3D打印技术在不同行业的应用探讨

     随着媒体的关注度日益增大和国家政策层面的支持导向增多，3D打印技术对于普通大众来说已经不是一个陌生的名词，3D打印的应用也呈现百花齐放的态势。根据市场研究公司易观国际的预测，2013年到2018年全球3D打印市场符合年均增长率将达到45.7%。我们从这张图中也不难发现，2018年中国市场的3D打印的产值将达到200亿人民币，将近是2016年的两倍。2018年全球的3D打印产值规模将达到162亿美元，将是2015年的三倍。对于还属于蓬勃发展的初期发展的市场而言，3D打印的表现发展十分的抢眼。随着3D打印新技术支流的不断涌现，生物3D打印技术的突破，金属打印技术的完善，3D打印产业规模和前景一路向好。因此3D打印产业可以说是一个充满活力，欣欣向荣的行业。


目前3D打印被用于哪些行业呢？在模具制造、工业设计等领域被用于展示样品、外观零部件和艺术品的模型打印。在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程施工、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、抢支以及其他领域都有所应用。现在正逐渐用于一些产品的直接制造和批量生产。3D打印技术的成功应用对于3D打印技术的推广有非常大的促进作用。


3D打印技术进入中国，最早就是走进校园，可以说教育行业和3D打印技术的渊源是最深厚。3D打印技术在教育领域的应用优势也十分明显。
从教师角度来看，老师在教学过程中利用3D打印机打印制作的教学用具，可以扩展学生的感知，增强触觉体验，弥补常态课堂的劣势。同时，教师也将学习资料由抽象化转变成为具体化，具体化转变成为形象化，视觉复杂化转变成为认知简单化。这样就能够强化学生的思路使之更加清晰，强化学生的逻辑思维以及理解能力，从而从根本上实现了教师教学改革，也使得学生的学习效率成倍提升。特别是对于中学的老师，3D打印机的出现解决了他们在教授抽象知识时，学生想象空间不足的境况。例如生物中的DNA分子结构，当我们用肉眼无法观察时，便可以用3D打印的方式进行呈现。

从学生的角度来说，使用3D打印可以获得的是直接经验。例如应用建模软件制作三维模型可以获得设计的经验。这些具体经验对学习者的学习提供了直接的认识。3D打印作品通过演示和展览等方式，使学习者获得“观察的经验”，实现学生在学习过程中的深度参与，提高学生的兴趣，增加学生的自信心，从而改善学习效果。3D打印将抽象概念和设计引入现实世界，对抽象概念或科学过程进行可视化展现，提高思维能力。对学生而言，3D打印能以直观高效的实体模型表达自己对于产品的设计理念，更能准确的表达学生创意，激发学生对科学的兴趣，促进我们的学生立体化地获取和理解知识，拓展他们的创造性思维，从而达到更好的学习效果。

在小学教育中，系统的逻辑思维训练和空间感培养从小学开始是最合适的时机。逻辑思维能使孩子运用科学的思维方式最大化效率地提高他们的学习能力，少走弯路，让孩子们更加自信。多数老师家长都了解从小培养孩子大脑潜力的重要性，也会做一些简单的教学，但往往缺乏科学性和系统性，这其实耽误了孩子形成正确思维方式的关键期。而3D打印则可以解决这些麻烦。通过普及3D打印的知识，让学生见识科技神奇，体验科技的魅力。简单的三维建模教学则可以，让他们在从无到有的建立过程中去思考物体的组成部分，结构，及搭建顺序，训练学生的逻辑思维。通过建模软件的使用，体会三维空间概念，建立空间感方向感，从而帮助到学生的基础学习，最后还可以与绘画，劳技等动手类课程相结合，同时培养学生的艺术修养和审美。

在中学教学中，很多时候，数理化等学科因为较多抽象概念，学生缺乏想象，教学效果始终不理想。中学教学工具和仪器一般由专门的教育装备制作机构制作，更新速度相对较慢；多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和观察教学实体对象。3D打印使得每位教师都可以方便地打印模型，以有形的三维格式展示教科书中提取的二维信息，并可以设计个性化的教学模型以适应教学内容的要求。同时，3D打印可以帮助学校制作特殊的教学模型，特别是诸如解剖、材料分子结构、文物古迹等难以获取的模型。科学家通过3D扫描仪将恐龙骨骼化石标本进行扫描，再经由3D打印机打造出体积缩小的等比例模型，以此为基础制造出能正常运动的模型，来帮助研究恐龙与其他生物在史前环境中的运动原理。


尽管3D打印在教育行业的应用逐渐扩大，但是在实际上3D打印技术在教育行业的应用仍存在一些局限。3D打印应用在教学上，国外提出STEAM教育观点，受到了国内广泛的推崇，很多直接照搬了国外的教学模式，对于国外自主自由的学习方式，很多中国学生反而不适应；对于老师而言，老师并不了解如何利用3D打印设备去开展3D打印课堂，学校里的3D打印设备往往成为科普展品或是成为老师打印教具使用。我们想通过3D打印技术应用来提高学生的学习能力、动手能力，成为了美好的愿望。教育联系了每一个家庭，家长自然是最关系学生的学习情况。安排学生参与课外辅导、特长学习，几乎是中国学生都面临的情况。学生的课余时间已经被压缩到最少，因此3D打印课堂的实施很难得到家长的支持。

家长不支持、学生不适应、老师不会交、教学模式不匹配，成为了推进3D打印教育的拦路石。针对中国教育实际，因地制宜的开发中国的STEAM教育和创客教育才能真正推动3D打印课堂的实施。那么我们要怎么做呢？在课程设计方面，我们对应校本课程的知识点进行设计，与教学同步。

小学生的3D打印实验室，以激发低龄学生的创造力和动手能力为主要目的，培养手脑配合能力，和空间想象能力。

对中学、中专学生，他们的课程设置会将学科应用更综合。3D打印设备操作教学配合三维设计课程教学。此外，3D打印是国家重视的重要前沿科技项目，未来几年将广泛在企业中应用，一线操作人员缺口巨大。拥有专业的3D造型课程和实验室，将成为中专招生的宣传亮点！

对于高校及科研单位而言，3D打印课堂不单单是教学场地还将是科研场所。因此高校3D打印实验室的配置将更综合，无论是设备数量和设备功能都将优于其他两类3D打印实验室。日本四国大学购入32台梦想家Dreamer3D打印机建立大型CAD教室，这个教室在未来还将对社会开放。日本东京工科大学也建立了与机器人设计相关的3D打印实验室。采购的是闪铸科技Dreamer的设备。

与其他领域相比，3D打印技术在医疗领域的应用并不多。专家统计医疗只占3D打印行业7亿美元投资的1.6%。然而，在接下来的十年中，这个数字将会增长到21%。最近的调查更是显示医疗卫生领域将迎来一个重大变革。据市场调查公司MarketsandMarkets.com预测: 到2020年，3D打印在医疗方面可创造21.3亿美元生产值。诸如3D打印移植牙齿这样的医疗物件已经取得了巨大成功，同时随着3D打印技术的飞速发展，该行业每天打印的定制矫正支架已超过50000件。医疗行业已经成为3D打印技术应用的最佳行业。


那么3D打印技术在医疗行业的优势是什么呢？制作手术导板，还原病灶情况，帮助医生精准判断，从而制定手术方案。相比于医生不能确证，病人奔波寻医问药，3D打印技术协助下治疗，费用成本和时间成本大大降低。3D打印技术并不单一局限于手术导板的制作，医疗器械、制药、牙齿矫正、人体植入物、整形美容，一旦3D打印器官技术的突破，3D打印技术在医疗行业的应用将超乎想象。

去过医院的人都了解这样一个情况。在病人告知医生自己哪里不舒服之后，医生往往会开出一系列的检查项目：小到验血、大到CT扫描，总之这一切都是为了帮助医生更好的会诊，确认病人病情。但是现实是，医生安排病人做了一系列的检查后，依旧不能确疹，原因是有些病情十分的复杂或是病灶出现在血管密集的地方，医生难以做出治疗方案。这种时候，3D打印技术的优势就体现出来了。在手术前根据患者的CT或核磁共振数据进行三维建模，然后通过3D打印机将模型打印出来，就得到一个医疗模型。3D打印的医疗模型最主要的作用是让医生在手术前可以直观的看到手术部位的三维结构，有助于医生规划手术方案。尤其针对复杂手术，有助于降低手术风险，提高手术的成功率。手术导板是医生在手术中辅助手术的重要工具，3D打印技术尤其适合制造异型或个性化的导板。


从骨科手术到心脏手术再到肝脏手术……越来越多的手术开始借助3D打印的医疗模型。例如北京清华长庚医院首任执行院长董家鸿教授率领该院肝胆胰外科医师团队，利用3D打印技术，成功完成10例胆道癌症精准根治性切除。通过3D技术实现胆道癌症的精确根治性切除成为了我国首创。术前为了能精准制定手术方案，专家想到了3D打印技术。3D打印将患者的肝胆胰脏器和相应的病变部位以1：1的“实物”形式呈现在医生面前，通过精确评估病变范围与临近脏器组织的三维空间关系，专家团队制定了手术方案。在手术时，专家将模型带入手术室在术中进行实时比对，通过调整3D打印模型并置于最佳解剖位置，为手术关键步骤提供直观的实时导航，对关键部位快速识别和定位；通过精确定位病灶、血管，实时引导重要脉管的接合，提高了手术精准性，有效降低了手术风险。

3D打印为矫正鞋垫、仿生手、助听器等康复器械带来的真正价值不仅仅是实现精准的定制化，更主要体现在让精准、高效的数字化制造技术代替手工制作方式，缩短生产周期。我们以已经实现3D打印批量定制化生产的助听器外壳产业为例。在传统的方式下，技师需要通过患者的耳道模型做出注塑模具。然后通过紫外线得到塑料产品。通过对塑料产品进行钻音孔和手工处理后得到助听器最终形状。如果在这一过程中出错，就需要重新制作模型。而使用3D打印机制作助听器的流程，始于患者耳道硅胶模或印模的设计，这个步骤是通过三维扫描仪来完成的。 然后用CAD软件将扫描数据转为3D打印机可读取的设计文件。 设计者可以通过软件修改三维图像，及创建最终的产品形状。EnvisionTec打印机大约可以在60到90分钟内打印出65个助听器外壳或47个助听器模型。此外，3D打印的康复器械还可以大大降低康复器材成本。目前义肢的市场售价都在几千到几万，定制级的康复义肢费用更高。而3D打印的义肢成本仅几百元，并且私人化的定制将更符合使用者的使用需求。3D打印技术可降低定制化价值的制造成本。



△美国一名失去左手的7岁女童日前获得了具有革命性的新型3D打印义肢，仅花费50美元(约合310元人民币)

由于骨肿瘤、车祸等造成的骨骼缺损、颌面损伤、颅骨修补等，都无法用一般修复产品进行治疗，而3D打印产品提供了有效的解决方案， 特别是这些打印的假体都是依据患者的自身特点进行量体裁衣而制造的。然而“量体裁衣”这四个字只是概括了3D打印技术在植入物制造领域的意义之一。3D打印技术在该领域的另一个意义在于，能够打印出与植入物一体的仿生骨小梁微孔结构，从而有利于人体骨骼的长入。这个意义在3D打印标准化植入物中也同样存在。以往骨小梁结构是通过在植入物表面进行涂层来实现的，无法保证假体的长期生存率。2015年，北京大学第三医院骨科刘忠军教授团队完成了世界首例应用3D打印的人工定制枢椎作为脊椎外科内植物，进行脊椎肿瘤治疗以后的稳定性重建。

虽然目前出现的生物3D打印器官并不是功能完整、结构完整的器官，但是它们在药物筛选测试、疾病的研究领域已经开始发挥作用。普通药物筛选技术的临床转化率低，最佳的药物测试对象其实是人体。但这一做法并不现实，因为一来人不能承担药物初步筛选工作，二来患者个体差异大，身体结构复杂。而将人体细胞在体外构建组织后进行药物筛选是一种可替代人体的有效办法。例如杭州捷诺飞可批量生产的3D打印肝单元，已被默克制药公司用于药物毒性测试。肝脏是承担药物毒性的重要器官，对人工肝的需求量也很大。成人肝脏由50到100万个称作肝小叶的单元组成，肝小叶是肝结构和功能的基本单位，模仿肝小叶结构制备肝单元，是制造人工肝脏的关键步骤。用人源细胞3D打印的组织和构建病理模型，能准确反映化学和生物药物在人体内的药理活性，从而提高药物筛选成功率。生物3D打印的理想目标是打印出可移植的复杂人体器官。目前科学家们正在向这个目标努力。其中包括，比较接近临床应用的是通过软骨细胞3D打印的耳朵软骨；实验阶段的3D打印血管；用于科研的生物脑组织，还有用于药物测试的人工组织或器官等。


牙齿修复和治疗的成本是牙科诊所、实验室需要考虑重要因素，很多有先见之明的牙科诊所、实验室已经引入数字化口腔技术，以提升效率、降低成本。近年来，以软件设计为基础的牙科修复变得普及，很多牙科诊所、实验室或专业义齿生产企业都引入了3D打印技术。结合了3D打印的数字化口腔技术为牙科行业带来了精度高、成本低、效率高，以及符合规范化生产链相符的口腔数据。3D科学谷认为，包括3D打印在内的数字化牙科技术更重要的意义在于，减少医生手工制作模型、义齿等牙科产品的时间，将精力回归到口腔疾病的诊断及实施口腔手术本身。对于牙科技师而言，虽然远在医生诊室之外，但只要获得患者的口腔数据，就可以根据医生要求定制出精准的牙科产品。

随着技术的成熟和市场接受度的提高，医疗行业的3D打印技术应用不仅要求精度更高，出品时间更短，成本更低。同时，行业应用标准也将加速推出。产业化生产将是会成趋势。

那么建筑行业的应用情况又是怎么样？3D打印技术的个性化表现极强，与传统技术相比，最大的优势在于对产品的复杂性不敏感。在制造一些复杂性高的自由造型产品的时候，3D打印技术的成本明显低于传统制造技术。因此对于像前面提到的莫比乌斯环建筑的制造，3D打印技术独具优势。 建筑制造的时间也大大减少。3D打印使用的材料往往是就地取材的砂石，以及水泥和玻璃纤维，成本已经降低。

目前，建筑行业的应有主要在建筑装饰、建筑模型、实体房屋建造三方面。目前，3D打印在建筑装饰上已经比较成熟，个性化的装饰部件已经成功应用于水立方、上海世博会大会堂、国家大剧院等成百上千个建筑项目。在建筑业，设计师们使用3D打印机打印建筑模型，这种方法快速、低成本、环保，同时制作精美。3D打印模型是建筑创意实现可视化与无障碍沟通最好方法。完全符合设计者的要求，且又节省大量的材料和时间。3D打印建筑建造十分迅速，几天内就可以完成一栋别墅的建造。


图为上海首批交付使用的3D打印房屋。

尽管3D打印房屋有着显著的优势，但是仍然难以推广。原因在于，房屋全尺寸打印，对设备尺寸提出更高的要求，制造难度也更高，打印精度低。如图是D-Shape公司，也是莫比乌斯环建筑的制造商。他们生产大设备的建筑3D打印机。但是打印精度也非常低。可以说机器越大越难制造，更重要的是机器越大，打印精度和打印速度就会越差。因此有人开始尝试分段组装式打印。将建筑模块化，在共仓里每块都打印好，UI后一起现场组装。好处是解决了房子尺寸的限制，缺点是现场的组装工作又涉及到劳动密集型，提高了成本。在未来，拆分打印和多台小设备同时作业的方式将很好的而解决房屋打印尺寸的限制。

此外，3D打印建筑的材料也是人们关注的重点。水泥混着玻璃纤维配胶水的打印用混凝土和砂石打印，无法满足强度需求。人们迫切的在寻求成本低廉、强度大的材料。建筑材料研究将会成为3D打印建筑行业的切入点。

3D打印目前适用于少批量、小尺寸、高精度、造型复杂的零部件元器件的加工制造。而珠宝首饰正符合“少批量”、“小尺寸”、“高精度”、“造型复杂”的特性。那么我们现在来谈一谈珠宝行业的3D打印应用。

    近日麦肯锡公司一份名为《一个多样化的未来：2020年的珠宝行业（A Multifaceted Future:The Jewelry Industry in 2020）》的报告说，虽然目前在线网上珠宝销售额只占整个市场的4-5％，但到2020年在线销售的高级珠宝比例有望达到10％，时尚饰品的销售也将达到15％。看得出来以节省成本为基础的利用3D打印技术进行个性化在线定制将是以后珠宝行业发展的重要趋势之一。

3D打印技术日渐成熟，令过去一直保持高冷姿态的珠宝定制，更接地气。与此同时，3D打印也解决了很多因设计过于复杂，而无法快捷准确展现设计意图的制作难题。
经过这一系列的步骤，一件3D打印珠宝算是完工。3D打印技术，弥补了工匠所不能完成的复杂线条与镂空等“硬伤”。所有的石膏模与蜡模，只需设定好程序由机械操作，精准度高，再复杂多变的造型也可以通过电脑设定打印出来。



而在广告行业的应用主要是在发光字体和标识牌的制作。传统发光字体的制作十分复杂，设计，切割、折弯、开槽、焊接、打磨，喷漆一套字下来需要许多流程和人手，而一道工序出现问题可能直接影响后面所有工序，这是流水生产的短板，因此许多企业迫切希望得到一种更为方便快捷的生产方式品质优良的发光字产品。3D打印技术为解决这个问题提供了新的思路。3D打印制作出的树脂型发光字美观大方、制作快捷简单、使用人工成本少。3D打印出来的边框将完全一体化，比精工技术下的无缝焊接更为精美，折弯处也会比手工制作更为标准。只要简单培训，即可上手，人工仅需参与粘灯和镶面。3D打印发光字属于增材制造工艺无废料产生，且无需人工值守。节约了大量的人工及原料成本。一个120mm普通汉字，打印字壳成本不超过2元，约为原始操作方法节约2/3，降低了制作成本，提高了利润。最重要的是传统工艺的雕刻、切割、焊接、打磨、喷漆等环节，不可避免的会产生粉尘及噪声污。3D发光字采用绿色环保线材，能耗小， 而且无声、无味、无尘、零排放，真正实现环保生产，超低能耗。

广告行业的3D打印技术的应用，除了要满足其对设备的要求，还对周边的配套设施和服务提出了新的要求。传统的3D打印模式，对于尺寸较大的发光字，打印时间较长，并没有很好的降低制作时间提高打印速度。因此闪铸设对我们自己研发的切片软件FLASHPRINT做了对应的升级和优化，显著减少打印时间。
传统广告行业使用的建模软件不能满足快速制作字体的而要求，因此闪铸也针对性的开发出与广告行业相匹配的设计转化方案，帮助客户实现一步转化，简化了操作流程，增强了易用性和实用性。

   3D打印行业日新月异，行业规模也在不断扩大，但是仍属于新兴行业，行业的发展仍需要社会各界的支持和努力。希望越来越多的行业精英能投入到3D打印在细分行业应用的研发中去，切实的用3D打印技术为行业带来新的制造模式和思路，共同创富有乐趣的3D生活。本文由浙江闪铸科技向南极熊投稿