科技改變世界，3D打印未來
——專訪北京市計算中心齊軼鵬博士

撰文/楊啟森

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科技改變世界，3D打印未來
——專訪北京市計算中心齊軼鵬博士

撰文/楊啟森

齊軼鵬

3D打印技術發展日新月異，應用范圍也越來越廣泛。為了深入了解當前3D打印的應用現狀以及發展動向，本刊記者專程采訪了北京市計算中心齊軼鵬博士。

智能制造：目前3D打印技術受到大家的廣泛關注，請您談談目前3D打印技術主要的應用領域以及解決方案，還有哪些問題亟待解決？

齊軼鵬：3D打印技術主要應用在工業、醫療、教育和文化創意等領域。在工業領域中，裝備制造業的很多零部件都可以用3D打印的方式生產；模具行業的快速模具、模具修復和金屬模具都可以通過3D打印制作的；產品端的產品試制、快速樣機和快速樣件的開發也是用3D打印呈現的。在教育領域中，從小學到大學再到研究室，3D打印技術應用也很廣泛。在小學主要是培養學生的動手能力和創造力，目前在北京已經有很多的小學設立了3D打印實驗室。在大學主要用于教學工作以及學生的畢業設計和科研任務。在醫療領域中，由于3D打印是具有高度個性化、定制化屬性的工具，基本可以無視空間結構，而患者的發病機理和生理結構不同，3D打印更加適合病理模型的呈現，以供醫生進行術前的檢查診斷和醫患溝通。而在骨科的植入物研究方面3D打印技術也有較深入的應用。在手術中應用定位導航板技術可以減少病人痛苦，提高手術成功率和手術精度，縮短手術時間和減少出血量等等。另一種在醫療領域中針對組織工程應用的3D打印技術是通過打印細胞來培養組織，目前這種技術還沒有應用于臨床疾病治療，更多的是用于藥物篩選和病理性研究。在國防航空航天領域，3D打印技術可以做出構造復雜而且重量輕的部件，可以縮減零部件的體積并使整個設備的性能得到提升。在文化創意領域中，2015年遍地開花的眾創眾籌產品原型，其中很多都是通過3D打印來做的，由于個性化、定制化的自身屬性，使得3D打印在文化創意領域很早就得以廣泛應用。3D打印應用場景時時刻刻都在不斷的更新和拓展，比如在虛擬現實領域，通過3D打印技術的介入可以實現更多的可能性。

目前3D打印行業的確存在著一些問題，3D打印從技術原理上是一種增材制造，同時又是一門交叉學科，其基礎最主要是材料科學。材料和機械以及程序之間的配合是3D打印的關鍵。在機械方面，其本身具有固定的精度和成本控制；而在材料方面則不同，其關鍵是以何種成型方式打印出所需要的材料質量，優秀的材質一直是3D打印行業孜孜不倦的追求。目前3D材料主要分為金屬、高分子聚合物和磨砂非金屬等，我們需要長期持續的投入來研發3D打印材料，以光敏樹脂為例，國內和國外的材料性質存在較大的差異，在關鍵參數和成型精度以及成型之后的濾水膨脹率、光照穩定性、熱穩定性等方面有差距，所以材料研發應當是3D打印行業未來發展的主要任務。另一個問題是在國內3D打印行業，研發3D打印設備的廠家很多，而3D打印行業如何與傳統的行業應用場景深入的銜接，做這方面研究的人卻很少。以汽車行業為例，如何使3D打印真正結合材料、結合技術，深入應用到日常消費級別的汽車里，應當是廣大3D打印行業人員應當深入研究的。

智能制造：北京市計算中心目前有哪些3D打印設備？能否介紹下這些3D打印設備的特點和優勢？

齊軼鵬：目前，計算中心擁有以下幾種3D打印設備。首先是桌面級的3D打印機，主要用于科普展示以及打印小型零部件和模型。其次就是工業級的FDM設備，其打印材料主要是ABS工程塑料，可以打印精度要求不高但強度要求高的工業用零部件，比如機器人自動機器臂的蓋板零部件。另外還有工業級的光敏樹脂類3D打印機，主要用于高精度打印，其精度可到達單側層厚16um，適用于對模型精度要求高的電子消費類產品、醫療模型和科研用模型等等。

計算中心擁有多款3D掃描儀，主要用來獲取目標模型的三維幾何參數。首先是手持式3D掃描儀，其特點是移動靈活，可以在現場以手持的方式來掃描人物或者物品。其次是大空間式3D掃描儀，可以掃描大型建筑物和大型場景，一幅畫面即可掃描300米。另外還有高精度3D掃描儀，主要針對掃描精度非常高的零部件，其精度可達到0.01mm的水平。

智能制造：計算中心提供的高精度和低成本兩種3D打印解決方案有哪些區別？這兩種解決方案主要針對哪些目標客戶？

齊軼鵬：高精度、低成本的3D打印解決方案是一個階梯狀的分布，分幾種方式，比如SLA的精度介于PolyJet和FDM精度之間。較之于FDM，SLA的精度和成本都要高一些，而PolyJet的精度和成本又比SLA都要高一些。這兩種解決方案其實是一種針對市場的細分。如果客戶僅需要得到產品的大體形狀，我們推薦低成本打印，以客戶可以接受的價格達到預期的精度要求。如果是特定的應用領域，比如要求精度必須達到50um，則必須使用高精度的設備才能達到要求。高精度解決方案主要針對一些高端客戶比如科研單位、醫療單位和研發單位等等。

智能制造：近期計算中心和航空總醫院共同舉辦了“3D打印+醫療”科普交流會，請問目前3D打印技術在醫療行業有哪些應用？目前，計算中心在醫療方面提供的3D打印服務有哪些？

齊軼鵬：3D打印技術在醫療行業中的應用必須以解決方案的形式進行服務，因為醫療行業是一個高度專業化的領域，傳統3D打印行業與其存在一定的距離。當3D打印介入時，計算中心有一個醫療團隊作為支撐，其作用主要是撫平3D打印和醫療以及醫生之間的技術鴻溝。計算中心實際上在做橋梁性的工作。

3D打印技術在醫療行業比較成熟的解決方案首先是從醫學影像出發，比如CT技術，通過CT技術可以把病人的病理模型和生理模型重構出來，雖然CT是二維圖像，我們可以利用CT、核磁共振甚至3D超聲影像來逆向重建出所需要的精準3D模型，并依據3D模型和醫生做技術上的交流溝通。因為涉及到醫生的醫療方案、手術方案以及所使用的醫療器械，因此計算中心會與醫生進行多輪次的溝通，之后制定手術方案，并確定計算中心所要做的配合，比如術前的患者病理模型和術中解決方案。患者術前病理模型主要應用于肝膽外科腫瘤切除的手術，因為肝膽腫瘤的環境復雜，醫生通過二維影像不易判斷腫瘤在組織中的突變位置，而用3D打印的形式呈現出來后，醫生可以很快判斷手術需要在哪里把組織切開并剝離腫瘤。同時醫生可以通過3D病理模型做出詳盡而且準確的手術預案。術中解決方案比如顱骨修復、頜面外殼的手術，在術中使用導航定位板來正確擺放碎骨的位置以確保手術重構的準確。在術中除了把醫學影像轉化為三維數據，還需要和醫生溝通以什么樣的方式固定碎骨，以及計算中心提供什么樣的導航定位板的技術，醫生通過怎樣的緊固具、手術用具把碎骨固定住，以及如何把導航定位板撤銷等等，這個流程結束后再進行3D打印，然后對導航定位板進行醫學消毒，最后在手術室將導航板應用到手術中。

對于牙科領域的種植體的種植導板，通過定位板技術保證種植牙的種植方向是精準的，以保證未來的咬合正常。在牙齒正畸中的隱形正畸具也是3D打印技術在齒科領域的應用，這項技術解決了以往正畸過程中正畸具不美觀、不易摘的問題。

另外3D打印在心血管領域和神經外科領域也有應用，計算中心和沈陽陸軍總醫院以及中科院金屬研究所有相關合作。通過應用3D打印技術做植入物的研究，不僅需要考慮成功的植入問題，還要考慮到3D打印部件的力學性能、耐久性和壽命等問題。植入物在心臟外科、心臟內科領域已有臨床上的應用，也有國內外少見的前端科學研究。以血液研究為例，需要研究流體力學、血液動力學，是比較系統、龐雜的科學研究，同時解決植入物問題的技術基礎也是3D打印技術。

智能制造：請您介紹下在3D打印服務方面，計算中心的云計算能力和云平臺服務扮演著什么樣的角色，有哪些重要的意義？

齊軼鵬：北京市計算中心的云計算平臺即“云鏈”，它是一個服務于廣大企業的云計算服務平臺。3D打印實際上是“云鏈”的一個有機組成部分。云計算依托的是高性能的云計算服務，3D打印服務既有線上又有線下的服務模式，用戶可以通過線上以云的方式提交模型，通過審核后進行打印，也可以在線下以傳統模式的方式加工。3D打印在“云鏈”中的位置是介于云鏈和實體工作之間，具有橋梁性作用。“云鏈”是基于互聯網的技術，其中更多的提供云計算的工具，包括計算工具、在線辦公軟件和在線設計軟件等等。而用戶在通過“云鏈”完成計算和設計之后不滿足僅在電腦上表現設計，這時3D打印介入進來，幫助用戶完成實體工序的實現。未來，3D打印不僅僅滿足做出模型而是集成設計和實現等更多功能的平臺。也就是說，用戶在這個平臺上提出設計想法，就能拿到真實的、帶有功能性的產品。

智能制造：您認為不斷發展的3D打印技術在未來將如何影響人們的生活？

齊軼鵬：作為3D打印的行業人員，我很高興談談3D打印未來的美好設想。我認為，在未來，3D打印的發展潛力是巨大的，而3D打印技術進步帶來的改變眼前就能看到，目前美國用3D打印的組織可以存活一到兩周的時間，這在之前幾乎是無法設想的。較之克隆技術會帶來人體器官使用方面的倫理問題，3D打印技術則不會面臨如此情況。樂觀地講，在未來或許真的會有3D打印的植入器官出現，而人類的壽命也將會因為器官的可更換而大大延長。

在傳統制造業，隨著產品品質的提高，人們對個性化定制產品的需求越來越高。目前在汽車行業已經實現汽車內飾和配件的定制，未來的產品將會實現高度符合用戶個人的使用特點，3D打印技術將在這方面發揮積極作用。

另外，未來3D打印技術或許將會對物流行業產生影響。目前，在航天領域的空間站物流運輸上已經實現通過傳輸數據到空間站，并通過3D打印機生產所需物品的案例，以此節省成本。所以未來如果3D打印技術成熟，成本降低以及材料上滿足要求，物流的形式將不僅拘泥于實物的傳遞，而是信息數據的傳送，數據從提供方到3D打印機接收方，通過打印機將產品呈現出來，這也許是物流行業未來一個新的業態。

記者手記：

3D打印技術的飛速發展得益于這個時代有一批對技術革新孜孜不倦的工程師以及為技術落地不懈努力的科學工作者。從齊軼鵬博士身上我能深刻感受這一點。技術的進步永無止境，正如齊博士所說的，“3D打印的應用場景時時刻刻都在拓展”，只需展望一下未來，就知道3D打印將深刻而長遠地影響我們的生活。