揭开3D打印的神秘面纱

       国庆前夕，我省首个中小学3D打印创新实验室在蚌埠实验中学正式启用。随着科学技术的发展，3D打印技术扑面而来。

　　国庆前夕，我省首个中小学3D打印创新实验室在蚌埠实验中学正式启用。随着科学技术的发展，3D打印技术扑面而来。作为全球热门的前沿交叉技术，3D打印到底是什么，现在的发展情况怎样，到底它能用来做什么?记者日前深入中科大国家数学与交叉科学中心 (合肥)、图形与几何计算实验室采访

　　3D打印扑面而来

　　不久前，一家名为“食用墨水”的全球首家3D打印餐厅在英国开张。这家餐馆从食物到餐具，甚至桌椅，都由3D打印技术制作。白天，这里是一个展示空间，人们在此能看到3D打印机的工作过程;晚上，这里摇身一变，成了精品餐厅，每晚只接待10名幸运客户，食客在花费250英镑(约合人民币2216元)后，可以享受9道3D打印的菜肴。

　　不仅仅是食品领域，如果你看过美国电视剧《实习医生格蕾》的话，一定对剧中医生使用3D打印机打印出患癌器官，从而确定在哪里下刀的剧情有所记忆。今年2月，一位澳大利亚人植入通过3D打印技术制造的脊椎骨。这位患者的颈部长了一个肿瘤，直接导致半身不遂，而通过使用3D打印的方式对原有部分脊椎骨进行替换，让他重新拥有了一个可以移动的身体。今年4月，中科院重庆研究院与中科院空间应用中心成功研制出我国首台空间3D打印机，可打印最大零部件尺寸达200×130毫米，该尺寸是美国国家航空航天局首台空间在轨打印机打印尺寸的2倍以上。

　　什么是3D打印?中科大教授刘利刚介绍，3D是英文 “3 Dimensions”的简称，中文是指三个维度、三个坐标，即有长、宽、高，换句话说就是立体的。 3D打印技术有很多个称呼，学术上称之为快速成型技术，从制造工艺的技术上划分则称之为增材制造。它是一种以3D设计模型文件为基础，运用不同的打印技术、方式使特定的材料，通过逐层堆叠、叠加的方式来制造物体的技术。 3D打印技术是一种前沿交叉技术，被誉为自二十世纪90年代兴起互联网以来最热门的技术，甚至有人将其称为是第三次工业革命，最终可以做到无所不能的打印技术。

　　目前，3D打印技术在国内迅速发展，并逐步从高端领域走向大众日常生活，在教育、医学、工业、建筑、文化、航空航天、工业设计等多个领域实现初步融合。去年，我省繁昌县成立春谷3D打印智能装备产业园，成为华东最大的3D打印产业集聚群。专家认为，未来3D打印技术将越来越成熟，逐步渗透到生活的方方面面，进而推动社会的发展和人民生活水平的提高。

　　新兴技术引领潮流

　　在中科大国家数学与交叉科学中心 (合肥)，随着三维建模、材料准备和3D打印机的启动，一只栩栩如生的巨大兔子，呈现在记者面前。 “这只巨大的兔子，采用的是3D打印和平面激光切割相结合的方式打印出来的，这是一种快速、廉价分块制造大物体的3D打印技术，比简单分块打印方法节省60%的材料成本和制造时间。 ”刘利刚介绍。

　　实验室内，兔子、骏马、青蛙等3D打印产品，令人目不暇接。 “今后，只要提前建模，钥匙丢了也不用再去外面配，在家就可以打印。 ”刘利刚笑言。 3D打印是以材料而定的制造技术，每层都要添加材料，被认为是一个增材的过程;而传统制造所使用的材料要被切割、钻孔、铣削或加工等，被看成是个减材的过程。 “3D打印是一种增材制造，几乎没有材料浪费，而且可以打印复杂工艺的产品。 ”刘利刚表示，其优越性在于可以短时间内快速完成用户需求的小批量定制化物件，降低新产品开发研制的成本和投资风险，缩短了新产品研制和投放市场的周期。

　　3D打印和平面激光切割，是近年来逐渐成熟的快速成型制造技术，但3D打印机无法打印体积较大的物体，平面激光切割只能制造2D形状的物体。最近，刘利刚团队的一项3D打印研究成果，在计算机图形学领域顶级期刊《美国计算机协会图形学汇刊》上发表，引起广泛关注。他们将3D物体模型设计为内部的凸多面体粗略部分及外部的精细部分，内部的凸多面体由多个激光切割板块组装而成，并通过三维自锁机制连接成稳固的内部支撑结构;外部的精细部分被剖分成多个部件，并用3D打印机分别制造出来，然后贴附到内部支撑结构上以保证物体表面的细节外观。

　　实验结果表明，该方法比目前简单的分块打印方法节省60%的材料成本和制造时间，并使得制造出的物体满足所要求的连接强度、整体平衡性及可打印性。 “这项成果可广泛应用于快速、廉价地制造体积较大且需定制的物体，如雕塑、雕像、电影道具、文物复制品等，且制造物体的尺寸越大，节省的材料成本和制造时间越多。 ”刘利刚表示。

　　走向成熟尚需时日

　　今年2月，英国著名学术刊物《自然·生物技术》报告说，美国韦克福雷斯特大学研究团队利用新开发的3D生物打印系统打印出的人造耳朵、骨头和肌肉组织，移植到动物身上后都能保持活性。目前，这项技术还处于早期试验阶段，需进一步改善，以便未来能用患者的细胞打印出真正可用于外科移植手术的人造器官，进而解决人造器官的移植难题。

　　过去，如果有人因交通事故，需要更换钦合金的人造骨骼，只有大、中、小3种型号可用，但未必适用。如今，通过CT扫描获取患者的图像数据后，利用3D打印机可直接打印出百分之百符合需求的人造骨骼。实际上，3D打印的人造骨骼、牙冠、助听器等，早已应用到世界各地成千上万的人身上。 “然而，3D打印的前景虽然很好，但走向成熟还尚需时日。 ”刘利刚坦言，3D打印的人造器官也许能保持一定的活性，但活性有多高、能保持多久，跟人类的器官是否匹配，都需要进一步的研究和验证。“这是人类的未来梦想。 ”刘利刚说。

　　“工艺不成熟、建模门槛高、材料不够丰富，是制约3D打印发展的3大因素。 ”刘利刚透露，3D打印目前最大的难题是材料欠缺，传统制造业可用的材料有上万种，而3D打印可用的只有上百种;在工艺上，3D打印也不太成熟，3D打印靠的是材料堆积，速度比较慢，一般老百姓受不了，不适合用来大批量生产。“3D打印不可能代替传统制造。”刘利刚举例说，3D打印汽车只可能打印部分零件和车身外装，发动机属于精密制造，就没法打印;3D打印房子已经实现，但打印房子所用的材料比较特殊，打印出来的房子是否足够结实，功能性能否满足需求，都需要时间来验证。

　　“3D打印技术属于交叉学科，需要多领域科学家共同努力，才能突破当前的瓶颈。 ”刘利刚说，他对3D打印技术充满信心，“只要人类有需求，总会想办法去实现。 ”