國慶前夕，我省首個中小學3D打印創(chuàng)新實驗室在蚌埠實驗中學正式啟用。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)撲面而來。
國慶前夕，我省首個中小學3D打印創(chuàng)新實驗室在蚌埠實驗中學正式啟用。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，3D打印技術(shù)撲面而來。作為全球熱門的前沿交叉技術(shù)，3D打印到底是什么，現(xiàn)在的發(fā)展情況怎樣，到底它能用來做什么?記者日前深入中科大國家數(shù)學與交叉科學中心 (合肥)、圖形與幾何計算實驗室采訪
3D打印撲面而來
不久前，一家名為“食用墨水”的全球首家3D打印餐廳在英國開張。這家餐館從食物到餐具，甚至桌椅，都由3D打印技術(shù)制作。白天，這里是一個展示空間，人們在此能看到3D打印機的工作過程;晚上，這里搖身一變，成了精品餐廳，每晚只接待10名幸運客戶，食客在花費250英鎊(約合人民幣2216元)后，可以享受9道3D打印的菜肴。
不僅僅是食品領域，如果你看過美國電視劇《實習醫(yī)生格蕾》的話，一定對劇中醫(yī)生使用3D打印機打印出患癌器官，從而確定在哪里下刀的劇情有所記憶。今年2月，一位澳大利亞人植入通過3D打印技術(shù)制造的脊椎骨。這位患者的頸部長了一個腫瘤，直接導致半身不遂，而通過使用3D打印的方式對原有部分脊椎骨進行替換，讓他重新?lián)碛辛艘粋€可以移動的身體。今年4月，中科院重慶研究院與中科院空間應用中心成功研制出我國首臺空間3D打印機，可打印最大零部件尺寸達200×130毫米，該尺寸是美國國家航空航天局首臺空間在軌打印機打印尺寸的2倍以上。
什么是3D打印?中科大教授劉利剛介紹，3D是英文 “3 Dimensions”的簡稱，中文是指三個維度、三個坐標，即有長、寬、高，換句話說就是立體的。 3D打印技術(shù)有很多個稱呼，學術(shù)上稱之為快速成型技術(shù)，從制造工藝的技術(shù)上劃分則稱之為增材制造。它是一種以3D設計模型文件為基礎，運用不同的打印技術(shù)、方式使特定的材料，通過逐層堆疊、疊加的方式來制造物體的技術(shù)。 3D打印技術(shù)是一種前沿交叉技術(shù)，被譽為自二十世紀90年代興起互聯(lián)網(wǎng)以來最熱門的技術(shù)，甚至有人將其稱為是第三次工業(yè)革命，最終可以做到無所不能的打印技術(shù)。
目前，3D打印技術(shù)在國內(nèi)迅速發(fā)展，并逐步從高端領域走向大眾日常生活，在教育、醫(yī)學、工業(yè)、建筑、文化、航空航天、工業(yè)設計等多個領域?qū)崿F(xiàn)初步融合。去年，我省繁昌縣成立春谷3D打印智能裝備產(chǎn)業(yè)園，成為華東最大的3D打印產(chǎn)業(yè)集聚群。專家認為，未來3D打印技術(shù)將越來越成熟，逐步滲透到生活的方方面面，進而推動社會的發(fā)展和人民生活水平的提高。
新興技術(shù)引領潮流
在中科大國家數(shù)學與交叉科學中心 (合肥)，隨著三維建模、材料準備和3D打印機的啟動，一只栩栩如生的巨大兔子，呈現(xiàn)在記者面前。 “這只巨大的兔子，采用的是3D打印和平面激光切割相結(jié)合的方式打印出來的，這是一種快速、廉價分塊制造大物體的3D打印技術(shù)，比簡單分塊打印方法節(jié)省60%的材料成本和制造時間。 ”劉利剛介紹。
實驗室內(nèi)，兔子、駿馬、青蛙等3D打印產(chǎn)品，令人目不暇接。 “今后，只要提前建模，鑰匙丟了也不用再去外面配，在家就可以打印。 ”劉利剛笑言。 3D打印是以材料而定的制造技術(shù)，每層都要添加材料，被認為是一個增材的過程;而傳統(tǒng)制造所使用的材料要被切割、鉆孔、銑削或加工等，被看成是個減材的過程。 “3D打印是一種增材制造，幾乎沒有材料浪費，而且可以打印復雜工藝的產(chǎn)品。 ”劉利剛表示，其優(yōu)越性在于可以短時間內(nèi)快速完成用戶需求的小批量定制化物件，降低新產(chǎn)品開發(fā)研制的成本和投資風險，縮短了新產(chǎn)品研制和投放市場的周期。
3D打印和平面激光切割，是近年來逐漸成熟的快速成型制造技術(shù)，但3D打印機無法打印體積較大的物體，平面激光切割只能制造2D形狀的物體。最近，劉利剛團隊的一項3D打印研究成果，在計算機圖形學領域頂級期刊《美國計算機協(xié)會圖形學匯刊》上發(fā)表，引起廣泛關注。他們將3D物體模型設計為內(nèi)部的凸多面體粗略部分及外部的精細部分，內(nèi)部的凸多面體由多個激光切割板塊組裝而成，并通過三維自鎖機制連接成穩(wěn)固的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu);外部的精細部分被剖分成多個部件，并用3D打印機分別制造出來，然后貼附到內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)上以保證物體表面的細節(jié)外觀。
實驗結(jié)果表明，該方法比目前簡單的分塊打印方法節(jié)省60%的材料成本和制造時間，并使得制造出的物體滿足所要求的連接強度、整體平衡性及可打印性。 “這項成果可廣泛應用于快速、廉價地制造體積較大且需定制的物體，如雕塑、雕像、電影道具、文物復制品等，且制造物體的尺寸越大，節(jié)省的材料成本和制造時間越多。 ”劉利剛表示。
走向成熟尚需時日
今年2月，英國著名學術(shù)刊物《自然·生物技術(shù)》報告說，美國韋克福雷斯特大學研究團隊利用新開發(fā)的3D生物打印系統(tǒng)打印出的人造耳朵、骨頭和肌肉組織，移植到動物身上后都能保持活性。目前，這項技術(shù)還處于早期試驗階段，需進一步改善，以便未來能用患者的細胞打印出真正可用于外科移植手術(shù)的人造器官，進而解決人造器官的移植難題。
過去，如果有人因交通事故，需要更換欽合金的人造骨骼，只有大、中、小3種型號可用，但未必適用。如今，通過CT掃描獲取患者的圖像數(shù)據(jù)后，利用3D打印機可直接打印出百分之百符合需求的人造骨骼。實際上，3D打印的人造骨骼、牙冠、助聽器等，早已應用到世界各地成千上萬的人身上。 “然而，3D打印的前景雖然很好，但走向成熟還尚需時日。 ”劉利剛坦言，3D打印的人造器官也許能保持一定的活性，但活性有多高、能保持多久，跟人類的器官是否匹配，都需要進一步的研究和驗證?！斑@是人類的未來夢想。 ”劉利剛說。
“工藝不成熟、建模門檻高、材料不夠豐富，是制約3D打印發(fā)展的3大因素。 ”劉利剛透露，3D打印目前最大的難題是材料欠缺，傳統(tǒng)制造業(yè)可用的材料有上萬種，而3D打印可用的只有上百種;在工藝上，3D打印也不太成熟，3D打印靠的是材料堆積，速度比較慢，一般老百姓受不了，不適合用來大批量生產(chǎn)?！?D打印不可能代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造?！眲⒗麆偱e例說，3D打印汽車只可能打印部分零件和車身外裝，發(fā)動機屬于精密制造，就沒法打印;3D打印房子已經(jīng)實現(xiàn)，但打印房子所用的材料比較特殊，打印出來的房子是否足夠結(jié)實，功能性能否滿足需求，都需要時間來驗證。
“3D打印技術(shù)屬于交叉學科，需要多領域科學家共同努力，才能突破當前的瓶頸。 ”劉利剛說，他對3D打印技術(shù)充滿信心，“只要人類有需求，總會想辦法去實現(xiàn)。 ”
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