3d打印技術與運用范文
時間：2023-09-20 17:54:16
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0 前言
當前，3D打印技術迅速席卷全球，并掀開了產業革命新篇章，尤其是隨著3D打印技術的不斷發展與成熟，使得該技術的應用領域與范圍隨之實現了拓展。在材料動畫片的制作領域中，作為動畫藝術領域的重要分支之一，借助3D打印技術的運用，實現材料動畫片在制作上更加的完善，效果更加逼真，充分彰顯出了現代技術與手工藝完美結合的優勢。在此過程中，由于一系列問題的呈現，也使得3D打印技術在該領域中的運用受阻，成為當前亟待攻克的一大難題。
1 3D打印技術與材料動畫概述
所謂的3D打印技術也被稱之為快速成形技術，該技術則是基于數字模型這一基礎上，借助軟件分層離散以及數控成型系統，以激光束等方式來實現耗材打印，通過對所使用特殊材料的逐層堆積與粘結，獲得立體模型并將這一數字三維模型進行打印，實現實物產品的制作。基于3D打印技術下，其運行原理是：結合實際需求來提前備好打印材料，然后將數字三維模型數據輸入到3D打印機中，相應的打印設備則結合模型數據，按照層疊的方式來打印出相應的立體實物。
材料動畫也被稱之為定格動畫，其需要相應的拍攝動畫師對模型定位的實體圖像進行逐格拍攝，在拍攝完一副畫面后，對拍攝對象進行稍微移動后實現下個鏡頭的拍攝，在完成拍攝后，將每次所拍攝的一幀畫面進行連續播放，進行形成具備活靈活現的動畫鏡頭。在傳統的拍攝制作中，采用手工工藝的方式不僅耗費時間長且整個工序十分復雜，進而加大了成本投入，同時制作效果也存在一定的不足。而借助3D打印技術的運用，則能夠為有效解決手工藝拍攝制作所存在問題的同時，借助3D打印技術與材料動畫的完美結合，在簡化材料動畫制作程序的同時，賦予拍攝鏡頭以更加逼真的視覺效果。
2 3D打印技術在材料動畫片制作中所呈現出的優勢
2.1 降低成本并提高制作效率
在材料動畫片制作的傳統領域中，要想打造一部精良之作，就意味著在實際之作的過程中，需要針對角色、場景以及到道具等進行細化之作，相應的工序極其復雜，進而使得投入成本過高。而借助3D打印技術的運用，則能夠與傳統手工藝之作進行有機結合，在簡化手工工藝操作程序的同時，大大降低了成本投入。同時，在實際開展制作工作的過程中，需要結合實際情景之需，實現相應模型的打造，當角色需要在一個或者是多個場景中出現，則就需要針對人偶、道具以及場景等及西寧反復的翻制，借助手工藝來開展這一工作，面對繁瑣且復雜的制作程序，無意會消耗大量的時間，相應制作效率極低。將3D打印技術進行運用，能夠基于相應數據下，提高制作的效率，為實現材料動畫片的高質高效制作奠定了基礎。
2.2 借助良好材質的運用促使畫面更加逼真
在材料動畫片的制作中，需要借助材料的運用來實現人物造型、道具以及情景等的設計，而相應材料材質直接影響到了動畫片制作的效果。在傳統的拍攝方法下，難以實現畫面的完美呈現，特別是畫面缺乏立體感，而借助3D打印技術的運用，則能夠通過對模型材質的掃描來實現數字修正，在此基礎上，借助特殊材料的使用來實現實物打印，在保證原材質屬性不被破壞的同時，還能進行修正之后，凸顯出材質細節的精準性，最終呈現出逼真的畫面。在完成實物制作的基礎上，以逐幀拍攝的方式來實現具備動態影像畫面的制作，為呈現出一部精良動畫作品奠定基礎。
3 3D打印技術在材料動畫片制作中所呈現出的局限性
從前文的分析中可知，借助3D打印技術的運用，能夠為提高材料動畫片制作的效率與質量奠定基礎，進而為降低成本投入并實現逼真動畫影像的打造。但是，在實際運用3D打印技術的過程中，也呈現出了一定的局限性，具體而言，表現在：第一，3D打印技術本身對成本投入提出了較高要求。雖然與傳統手工工藝技術相比，3D打印技術能夠節省大量的人力、物力以及財力，并提高制作效率，但是，從3D打印耗材方面看價格高的耗材所打印出的模型精細度較高，但是，相應的成本隨之加大，而如果選擇廉價耗材，雖然能夠在一定程度上降低成本，但是，很多情況下，則難以滿足實際之作之要求。同時，因相應增材制造的材料研發本身具備了較大的難度，進而致使3D打印技術的運用同樣需要投入較大成本；加上當前增材料制造技術在國內發展尚不成熟，進而也影響到了3D打印技術下材料動畫制作的效率與精度。第二，自動化控制水平偏低。基于3D打印技術下，需要以信息技術以及材料科學等多學科領域中的尖端技術引進，而從目前自動化控制系統看，相應系統穩定性有待提升，進而影響都了制作的精準度。第三，材料單一。目前，從3D打印技術本身的實際發展現狀看，最大的問題在于材料的局限，一般而言，要求相應的3D打印材料要具備方便性，且成本可控、性能可靠；同時，現有3D打印普遍為單色素模，無法滿足材料動畫制作發展之需。第四，人員素質有待提升。在材料動畫片制作中，要想充分實現3D打印技術的作用與價值，就需要提高對人員能力素質的重視程度，確保相應人員能夠在開展材料動畫制作的過程中，以實現對3D打印技術的完善運用。但從目前相應人員能力素質的現狀看，還存在著一定的不足，難以將3D打印技術與手工工藝進行完美結合，進而阻礙了3D打印技術作用的發揮。如上問題是當前材料動畫片制作過程中，運用3D打印技術所急需解決的主要問題。
4 結語
在材料動畫片制作中，借助3D打印技術的運用，能夠在化簡工序、提高材料動畫制作質量與效率的基礎上，降低制作成本，并打造出完美的視覺效果，為進一步促進材料動畫片制作領域的發展步伐奠定了基礎。而從實際踐行看，3D打印技術在實際運用于材料動畫制作過程中，依舊存在著一定的局限性，需要制定具有針對性解決措施，以打破3D打印技術在該領域中發展瓶頸的束縛。
參考文獻：
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[關鍵詞]3D打印機 運用 發展
中圖分類號：TS85 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）05-0361-01
前言：在3D領域當中，3D打印機是一種實現快速成型技術的機器，基于數組模型文件，可將粉末狀的塑料、金屬等可黏合材料，利用逐層打印的方式，對物體模型進行構造。與傳統打印機相比，3D打印機最大的不同之處就是打印材料的不同，3D打印機當中采用的，都是待制品的原材料。作為一種累計制造技術，3D打印可以在很多不同的領域當中進行應用，并且都能夠取得較為良好的應用效果。
一、3D打印機的原理
3D打印機也叫做三維打印機。在實際應用中3D打印機能夠根據實際需求，利用3D輔助設計軟件打印制造出三維立體的實際物體。3D打印機可以使用塑料、金屬、蠟、橡膠等多種不同的原料，并且利用這些原料直接打印出三維立體模型，同時也能夠根據人們的要求，打印出各種不同形狀的物體。與傳統的去除材料加工技術不同的是，3D打印機能夠連續的創建物理層，因而屬于添加劑制造技術的范疇。而相比于其它的添加劑制造技術，3D打印機的運行速度更快、易用性更好、成本更低。在實際應用中，首先利用計算機建模軟件對相應的三維模型進行構建[1]。在第一構建體中，根據具體要求和一定的規律，離散有序序列單位，在Z方向上離散到一定的厚度，從而將原有的三維CAD模型轉變為若干層片。在每個層片中，將相應的處理參數輸入，并且通過系統輪廓信息，生成相應的數控代碼。將打印出的各個片層進行連接，從而形成了3D模型。
二、3D打印機的運用
在3D打印機當中，應用了激光技術、融容沉積技術、CAD技術、材料科學技術、光化學技術等多種先進技術，在建筑設計、醫療用品設計、工業設計、產品設計等方面都有著十分廣泛的應用。利用3D打印機能夠快速的得到立體實物模型，從而為CAD設計模型的修訂和優化提供便利。目前，在醫療、航天、機械制造、建筑、工業等諸多領域當中，3D打印機都得到了良好的應用，甚至在一些工藝品制造、精密器械設計等方面，3D打印機也發揮出了十分良好的應用效果。
具體來說，3D打印機能夠直接打印出金屬鑄件的模型、圖案、插件。在醫療方面，利用患者自身的細胞，3D生物打印機能夠利用一層層的生物構造塊，對真正的活體組織進行制造，打印出軟骨組織、骨骼、皮膚等。在曲面異型建筑當中，利用3D打印機，能夠迅速的制作出很多精密構件的準確模型，從而極大的提高了建筑模型制作水平。只要提供充足的參數，3D打印機還能夠制造出一棟完整的建筑物[2]。對于地理空間方面的GIS數據，可以利用3D打印機進行轉換，從而形成城市沙盤或景觀模型。此外，3D打印機能夠有效的融合抽象概念與現實世界，將很多想象中的物體轉變為真實存在的立體模型。利用三維數據、三維動畫、電子游戲等方面的設計要求，能夠將想象中的形象和物體打印出來，使之轉變為真實存在的物體。
三、3D打印機的發展
在日常生活中，3D打印機具有十分良好的發展前景。其中，醫療領域是一個十分重要的領域。利用3D生物打印機，能夠針對不同人體打印出各種器官，例如肌肉、皮膚等簡單的活體組織器官。而在未來的發展中，更加復雜的身體器官，諸如心臟、肝臟、腎臟等，也很有可能通過3D打印機實現[3]。利用3D打印機還能夠打印出各種精細的工件，例如，我們公司―廣州市想現電子科技有限公司（3Dgreat）制造出一系列的FDM，DLP等各種工業級的3D打印機，人們只要把三維立體圖形數據經過切片軟件讀取后連接到打印機中，就能夠打印出任何自己想要的形狀。在教育教學當中，3D打印機也正在發揮著越來越大的作用。教師在教學當中，利用3D打印技術的演示教學，能夠極大的提升和開發學生的創造力。同時，在歷史、科學等課程教學當中，可以利用3D打印機制作一些文物、化石等模型向學生進行展示。在生物、醫學等專業教學中，還可以利用3D打印機打印出分子、蛋白質等模型，可從而讓學生更加直觀的學習和掌握知識。
科技領域是3D打印機未來發展中的一個主要方向。例如，在2014年，國際制造技術展覽會上曾經展出了一輛3D打印汽車，該車的整個車身、機器、零部件等都是利用3D打印機實現的，并且能夠正常的駕駛和運行。利用一種新型的3D打印機，目前已經能夠打印出飛機引擎等先進的設備，該技術對機制造成本的降低，以及飛機運行燃油的節省都有著很大的意義[4]。利用3D打印機，還能夠打印出飛機上很多精密的零件。而在打印過程中，可以采用很多性能材質良好的輕金屬，因而使打印出的零件能夠直接應用在飛機制造當中。在動漫藝術領域，3D打印機的發展前景也十分廣闊，例如，在迪斯尼大型動畫電影《超能陸戰隊》當中，就大量的應用了3D掃描、3D打印等技術。而在《通靈男孩諾曼》當中，對于角色任務的面部表情，也是通過3D打印技術實現的。
結論：3D打印技術作為當前社會中一種新興的技術，具有很多方面的優勢和特點。在很多不同的領域當中，3D打印機都能夠進行良好的應用，并且在眾多實踐當中都取得了較為理想的效果。通過3D打印機，能夠實現很多傳統工藝無法實現的技術。因此，在未來的發展中，3D打印機在生活、藝術、醫療、科技等領域當中，都具有十分廣闊的發展前景。
參考文獻
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【關鍵詞】CAID；3D打印；計算機輔助設計；工業設計
引言
工業設計是在伴隨著工業的發展而發展起來的一個行業，迄今為止工業設計已經有了一百多年的發展歷史。在工業發展的過程當中，人們對工業產品的需求不斷提高，從而促使生產廠家必須要提高產品的外觀、構造以及形態，從而促進了工業設計的誕生。工業設計最初的內容就是對單個產品的開發設計，現如今工業設計已經逐漸成為了整體性的服務與產品生命周期當中的系統設計，其內容被不斷的豐富與完善，這種設計方式的轉變也對人們的日常生活產生了較大的影響。我國的工業設計起步相對較晚，在上個世紀80年代，我國的工業設計才逐漸開始走進人們的生活當中，同時當時的工業設計水平相對較低，工業設計受到藝術設計的影響也相對較大，設計的內容主要是產品的外觀方面[1]。隨著改革開放的不斷深入，我國的經濟持續高速發展，到上個世紀90年代左右，經濟的發展推動了我國制造業的發展，在這樣的背景下，我國的工業產品制造技術不斷趨于完善，同時工業產品的生產在社會當中也火熱開展起來，同時在這個時期以計算機為代表的信息技術開始走向成熟，因此利用計算機進行工業設計就開始在工業設計領域當中出現，從而出現了計算機輔助工業設計，即CAID，在CAID技術開始在工業設計領域當中廣泛運用的同時，3D打印技術也出現了，但是3D打印技術在很長的一段時間內都處于停滯不前的狀態當中，直到2010年左右，3D打印技術才取得了突破性的進展，3D打印技術才被運用在實際生產當中，尤其是在工業設計領域當中具有非常廣泛的運用，許多設計師通過3D打印技術進行產品的設計，有效的縮短了產品研發的周期，省去了設計過程當中的模型制造與審核的環節，極大的推動了工業設計的發展[2]。
一、CAID簡介
計算機輔助工業設計是從計算C輔助設計發展而來的一個新的概念，隨著計算機技術的不斷發展，許多配套的設計軟件也逐漸成熟起來，如CAD與有限元軟件等開始出現，從而允許計算機被使用在設計領域當中。而CAID就是計算機輔助設計的英文縮寫。從CAID的本質上進行分析，CAID技術是在工業設計與計算機技術的支撐下系統形成的一種全新的技術，是與傳統的工業設計存在著極大的差別的設計方法，與傳統的工業設計方法相比，CAID在設計方法、 設計過程、 設計質量和設計效率方面都發生了顛覆性的改變，從而為工業設計的發展提供了重要的動力。CAID技術是一種包含了多種不同屬性的計算機技術，如虛擬顯示技術、模糊技術、人工智能技術、多媒體等，同時不同的技術之間也存在著一定的交叉，由此可見CAID技術是一種綜合性的技術[3]。
在工業產品的開發過程當中，往往需要經過多個環節才能使得最終的產品得以實現，首先需要對市場進行必要的調查，了解用戶對產品的實際需求，并設定產品的市場定位，再繪制草圖與效果圖，之后還需要制造出數據模型與實物模型，最終才能進行產品的批量生產。在這個過程當中產品的可視化過程是非常關鍵的一個部分，只有做好這部分工作才能在產品量產之前對其中所存在的不足支出與錯誤進行改進，從而促進了產品的完善，在進行可視化工作的過程當中，往往需要CAID技術的支撐，例如在進行產品效果圖繪制的過程當中，我們可以利用PS、Coreldraw等計算機輔助設計軟件進行二維效果圖的繪制，利用3DMax等軟件進行三維模型的設計。而在數據模型階段，CAID也具有非常廣泛的運用，例如可以使用一些工程類的軟件進行工程模型的制作，如SolidWorks與CATIA。從而為后期的產品生產做出充分的準備。在進行產品設計的整個過程當中使用CAID技術進行設計相比于傳統的使用手工效果圖與模型制作的方式極大的提高了涉及的效率，同時也使得設計的精確性得以有效的提升。當前階段在工業設計領域當中使用CAID技術進行工業設計的相關軟件已經非常的豐富，尤其是在計算機硬件不斷升級的基礎上各種軟件的性能也得到了極大的提升，并不斷的朝著智能化與集中化的方向發展。因此，在未來計算機會完美呈現設計者的設計構想， 不用去花費太多的精力和時間去學習各種軟件建模、 渲染技術。這樣是技術對設計師的一種解放， 讓設計師可以把更多的精力集中到設計創造階段[4]。
CAID在工業設計當中的應用也不僅僅局限于設計表現方面的運用，我們可以將CAID技術推向工業設計的全過程，例如，在進行工業產品的前期調研過程當中，我們可以利用計算機對相關的調研數據進行充分的分析與論證，從而提高產品市場定位的精確性，在最近幾年發展起來的大數據技術就可以充分的使用在該領域當中。還有設計過程中對產品的人機工程學分析， 只要有了數據模型， 我們可以通過計算機輔助設計技術， 用人體數據庫對設計進行檢驗， 提出更合理的人因工程分析數據， 幫助設計師改進設計。這些都是計算機輔助設計技術應該發揮作用的方面[5]。
二、3D打印技術與工業設計
3D打印技術是在上個世紀90年代才出現的一種全新的制造技術，3D打印技術需要以存儲在計算機當中的模型數據為基本依據，利用塑料或者粉末狀的材料通過逐層打印的方式來將實際的物體制造出來。3D打印技術在問世之后，廣受設計人員的歡迎，被廣泛的使用在設計模型的制造方面，但是隨著3D打印技術的不斷發展，3D打印的應用已經不再僅僅局限在設計領域當中，在實際生產當中也具有非常廣泛的運用，一些工業零部件已經開始采用3D打印的技術開始生產[6]。
但是總體來說3D打印技術在工業設計領域的應用相對來說還是較多的，在傳統的工業設計當中，在O計的最后階段都需要制作一個模型，用來測試和檢驗設計的可行性和合理性。一般來說一個模型的制作周期大約為1周左右，模型的成本相對來說也較大，同時通過手工制作的模型在精度方面還存在著較大的問題，如果還需要進行開模的話，模型的價格則會更高，但是如果采用3D打印技術進行模型的制作，只需要通過一臺3D打印機與制作材料在幾個小時之內就可以將模型制作出來，同時模型的精度還非常高，這就可以使得產品開發的過程被極大的縮短了，同時也可以有效的降低制作成本。當前階段3D打印機的制造技術已經非常成熟，其成本相對來說也較低，許多企業都會為設計工作配置3D打印機，甚至還有部分企業推出了家用的3D打印機[7]。
3D打印技術的出現對制造業與工業設計帶來了革命性的變化，當前階段3D打印在工業設計與制造方面的應用已經在很大程度上改變了人們的日常生活，例如可以通過3D打印技術進行房子的制造，可以使得一些生活在極端環境下人群的居住環境得以有效的改善，通過3D打印技術還可以進行人體器官的打印，從而避免了大量的器官移植需求得不到滿足的現狀。
三、CAID與3D打印技術在工業設計方面的結合
CAID技術與3D打印技術本來就是兩種相輔相成的技術，3D打印技術必須要以一定的數據模型作為打印的基本依據，而3D打印技術則將虛擬的工業設計轉變成了實際的模型，因此，如果實現CAID與3D打印技術在工業設計方面的有效結合，則可以推動工業設計產業的整體發展，同時也會使得這兩種技術的實際運用得到一定的推廣[8]。
在下文當中，筆者將通過一個自己實際操作的案例分析CAID與3D打印技術在工業設計方面的實際運用。在該案例當中，需要進行一個吉祥物的設計，設計的原稿是由他人進行設計的，因此，在此僅僅討論數據模型的制作過程與3D打印的實際過程。下圖一為通過CAID技術所制作出來的二維效果圖，這兩個吉祥物分別被明明為花花與桃桃，其人物造型是以花與桃子為原型的，三維模型制作階段應用了 McNeel公司開發的Rhinoceros 軟件和多邊形建模插件 T-spline。借助于 T-spline 的自由多邊形建模功能， 在數據模型的建構過程當中，首先需要構建花花與桃桃的身體部位，再通過多邊形轉 NURBS曲面的命令， 轉成 Rhinoceros軟件中可用來編輯的 NURBS曲面[9]。在完成這些工作之后還需要對人物的身體方面的細節進行充分的修飾，最后才能完善數據模型的構建，數據模型的構成如下圖二中所示。在完善數據模型的建構之后，需要將相關的模型數據保存為STL格式，并將相關的數據導出來，在導出數據之后，再將相關的數據信息導入到與3D打印機相連的計算機當中的打印軟件。在該案例當中所使用的3D打印機是我國國產的3D打印機，打印機與打印軟件如下圖三中所示，通過定位、 打印尺寸等的設置后打印機便會執行指令， 開始逐層打印， 直到打印完畢。最后還需要對3D打印所得出的實際模型進行簡單的人工處理，最后就可以得到模型。在該案例當中從最開始的數據模型的構建到最后的打印完成耗時一周不到，所得到的模型效果也相對較高[10]。
四、結語
在本文當中，筆者對CAID與3D打印進行了簡略的介紹，并以此為基礎分析了CAID與3D打印技術在工業設計領域當中的應用，最后通過實例對二者之間的結合進行了分析。我們可以發現，將CAID與3D打印技術結合在一起可以有效的提高工業設計的效率，在提高設計速度的同時，還能提高設計的質量，并有效降低設計成本，應該在實際的使用過程當中大力推廣。
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篇4
>> 3D打印機技術在未來電工教學應用中的設想 3D打印機的運用與發展 3D打印技術在圖書館應用現狀分析 3D打印機 無所不能的3D打印機 你的3D打印機 神奇的3D打印機 3D打印機的制作 最環保的3D打印機 便攜式3D打印機 我的隨身財富打印機 便攜式3D打印機我的隨身財富打印機 圖書館與3D打印 美國公共圖書館3D打印服務及政策的最新應用現狀 基于政策規范的圖書館3D打印服務策略研究 桌面級3D打印機的技術發展及應用前景 基于FDM技術的3D打印機擠出機構研究與設計 基于DLP技術的低成本3D打印機開發與探索 3D打印機嵌入式控制系統的研究與開發 彩色3D打印機的研究與探索 3D技術、 3D打印機的中文定名 常見問題解答 當前所在位置：l.
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篇5
3D打印技術被譽為第三次工業革命的鑰匙、“萬能機”等，該產業也被列為未來最賺錢的產業之一。2015年8月，總理主持國務院專題講座，討論加快發展先進制造與3D打印等問題，他要求從業隊伍運用該技術，配合中國制造2025的愿景，制定行業發展計劃。
在這一領域，國家、社會的關注度極高；政策、技術研發、資金也不缺乏。然而，國內卻出現了另一番景象，看似一片火熱的3D打印技術經歷了一波又一波的火爆炒作。但在技術應用和市場推廣方面，3D打印產業發展卻面臨尷尬。
外熱內冷 技術應用遇尷尬
3D打印的優勢是傳統制造業無法企及的，國外很多企業甚至把3D打印技術作為發展戰略。近日，惠普以10.5億美元收購三星打印業務，進軍3D打印技術應用市場；通用電氣也宣布以14億美元收購瑞典Arcam和德SLMSolutions兩家3D打印企業，使自己從3D打印行業最大的用戶之一躋身于3D打印市場最大的供應商之列。
3D技術被高度關注始于2003年。一些關于該技術領域的論壇、研討會和商業推廣會等從未間斷；在資本市場，3D打印概念股一片火熱。2012年，國內企業大批進入3D領域，然而，目前多數企業經營困難。
被譽為中國3D打印教父的中國工程院院士、快速制造國家工程研究中心主任盧秉恒介紹：“現在僅有幾十億美元，與數萬億美元的制造市場相比，差距甚遠。因此，未來的發展前景仍不可估量。”
從市場需求看，前途無量的3D打印外熱內冷。國內應用規模不大，而且在工業領域，以3D打印的應用也并不多見，國內的3D打印企業盈利者也是寥寥無幾。國家對3D打印的高度重視使得3D打印成為信息技術與制造技術融合的熱門，成為智能制造的焦點之一。而現在3D打印應用的發展不溫不火，原因又是什么？
難以推廣 市場有待突破
盧秉恒分析原因認為，中國3D打印技術的主要缺陷在于產業鏈尚未形成、原創技術太少、產業化的應用規模遠遠不夠。
國際3D打印制造領域知名專家、華曙高科CEO許小曙也做出類似的分析，他說：“我國工業界對3D打印技術的認可度及應用度不高，多數制造企業尚未接受數字化設計、批量個性化定制生產等先進制造理念，與此同時，工業級3D打印設備單臺成本較高，企業購置3D打印設備的需求動力不足，產業運用范圍和領域也有限，應用前景還有待進一步開發。”
由于3D打印的跨領域應用特性，行業門檻不一樣，有些領域應用3D打印技術還有政策制約，像醫療領域、軍工領域等，市場開拓還有很長一段路要走。
清華大學教授、江蘇永年激光董事長顏永年、“太爾時代”CEO郭戈是中國3D打印領域的另外一支力量。顏永年主張打造3D打印的軟實力，掌握核心技術，將激光器的價格降下來，與國內做激光和振鏡的單位一起合作，使光束質量和穩定性達到世界先進水平。
許小曙帶領國內3D打印行業的“領頭羊”湖南華曙高科技術團隊在2015年突破技術瓶頸，提升了3D打印機的效率和精度。許小曙說：“當前涉足3D打印的企業，主要還是以技術研發和科技創新為主，成熟的盈利模式尚未形成，雖然整個行業擁有巨大的市場容量，但短期內仍很難得到有效的釋放。”
經過過去幾年3D打印的投資熱，3D打印技術步入到了一個新的階段，應用市場仍有待突破已經成為一個不爭的事實。
先天不足 產業發展遇瓶頸
業內專家分析，除了技術應用和市場推廣面臨的問題以外，3D打印技術本身也有著自己的缺點，這些缺點也影響了其成長的速度。
材料的限制。目前，高端工業印刷可以實現塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但其發展水平還無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。
技術和成本的限制。3D打印對機器的要求很高，目前的3D打印對于運動的物體和它們的清晰度就難以實現。此外，目前3D打印規模化生產的條件尚不具備，而且3D打印機本質是單體機，是現有產業鏈的一種方式，而不是一個制造能力總成體系。
知識產權的限制。知識產權越來越受關注，保護力度也是越來越強。3D打印技術也會涉及到這一問題，通過3D打印，人們可以隨意復制任何東西，并且數量不限。
道德的挑戰。據統計，3D打印服務提供商每年打印產品上百萬種。打印汽車、飛行器、建筑物等變得非常容易。然而，打印人體生物器官或者活體組織，打印武器、飛行器、復制名人、明星玩偶是否有違道德倫理？
工業級應用技術欠缺。3D打印技術低端運用已經趨于飽和，工業級應用則技術欠缺。目前，工業級的3D打印機市場依然被3DSystems、Stratasys、德國EOS等國外巨頭壟斷，國內絕大部分購買客戶為國企、央企等大型企業，中小型企業購買者寥寥。
尚未形成完整產業體系。2015年2月，工業和信息化部、發展改革委、財政部聯合印發《國家增材制造產業發展推進計劃（2015～2016年）》，為3D打印的發展提供了有力的政策支撐環境。然而，我國3D打印產業尚未形成完整的產業體系，3D打印材料等關鍵核心技術基礎薄弱，產業化進程較慢。
應用市場 個性化成為突破
3D打印作用于智能工廠，綜合應用了信息技術、新材料技術、數字制造技術等諸多學科，直接成型無需模具，也無需對原材料進行切削、組裝，不受產品結構復雜度的影響，突破了加工工藝的限制，是典型的柔性可重構制造系統，極大地縮短了產品設計、研制及驗證周期。
盧秉恒認為，制造業未來的大趨勢是從大批量生產變為個性化定制，而對個性化定制來說，3D打印是最適合的技術。
3D打印適用于復雜構件制造、個性化、定制化制造，它在縮短研發周期、降低制造成本、優化零件結構上有著無可比擬的優勢。消費者可以根據自己的需求量身定制產品，人人都是創造的主體，從而改變以集約式、標準化為代表的傳統大規模生產方式，使“社會化制造”及“分布式制造”成為可能。
目前市場上，個性化定制設計很受歡迎，采用專用材料及其工藝技術的3D打印也有很好的市場。比如，在醫學方面，3D打印已被用于手術精準設計、圖像重建、手術模型打印，并重點在3D打印重建腦膠質瘤模型用于精準用藥、3D干細胞打印用于腦癱兒童的治療、細胞3D打印用于脊柱損傷的治療、3D打印器官芯片用于藥物篩選等四方面發展細胞3D打印技術。
近期，涉及3D打印的會務不斷。9月12日，中國國際傳感器技術與應用展覽會暨全球智能制造大會在上海舉行；9月23日，由國家商務部、中國國際貿易促進委員會、湖北省人民政府、湖南省人民政府、河南省人民政府、山西省人民政府和武漢市人民政府共同主辦的智能制造國際論壇舉報；2016年9月26日，2016中國智能制造大會在杭州舉辦。
篇6
［關鍵詞］3D打印;口腔醫學;材料
1材料種類
1.1金屬材料
口腔醫用金屬產品要求金屬材料具有良好的機械性能，化學特性，生物相容性和耐腐蝕性等等。對原料的要求也很高，包括純度高、含氧量低、粉末粒度細、可塑性好、流動性好等特點。目前主要應用于口腔醫學領域的3D打印金屬粉末材料包括:鈦、鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼等。其中，鈦及鈦合金材料具有密度小、精確度高、強度大的優點，并且該種材料有較好的生物相容性，被口腔醫學領域視為比較理想的3D打印金屬材料。尤其是在口腔頜面部位的修復、牙體組織的修復以及有關種植體制造［6］等領域廣泛使用。由于純鈦的一些性能的缺陷，例如純鈦的強度不如鈦合金大，而且純鈦的彈性模量比骨組織的要高，很容易導致鈦種植體和骨組織兩者產生不相融和的機械應力。對于此，很多研究者都試圖采用各種方式來改善純鈦的性能，例如在其表面增加涂層或者氧化純鈦的表面等［7］。3D打印的鈷鉻合金也是口腔醫學領域常用的修復材料。利用3D打印技術制造出，再采用修復技術將人工牙添加上去，這樣的修復體進入口腔后便具有良好的密合性。由于使用的鈷鉻合金義齒支架與添加的人工牙采用了不同的材料，根據現階段的技術設施，基本上不可能一次性打印出完整修復體。Traini等［8］成型了梯度化Ti-6Al-4V鈦合金多孔牙科種植體，具有更加優化的理化性能，抗拉強度、斷面收縮率及延伸率均達AMs4999(美國材料協會的關于3D打印鈦合金的相關標準)。Figliuzzi等［9］使用激光燒結個性化鈦合金(Ti-6Al-4V)種植體，拔除患牙后即刻種植修復，隨訪顯示個性化種植體及美觀效果良好。Traini等［8］激光燒結鈦合金試件，然后分別測量試件表面多孔層和內部致密層的彈性模量，前者接近骨皮質，后者接近機械加工的鈦金屬，表明這種方法加工鈦合金種植體能減小表面應力，有利于種植體的長期穩定。Mangano等［10］將激光燒結的窄直徑種植體用于患者的后牙種植修復治療，37例種植體隨訪2年后存留率為100．0%，成功率為94.6%。在物理機械性能、生物抗腐蝕性及相容性等方面，需要深入研究3D打印的有關金屬產品是否與傳統工藝制造的產品相同，是否按照國家的標準。目前，新興金屬材料在口腔醫學領域依然處在體外研究的狀態，尤其作為口腔植入材料的性能仍有很大的研究空間［11］。目前，3D打印技術不斷發展，不斷優化的設備性能和多樣的金屬打印材料，金屬3D打印技術也會更加廣泛的運用到口腔醫學的各個領域中。
1.2高分子材料
高分子材料已成為目前3D打印領域中基本的成熟的打印材料，塑料作為高分子材料的代表，具有較好的熱塑性、流動性與快速冷卻粘接性以及其迅速固化的性能［12-14］。另外，由于高分子材料具有良好的粘接性，可以使其能夠與陶瓷、玻璃、纖維、無機粉末、金屬粉末等形成新的復合材料［15，16］，在口腔醫學中，聚乳酸、聚己內酯、聚富馬酸二羥丙酯等屬于比較常見的3D打印材料。聚乳酸(PLA)是一種具有良好的生物可降解性的環保材料，能在特定條件下被自然界中微生物完全降解，最終生成二氧化碳和水，不會造成環境污染，對環境保護非常有利，是公認的環境友好材料。其還具有半透明性和光澤質感，是口腔醫學領域3D打印的理想材料。聚醚醚酮(PEEK)是一種熱塑性聚合物，目前用于制作3D打印衛星、3D打印汽車零件，開始在3D打印行業發揮真正的影響。PEEK材料的優點包括，①PEEK材料彈性模量和人體骨骼相近，修復后顱骨的應力完整;②X射線透過性能好，不會產生金屬偽影，不影響醫學影像，方便檢測術后恢復情況;③使用3D打印PEKK材料制成的結構比用傳統的PEEK具有更好的抗菌性能，可以高溫消毒再用;④PEEK本身具有很強的惰性，對頭皮刺激非常小，排斥性低，穩定性高。目前用于制造義齒零件。從3D打印技術的發展狀況而言，光固化立體成形屬于發展最早也是最成熟的技術，并且得到了廣泛的運用。3D打印光敏樹脂即光固化樹脂、UV樹脂，是口腔醫學領域應用廣泛的高分子材料。對于口腔醫學領域而言，液態樹脂材料需要有優良的穩定性、較低的黏度、固化迅速且程度高等［17］。有研究發現［18］，液態光敏樹脂可以打印成可生物降解組織工程支架，利用光固化快速成型技術制造形成的支架與人松質骨有比較相同的機械性能，并且具有促進成纖維細胞黏附與分化的作用。迅速發展的光固化樹脂材料不斷促進口腔醫學的進步，有利于口腔醫學更加個性化和精準化。
1.3陶瓷材料
口腔醫學領域的陶瓷材料要求具有良好的美觀性和生物相容性，具有低密度、高強度、高硬度、耐高溫、耐腐蝕、化學穩定性好等優良的物理化學特性，其廣泛應用于機械制造、航空航天、生物醫療等行業。因其優良的機械性能和美觀性能，目前也用作口腔修復材料。氧化鋯陶瓷用切削技術進行加工時會有很多材料被切除掉，造成浪費，導致全瓷冠的價格昂貴，而且還可能在義齒中有切削力造成的內裂。3D打印氧化鋯陶瓷義齒對材料利用率可達90%以上，相對來說成本較低。3D打印氧化鋯可減少材料浪費和環境污染，并可通過打印特殊內部結構來實現硬度等力學性能的仿生性。早期的氧化鋯3D打印制造主要以激光燒結的方法為主，但存在制件致密度及成形效率低，表面粗糙和裂紋等問題［19，20］。光固化成形陶瓷具有良好的表面質量和結構精度可控性［21］，并迅速成為研究熱點。目前，氧化鋯材料3D打印過程中仍存在一些問題，如內部應力大、燒結后容易產生裂紋以及體積收縮大等，這些可能會影響其機械性能和臨床適合性，陶瓷材料及其加工工藝仍需進一步研究。
1.4生物組織材料
使用3D打印材料和技術生產具有良好生物性功能的人體細胞、組織以及器官等，是眾多學者一直的追求。學者們不斷探索3D打印技術，并且緊密結合了生物組織工程技術，制造具有生物功能性的人造細胞、組織和器官來替代需要修復的人體缺損組織。水凝膠是一種水溶性的高分子聚合物，其利用化學或物理的交聯而產生，是一種3D網絡結構［22，23］。水凝膠有優良的生物相容性，可以構建組織工程支架，并且可以加工形成可控型釋放藥物的載體［24，25］。但目前，3D繪圖生物寫入制造的水凝膠具有較低的硬度，可能導致結構崩潰或限制形狀的復雜性，因此3D打印生物材料的最新進展將推進3D打印生物材料領域的進步和發展［26，27］。在口腔醫學領域中，不論是患者個性化定制的生物組織材料，還是現有的成品，3D打印產品在牙科和口腔手術［28，29］中都發揮了重要作用。目前，3D打印技術基本上實現人牙髓細胞(humandentalpulpcells，hDPCs)的生物打印，這奠定了3D生物打印技術更廣泛的應用于牙體組織的基礎。再者，人工骨材料羥基磷灰石與光敏高分子相融合可以用于制造含生物活性的骨組織工程支架。在種植學方面，3D打印個性化種植體成為即刻種植的趨勢，對鈦種植體表面進行修飾，可促進成骨細胞的生長分化，種植體具有更優良的特性。由于3D打印技術生成的微米表面的粗糙程度更容易被特定的細胞識別出來。具有微納復合結構的種植體促進了細胞的增殖和延展，同時更利于細胞向成骨方向分化。在微納復合結構提供的生理三維的仿生環境中，更利于細胞的伸展，從而更好地增殖與分化。
篇7
[關鍵詞]3D打印技術 教育應用 應用模式
中圖分類號：D170 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）11-0382-01
1、3D打印的原理
對于大多數人來說，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面內容的普通打印機，事實上二維的噴墨打印和某些類型的3D打印在技術表現上確實比較相似，3D打印使用特制的設備將材料一層層地噴涂或熔結到三維空間中，從而讓打印的數字虛擬對象實現三維實體化。3D打印機的精確度相當高，可以打印出模型的大量細節，而且它比起鑄造、沖壓、蝕刻等傳統方法能更快速地創建原型，特別是傳統方法難以制作的特殊結構模型。一般來說，通過3D打印獲得一件成品需要經歷建模、分層、打印和后期處理四個主要階段：
（1）三維建模
通過GoScan之類的專業3D掃描儀或是Kinect之類的DIY掃描設備獲取對象的三維數據，并且以數字化方式生成三維模型。也可以使用3ds Max、Blender、AutoCAD、SketchUp等三維建模軟件從零開始建立三維數字化模型，或是直接使用已做好的3D模型。
（2）分層切割
由于描述方式的差異，3D打印機并不能直接操作3D模型。當3D模型輸入到計算機以后，需要通過打印機配備的專業軟件來進一步處理。即將模型切分成一層層的薄片模塊，每個模塊的厚度由噴涂材料的屬性和打印機的規格決定。
（3）打印噴涂
由打印機將打印材料逐層噴涂或熔結到打印臺的三維空間中，根據工作原理的不同，有多種流程方式。較常規的是先噴一層膠水，然后在上面撒一層粉末。如此反復；或是通過高能激光融化合金材料，一層層地熔結成模型。整個過程根據模型大小、復雜程度、打印材質和工藝流程耗時幾分鐘到數天不等。
（4）后期處理
由于3D打印機規格、打印材質、打印精度的不同，可能出現成品截面粗糙或有毛刺的現象，這時就需要對打印出來的模型進行必要的加工處理，如：表面打磨、剝離、上色、固化處理等。
2、3D打印技術在教學中的作用
2.1 提高學生主動學習的積極性
3D打印是以計算機軟件生成或通過實體掃描獲得的數字模型文件為基礎，運用粉末狀的金屬或塑料等具有粘合性的材料，通過“積層造型法”逐層打印出實物的技術。該技術應用于課堂上能夠激發學生濃厚的興趣。通過3D打印，課本上的二維知識能夠快速轉化為三維的實物，3D打印本身的功能特性和新穎性以及對教學過程的輔助作用都能夠激發學生的好奇心和學習興趣，提高學生的積極性與主動性。通過將3D打印技術引入課堂，學生可以將自己的想法與構思實體呈現出來，不僅培養了學生的動手能力，還加深了對知識的理解與記憶，激發學生深入學習的熱情，積極地投入到再學習中，形成良性循環。
2.2 培養學生的創新思維能力
3D打印技術為學生提供了一個自由發揮想象力的平臺，學生可以通過3D打印將許多課本中看不見摸不著的內容變為實物，能夠使學生捕捉知識要點并實體定格。在3D打印技術的支持下，學生可以將更多的時間與精力投入到設計與創新環節，通過自身的理解與想象，結合課本上的知識舉一反三，將記憶理論概念轉化為實物創作，在體驗實踐中融會貫通進而創新。可以說3D打印技術引入學校教學中，極大地促進了學生思維能力和創新能力的提高，學生可以參與創新設計，盡情發揮自己的想象力和創造力，將創新思維能力培養貫穿于學習活動之中，通過打印出具有個人特色的實體作品，體驗課本外的知識實踐應用。
2.3 幫助教師探索新的教學方法
在傳統的教學中，教師只能通過口頭講述的方式來為學生講解知識，即使是多媒體技術和設備非常發達的今天，教師也只能通過音視頻使得教學相對生動真實，由于大量學科仍是非實物化的教學方式，加上學生的閱歷有限，理解能力不足，使得他們對知識掌握的程度仍未教師理想。有了3D打印技術的支持后，教師就能夠將全新的“體驗式教育”實施到課堂之中，將課本上以前那些難以觸摸，或是難以在課堂上具現化的內容打印成三維實物，讓學生通過自己的親身觸碰和體驗來加強學習理解。以學生為主導的教學方式，教師將學習的主動權交給學生，幫助學生去感受最真實最具體的內容，結合著理論概念與知識點，讓學生更容易理解其中的內涵與意義。
3、3D打印技術在教學實踐中應用模式探究
3.1 3D打印技g用于課堂情境教與學
以萊夫為代表的情境學習理論認為，知識寓于情境之中，學習者通過具體活動能更好地獲得知識，強調知與行的交互性。而我國教師在教學中普遍實施的是灌輸式教學法，教學模式僵化。3D打印技術對于教師和學習者的重要價值體現在：它能夠更加真實形象地呈現特定事物，并讓學習者獲得深刻的感知體驗。利用3D打印機可將大多數有益于教學的模型實物打印出來并呈現在課堂上，借助實物教具教師可以更容易將抽象問題進行深刻解析，學習者也可通過其幫助對知識加深理解，實現教學雙方所共同期望的交互教學模式。
在桌面3D打印機巨頭MakerBot舉辦的數學工具模型大賽上，愛好者制作了各類創意教具，并用3D打印機將創意立體化為三維實物，大大提高了學習者的學習興趣。大量實踐證明，教學中采用生動的、符合情境的教具，課堂氛圍更熱烈，教學過程更輕松，學習效果更顯著。（圖1）為教師自行設計并打印的球齒輪教學模型，3D打印教具的使用可促使學習者將已有知識經驗與實際問題進行聯系，深化知識和內涵；使教師從知識權威轉變為學習者研學的促進者，有利于引導學習者應用所學知識來解決“現實”問題。
3.2 3D打印技術用于課外創新實踐活動
創新是一個民族進步的靈魂，提高自主創新能力、建設創新型國家必須依靠創新型人才，而我國教育工作者針對如何培養人才創新能力難題一直在努力探索。許多學校創建了學生社團以鼓勵創新，但往往一些創意思想都囿于現實而被迫終止。例如在模具設計中學生試圖將創意付諸實踐時發現，即使標準零部件仍需去市場上逐一甄選，過程繁雜，而非標準件則必須找代工廠進行單件生產，加工周期長且價格昂貴，這些困擾在很大程度上消減了學生創新的積極性。
3D打印的出現徹底改變了@一現狀，任何創意設計都不再局限于傳統加工能力的局限，3D打印機可以快速打印出學生DIY過程所需的零件，學生幾乎可以足不出戶就能將創意變成成品。3D打印可激發學生對某些科學過程或現象進行可視化展現，便于進行科技發明或創新制作，為實現設計提供一種更加高效的途徑。
3.3 3D打印技術用于培養大學生的綜合技能
當今社會對人才的知識體系要求發生劇烈變化，從傳統的單一知識形式轉變為多領域知識融合形式。3D打印對于中小學生可簡單定位為一種科普教育，而在高等教育理工學科中則應是一種技能教育。因此，3D打印機對于大學生不僅僅是一種模型制作設備，更應該通過對打印設備的系統學習，深入掌握所涉及的各種技術知識。
如前所述，3D打印技術是一種集多領域知識于一體的技術形式，它要求學生綜合學習機械設計、計算機技術、控制技術、光學技術、材料科學等多種專業技術，這就必然促使大學生加強多領域知識的學習與融合，契合當今社會對綜合型人才的需求。
3.4 3D打印技術用于提高大學生就業競爭力
近年來我國大學生就業問題日益突出，其根源在于人才培養與社會需求脫節，存在“兩張皮”現象。部分專業的課程設置和課程內容不能與時俱進，與社會崗位對專業人才的要求不相符合。2014年9月，人力資源咨詢機構WANTED Analytics報告表示，近四年來市場上對具備3D打印與增材制造相關技能的人員需求量持續上升；2014年8月，3D打印行業的招聘廣告數量比去年同期增長103%，且相關崗位的人員招聘難度系數最高達到60%，企業很難招聘到具有此項專門技術的人才，人才缺口十分巨大。
目前，我國還沒有設置3D打印專業，僅出現小規模具有高校背景的培訓機構，遠不能滿足市場對3D打印人才的需求，所以亟待將3D打印技術融入課堂教學，將人才培養與社會需求結合起來，可以大大提高學生就業競爭力。
3.5 3D打印技術用于開展產學研項目
技術作為連接知識與生產的橋梁，不僅是知識的應用與物化，要進行構思設計，還要直接作用于生產過程，進行產品開發與制造。因此，積極開展產學研項目合作是把握技術的理論性與實踐性之間發展規律的重要環節。
3D打印技術用于開展產學研項目有利于培養學生科研能力，增強科研轉化能力。對于高校，一方面可對3D打印技術進行深入科學研究，另一方面應向企業提供共享服務。如青島高新區引進西安交通大學快速制造國家工程研究中心盧秉恒院士團隊，幫助其打造完整的3D打印產業鏈；與中科院自動化所共建青島智能產業技術研究院，建設3D打印社會資源平臺等，形成雙贏的局面。
4、結束語
目前，3D打印技術受到了各個領域的高度重視。雖然3D打印引入教學中還存在著很多困難，但其帶來的效果是不可估量的。3D打印技術的運用，需要學校與師生的支持，使其充分發揮作用，為我國教育事業的發展提供動力。
參考文獻
[1] 張彥芳.3D打印技術及其應用[J].科技視界，2013
篇8
揭開3D打印的神秘面紗
隨著3D打印技術的走俏，以3D打印機為代表的3D打印技術相關產品在各科技類展會上成為焦點。諸多企業躍躍欲試，以求抓住3D打印帶來的商機；許多創業者也對此頗為關注，認為這是個人創業的捷徑。3D打印，似乎迎來了它的黃金發展期。
其實，3D打印不是新鮮的東西，早在27年前它就存在了。世界上第一臺3D打印機誕生于1986年，由美國人CharlesHull發明。而他所成立的3DSystems公司，現在已是一家在納斯達克掛牌的上市公司，并已成為美國3D打印產業內首屈一指的巨頭之一。到這里，我們不禁有疑問：既然3D打印技術早已存在了二十多年，緣何在今日突然爆發？現今，3D打印的技術與市場的真實狀況是怎樣的？帶著這些疑問，我們近距離觀察3D打印。
近場觀察，價格優勢and技術軟肋
在成龍的封山之作，電影《十二生肖》中，成龍通過3D打印機將十二生肖的贗品制造了出來，這一事例很好地概括了3D打印的特點：快速成型。遠觀3D打印，似乎它無所不能只要擁有一臺3D打印機，你就可以打印出你喜歡的一切甚至克隆另一個自己，這是真的嗎？答案當然是否定的。
其實3D打印的原理很簡單，就是以計算機三維設計模型為藍本，將模型分解成若干層平面切片，然后把打印材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整的物體。它的工作原理類似噴墨打印機，不過它噴出的不是墨水，而是黏接劑和液態材料。這使得3D打印技術的發展深受材料的限制。目前，能夠被運用到3D打印中去的材料僅有薄膜、樹脂、石蠟、石膏、尼龍絲、鈦合金、陶瓷等十幾種。受材料的限制，3D打印技術能打印的東西還比較有限。
但由于這種制造方式不需要模板，也不用組裝，產品形態完全通過軟件操控，生產一件產品與大批量生產相比，單位成本幾乎一樣，所需勞動力數量大幅減少的同時也省去了冗長而昂貴的模具制造過程，能夠極大地縮短產品的研制周期，大幅減少成本投入，還能較精準地塑造復雜精細的造型。
有了3D打印機器，就相當于擁有了一整條生產線，一整個車間。3D打印對于工業設計與模具制造在傳統制造鏈條中的沖擊，不言而喻。這就是3D打印突然爆發的主因。經濟危機后，歐美國家發展已經停滯，尤其需要制造業回歸，這個時候傳統生產方式已沒有優勢可言。3D打印技術與制造業的結合，使得勞動力密集型的制造業變身為高端的自動化產業，讓制造業重新煥發了生機。
市場分析，停于概念or走向現實
毫無疑問，材料的局限性限制了3D打印技術的發展，但同時其價格優勢也惹人垂涎。在此，我們不妨預想一下3D打印的未來：3D打印前景如何，真能“橫掃一切”嗎？3D打印最終是停于人們暢想中還是逐步走向現實？
篇9
關鍵詞：3D打印；標準；教學應用；云平臺
中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2017）05-0011-04
一、引言
3D打印技術作為一項對傳統制造業具有顛覆意義的技術，近年來在世界范圍內受到廣泛關注，其主要生成流程包括兩大步驟：基于計算機輔助軟件設計立體模型，并通過3D打印機基于熔融、光固化等工藝逐層打印成品。[1]近年來，作為“增材制造”的主要實現形式，3D打印技術受到了我國政府的高度重視。進一步地，針對3D打印等新型數字化制造技術的研發和產業化，我國政府出臺了《國家增材制造產業發展推進計劃（2015-2016）》。此計劃將3D打印技術發展規劃提高到了國家戰略發展的高度，不僅強調了3D打印教育的推廣和普及，更強調了3D打印技術人才的培養。隨后，在中國政府實施制造強國戰略第一個十年的行動綱領《中國制造2025》中，3D打印被列為突破發展的重點領域。更為引人注目的是在國務院關于3D打印增材制造的專題講座后，總理表示要在國內多個重點行業加速3D打印的裝備和運用。
在教育行業發展領域中，3D打印技術的相關應用已經逐步引起國內外政府以及相關組織的高度重視。現階段，針對3D打印教育價值的一系列探索性研究以及實踐工作正在逐步開展中，并已取得了一些基礎成果。國內，上海、青島等教育發展先進地區已經成功地將3D打印引入基礎教育領域。目前，上述先進地區通常在青少年活動中心配備3D打印機和掃描儀，同時定期邀請技術專家開設包括CAD建模和3D打印機操作實踐等相關課程，最終以指導學生打印出自己設計的產品為基礎教育階段的教育實踐目標。國外，在“人類學習可以通過制造和分享過程產生”的理念下，英國教育部與英國物理學會、英國全國數學教學創優中心和3D打印機廠商協調合作，進一步保障使用3D技術的學校可以得到良好的理論指導及技術支持。另外，為培養高中生的工程技術能力并激發學生對工程、設計、制造和科學相關課程的興趣，美國以項目推進形式在高中大力推廣3D打印機，例如，美國國防高級研究計劃局制作實驗和拓展項目等。不僅如此，作為預測影響全球教育領域的教學、學習和創造性探究新興技術的權威報告，新媒體聯盟地平線報告在基礎教育、高等教育和圖書館教育的三個版本中，連續兩年將教育應用中主流技術的重要進展聚焦到3D打印上。
3D打印技術涵蓋包括信息技術、機械加工技術和新材料技術等多個學科領域的先進技術。在日常教育場景中，3D打印主要體現出以下三方面教育特性：其一，便于塑造可重用的多態教育對象，且可快速打印用于教學輔助的模型、標本等教具；其二，作為蘊涵“設計思維”的個性化創造工具，可以滿足不同教育層次的學習者以專業制造水平實現個性化創意設的產品化需求；其三，便于打造虛實結合的教育創新應用平臺，并可以基于3D打印技術建立創新實驗室和創客空間，實現互聯網和智能制造技術的協同創新。盡管目前3D打印技術在教育行業的創新性應用蓬勃發展，但是3D打印作為教育裝備用于教育實踐活動開展尚存在幾點無法回避的關鍵性問題：
（1）3D打印作為教育領域的一種新技術，其教育行業的標準尚未建立，目前教育行業流通的3D打印機質量參差不齊，導致3D打印教學實踐活動的質量、安全和教育適用性等方面無法保障；
（2）3D打印技術與教育理論嚴重脫節，包括教學案例、教學模型庫在內的教育資源缺乏，如何體系化地借助3D打印技術輔助基礎教育、高等教育和職業教育的教育實踐活動成為關鍵性問題；
（3）3D打印軟件環境和硬件環境的配備費用均較高，具體地說，3D 打印機和專業的三維建模軟件價格都比較高而且對使用場地要求較高，從而導致僅有少部分重點學校有能力配備，無法滿足教育均衡發展的需求。
二、3D打印行業應用的突破途徑
本文重點圍繞上述關鍵性問題，提出解決方案，主要包含以下三條突破途徑：
（1）研究并起草3D打印技術的教育行業標準及規范
3D打印系統按功能分為五大模塊，即三維模型獲取模塊、三維模型處理模塊、三維模塊分層模塊、三維模型打印模塊和三維模型后處理模塊，依托多個學科領域的尖端技術，包括信息技術、機械制造技術和材料技術。技術歸根到底服務于教育，3D打印技術涉及制定相應標準，其意義在于通過對技術的規范化提升產品質量，保障教學活動參與者的人身安全，提升3D打印的教育適用性。
（2）從教育理論出發面向不同教育階段系統化建立3D打印的教學應用體系架構
對于不同教育階段的學生，3D打印技術具有不同的內涵和外延。對于基礎教育來說，3D打印作為認知工具，用于快速制造與課程配套的模型；對于高等教育，3D打印作為創新平臺，用于快速實現創新性的設計思想；對于職業教育，3D打印作為教學目標和學習內容，形成了面向中國制造2025的職業技能知識體系。因此，要將3D打印技術深度融合于不同教育階段的教學實踐活動中，必須探索3D打印技術和教育理論的契合點，系統化地建立面向基礎教育、高等教育和職業教育的個性化教學應用體系架構，涵蓋3D打印的核心課程、資源庫、教材、實訓資源等。
篇10
創新3D科技在醫療行業中取得突破性進展
提到3D打印，對于很多人來說已并不陌生。它是快速成型技術的一種，是一種以數字模型文件為基礎，運用液態、粉末或實心材料，通過逐層凝固、熔化等“打印”的方式來構造物體的技術，已經廣泛應用于工業設計等領域。而提起數字化醫療3D打印技術卻是鮮為人知的，該技術是將傳統醫療與數字化設計制造相結合形成的一門新興產業，與民生息息相關，必將在醫療行業掀起又一場革命性浪潮。
2013年，北京市委、市政府提出全面推進北京市3D打印科技創新與產業培育的新要求，北京市科委提出《促進北京市增材制造（3D）科技創新與產業培育的工作意見》，為此，北京工業大學成立了3D打印科技工作領導小組和專家聯合工作組，組建了“數字化醫療3D打印北京市國際科技合作基地中心”和“北京市數字化醫療3D打印工程技術研究中心”科研平臺，均獲得北京市科委正式批準。他們以建立國內首創和世界一流的“數字化醫療3D打印協同創新中心與服務平臺”為目標，聯合國藥集團、京城控股、北大口腔醫院等單位，牽頭成立了北京市數字化醫療3D打印產業聯盟，創新機制體制，加大投入，承擔了市科委重大項目，圍繞腫瘤靶標治療、口腔種植、義齒、顱腦、頷面與各科手術，醫療輔具等5大應用目標開展工作。
為了給3D打印項目提供良好的科研環境，2013年12月，北京工業大學專門將學校新建的教學科研樓四層作為“3D打印中心”用房，面積近2000平方米。為了加快數字化醫療3D打印平臺建設，學校安排預算、購置設備，目前已經投入建設經費8000余萬元，并取得了重大的階段性成果，他們開發的數字化醫療3D打印模板導向技術在腫瘤醫院微創介入中心成功地為一名上頷囊癌患者實施了放射性粒子植入術，即組織間放療，受到社會高度關注。
在2013年和2014年舉辦的全國科技活動周暨北京科技周活動中，國務院副總理劉延東，北京市委書記郭金龍，科技部長萬鋼，北京市長王安順等領導，聽取了北京工業大學校長郭廣生、書記鄭吉春關于3D打印項目的介紹，并給予了肯定。這讓北京工業大學的課題研究團隊成員更加充滿信心。
數字化醫療3D打印技術的研究背景
關于數字化醫療3D打印技術的研究背景，北京市數字化醫療3D打印國際合作交流基地主任、北京工業大學3D打印專家組副總工陳繼民教授給我們做了詳細介紹，他說，目前治療腫瘤的方法主要是放療、化療和手術治療，但這些方法都存在著治療效果不明顯、痛苦大、副作用大等缺點。另外，在放化療的過程中，除了殺死癌細胞，同時還會殺死好細胞，因為目前還沒有有效的方法來分辨細胞的好壞。為了解決這些問題，國外曾經提出一個方案，即直接將放射性粒子植入到腫瘤體里面殺死癌細胞，而不是從外進行照射，這樣能夠準確的殺死壞細胞。于是，針對前列腺癌癥這種相對來說比較規則的腫瘤體，國外主要采用的是一種叫做影像導航的方法將放射粒子植入腫瘤內部。所謂影像導航，就是通過超聲影像或CT掃描影像等觀察到腫瘤的位置，然后通過穿刺等方法一點點的將放射性粒子植入到腫瘤體里面去，從而達到殺死癌細胞的目的。這種方式最大的優點就是它的準確性，同時，由于前列腺的形狀比較規則，腫瘤的形狀一般也比較簡單，因此，植入準確性也高。據了解，目前國外70%的前列腺癌都是采用這種方法治療，這種方法又被稱為“內放療”。
但是，“內放療”仍存在很多問題，首先，每個放射性粒子殺死癌細胞的范圍是有限的，比如說，如果用碘125的放射性粒子，這樣的粒子只有芝麻粒大小，那么大一點點的粒子僅能夠殺死周圍大概一點幾到兩厘米之間的腫瘤;另外，每個人的腫瘤形狀和大小都不一樣，那到底需要多少顆這樣的粒子、如何排布這些粒子才能把所有的腫瘤都殺死呢？這就需要有一套準確的計算方法，可以根據腫瘤的大小和形狀，計算出來一顆腫瘤大概需要多少顆這樣的放射性粒子，這樣就能將放射性粒子分布到腫瘤體里面，從而殺死腫瘤，同時對周圍正常的組織幾乎不產生任何影響或者說將影響降到最小。雖然這種“內放療”方案很早就提出過，但是由于腫瘤形狀不規則，如何將粒子正好按照醫生的設想分布到腫瘤體中仍是最大的難題，所以這種治療方法提出來以后并沒有得到大規模的推廣。
為了打破這一技術瓶頸，2013年7月以來，北京工業大學與北京市科委、中國醫藥集團等企業和醫院經過多次交流和探討，提出運用3D打印這一創新技術，并共同形成了“數字化醫療3D打印關鍵技術與應用協同創新與產業化發展計劃”，從而開始了數字化醫療3D打印技術的研究開發。
數字化醫療3D打印技術治療腫瘤的原理及臨床實踐
陳繼民教授介紹說，數字化醫療3D打印技術治療腫瘤是將傳統醫療與數字化設計制造相結合產生的，其治病原理和國外提出的方法是一樣的，主要是通過計算得知殺死一個腫瘤需要多少顆放射性粒子，然后采用3D打印的方法打印出一個手術導板。所謂手術導板實際上類似一個輔助的醫療器械工具，這種輔助工具是按照病人腫瘤的形狀和大小做出一個導向模，這樣，當醫生在做放射性粒子植入的時候，就可以按照這個導向模很準確地將放射性粒子植進去，這是最初的設想。
2014年，北京工業大學承擔的“3D打印腫瘤醫療導板成型裝備及檢測設備工程樣機研制”項目取得突破性進展，并將其開發的數字化醫療3D打印模板導向技術在腫瘤醫院微創介入中心應用，成功為一名上頜面腫瘤患者實施了放射性粒子植入術，即組織間放療。陳繼民說，所謂頜面腫瘤就是腫瘤長在臉部，如果用手術的方法把腫瘤挖掉，整個臉就會完全變形，而且那是一位女性患者，已經失去了手術的時機，其本人也不愿意做手術。因此，他們給這位患者實施了數字化醫療3D打印輔助“內放療”技術治療。他們首先用CT掃描了腫瘤的形狀，掃描完后進行三維重建，這時頭蓋骨的形狀就出來了，當時患者的腫瘤長在眼睛附近，長了腫瘤以后使臉部發生了很大的變形。因此，他們首先根據腫瘤大小和形狀設計好醫療導板，然后通過3D打印技術將導板打印出來，再根據導板的形狀進行模擬，根據計算結果運用穿刺手術的方法將一個很小的放射性粒子直接穿進去，并把它布置在腫瘤的范圍里面。在手術期間，必須嚴格按照設計的方向一個個把放射性粒子植到腫瘤體里面，這整個過程都是用3D打印技術來完成的，他們用這種方式，真正實現了“靶標治療”，取得了良好的效果。
關于這次與內蒙古醫院合作的臨床實踐已經有了相應的臨床報告，如果想要進一步推廣這一數字化醫療3D打印新技術，必須得到國家藥監局的批準，取得注冊醫療許可證。還需要在不同的醫院做臨床實驗，臨床實驗后要把實驗報告結果經過專家評估并認可后才能進行推廣。目前，該技術的推廣工作正在進行中，并不斷和其他醫院合作，在進行臨床實驗。陳繼民表示，只有真正的將該技術推廣出去，才能真正造福于民，并推動醫療事業的發展。
宣傳推廣創新醫療技術，利國利民
從理論上來說，除了可以治療頜面腫瘤，這種數字化醫療3D打印技術對任何腫瘤都有效，而且這種手術并不是非常大的手術，屬于微創手術，因為它是用穿刺的方法，即用很細的銀針一點點的穿進去，然后把放射性粒子一點點的植入進去，同時在每根針上標記一個刻度，當銀針進到五厘米或者三厘米深度時，也就是腫瘤的位置，這個針就把粒子固定在那里，從而殺死癌細胞，完成整個手術過程。
與傳統治療腫瘤的方法相比，數字化醫療3D打印技術簡單易行，準確率高，沒有副作用，患者痛苦小，經濟壓力小，是醫學界的一大創新技術。說到3D打印，在醫療上早已有過應用，陳繼民教授說，以前他們是將該技術應用到牙齒上，我們都知道，每個人的牙齒不一樣，因此如果要做義齒就一定是個性化的。這就與治療腫瘤一樣，因為每個人的腫瘤也不太一樣，也只能用這種個性化的方法來實現治療目的，所以這種技術的發展前景非常廣闊。
陳繼民教授還表示，北京工業大學目前開展的這一醫療項目得到了北京市科委的大力支持，他介紹說，北京市科委在3D打印方面目前主要專注于三個方向，一個方向是屬于航空航天領域的，主要是做大型構件及零部件等，通過3D打印直接打印出來;一個方向是屬于文化創意和個人消費，主要是3D設計和打印個性化時尚的產品，還有一個大的方向是醫療衛生和健康領域，這一領域由北京工業大學蔣毅堅教授領銜;目前已經正式啟動了數字化醫療3D打印技術治療腫瘤項目，這必將在醫療領域引起極大的關注。
與此同時，他們還瞄準醫用導板3D打印設備市場，研發出了基于DLP技術的面曝光3D打印機――北思客BESK，陳繼民教授解釋說，北思客代表著北京工業大學的一群有理想、有信念的的研究人員，他們要做國內最好BEST的3D打印機，致力于發展我國數字化醫療3D打印事業，希望早日能將這一技術造福于民。
