工程学原理和多学科集成手段已构建了一系列功能化器官芯片系统，建立了肝、肾、肠、血脑屏障等缩微类器官模型以及多器官集成芯片体系，并开始用于生物学研究、毒性测试和干细胞等领域。

浙江大学贺永及其研究团队提出了一种基于毛细驱动的3D打印微流控芯片（μ3DPADs），其无泵驱动的特点与现有的纸基微流控芯片（Paper-Based Microfluidic Analytical Devices，μPADs）类似。通过3D打印可以将2D的纸基微流控芯片扩展到3D尺度。维数的增大带来的优势是可通过调控其流道深度来实现流速的可控（流场的可编程）。一系列的实验证实该芯片可以是目前2D纸基微流控芯片的有效补充，该芯片适合于希望以无驱方式简化流体驱动的同时又希望能实现一些复杂的流动控制。

在国外，Dolomite是一家世界级微流控创新公司。2016年3月15日，Dolomite在西班牙马德里发布了一台创新型3D打印设备Fluidic Factory，它可以用于微流控和芯片实验室的3D打印。Fluidic Factory是全球第一台可以打印流体密封装置的商用3D打印机，能够提供快速、简便、可靠的打印服务，每片芯片的打印成本仅需1美元。所用3D打印材料是经美国食品药品监督管理局（FDA）批准的一种坚固且半透明的材料，名为环烯烃共聚物（COC），对3D打印设备而言，这种材料容易获取而且价格便宜，几乎适用于所有应用。

此外，Optomec气溶胶喷射技术可3D打印微米级智能结构，该技术将应用于电子和生物医药行业，在开发成本更低、尺寸更小的下一代产品方面拥有巨大的应用前景。

除了弗吉尼亚理工大学-维克森林大学，在微流控芯片领域活跃的科研机构不在少数。美国康涅狄格大学等机构的科学家在Towards Single-Step Biofabrication of Organs on a Chip via 3D Printing（通过3D打印技术进行器官生物芯片的一步制造）一文中描述到，传统的微流控芯片制造技术是劳动密集型的产业，不利于实验室进行芯片设计的快速迭代和快速制造。将3D打印技术用于制造微流控生物芯片则可以在几个小时内实现微型流体通道的快速制造，有利于设计的快速迭代，提高了基于微流控研究的跨学科性，并加速创新。

生物3D打印技术在制造复杂3D人体组织结构方面具有潜力。微流控系统可以为3D 组织提供营养、氧气和生长因子。未来，先进的生物3D打印机不仅可以打印微流控平台，还可以同时在微流控平台中直接打印出定制化的微观人体组织。

而关于微小器件的陶瓷打印方面，之前，德国Fraunhofer陶瓷技术研究所和IKTS 系统研究所研发了一项3D打印新技术，不仅可以打印骨科植入物、假牙、手术工具等医疗产品，还可以打印微反应器这样非常复杂、微小部件。Fraunhofer打印的陶瓷微反应器，包含了众多复杂的微型通道以及两根液体连接管。微反应器中的复杂结构以及反应器内部、外部的密封性对传统技术挑战极大，而通过陶瓷3D打印技术，可以制造出一个整体式的反应器。

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由生物谷主办、3D科学谷支持的2016（第二届）医用3D打印高峰论坛于4月7日-8日在常州召开。3D科学谷通过30张PPT与参会的医疗器械厂商和医生朋友分享了3D打印在医疗行业中的应用和发展趋势。今天，3D科学谷将这些PPT 分享给谷友们。

3D科学谷行业分析师朱琳在论坛期间进行了演讲并主持了4月8日下午的会议

理解3D打印的价值

3D打印技术与传统技术相比，最大的优势在于对产品的复杂性不敏感。从图表中可以看出两个信息，首先是绿色曲线代表的传统制造技术，其制造成本将随着产品复杂性的增加而急剧增加，而蓝色直线所代表的3D打印技术，其制造成本几乎是不变的。另一点是两种技术之间有一个复杂性平衡点，当产品复杂性在平衡点的左边时，也就是在制造一些复杂性小的标准产品时，使用传统制造技术的成本低于3D打印技术，而当产品复杂性在平衡点的右边时，也就是在制造一些复杂性高的自由造型产品的时候，3D打印技术的成本明显低于传统制造技术。

3D科学谷认为这张图的启示是，可以利用3D打印技术探索一些突破固有设计思维的产品。

提到3D打印的效益，人们最直接关注的往往是节约材料、缩短交期等生产效益。但是3D打印所带来的综合效益容易被忽视。比如，3D打印骨科植入物的综合效益是制造出表面的多孔结构，并且有效控制孔隙率和孔径，这样的结构有利于骨长入，让病人得到更好的康复。

个性化定制的价值体现在制造和应用两个方面。在制造方面，如果通过模具制造产品，制造的产品量越多，单件产品均摊的模具制造成本越低，简单说就是量越大单件产品的价格越低。而3D打印技术是一种不需要模具的制造技术，在制造单件或少量产品的时候更具有优势。

左边的ACL 手术定位器，它的槽型是根据人体结构设计优化的，和解剖结构一样的充满复杂曲线；右边图片中的这个脊柱植入物，经过拓扑优化结构也很复杂并且表面充满多孔结构。以上两类复杂的产品只适合使用3D打印技术进行制造。

这是意大利的一家公司设计的脊柱笼产品，包括螺杆和齿轮等几个部分，设计师将它设计成为一个整体的零件，并通过Concept Laser公司的SLM 技术一次性3D打印出来，避免了使用传统技术时需要拆分制造，然后再装配组装的过程，并且有助于力高产品的精度和性能。

主要应用

主要应用案例

最早的时候只有骨科在应用，而现在越来越多的学科都在借助医疗模型进行复杂手术的预规划。医疗模型它的意义是非常形象的将病情呈现给医生，方便做手术规划以及与患者沟通。除此之外，这些三维数据和手术规划方案也可以作为解决医疗纠纷时所需要追溯的依据。

骨科临床医生对不同材料的3D打印导板进行了实验和比较，各有优势。

假肢和仿生手是康复器械的一个种类，通过3D打印的一个明显的优势是降低制造成本，降低佩戴者的经济负担。通过3D打印技术来接受个性化定制，添加一些喜欢的元素，这些能让佩戴者情感融入进来，有助于克服心理障碍。

3D打印的植入物可以分为标准品和定制化的植入物，也可以分为不可降解的植入物和可降解的植入物。左图中的植入物是Arcam 公司EBM 技术3D打印的标准化的髋臼杯植入物，左边第二个是西安铂力特根据医生要求定制的胸骨植入物，使用的材料都是钛合金，在植入体内之后就留在体内了。右图中，Lithoz 3D打印的生物陶瓷植入物和最右边的钙磷粉材料的植入物，将在植入体内之后促进骨骼的生长，并逐渐在体内降解。

3D打印技术在个性化剂量的药物、改变药物释放曲线等方面具有优势。3D打印药品的技术通过层层铺粉，并让药粉粘合剂沉积到指定的区域，所以可以更好的控制药物的结构。这里分享的例子是首个上市的3D打印药品，用于治疗癫痫症。它可以速溶于少量的水，迅速释放出高剂量的药物。

生物3D打印的理想目标是打印出可移植的复杂人体器官。目前科学家们正在向这个目标努力。其中包括，比较接近临床应用的是通过软骨细胞3D打印的耳朵软骨；实验阶段的3D打印血管；用于科研的生物脑组织，还有用于药物测试的人工组织或器官等。

在制造金属植入物以外的其他医疗设备的过程中，3D打印主要作用是进行新产品快速原型，从而快速验证设计，以及快速制造注塑模具，然后通过模具制造出产品。

3D打印在口腔科的应用种类比较多，从牙科模型到手术导板，从种植牙、牙冠到矫正器等应用中都有3D打印技术的用武之地。以3D打印种植牙为例，金属的牙冠可以通过SLM 金属3D打印技术实现批量定制化的生产，在一次打印中可打印多组不同的牙冠，然后进行烤瓷等后处理，即可交付给客户使用。随着材料技术的发展，目前已经可以出现可制造永久牙冠的特殊光敏树脂材料，通过DLP 或SLA 技术可直接打印出牙冠。

3D科学谷认为，3D打印技术带给牙科行业的意义在于可以实现批量定制化生产，以及融入到数字化口腔技术中来，为口腔行业带来精准、高效的解决方案。

发展趋势

3D打印在医疗行业中的最初是用来制造医疗模型和植入物不具有生命的医疗器械，随着技术的发展，3D打印技术与生命科学的结合成为必然的趋势，从打印简单的人体组织直到打印出复杂的人体器官。纳米级的3D打印技术也将应用在医疗行业。

Nanoscribe的双光子聚合3D打印技术用于打印纳米级的三维支架，在进行三维器官培养的时，这些极为精密的支架作用是控制细胞的形状。打印复杂的骨小梁结构也是该技术的一个应用方向。

未来，不仅仅是牙科产品，越来越多的定制化的医疗产品会放弃手工制作方式，拥抱数字化技术。例如足踝矫正器，在使用数字化技术之后，交期由2-4周最短可以减少到1天。同时由于数字化建模技术、仿真技术和3D打印的界入，产品将更加舒适、安全。

从最上方的张矫正鞋垫供应链图中，我们可以看到用传统的制造方式，由于需要依赖手工制造，所以不仅制造的流程繁琐，而且佩戴者需要多次前往医院进行调整试戴，整个供应链很长。但是在结合了数字化技术和3D打印之后，供应链的明显的缩短了。例如，美国iMCustom公司推出的矫正鞋垫定制商业模式，用户可以通过放在商店中的足底扫描仪将数据提交给iMCustom, 这些数据将通过软件进行建模，然后发回给商店中的3D打印机，3D打印机使用柔性线材进行矫正鞋垫的3D打印，理想情况下用户当天可以拿到鞋垫。

在增材制造技术的标准化工作中，3D打印的材料、工艺、设备都将逐渐规范，这对3D打印医疗器械，尤其是植入物的性能和安全性是一个保障。

相比传统制造技术3D打印在生产小批量产品时才具有成本优势，但是随着材料成本的下降和打印技术的提升，3D打印将在生产更大批量产品的时候保持这种优势。

新材料的出现将为医疗行业带来更多的3D打印解决方案，颠覆人们对产品的设计和开发能力。

产业化方向

3D打印设备、材料、软件等在医疗行业的市场规模如下：

隐形矫正器是典型的数字化口腔技术应用，设计师通过软件模拟每个矫正阶段牙齿的形态，并生成一些列的牙齿三维模型。在制造隐形矫正器时，首先通过3D打印机打印出和牙科模型，然后通过热塑成形制造出全套矫正器。患者通过定期更换佩戴不同的矫正器达到牙齿矫正的目的。从市场潜力方面来看，一方面整个牙科设备、产品和服务的市场总规模在2020年将达到4000亿元。隐形矫正器的使用比例目前中国只有2%，而欧美国家是25%左右，这个应用存在增长潜力。

助听器外壳的生产已实现数字化和3D打印批量定制化生产。助听器的生产被瑞达声、西门子等少数大品牌所垄断。但是由于人口老龄化、后天性失聪等因素，全球助听器的消耗量增加，预计到2018年市场规模达113亿美元。该行业对3D打印机和打印材料的需求也将随之增长。

国内首先通过CFDA 批准进入市场的是3D打印髋臼杯，这是一种标准植入物。其优势在于通过3D打印才能够制造出来的表面多孔结构，该结构有利于骨长入。相比通过涂层来实现的多孔结构，3D打印技术可以控制孔隙率和孔径，并且不会像涂层一样有脱落的风险。

进入到3D打印骨科植入物领域的制造商，在骨科产品领域经营多年，不论是产品的研发能力，还是申请食品药品监督部门的审批，他们的经验都非常丰富。

生物3D打印目前已经出现的商业化价值在于药物研发领域。目前制药行业开发一新药品的平均研发成本高达12亿美元，平均周期长达12年。随着新药品复杂程度的增加，研发成本和研发周期还会增加。制药行业需要高效的药物筛选解决方案来降低研发成本、加速研发周期以及降低药物研发的风险。而生物3D打印的人体组织相比二维细胞学实验更加接近人体真实情况，所以在用于药物筛选的时候能够提高筛选效率、提供更可靠的药物测试结果，在药物研发领域有应用前景。

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而骨科植入物的生物相容性是患者手术后能否获得顺利的康复的关键因素，从PEEK到钛金属，再到氮化硅，OXPEKK，以及钙磷粉，为了降低手术风险，加快康复速度，3D打印技术在骨科植入物方面的发展获得了越来越多的突破，如今，又有了新的突破…

通过3D 打印个体化制备的植入物进行组织缺损的修复，可以大大提高外科手术的精确性与安全性。奥地利Lithoz公司制造的3D陶瓷打印设备可以打印出满足这一医疗需求的骨骼植入体。

基于增材制造思想，Lithoz公司研发了独特而优秀的生产结构陶瓷的方法。LCM技术(基于光刻技术的陶瓷3D打印)， 使快速经济的生产高性能陶瓷功能件成为可能，材料性能不低于使用传统模式大批量生产的部件。Lithoz的LCM技术3D陶瓷打印设备可以制备出多种孔尺度与复孔结构的陶瓷制品，例如可以制备出作为骨骼植入体的生物陶瓷支架磷酸三钙样件，仍然具有很好的生物相容性，其各种性能上达到传统工艺制造出的同样部件。

图片：Lithoz高精度陶瓷3D打印的高仿真骨结构

在欧洲，Lithoz公司与苏黎世医科大学合作研究，打印用于治疗骨肿瘤的可降解的TCP支架，并进行植入实验，动物体内的支架在植入10天后被结缔组织包裹住，没有炎症发生。骨质缺损患者将会看到康复的希望。

通过高精度陶瓷3D打印设备可以实现高精度 (最小特征尺寸: < 150 µm)、高纯度 (> 99,4% T.D.) 、高强度、高时效高性价比；可以实现没有工具成本、没有改成型成本，达到快速生产的目的。

这不仅成功的解决了传统3D打印生物陶瓷支架的孔尺度与孔结构可控性不高的问题，而且可以通过设备软件精确的计算出需要放大的烧结尺寸，保证样品进行烧结收缩后，达到符合原始设计的尺寸。LCM技术对于陶瓷打印制品没有形状限制，可以实现新的形状设计和产品功能蜂窝细胞结构，也可生产薄壁结构（低于150微米）。

图片：重复精度示意图（左），Lithoz公司打印的高仿真骨结构（右）

内容来源：Lithoz, 3D科学谷编写

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