技经观察 | COVID-19大流行期间3D打印的兴起
COVID-19大流行肆虐已半年之久，目前仍在全球范围内蔓延，伴随欧洲多国疫情二次爆发，整个世界陷入了一场持续动荡的危机中。面对这场危机，一系列新兴技术在抗疫复工前线发挥了重要作用，3D打印就是其中之一。
COVID-19大流行引发的不确定性使世界陷入了一场仍在持续发展的危机中。制造和运输中断对后勤造成挑战，同时，全球化和自由贸易受疫情影响持续紧缩，严重破坏了供应链完整，导致医疗必需品严重短缺。在这场没有硝烟的战役中，面对前所未有的挑战和需求，3D打印技术为缓解抗疫一线的资源紧缺发挥了巨大的作用，同时显示出其运营韧性，展现出极强的创新响应能力，以及快速弥补传统供应链缺陷的巨大潜力。
3D打印发挥优势，快速响应医疗物资需求
COVID-19疫情在全球迅速蔓延以来，几乎所有国家和地区都面临包括口罩、防护服、护目镜在内的个人防护设备以及其他医疗设备的短缺。在这样的情况下，3D打印突出重围，为疫情下的医疗物资生产蹚出一条新路。3D打印作为一种基于数字模型的打印技术，具备小批量、分布式、快速制造的特点，可在线完成建模并准时交付打印模型，快速实现本地生产，就近服务。此外，3D打印还可以共享数据模型，实现网络协同生产，提高生产效率，满足批量需求。在疫情肆虐的特殊时期，3D打印使无需面对面的在线化生产成为可能，在确保生产不打烊的同时，最大限度降低了接触可能引发的病毒传播。3D打印在对抗COVID-19中的应用主要包括个人防护设备（PPE）、医疗和检测设备，可视化测试模型、隔离防护和其他配件等。
1 防护面罩和护目镜
在这方面，美国食品和药物管理局（FDA）于4月初批准了由美国退伍军人健康管理局（VHA）设计制造的首个3D打印口罩项目。该款口罩名为“Stopgap”，包括一个可重复使用的过滤器，且易于消毒。
其次，惠普公司及其合作伙伴采用Multi Jet Fusion 3D打印技术生产的COVID-19防护面罩，数量已超过20万个。同时，为调动3D打印产业链合作伙伴，运用技术经验和生产能力为抗疫做贡献，惠普公司还宣布免费开放与COVID-19疫情防治相关的海量3D打印设计文件，包括面部防护罩、呼吸机、FFP3口罩、口罩调节器等等。
另外，3D打印全球领导者Stratasys动员其所有资源，快速生产一次性面罩，并免费提供给医务人员。西班牙Nagami Design公司为西班牙的阿维拉地区提供3D打印面罩，每5分钟打印一个，每天产量约为500个，比传统台式打印机速度快7倍左右。
除专门经营3D打印业务的企业外，许多传统工业企业也纷纷加入了3D打印抗疫大军。兰博基尼将其位于圣阿加塔·博洛涅塞的工厂部分改建，每天生产200个3D打印聚碳酸酯防护面罩，供给附近医院。4月，波音向美国卫生及公共服务部交付了一批采用3D打印制造的可重复使用面罩。其产能为每周1000个左右，首批交付面罩的数量为2300个，随着相关供应链和设备的完善，后续产能正在逐步提升。空客公司位于西班牙的主要工厂采用其专利设计PLA塑料生产3D打印医用护目镜框架，支援医护人员抗击COVID-19疫情。面向消费级的3D打印眼镜品牌Fitz也利用自身在制作眼镜方面的技术，为前线医护人员制作了一款特殊的防护眼镜--Fitz Protect。
2 病毒检测鼻咽拭子
为满足病毒检测需求，缓解传统检测拭子供应不足的压力。众多企业加快开发3D打印鼻咽拭子，并通过3D打印实现了批量生产。
（1）美国3D打印初创公司Formlabs
美国3D打印初创公司Formlabs与南佛罗里达大学等共同开发并测试了鼻咽拭子原型，并获得了医院批准以及FDA一级豁免。Formlabs使用250多台3D打印机，每天生产多达15万支检测拭子，可用于全美医院和医疗机构的病毒检测。
（2）美国3D打印独角兽公司Carbon
美国3D打印独角兽公司Carbon与多家医疗机构合作，开发了具有晶格结构的新型拭子结构，这种特殊的设计不仅减少了材料使用量还缩短了打印时间，而且其特殊的纹理有助于提高试样提取效果。目前，Carbon正在扩大鼻咽拭子的生产规模，每周可生产超过100万支以支持病毒检测。
（3）北京UNIZ科技公司
北京UNIZ科技公司采用软质透明材料zSG树脂制作出具有多棱结构、便于刮取和存储样本的柔性咽拭子，每天可生产1000-2000只，且后续可以根据需求随时增加3D打印机数量扩大产能。
（4）英国GKN 旗下FORECAST 3D企业
粉末冶金企业GKN 旗下的3D打印企业FORECAST 3D，从3月份开始着手开发咽拭子的数字化制造解决方案，采用惠普的HP Jet Fusion 3D打印系统从5月份开始进行首批3D打印咽拭子的生产，6月份其产量已达到100万个。
3 医学类模型与配件
疫情爆发后，3D打印技术也迅速应用在病毒研究和疫苗研制的工作中。可通过CT或MRI等医学影像数据，创建三维数字模型并打印成具体实物，这一应用对病理分析、医学研究、手术方案设计和教学培训都具有很强的临床实用价值。典型的应用案例包括：
（1）广州形优科技公司依照感染者确诊5天时的肺部病灶CT数据进行3D重建，打印出了新冠病毒肺部感染病例的彩色模型，新冠病毒的毛玻璃状影像特征清晰呈现，能够帮助医学专家更直观地进行病例实体分析和演绎。
（2）兰博基尼研发部门帮助意大利医疗呼吸器制造商SIARE Engineering International Group设计和生产呼吸机模拟器。兰博基尼内部的3D打印实验室通过优化组件，使用HP Jet Fusion 4200 3D打印机，仅用了两个星期就完成了肺部模拟器的设计和验证，每周可产出18个模拟器，用于对SIARE生产的呼吸机进行功能测试。
（3）比利时的3D打印领军企业Materialise开发了无创PEEP(NIP)连接器，该装置可以将医院中的标准呼吸面罩转化为能在患者肺部产生正压力以促进呼吸的面罩。医生通过使用这些面罩可以缩短患者使用呼吸机的时间，从而降低呼吸机的供应压力。
4 3D打印隔离屋与其他配件
3D打印技术还成功地用于制造临时紧急隔离屋，以隔离疑似患者，从而减轻了医疗基础设施的负担。与传统的建造方法相比，3D打印房屋所需的建造时间更短、人工成本更低，并且可以使用更加环保的原材料。成形的房屋也可以被快速地运输或部署到其它所需区域。在这方面，一些企业也做出了非常成功的尝试，在助力对抗疫情方面效果显著：
（1）上海盈创建筑科技有限公司开发的3D打印房屋内部设置了床位区、盥洗区，成为了可移动、高强度、封闭保温的“隔离屋”，且具有个性化定制、一体打印、快速成型的优势。目前已有15套隔离屋被运送至巴基斯坦助力该国抗疫。除抗疫一线的医疗物资与设备外，在大众日常的抗疫场景中也出现了3D打印的身影，各类配件有效帮助遏制病毒传播，降低感染风险。
（2）比利时的3D打印领军企业 Materialise 设计了一款3D打印免手触开门器，这款3D打印开门器可以装在门把手上，其桨状的延伸部分可使人们通过用手臂来开关门，避免了手与门把手的直接接触，以此减少病毒的传播。Materialise计划将根据需要利用各种3D打印技术推出更多设计，并免费共享设计文件。
3D打印驰援背后存在的问题
目前全球疫情反弹的风险仍在持续增加，虽然3D打印技术为遏制疫情发展、缓解供应链紧张、满足应急需要做出了贡献。但与此同时，与3D打印设备的医疗用途相关的潜在风险也引起了人们越来越多的关注。医疗设备必须要有市场准入，但3D打印企业尤其是非医疗领域的3D打印企业往往没有相关认证或资质，大部分器械设备都是企业自研开发，因此3D打印出的产品仍存在一定的安全隐患。
美国食品药品监督管理局（FDA）对待3D打印医疗设备的态度非常谨慎。FDA警示称，3D打印面罩看起来更像传统的PPE（个人防护用品），虽然可提供物理屏障保护，但是却无法保证在隔绝性、耐流体性、过滤和控制感染方面提供同等水平的保护。
美国联邦机构和政府机构也高度重视3D打印医用产品的安全性，已经为3D打印医疗器械制造商制定了指导方针和应遵守的条例，要求3D打印产品必须在符合ISO13485质量管理体系中记录和执行所有制造与后处理活动，并且会根据国际标准（例如ISO10993-1）对3D打印设备的生物相容性进行评估。
除3D打印产品本身存在的安全性问题外，3D打印设计者的原创设计和权益也同样面临安全风险。3D打印从模型到实物产出的便利，极大地降低了制造的门槛，上传到网络上的三维实物数据模型完全向大众公开，即便是没有工程经验的普通人也能够在家里打印所需产品。这种复制行为实际上很可能构成侵权，对原创设计者的知识产权造成损害。但目前，3D打印领域的知产产权保护仍处于空白状态，设计者的权益得不到有效保护，这些漏洞也让业内人士对3D打印品牌的塑造感到忧虑，不利于3D打印长期的健康发展。
COVID-19大流行之后的3D打印前景
在此次COVID-19大流行中，3D打印已成为能够支持、改善医疗状况和应对紧急情况的一项重要技术。这场危机凸显了3D打印将成为未来更绿色、更环保制造的基础，其灵活优势得以进一步体现，正在释放出创新的、可持续的解决方案。
而随着全球经济的重新开放，供应链预计会变得更短、更分散，这些变化将使开放式增材制造生态系统中发展出更多、更灵活的制造程序。公众对于供应链重要性意识的增强也将使3D打印市场最终受益，后疫情时代3D打印技术应用将会朝着离散、缩短的供应链、本地化生产的方向发展。
尽管3D打印还是一个非常年轻的产业，但在全球供应链和生产制造受疫情影响中断的情况下，3D打印的表现充分显示了它敏捷的应变能力，也让更多人看到了3D打印的潜力所在。此次疫情或许能够成为推动3D打印发展的催化剂，而3D打印作为一种新的制造方式，将与其他高新技术共同助力产业的转型升级。
作者丨 张 宇
编辑丨 刘 瑾
研究所简介
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