3D打印技術在不同行業(yè)的應用探討

     隨著媒體的關注度日益增大和國家政策層面的支持導向增多，3D打印技術對于普通大眾來說已經(jīng)不是一個陌生的名詞，3D打印的應用也呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢。根據(jù)市場研究公司易觀國際的預測，2013年到2018年全球3D打印市場符合年均增長率將達到45.7%。我們從這張圖中也不難發(fā)現(xiàn)，2018年中國市場的3D打印的產(chǎn)值將達到200億人民幣，將近是2016年的兩倍。2018年全球的3D打印產(chǎn)值規(guī)模將達到162億美元，將是2015年的三倍。對于還屬于蓬勃發(fā)展的初期發(fā)展的市場而言，3D打印的表現(xiàn)發(fā)展十分的搶眼。隨著3D打印新技術支流的不斷涌現(xiàn)，生物3D打印技術的突破，金屬打印技術的完善，3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模和前景一路向好。因此3D打印產(chǎn)業(yè)可以說是一個充滿活力，欣欣向榮的行業(yè)。


目前3D打印被用于哪些行業(yè)呢？在模具制造、工業(yè)設計等領域被用于展示樣品、外觀零部件和藝術品的模型打印。在珠寶、鞋類、工業(yè)設計、建筑、工程施工、汽車、航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程、搶支以及其他領域都有所應用�，F(xiàn)在正逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造和批量生產(chǎn)。3D打印技術的成功應用對于3D打印技術的推廣有非常大的促進作用。


3D打印技術進入中國，最早就是走進校園，可以說教育行業(yè)和3D打印技術的淵源是最深厚。3D打印技術在教育領域的應用優(yōu)勢也十分明顯。
從教師角度來看，老師在教學過程中利用3D打印機打印制作的教學用具，可以擴展學生的感知，增強觸覺體驗，彌補常態(tài)課堂的劣勢。同時，教師也將學習資料由抽象化轉(zhuǎn)變成為具體化，具體化轉(zhuǎn)變成為形象化，視覺復雜化轉(zhuǎn)變成為認知簡單化。這樣就能夠強化學生的思路使之更加清晰，強化學生的邏輯思維以及理解能力，從而從根本上實現(xiàn)了教師教學改革，也使得學生的學習效率成倍提升。特別是對于中學的老師，3D打印機的出現(xiàn)解決了他們在教授抽象知識時，學生想象空間不足的境況。例如生物中的DNA分子結(jié)構，當我們用肉眼無法觀察時，便可以用3D打印的方式進行呈現(xiàn)。

從學生的角度來說，使用3D打印可以獲得的是直接經(jīng)驗。例如應用建模軟件制作三維模型可以獲得設計的經(jīng)驗。這些具體經(jīng)驗對學習者的學習提供了直接的認識。3D打印作品通過演示和展覽等方式，使學習者獲得“觀察的經(jīng)驗”，實現(xiàn)學生在學習過程中的深度參與，提高學生的興趣，增加學生的自信心，從而改善學習效果。3D打印將抽象概念和設計引入現(xiàn)實世界，對抽象概念或科學過程進行可視化展現(xiàn)，提高思維能力。對學生而言，3D打印能以直觀高效的實體模型表達自己對于產(chǎn)品的設計理念，更能準確的表達學生創(chuàng)意，激發(fā)學生對科學的興趣，促進我們的學生立體化地獲取和理解知識，拓展他們的創(chuàng)造性思維，從而達到更好的學習效果。

在小學教育中，系統(tǒng)的邏輯思維訓練和空間感培養(yǎng)從小學開始是最合適的時機。邏輯思維能使孩子運用科學的思維方式最大化效率地提高他們的學習能力，少走彎路，讓孩子們更加自信。多數(shù)老師家長都了解從小培養(yǎng)孩子大腦潛力的重要性，也會做一些簡單的教學，但往往缺乏科學性和系統(tǒng)性，這其實耽誤了孩子形成正確思維方式的關鍵期。而3D打印則可以解決這些麻煩。通過普及3D打印的知識，讓學生見識科技神奇，體驗科技的魅力。簡單的三維建模教學則可以，讓他們在從無到有的建立過程中去思考物體的組成部分，結(jié)構，及搭建順序，訓練學生的邏輯思維。通過建模軟件的使用，體會三維空間概念，建立空間感方向感，從而幫助到學生的基礎學習，最后還可以與繪畫，勞技等動手類課程相結(jié)合，同時培養(yǎng)學生的藝術修養(yǎng)和審美。

在中學教學中，很多時候，數(shù)理化等學科因為較多抽象概念，學生缺乏想象，教學效果始終不理想。中學教學工具和儀器一般由專門的教育裝備制作機構制作，更新速度相對較慢；多媒體課件中展示的教學內(nèi)容模型也無法使學生直接接觸和觀察教學實體對象。3D打印使得每位教師都可以方便地打印模型，以有形的三維格式展示教科書中提取的二維信息，并可以設計個性化的教學模型以適應教學內(nèi)容的要求。同時，3D打印可以幫助學校制作特殊的教學模型，特別是諸如解剖、材料分子結(jié)構、文物古跡等難以獲取的模型。科學家通過3D掃描儀將恐龍骨骼化石標本進行掃描，再經(jīng)由3D打印機打造出體積縮小的等比例模型，以此為基礎制造出能正常運動的模型，來幫助研究恐龍與其他生物在史前環(huán)境中的運動原理。


盡管3D打印在教育行業(yè)的應用逐漸擴大，但是在實際上3D打印技術在教育行業(yè)的應用仍存在一些局限。3D打印應用在教學上，國外提出STEAM教育觀點，受到了國內(nèi)廣泛的推崇，很多直接照搬了國外的教學模式，對于國外自主自由的學習方式，很多中國學生反而不適應；對于老師而言，老師并不了解如何利用3D打印設備去開展3D打印課堂，學校里的3D打印設備往往成為科普展品或是成為老師打印教具使用。我們想通過3D打印技術應用來提高學生的學習能力、動手能力，成為了美好的愿望。教育聯(lián)系了每一個家庭，家長自然是最關系學生的學習情況。安排學生參與課外輔導、特長學習，幾乎是中國學生都面臨的情況。學生的課余時間已經(jīng)被壓縮到最少，因此3D打印課堂的實施很難得到家長的支持。

家長不支持、學生不適應、老師不會交、教學模式不匹配，成為了推進3D打印教育的攔路石。針對中國教育實際，因地制宜的開發(fā)中國的STEAM教育和創(chuàng)客教育才能真正推動3D打印課堂的實施。那么我們要怎么做呢？在課程設計方面，我們對應校本課程的知識點進行設計，與教學同步。

小學生的3D打印實驗室，以激發(fā)低齡學生的創(chuàng)造力和動手能力為主要目的，培養(yǎng)手腦配合能力，和空間想象能力。

對中學、中專學生，他們的課程設置會將學科應用更綜合。3D打印設備操作教學配合三維設計課程教學。此外，3D打印是國家重視的重要前沿科技項目，未來幾年將廣泛在企業(yè)中應用，一線操作人員缺口巨大。擁有專業(yè)的3D造型課程和實驗室，將成為中專招生的宣傳亮點！

對于高校及科研單位而言，3D打印課堂不單單是教學場地還將是科研場所。因此高校3D打印實驗室的配置將更綜合，無論是設備數(shù)量和設備功能都將優(yōu)于其他兩類3D打印實驗室。日本四國大學購入32臺夢想家Dreamer3D打印機建立大型CAD教室，這個教室在未來還將對社會開放。日本東京工科大學也建立了與機器人設計相關的3D打印實驗室。采購的是閃鑄科技Dreamer的設備。

與其他領域相比，3D打印技術在醫(yī)療領域的應用并不多。專家統(tǒng)計醫(yī)療只占3D打印行業(yè)7億美元投資的1.6%。然而，在接下來的十年中，這個數(shù)字將會增長到21%。最近的調(diào)查更是顯示醫(yī)療衛(wèi)生領域?qū)⒂瓉硪粋�重大變革。據(jù)市場調(diào)查公司MarketsandMarkets.com預測: 到2020年，3D打印在醫(yī)療方面可創(chuàng)造21.3億美元生產(chǎn)值。諸如3D打印移植牙齒這樣的醫(yī)療物件已經(jīng)取得了巨大成功，同時隨著3D打印技術的飛速發(fā)展，該行業(yè)每天打印的定制矯正支架已超過50000件。醫(yī)療行業(yè)已經(jīng)成為3D打印技術應用的最佳行業(yè)。


那么3D打印技術在醫(yī)療行業(yè)的優(yōu)勢是什么呢？制作手術導板，還原病灶情況，幫助醫(yī)生精準判斷，從而制定手術方案。相比于醫(yī)生不能確證，病人奔波尋醫(yī)問藥，3D打印技術協(xié)助下治療，費用成本和時間成本大大降低。3D打印技術并不單一局限于手術導板的制作，醫(yī)療器械、制藥、牙齒矯正、人體植入物、整形美容，一旦3D打印器官技術的突破，3D打印技術在醫(yī)療行業(yè)的應用將超乎想象。

去過醫(yī)院的人都了解這樣一個情況。在病人告知醫(yī)生自己哪里不舒服之后，醫(yī)生往往會開出一系列的檢查項目：小到驗血、大到CT掃描，總之這一切都是為了幫助醫(yī)生更好的會診，確認病人病情。但是現(xiàn)實是，醫(yī)生安排病人做了一系列的檢查后，依舊不能確疹，原因是有些病情十分的復雜或是病灶出現(xiàn)在血管密集的地方，醫(yī)生難以做出治療方案。這種時候，3D打印技術的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。在手術前根據(jù)患者的CT或核磁共振數(shù)據(jù)進行三維建模，然后通過3D打印機將模型打印出來，就得到一個醫(yī)療模型。3D打印的醫(yī)療模型最主要的作用是讓醫(yī)生在手術前可以直觀的看到手術部位的三維結(jié)構，有助于醫(yī)生規(guī)劃手術方案。尤其針對復雜手術，有助于降低手術風險，提高手術的成功率。手術導板是醫(yī)生在手術中輔助手術的重要工具，3D打印技術尤其適合制造異型或個性化的導板。


從骨科手術到心臟手術再到肝臟手術……越來越多的手術開始借助3D打印的醫(yī)療模型。例如北京清華長庚醫(yī)院首任執(zhí)行院長董家鴻教授率領該院肝膽胰外科醫(yī)師團隊，利用3D打印技術，成功完成10例膽道癌癥精準根治性切除。通過3D技術實現(xiàn)膽道癌癥的精確根治性切除成為了我國首創(chuàng)。術前為了能精準制定手術方案，專家想到了3D打印技術。3D打印將患者的肝膽胰臟器和相應的病變部位以1：1的“實物”形式呈現(xiàn)在醫(yī)生面前，通過精確評估病變范圍與臨近臟器組織的三維空間關系，專家團隊制定了手術方案。在手術時，專家將模型帶入手術室在術中進行實時比對，通過調(diào)整3D打印模型并置于最佳解剖位置，為手術關鍵步驟提供直觀的實時導航，對關鍵部位快速識別和定位；通過精確定位病灶、血管，實時引導重要脈管的接合，提高了手術精準性，有效降低了手術風險。

3D打印為矯正鞋墊、仿生手、助聽器等康復器械帶來的真正價值不僅僅是實現(xiàn)精準的定制化，更主要體現(xiàn)在讓精準、高效的數(shù)字化制造技術代替手工制作方式，縮短生產(chǎn)周期。我們以已經(jīng)實現(xiàn)3D打印批量定制化生產(chǎn)的助聽器外殼產(chǎn)業(yè)為例。在傳統(tǒng)的方式下，技師需要通過患者的耳道模型做出注塑模具。然后通過紫外線得到塑料產(chǎn)品。通過對塑料產(chǎn)品進行鉆音孔和手工處理后得到助聽器最終形狀。如果在這一過程中出錯，就需要重新制作模型。而使用3D打印機制作助聽器的流程，始于患者耳道硅膠�；蛴∧５脑O計，這個步驟是通過三維掃描儀來完成的。 然后用CAD軟件將掃描數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為3D打印機可讀取的設計文件。 設計者可以通過軟件修改三維圖像，及創(chuàng)建最終的產(chǎn)品形狀。EnvisionTec打印機大約可以在60到90分鐘內(nèi)打印出65個助聽器外殼或47個助聽器模型。此外，3D打印的康復器械還可以大大降低康復器材成本。目前義肢的市場售價都在幾千到幾萬，定制級的康復義肢費用更高。而3D打印的義肢成本僅幾百元，并且私人化的定制將更符合使用者的使用需求。3D打印技術可降低定制化價值的制造成本。



△美國一名失去左手的7歲女童日前獲得了具有革命性的新型3D打印義肢，僅花費50美元(約合310元人民幣)

由于骨腫瘤、車禍等造成的骨骼缺損、頜面損傷、顱骨修補等，都無法用一般修復產(chǎn)品進行治療，而3D打印產(chǎn)品提供了有效的解決方案， 特別是這些打印的假體都是依據(jù)患者的自身特點進行量體裁衣而制造的。然而“量體裁衣”這四個字只是概括了3D打印技術在植入物制造領域的意義之一。3D打印技術在該領域的另一個意義在于，能夠打印出與植入物一體的仿生骨小梁微孔結(jié)構，從而有利于人體骨骼的長入。這個意義在3D打印標準化植入物中也同樣存在。以往骨小梁結(jié)構是通過在植入物表面進行涂層來實現(xiàn)的，無法保證假體的長期生存率。2015年，北京大學第三醫(yī)院骨科劉忠軍教授團隊完成了世界首例應用3D打印的人工定制樞椎作為脊椎外科內(nèi)植物，進行脊椎腫瘤治療以后的穩(wěn)定性重建。

雖然目前出現(xiàn)的生物3D打印器官并不是功能完整、結(jié)構完整的器官，但是它們在藥物篩選測試、疾病的研究領域已經(jīng)開始發(fā)揮作用。普通藥物篩選技術的臨床轉(zhuǎn)化率低，最佳的藥物測試對象其實是人體。但這一做法并不現(xiàn)實，因為一來人不能承擔藥物初步篩選工作，二來患者個體差異大，身體結(jié)構復雜。而將人體細胞在體外構建組織后進行藥物篩選是一種可替代人體的有效辦法。例如杭州捷諾飛可批量生產(chǎn)的3D打印肝單元，已被默克制藥公司用于藥物毒性測試。肝臟是承擔藥物毒性的重要器官，對人工肝的需求量也很大。成人肝臟由50到100萬個稱作肝小葉的單元組成，肝小葉是肝結(jié)構和功能的基本單位，模仿肝小葉結(jié)構制備肝單元，是制造人工肝臟的關鍵步驟。用人源細胞3D打印的組織和構建病理模型，能準確反映化學和生物藥物在人體內(nèi)的藥理活性，從而提高藥物篩選成功率。生物3D打印的理想目標是打印出可移植的復雜人體器官。目前科學家們正在向這個目標努力。其中包括，比較接近臨床應用的是通過軟骨細胞3D打印的耳朵軟骨；實驗階段的3D打印血管；用于科研的生物腦組織，還有用于藥物測試的人工組織或器官等。


牙齒修復和治療的成本是牙科診所、實驗室需要考慮重要因素，很多有先見之明的牙科診所、實驗室已經(jīng)引入數(shù)字化口腔技術，以提升效率、降低成本。近年來，以軟件設計為基礎的牙科修復變得普及，很多牙科診所、實驗室或?qū)�業(yè)義齒生產(chǎn)企業(yè)都引入了3D打印技術。結(jié)合了3D打印的數(shù)字化口腔技術為牙科行業(yè)帶來了精度高、成本低、效率高，以及符合規(guī)范化生產(chǎn)鏈相符的口腔數(shù)據(jù)。3D科學谷認為，包括3D打印在內(nèi)的數(shù)字化牙科技術更重要的意義在于，減少醫(yī)生手工制作模型、義齒等牙科產(chǎn)品的時間，將精力回歸到口腔疾病的診斷及實施口腔手術本身。對于牙科技師而言，雖然遠在醫(yī)生診室之外，但只要獲得患者的口腔數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)醫(yī)生要求定制出精準的牙科產(chǎn)品。

隨著技術的成熟和市場接受度的提高，醫(yī)療行業(yè)的3D打印技術應用不僅要求精度更高，出品時間更短，成本更低。同時，行業(yè)應用標準也將加速推出。產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)將是會成趨勢。

那么建筑行業(yè)的應用情況又是怎么樣？3D打印技術的個性化表現(xiàn)極強，與傳統(tǒng)技術相比，最大的優(yōu)勢在于對產(chǎn)品的復雜性不敏感。在制造一些復雜性高的自由造型產(chǎn)品的時候，3D打印技術的成本明顯低于傳統(tǒng)制造技術。因此對于像前面提到的莫比烏斯環(huán)建筑的制造，3D打印技術獨具優(yōu)勢。 建筑制造的時間也大大減少。3D打印使用的材料往往是就地取材的砂石，以及水泥和玻璃纖維，成本已經(jīng)降低。

目前，建筑行業(yè)的應有主要在建筑裝飾、建筑模型、實體房屋建造三方面。目前，3D打印在建筑裝飾上已經(jīng)比較成熟，個性化的裝飾部件已經(jīng)成功應用于水立方、上海世博會大會堂、國家大劇院等成百上千個建筑項目。在建筑業(yè)，設計師們使用3D打印機打印建筑模型，這種方法快速、低成本、環(huán)保，同時制作精美。3D打印模型是建筑創(chuàng)意實現(xiàn)可視化與無障礙溝通最好方法。完全符合設計者的要求，且又節(jié)省大量的材料和時間。3D打印建筑建造十分迅速，幾天內(nèi)就可以完成一棟別墅的建造。


圖為上海首批交付使用的3D打印房屋。

盡管3D打印房屋有著顯著的優(yōu)勢，但是仍然難以推廣。原因在于，房屋全尺寸打印，對設備尺寸提出更高的要求，制造難度也更高，打印精度低。如圖是D-Shape公司，也是莫比烏斯環(huán)建筑的制造商。他們生產(chǎn)大設備的建筑3D打印機。但是打印精度也非常低�？梢哉f機器越大越難制造，更重要的是機器越大，打印精度和打印速度就會越差。因此有人開始嘗試分段組裝式打印。將建筑模塊化，在共倉里每塊都打印好，UI后一起現(xiàn)場組裝。好處是解決了房子尺寸的限制，缺點是現(xiàn)場的組裝工作又涉及到勞動密集型，提高了成本。在未來，拆分打印和多臺小設備同時作業(yè)的方式將很好的而解決房屋打印尺寸的限制。

此外，3D打印建筑的材料也是人們關注的重點。水泥混著玻璃纖維配膠水的打印用混凝土和砂石打印，無法滿足強度需求。人們迫切的在尋求成本低廉、強度大的材料。建筑材料研究將會成為3D打印建筑行業(yè)的切入點。

3D打印目前適用于少批量、小尺寸、高精度、造型復雜的零部件元器件的加工制造。而珠寶首飾正符合“少批量”、“小尺寸”、“高精度”、“造型復雜”的特性。那么我們現(xiàn)在來談一談珠寶行業(yè)的3D打印應用。

    近日麥肯錫公司一份名為《一個多樣化的未來：2020年的珠寶行業(yè)（A Multifaceted Future:The Jewelry Industry in 2020）》的報告說，雖然目前在線網(wǎng)上珠寶銷售額只占整個市場的4-5％，但到2020年在線銷售的高級珠寶比例有望達到10％，時尚飾品的銷售也將達到15％�？吹贸鰜硪怨�(jié)省成本為基礎的利用3D打印技術進行個性化在線定制將是以后珠寶行業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。

3D打印技術日漸成熟，令過去一直保持高冷姿態(tài)的珠寶定制，更接地氣。與此同時，3D打印也解決了很多因設計過于復雜，而無法快捷準確展現(xiàn)設計意圖的制作難題。
經(jīng)過這一系列的步驟，一件3D打印珠寶算是完工。3D打印技術，彌補了工匠所不能完成的復雜線條與鏤空等“硬傷”。所有的石膏模與蠟模，只需設定好程序由機械操作，精準度高，再復雜多變的造型也可以通過電腦設定打印出來。



而在廣告行業(yè)的應用主要是在發(fā)光字體和標識牌的制作。傳統(tǒng)發(fā)光字體的制作十分復雜，設計，切割、折彎、開槽、焊接、打磨，噴漆一套字下來需要許多流程和人手，而一道工序出現(xiàn)問題可能直接影響后面所有工序，這是流水生產(chǎn)的短板，因此許多企業(yè)迫切希望得到一種更為方便快捷的生產(chǎn)方式品質(zhì)優(yōu)良的發(fā)光字產(chǎn)品。3D打印技術為解決這個問題提供了新的思路。3D打印制作出的樹脂型發(fā)光字美觀大方、制作快捷簡單、使用人工成本少。3D打印出來的邊框?qū)⑼耆�一體化，比精工技術下的無縫焊接更為精美，折彎處也會比手工制作更為標準。只要簡單培訓，即可上手，人工僅需參與粘燈和鑲面。3D打印發(fā)光字屬于增材制造工藝無廢料產(chǎn)生，且無需人工值守。節(jié)約了大量的人工及原料成本。一個120mm普通漢字，打印字殼成本不超過2元，約為原始操作方法節(jié)約2/3，降低了制作成本，提高了利潤。最重要的是傳統(tǒng)工藝的雕刻、切割、焊接、打磨、噴漆等環(huán)節(jié)，不可避免的會產(chǎn)生粉塵及噪聲污。3D發(fā)光字采用綠色環(huán)保線材，能耗小， 而且無聲、無味、無塵、零排放，真正實現(xiàn)環(huán)保生產(chǎn)，超低能耗。

廣告行業(yè)的3D打印技術的應用，除了要滿足其對設備的要求，還對周邊的配套設施和服務提出了新的要求。傳統(tǒng)的3D打印模式，對于尺寸較大的發(fā)光字，打印時間較長，并沒有很好的降低制作時間提高打印速度。因此閃鑄設對我們自己研發(fā)的切片軟件FLASHPRINT做了對應的升級和優(yōu)化，顯著減少打印時間。
傳統(tǒng)廣告行業(yè)使用的建模軟件不能滿足快速制作字體的而要求，因此閃鑄也針對性的開發(fā)出與廣告行業(yè)相匹配的設計轉(zhuǎn)化方案，幫助客戶實現(xiàn)一步轉(zhuǎn)化，簡化了操作流程，增強了易用性和實用性。

   3D打印行業(yè)日新月異，行業(yè)規(guī)模也在不斷擴大，但是仍屬于新興行業(yè)，行業(yè)的發(fā)展仍需要社會各界的支持和努力。希望越來越多的行業(yè)精英能投入到3D打印在細分行業(yè)應用的研發(fā)中去，切實的用3D打印技術為行業(yè)帶來新的制造模式和思路，共同創(chuàng)富有樂趣的3D生活。本文由浙江閃鑄科技向南極熊投稿