蒸汽机是工业化的第一个重要里程碑，那么今天是否还有蒸汽机车在工作呢？这些机车发生故障怎么办？历史上有留存至今的备品备件用于维修保吗？本期，通过3D打印的案例，3D科学谷与谷友分享3D 打印和砂型铸造如何影响备品备件生产。

3D打印砂型铸造的机车零件

© Tyseley

3D打印创造附加值

今天，蒸汽机车这一曾经的工业化推动者仍在英国工作，时不时地在国家的主要线路上工作，有趣的是这类机车的维修保养工作也有专门的公司负责。位于英国的 Tyseley Locomotive Works 是一家专业的历史蒸汽机车修复和维护中心。2022 年初，华威大学的研究小组建议 Tyseley Locomotive Works 考虑使用3D打印模具，因此委托 Boro 铸造为其其中一辆蒸汽机车制造新的过热器集管。

使用 3D 打印砂模生产备件。对于历史悠久的蒸汽机车，Boro铸造根据 1950 年代的原始工程图制造了bob综合体育在线一个新的过热器集管。通过使用 3D 砂型打印，与传统制造相比，铸造厂能够节省 2/3 的成本，并将模具包的组装时间从 14 多个小时减少到仅 3.5 小时。像这样的项目令人印象深刻地展示了增材制造如何为备件生产提供价值创造。

3D打印砂型模具

© 维捷-voxeljet

实现复杂形状设计

过热器在蒸汽机车的运行中起着至关重要的作用，精度和质量是过热器的制造重点，过热器用于将从锅炉输送到汽缸的蒸汽加热到远高于蒸汽饱和温度的温度。在这种情况下，锅炉产生 202 °C 的蒸汽，其过热器将温度升高到 340 °C，从而增加蒸汽中包含的能量（热函），然后可用于有效地增加发动机的汽缸在锅炉中所做的功。此外，过热最大限度地减少了蒸汽在汽缸中膨胀时可能发生的冷凝现象，从而降低了因过多冷凝水而造成损坏的风险。

不过过热器已经在机车行业使用了几十年，原来的制造工艺已经过时、成本高、效率低。

这是因为原始部件包含许多孔（总共 56 个），在运行期间蒸汽通过这些孔。这些孔极大地复杂化了铸造过程。最大的挑战是型芯，它被插入模具中以将孔集成到铸件中。型芯由夹具、螺栓支撑，并使用型芯塞在铸造过程中将其固定到位。然而，在铸造过程中型芯移动的风险和可能性很大。此外，不均匀的厚壁和薄壁部分带来额外的后续加工。

3D打印砂型的设计

© Boro

传统制造的模具包（包括制模）的报价高达 34,000 英镑，除此之外，估计组装模具大约需要 14 个小时，所有这一切，再加上零件最终容易出现缺陷或完全无法使用的风险，促使制造商寻找替代制造解决方案。通过voxeljet-维捷的3D打印砂型打印中找到了解决方案。

Boro铸造与另外一家工程公司一起开发了一套模具，其中仅包含三个砂型模具和一个型芯。这些模具是在慕尼黑附近的voxeljet-维捷按需打印中心生产的。

节约2/3成本

根据Boro铸造，特别令人高兴的结果是真正的附加值是所有 56 个孔这样的复杂设计对于3D打印来说并不增加成本，消除了后续钻孔的需要，最终再次节省了时间和金钱。

创新是成功的关键，3D建模、铸造模拟和 3D打印砂型模具的使用极大地改善了零件的质量、制造周期和制造成本。Boro铸造通过应用这些新技术取得了压倒性的成功。这为更好的发展铺平了道路，奠定了为此类应用开发更大、更复杂铸件的前景。

得益于 3D 砂打印，Boro铸造能够将模具的组装时间缩短至 3.5 小时，总成本仅为传统模具报价的三分之一。

尽管 3D 打印模具也存在型芯因铸造压力而脱落和上浮的风险，但 Boro铸造能够通过将用于螺栓连接的凹槽直接集成到 CAD 文件中，从而在实际中使用螺栓将型芯和模具固定到位，在实际铸造之前，Boro 模拟了铸造过程以设计浇注系统，以降低铸造压力和相关的型芯侵蚀或移动风险。此外，该模拟有助于预测铸造过程中的气体波动并降低气体滞留的风险。然后，Boro 在大约 1330 °C 的温度下铸造了大约 550 公斤的铁铸件，最终获得了Tyseley 机车厂的新型过热器，尺寸为 1300 mm x 600 mm x 400 mm，重量为 406 kg。

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近日，清华大学附属北京清华长庚医院神经外科王贵怀团队和清华大学材料学院王秀梅团队基于生物3D打印技术，成功制备了一类有生命的类神经纤维，该纤维由类似于天然细胞外基质的水凝胶包裹着高密度的神经干细胞组成，纤维定向排列组装为精准适配脊髓损伤区域大小的微型类组织，可作为移植物进行修复治疗（图1）。

图1：“活”的类神经纤维制造及功能示意图

论文链接：

https://authors.elsevier.com/sd/article/S2452-199X(23)00035-X

脊髓损伤修复是一项世界性的医学难题，其导致的永久性神经功能障碍，目前仍缺乏理想的治疗方法。当前，基于生物材料的再生医学策略受到广泛关注，特别是通过生物材料与细胞的原位组装形成有生命的仿生微组织，能够重现天然组织的细胞与细胞、细胞与基质间复杂的相互作用。

作为组织工程与再生医学领域的革命性技术，生物3D打印在以自下而上的组装方式构建仿生类组织方面大有可为，已广泛应用于体外疾病模型构建与药物筛选，其作为移植物用于组织再生修复的巨大潜力，仍待开发。

图2：“活”的类神经纤维在体外(a)、体内(b)分化为神经元

图3：“活”的类神经纤维的体内修复及再生功能性评价

研究表明，生物水凝胶为神经干细胞提供了优异的生长微环境，保障了神经干细胞的原位驻留和高存活，在体外、体内均可分化为功能性神经元（图2）。同时，植入体内的类神经纤维可以显著改善脊髓损伤后的抑制性微环境，炎症细胞从促炎态转变为促再生态，促进神经发生，形成神经突触，重塑神经回路，并有效整合再生神经网络与宿主神经网络（图3），从而显著促进脊髓长距离横断后的运动功能恢复。此研究利用3D生物打印构建的类神经纤维展现出极其优越的神经再生能力，基于3D生物打印技术的可定制性，该策略可为个性化修复脊髓损伤提供新视角，具有重要意义。

清华大学附属北京清华长庚医院神经外科王贵怀团队和清华大学材料学院王秀梅团队，以“生物3D打印活的类神经纤维改善生态位再生长距离脊髓损伤”（3D bio-printed living nerve-like fibers refine the ecological niche for long-distance spinal cord injury regeneration）为题，于2月2日在线发表于《 Bioactive Materials 》 (2022年影响因子16.874)。清华大学材料学院2019级博士生杨嘉为本论文的第一作者，清华长庚医院神经外科住院医师杨凯元为本论文的共同第一作者，清华长庚医院神经中心主任王贵怀教授和材料学院王秀梅研究员为本论文的共同通讯作者。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、清华精准医学基金的支持。

根据36氪，广东绿展科技有限公司（以下简称绿展科技）已于近日完成数千万元A轮融资，本轮融资由国中资本领投，佛山市南海产投、佛山市桂城科技股权、海杨创投之丹阳深海投资基金跟投，募集资金将主要用于扩充产线产能建设和技术研发。

绿展科技是一家集成电路与系统增材制造商。其中，增材指的是在基材上集成电路的一种方式，与之相对应的是减材，后者是电子制造行业更为常见的技术。例如，半导体所用到的微纳加工技术就是减材的一种，优势是线宽小，所以在单位面积下能够集成更多的电路。但其依赖硅晶圆基材、工艺步骤多、大面积制备工艺受限等特点，制约了减材技术在一些场景的应用。

微纳加工技术VS增材制造技术，图源企业

具体来说，相较于减材法，增材法的优势可以体现在以下几个方面：首先，传统的增材法不受基材限制，能够突破硅基的面积限制，也为制备柔性电路创造了有利条件，因此集成微电路可以被印刷在更为复杂的物体表面；其次，增材法工艺流程更短，原则上只需印刷和烧结两个步骤，工艺流程具有更优的环境与经济性能；第三，增材法无需依赖掩模版，适合快速打样和满足下游的个性化定制需求。

基于上述优势，增材制造可以在精密电路、传感、信息显示等多个领域有广泛的应用，对应千亿级的市场空间。但行业普遍只能做到50微米以上的线宽，也就意味着既定面积下的线路更少。而现有的突破50微米以下增材制造也存在的由于图形结构、重复精度、生产效率的不足等问题，目前还少有其中的量产报道。

增材型集成电路的应用，图源企业

绿展科技所采用的增材制造创新工艺在于通过控制印刷所用的液态油墨的自发运动，解决了对控制线宽制造了难题。针对这个难题，绿展科技采用亲疏水图形引导油墨自发运动，突破了50微米线宽，最低可以做到1微米。这也打开了增材法在一些领域的应用空间，符合终端应用对微型、环保和降本方面的趋势。

从产品的角度来看，绿展科技有三大战略产品，分别为玻璃基指纹传感器、增材型柔性传感器（压力、温度）和IPDS 天线。举例来说，有了增材法的加成，天线可以存在几乎任何一个物件之上，赋能物联化、智能化。

「绿展科技」战略产品及其优势，图源企业

2021年底，绿展科技已与中科院苏州纳米所、广东微纳制造研究院联合成立了“纳展微电子精密印刷制造联合实验室”。目前已经建立了和头部汽车座椅供应商重庆安道拓及头部家电品牌美的的战略合作。未来绿展科技还将打通技术平台，为客户提供更加标准化的产品。同时向更加精密、适用更多基材、成本更低、可靠性更高的方向进行技术迭代和升级。

团队方面，创始人及CEO蓝梓淇毕业于加拿大UBC工程物理专业、会计学专业；首席科学家马昌期任中科院苏州纳米所印刷中心及创新实验室研究员；CTO林剑为中科院印刷电子中心副研究员。