第一篇：對于3D打印技術在醫學領域應用的認識

對于3D打印技術在醫學領域應用的認識

首先，什么是3D打印？3D打印（3DP)即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D 打印技術出現在 20 世紀 90 年代中期，實際上是利用光固化和紙層疊等技術的最新快速成型裝置。它與普通打印工作原理基本相同，打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”一層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程、槍支以及其他領域都有所應用。近年來，隨著打印設備和打印材料的不斷研發，該技術在醫學中的應用得到了長足的發展。

現階段，3D打印在醫療領域的應用大致分為四個層次。一是快速成型層面，這個層面的應用主要是根據數字影像資料打印出立體三維模型，幫助醫生分析病情，擬定手術方案。另外，立體三維模型便于醫生與患者溝通交流，這方面的應用在技術上已逐漸成熟。二是利用3D打印技術制造出輔助手術工具或 器 械。由于每臺手術 的獨特性，需要特定的手術工具或器械以滿足醫生的特定需求，３Ｄ 打印技術為滿足個性化的手術器械提供了技術保障，可以制造出個性化的手術器械用于某例特定手術。三是3D打印技術可直接打印出植入體內的修復體，即快速制造層面。在這個層面上打印出的個性化修復體可以植入到人體內，更好地與病人的病灶結合，做到精準醫治疾病。四是組織工程生物活體的3D打印技術，可制造出具有生物活性的人體組織和器官，這是目前生物3D打印的研究熱點和研究方向。

在快速成型層面，日本筑波大學和大日本印刷公司組成的科研團隊2015 年 7 月 8 日宣布，已研發出用3D打印機低價制作可以看清血管等內部結構的肝臟立體模型的方法。據稱，該方法如果投入應用就可以為每位患者制作模型，有助于術前確認手術順序以及向患者說明治療方法。這種模型是根據 CT 等醫療檢查獲得患者數據用 3D打印機制作的。模型按照表面外側線條呈現肝臟整體形狀，詳細地再現其內部的血管和腫瘤。由于肝臟模型內部基本是空洞，重要血管等的位置一目了然。但由于價格昂貴等原因，利用3D打印技術制作的內臟器官模型主要用于研究，在臨床上沒有得到普及。科研團隊表示，他們一方面爭取到 2016 年度實現肝臟模型的實際應用；另一方面將推進對胰臟等器官模型制作技術的研發。

在臨床范圍，快速制造已被臨床醫生應用與實例中。2014 年 8 月，北京大學研究團隊成功地為一名 12歲男孩植入了 3D 打印脊椎，這屬全球首例。據了解，這位小男孩的脊椎在一次足球受傷之后長出了一顆惡性腫瘤，醫生不得不選擇移除掉腫瘤所在的脊椎。不過，這次的手術比較特殊的是，醫生并未采用傳統的脊椎移植手術，而是嘗試先進的 3D 打印技術。此項手術取得了成功，北京大學第三醫院公開宣布，世界首個金屬 3D 打印定制 19 厘米人造脊椎植入順利完成。這也標志著中國 3D 打印技術正式開啟人工椎體時代。

3D打印技術的制造的假體植入人體在骨科應用較為廣泛，技術較為成熟。３Ｄ 打印植入性假體主要包括顱骨、下頜骨、義齒、人工關節、骨小梁髂臼假體等。在顱面外科直接使用鈦合金３Ｄ 打印的費用很高，因此可先根據缺損顱骨的形狀、厚度打印出一個模具，然后運用倒模技術制作一塊與缺損部位高度吻合的鈦合 金人工骨。據２０１４年８月２８日中新社報道，中國陜西西京醫院的外科醫生為患者打印了一個３Ｄ 鈦網植入物，用于治療其從三樓墜落所致的左腦損傷。張慶福等采用醫用鈦合金３Ｄ 打印技術為１例下頜骨半側切除患者設計和制作了解剖形態高度個體化仿真的下頜骨植入體，取得了滿意效果。吳江等等利用逆向工程軟件制作出了全口義齒鈦基托的計算機模型，然后利用送粉方式 ３Ｄ 打印技術（四路送粉裝置）制造了全口義齒鈦基托。這種方式比傳統工藝更簡單，而且打印成形后的全口義齒鈦基托外形良好。王臻等針對提取的股骨髁關節軟骨三維輪廓數據進行了個體化人工半膝關節的計算機輔助設計，獲得了股骨髁關節的計算機三維模型，然后再將三維模型進行切片分層，使用 ＬＰＳ６００樹脂快速成型機打印出三維樹脂模型，通過對樹脂模型進行修整、拋光得到了個性化的人工半膝關節模型，經過硅膠翻模、制作蠟模、成殼、澆注 后最終獲 得了鈦合 金 關 節。在 金 屬 ３Ｄ打印口腔假體方面，唐志輝采用金屬３Ｄ 打印機打印出了與牙齒相同的金屬牙，它可取代傳統方法制造出的標準種植體，可以完全根據口腔患者的牙齒形狀量身定制。

在發達國家，藥物與醫療設備的市場份額基本相等，而在中國，醫療器械遠低于藥品的市場份額，這就意味著中國的醫療設備還有很大的發展空間，３Ｄ 打印在骨科醫療行業的應用為中國醫療器械的發展起到了不可替代的作用。目前，在新型生物材料和３Ｄ 打印個性化植入物方面還存在著很多問題。如醫療效果被不良媒體夸大、醫療注冊許可政策亟待突破、材料成本及種類的限制等。

但3D 打印技術作為一項具有開創性意義的技術，可以根據不同患者，快速便捷地制作出更個性化的假體，使人們獲得了重生的機會；其次，3D 打印用于復雜手術術前計劃制訂、手術模擬的廣泛應用，提高了手術成功率等。但 3D 打印技術也存在一些問題與不足，比如所需材料價格極高，支架材料的可降解性及降解時間、孔徑大小都對其打印結果有影響。隨著信息技術的發展、新型材料和制作技術手段的增強，在未來臨床及科研的道路上，3D打印技術勢必會獲得突破性進展，發揮越來越大的作用。

第二篇：3D打印技術在醫學領域的應用

3D打印技術在醫學領域的應用

醫學模型快速建造。

醫學道具、模型、用品等材料可通過3D?打印獲得。利用3D打印技術，可將計算機影像數據信息形成實體結構，用于醫學教學和手術模擬。傳統醫學教學模型制作方法時間長，且搬運過程容易損壞，使用3D?打印技術，可有效減少制作時間，根據需要隨時制作，并降低搬運損壞的風險。目前，3D打印醫學模型已獲得較好的技術支持，具備一定的打印速度，能使用多種材質進行打印，應用程度高，有著很好的應用前景。

組織器官代替品制作。

人體組織器官代替物的材料要求很高，實現難度大。但目前已有一些成功案例，比如復制人體骨骼，制作義肢等。比如，人體某塊骨骼缺失或損壞需要置換，首先可掃描對稱的骨骼，形成計算機圖形并做對稱變換，再打印制作出相應骨骼。與傳統方法相比，該技術不需要先制作模具，可直接打印，建造速度較快。這項技術可應用于牙種植、骨骼移植等。身體軟組織器官制作亦取得進展，報道顯示，美國某大學已利用該技術制作出人造耳，與此同時，微型人體肝臟也已被成功制造。德國研究人員利用3D?打印機等相關技術，制作出柔韌的人造血管，并能使血管與人體融合，并同時解決了血管免遭人體排斥的問題。該技術的不斷進步和應用的深入將有助于解決當前和今后人造器官短缺所面臨的困難。

臉部修飾與美容。

利用3D?打印技術制作臉部損傷組織，如耳、鼻、皮膚等，可以得到與患者精確匹配的相應組織，為患者重新塑造頭部完整形象，達到美觀效果。首先掃描臉部建立起3D計算機數據，醫生可以制作出患者所缺少的部位，重現原來面貌。比起傳統技術，該方法更精確，材質選擇更加多樣化。隨著3D打印技術所支持材質的增多，打印質量的精細化，以及美容市場的壯大，臉部修飾與美容應用將有更加廣闊的天地，應用水平亦將得到進一步提高。

第三篇：3D打印技術在建筑工程領域的應用前景

3D打印技術在建筑工程領域的應用前景

科技改變生活，科技提高效率，科技創造價值。隨著科技進步，如今越來越多的新技術、新工藝、新材料被應用到建筑工程領域，極大地提高了工程建設的質量和效率。3D打印技術正是科技發展的產物，自打其研制誕生以來，就不斷地吸引人們的眼球，受到各行各業的廣泛關注，打印食物、打印機械零件甚至打印手槍等不一而足。3D打印技術先后進入了牙醫、珠寶、醫療行業，人們希望利用3D打印等先進制造技術快速制產品，借此提升執行任務的速度并降低成本，3D打印技術未來應用的范圍會越來越廣。如今也有建筑工程人員將這項技術應用到建筑領域，并取得了一定成效。

一、3D打印技術

（一）3D打印技術的概念。我們都知道文字圖片打印機，它們是平面的二維打印，3D打印就是在普通的二維打印的基礎上再加一維。與普通打印機工作原理基本相同，區別在于只是打印材料有些不同，普通打印機的打印材料是墨水和紙張，而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂以及尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、鍍銀、鍍金、橡膠類材料等不同的“打印材料”，是實實在在的原材料。3D打印機工作時先像普通打印一樣，在一個平面上將塑料、金屬等粉末狀材料打印出一層，然后再將這些可黏合的打印一層一層的粘起來。通過每一層不同的“圖形”的累積，最后就形成了一個三維物體。就像搭積木一樣，一層一層的累積起來后，就完成了一個設計好的立體的樣子。3D打印技術就是快速成形技術的一種，它運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過一層又一層的多層打印方式，來構造零物件。模具制造、工業設計常將此技術用于建造模型，現在正向產品制造的方向發展，形成直接數字化制造。

（二）3D打印技術的現實意義。首先，大幅度提高工作效率。根據模型的尺寸以及復雜程度，傳統方法制造出一個模型通常需要數小時到數天，而用三維打印的技術則可以將時間縮短為數個小時，開辟了快速成型的新途徑。其次，降低成本。傳統的制造技術如注塑法可以降低成本大量制造聚合物產品，而三維打印技術則可以以更快、更有彈性以及更低成本的辦法生產數量相對較少的產品。再次，打印的物品逼真。因為3D打印機的分辨率對大多數應用來說已經足夠，并且是三維的，所以打印出發產品例如模型十分逼真。今天的3D打印能復制出與原物一模一樣的實物出來。最后，給設計者帶來更多的想象空間。

二、3D打印技術在建筑領域的應用

（一）建筑設計領域應用

3D打印實際就是快速成型技術的應用，快速成型技術是特種加工技術中具有代表性的一種，它是集數控、機械CAD／CAM技術、激光加工、新材料科學等多種新型技術為一體的新技術。由于3D打印成品的可塑性非常強，從二維到三維，3D打印可以精確到600dpi，每層0.01毫米的厚度，幾乎任何復雜的結構

都可以輕松打印出來，于是許多建筑設計師將該技術用于建筑與市政布局模型、工業設計的快速成型。

以往建筑設計師制作模型和3D效果圖都是手勾草圖，現在，3D打印提供了一種與傳統的3D效果圖、建筑模型等建筑造型表現方式不同的、全新的操作模式，它將讓模型作為建筑師矯正設計的手段這一初衷獲得新生。整個建筑模型制造過程分為三個階段：拍照、建模、打印。這種操作方式比用軟件畫圖、按照圖紙仿形雕刻更精確、更快捷。

（二）建筑市場開發應用

1.建設方案初始設計階段。我們知道通過看2D圖想象3D空間確實比較困難，需要有豐富的空間想象力。3D打印模型在這一點不僅非常有用，而且還可以有效傳達想法，根據各方討論意見隨時改變。例如在做城市綜合體、交通綜合體等這種大體量建筑群開發初始階段，就需要研究這些綜合體建成后會對周圍的建筑和城市空間有何影響。最好的、最有效的做法就是給出模型，用以直觀真實的展現建成后的情景，3D打印機具有這方面的極大優勢。

2.建設提交方案成果階段。建筑工程每個設計階段的任務終將形成一個連貫一致的設計，包括方案、成本、準則等所需要求。如果用3D模型完成空間、環境設計，就相當一個縮微版的建筑與環境原型再現，必然會得到建設方和公眾的接受，也可避免因為設計者的疏忽造成的失敗建筑。

3.項目技術設計和營造階段。隨著建筑項目的開展，3D打印模型的輔助設計功能也隨著改變，轉向項目的技術設計和細部處理、風格展現，比如內飾、外飾的材料、風格、空間內部的陳設和裝飾物品，使之更加深化細致。

4.建設項目成果展示。3D打印模型不僅是設計過程和項目施工過程中所用的工具，也可作最終展示。設想在一間設計公司的展廳內，陳列著這家公司完成的許多項目縮微模型，他們就是窗外真實城市景觀的真實再現，這些模型就能贏得潛在客戶的信任，給設計者帶來新的收益機會。

（三）在建筑構件方面的應用。如今有一些建筑師將3D打印技術應用于建筑構件。起初，建筑師采用SLS（選擇性激光燒結）3D打印技術按照設計的尺寸分段打印各個節點，然后將其組裝起來。SLS3D打印技術能夠滿足建筑所需要的美學和結構方面的需求。

（四）在制造實體建筑方面的應用。也就是用3D打印技術來蓋房子。采用的方法是分段打印組裝方式，即建筑模塊化，在工廠里每塊打印好，最后一起現場組裝。與建設傳統房屋一樣，打印房子之前首先需要打下地基；接著，打印機根據圖紙打印墻體結構，同時預留“梁”與“柱”澆筑的空間；最后，在預留空間置入鋼筋、灌注混凝土，在墻體的中空部分填充保溫材料。這種打印實體建筑在我國也有案例，肉眼觀察，這些3D打印房與普通房屋有著明顯的區別：它們的墻體有著類似雕飾的紋路，或橫向或縱向，而整體效果宛如制作奶油蛋糕時擠出的奶油被一層一層堆疊起來。

三、3D打印技術在建筑工程領域的應用前景分析

3D打印技術在建筑工程領域的應用還有較長的路要走，特別是在實體建筑打印方面還面臨諸多挑戰。

首先，打印材料的限制。3D打印機使用的是真實的金屬、陶瓷、塑料、尼龍玻纖等材料，雖然可以實現塑料、某些金屬或者陶瓷打印，但打印的材料都是比較昂貴和稀缺的。另外，打印機也還沒有達到成熟的水平，無法支持日常生活中所接觸到的各種各樣的材料。雖然研究者們在一些打印材料上已經取得了一定的進展，但除非這些進展達到成熟并有效，否則材料依然會是3D打印的一大障礙。

其次，打印機器的限制。3D打印技術在重建物體的幾何形狀和機能上已經獲得了一定的水平，幾乎任何靜態的形狀都可以被打印出來，但是那些運動的物體和它們的清晰度就難以實現了。但最基本的困難在于尺寸。2維打印大家都常用，一個最根本的常識就是，輸出尺寸越大，打印機本身就越大，那么打印機的噴頭活動范圍要能夠覆蓋全幅的輸出尺寸，那么必然會大一圈。在3維打印領域，這意味著：如果打印住宅則打印機需要比你的住宅大一圈。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。所以現階段解決3d打印房屋的一些基本問題：材料，控制，精度等。

再次，3D打印建筑的安全問題。一方面，3D打印技術能否把房屋的梁體、墻體和柱體做到和傳統行業一樣堅固，還有待檢驗。另一方面，建筑的抗震性。現在一般使用超輕的全新材料，打印的房子自重會小于傳統房屋，抗震性也就更好，但如果打印房的自重大于普通房屋，抗震性的問題就值得考慮了。再一方面，建筑的耐撞擊性，不管怎樣由于材料的關系，打印的建筑的耐撞擊性可能不如傳統房屋。國家尚未對3D打印建筑出臺相關標準，這使得3D打印房的安全性、抗震性等性能無法得到檢驗。

因此，短期內，3D打印技術不可能完全替代傳統建筑方式。一種較大的可能是新技術與傳統工藝互為補充，在鋼筋混凝土結構的基礎上結合3D打印技術，建造一些科幻建筑、概念建筑等。但在設計體系、模型制作、鋼筋混凝土很難塑造的個性的效果方面，3D打印卻能發揮不可替代的作用。

第四篇：3D打印技術及其在地學信息領域應用進展

3D打印技術及其在地學信息領域應用進展

作 者：繆謹勵、劉文斐

單 位：中國地質調查局發展研究中心、國土資

源部地質信息技術重點實驗室

地 址：北京市西城區阜外大街45號院 郵 編:100037

摘 要： 3D打印在三維建模方面是一種革命性的進步技術。在地質建模方面可以應用3D打印技術將地理信息數據打印成實體模型。例如地質模型、地形地貌模型、地理信息系統模型、房地產3D沙盤模型。3D打印技術在地質新方面的應用在日益發展。關鍵詞：3D打印、三維建模、實體模型

3D打印技術近年來得到普遍關注。目前，國外3D打印技術在各領域的應用已取得明顯進展，而在國內，3D打印技術還沒有得到全面應用。就地學信息領域而言，僅在個別部門得到初步應用。

一、3D打印技術簡介

（一）發展歷史

3D打印技術最早誕生于1986年美國人查爾斯.豪爾（Charles W.Hull）申請的專利。作為3DSystems公司的創始人，查爾斯.豪爾推出了第一款工業化的3D打印設備。80年代末期，出現了熔融層積成型技術（FDM）與選擇性激光燒結（SLS），并于1992年售出了第一臺基于熔融沉積成型技術的3D打印設備。同年，DTM公司也將選擇性激光燒結技術生產的產品推向市場。1993年，美國麻省理工學院啟動研究“三維打印技術”，并于1995年推出了第一款產品。隨后，一款具有里程碑意義的3D打印機產品--Spectrum Z510于2005年推出，這是第一款能夠實現高分辨率彩色3D打印的設備。此后，世界上推出了幾十種不同的3D打印制造工藝方法，其成本也逐年降低。

（二）工作原理

3D打印技術的工作原理與傳統的噴墨打印技術基本相似，均為基于原料噴射堆疊成型技術。3D打印的主要流程：應用計算機軟件設計三維模型藍圖，通過電腦輔助設計技術（CAD）完成一系列的數據切片，然后將這些切片信息發送至3D打印機，對描述打印對象相關屬性 的數據文件（如STL文件或者CAD文件）進行快速處理，最后用液化、粉末化或絲化的薄層材料逐層連續地進行堆疊，每層材料只有0.1mm-0.2mm厚，層與層之間通過特殊的液體粘合劑進行粘合，并完成固結，直至“打印”出成型的固態實體模型。

（三）優缺點

3D打印技術在三維模型的模擬方面取得了革命性進步。由于3D打印不需要生產線，既節省了模具制作時間，縮短了生產周期，又減少了前期模型各部件設計及粘合的成本消耗，同時也在一定程度上減少了材料的浪費。另外，3D打印技術具有一次成型，快速個性化定制等特點，在小批量、多品種的生產中占有優勢。充分利用3D打印機，消除修改磨具的制作成本消耗，能夠使開發成本節約10倍以上，同時縮短產品開發周期至1/3，同時在制作的過程中無需考慮工具的路徑和脫模的方式。

3D數字可視化技術能夠成功地將真實環境下的目標對象呈現于虛擬環境之下。而3D打印技術制作的三維實體物理模型能夠輔助用戶更好地理解目標對象在現實世界中不同維度下的形態。事實上，3D打印技術在舒適度、基于目標對象特征的探索、分析和實現大規模討論的可行性簡易程度、以及對用戶專業素質的要求等方面明顯優于3D數字可視化技術。

然而，3D打印技術還存在一些技術難點，如3D打印數據、粉末材料和液體粘合劑的準備過程復雜，3D打印機易用性差等問題。STL格式數據輸入的過程很難實現用戶可視化，并且處理后輸出的數據還需進行一系列用戶不可見的不規則數據自動化清理過程。由于3D打印產業不斷發展帶來的社會安全和知識產權保護等問題，也可能影響3D打印技術的發展進程。

（四）工藝分類

目前，比較成熟的主流3D打印技術有十余種，其中SLA快速成型技術是目前應用最廣、精度最高的快速成型方法。每種技術都有其各自的優勢和劣勢。還有一些不常用的技術,如多噴嘴建模系統、V Flash Printer、Desktop Factory、DLP激光成型技術、UV紫外線成型技術、實體磨削固化（SGC）、數碼堆疊成型技術（DBL）、三維焊接（3DW）、直接鑄殼成型技術（DSPC）、直接金屬成型技術（DMD）等工藝方法。

二、3D打印技術的應用現狀

3D打印在制造業已經悄然興起，隨著3D打印技術社會需求量的逐年增加，3D打印機的價格逐年降低。截至2010年初，中國3D打印設備使用量占亞洲總額的30.4%，占世界總額的3%。

（a）（b）

圖 1（a）美國佛羅里達州邁阿密的The Realization Group 多維可視化服務公司采用ZPrinter 310 Plus 制作了這款28 英寸高的邁阿密“The Met”建筑物模型，所用時間和成本為傳統建筑模型制作方法的四分之一。（b）南非德班千禧塔(F.A.D Publishers)以及南非斯坦陵布什大學學生使用ZPrinter 310打印機根據實際工程參數制作的千禧塔三維模型。

3D打印技術在許多領域均有涉及。生物化學醫療方面，3D打印技術可以將CT 和MRI 掃描數據轉化成三維模型，以供學術和臨床用途，包括手術方案的制定、醫學假肢或生物體植入物的設計，還有比較新興的“三維細胞打印”和“仿生定制”等，使活細胞打印有可能在未來成為現實。3D打印技術還可打印化學反應容器，可產生新的化學化合物。3D打印技術可以復制無法翻模、不適于翻模、以及局部殘缺的文物，對于重建古生物化石、考古學復原文化古跡和珍貴藝術品意義重大。由于3D打印技術可用于復雜形狀、尺寸微細、特殊性能的零部件和構件制造，對于結構復雜、成本高昂的航空航天零件，一旦出現瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成數十萬、上百萬元損失。而通過3D打印技術，可以用同一材料將缺損部位修補成完整形狀，修復后的性能不受影響，大大節約了時間和資金。另外，美國航空航天局（NASA）正在研究食物3D打印機，目的是研發新的方式來生產營養食品，并可在漫長的航天任務中進行儲存。3D打印成型的建筑項目模型能讓建筑設計師從創造性和空間感方面考慮問題，有助于與負責按設計施工的工程師之間進行良好的溝通。3D模型也可用于各學科的教學和科研。在北美的一些中學、普通高校和軍事院校，3D打印機已經被應用于

教學和科研，其中以麻省理工學院尤為領先。同時，位于南非的斯坦陵布什大學工業工程系也驗證了3D打印技術在教育領域的價值。3D打印技術在資源、能源開采領域也逐漸得到推廣。中國石化工程技術人員首創的“礁灘相儲層開發精細描述技術”，將3D打印技術制作的地下儲層精細的三維地質模型，應用于普光天然氣田的鉆井設計，鉆井成功率達100%，從而解決了世界難題。

三、3D打印技術在地學信息領域的應用

（一）基于地理信息數據制作各種三維實體模型

3D打印技術能夠準確地區分土地、水體、建筑物和其它地形特征，特別是復制一個復雜的等比例自然地形結構或城市構造，使3D打印技術在地學信息技術領域的應用深度逐漸增加。對于大面積的地理結構圖，可將地理模型分段處理，逐塊打印，最終拼接到一起。應用3D打印技術可以將地理信息數據打印成多種實體模型：

1.地質模型：輔助工程人員了解不同地層在水平和垂直方向上的屬性特征、礦體特性、地下水概況和各深度的蓄水層構造。

2.地形地貌模型：提高了商談復雜解決方案的效率。

3.地理信息系統模型：迅速、高質量地呈現鄉村、城市、地形地圖。4.房地產3D沙盤模型：不僅外觀精細準確，內部結構也符合標準比例尺。

（a）（b）

圖 2（a）應用3D打印技術生成的描述地形和地下地質情況的3D模型；（b）應用3D打印技術在水晶玻璃中生成的洞穴幾何形狀及根據地震數據生成的彩色3D模型

（二）應用3D打印技術呈現GIS圖層的技術難點

通過3D打印技術呈現GIS數據的技術仍處于起步階段，存在一定的技術難題，主要包括：

1.需要將大量不同種類的地理空間數據格式轉換成STL文件格式。

2.減少在DEM數據轉換為STL文件格式過程中的數據丟失。STL格式文件是目前3D打印機識別的幾種文件格式之一。研究人員正在通過使用各種軟件和方法分幾個階段獲取3D STL格式的數據。已經成功的一種是將DEM ASCII XYZ直接轉換成3D STL 數據。

3.3D打印技術本質上并不是一個廉價的技術手段，因此在制作實體三維物理模型時，一定要估算打印材料的使用量。

4.3D打印技術可以制作高精度、高分辨率的實體模型，但同時也可能丟失一部分細節特征。模型打印過程中，材質層堆疊的寬度將決定打印的分辨率，以及模型壁的最小厚度極限值。

5.用戶需要提前準備好3D數字模型用于3D打印數據輸入。

6.原始GIS數據被打印成3D模型后，數據的屬性被整合壓縮。但是有時研究人員需要研究數據的個別屬性，需要重新返回平面地圖--參考初始平面形態。

（三）3D打印技術與虛擬三維城市模型(CityGML)的聯系

空間數據的可視化進程經歷了一系列發展階段。起初，僅能應用2D紙質地圖以固定比例的非交互式的靜態模式，對現實事物進行二維展示。隨著信息技術的問世，這些2D地圖可以被掃描至計算機，生成可根據需求進行適度縮放的非交互式數字2D圖像，而虛擬世界的比例尺寸概念成為當時的技術挑戰。隨著地理空間信息技術的提出，附加相應非空間屬性的交互式2D數據得以生成。GIS技術的進一步發展，成功創建了交互式3D數據和附加相應屬性的虛擬模型。緊接著，三維建模功能迎來了一系列快速的進步和技術革新，在此基礎上提出了3D模擬漫游概念，并應用相關軟件生成動態視頻。隨后，隨著硬件的進步，3D打印機的問世很大程度上縮短了三維實體物理模型的生成時間，使之前不可能實現的目標對象制作過程變得簡單易行。

CityGML是一種用于虛擬三維城市模型數據交換與存儲的格式,是開放地理空間信息聯盟OGC認可的標準。與其它3D矢量格式相比，CityGML是表達現實世界的通用拓撲模型。對于特定的領域，CityGML也可以在保存語義互操作性的前提下提供拓展機制來豐富具有識別功能的數據。目標應用領域明確包括了城市和景觀規劃、建筑設計、旅游和休閑活動、三維地籍圖，可采用5個連續的分辨率等級（LOD0-LOD4），打印精度從≤0.2 m至≤5 m不等。現階段許多城市都根據CityGML建立了3D城市模型，如德國的柏林市和荷蘭的阿珀爾多倫市。

四、3D打印技術在地學空間信息領域應用的發展趨勢

當前，3D打印技術在地學空間信息領域的應用主要朝著三個新方向發展：

1.3D打印技術生成的房地產3D沙盤模型，不僅外觀細節精確，分辨率較高，內部結構也符合標準比例尺，從而極大地提升規劃和設計的參考價值。隨著國內有關3D打印產業政策的輿論呼聲日漸高漲，房地產領域在應用3D打印技術向消費者和規劃設計人員進行展示的標準化問題會獲得新進展，國家科技部的相關負責人已經表示，將會制定有關的3D打印行業規范及相關政策。

2.3D地質沙盤也有助于對建筑地基、地下空間構造、隧道等地質數據集成的理解。應用3D打印技術可快速生成三維地質礦產模型，幫助地質和礦山開發人員了解地質礦體情況。3D打印技術在一些技術較發達的國家的地學研究領域已有實踐，在地下礦床油氣田結構可視化、地質研究、野外環境分析、礦產資源能源開采以及軍事指揮中，均有了許多成熟的應用。

3.地理空間信息科學研究需要更高三維精細度的3D模型。目前，全球最為流行的專業3D打印機是Zprinter系列產品，這種型號的打印機可以很好地兼容地理空間信息模型的輸出，并支持全彩打印，從而將地質結構的三維實體特性清晰細致地展現出來，其效率很高。

世界著名商業建筑設計公司Jerde 在波蘭華沙“Zlote Tarasy”項目的波狀玻璃屋頂設計以及加利福尼亞州“Morongo 娛樂場耀眼天蓬”設計時，其效率呈“指數式”提升。麻省理工學院也將Z Corp.3D打印機應用于教學和科研中。不僅提升了學生教育體驗的效益，同時也完善了建筑設計等相關專業的尖端課程，增強了與世界頂級研究機構及重點實驗室的緊密聯系。國內的一些測繪裝備類企業，也積極在為國內的3D打印技術提供著硬件、軟件技術和精準測繪數據上的支持，可以清晰地打印出高標準的模型。

3D打印技術被視為地學信息技術領域最大眾化的發展方向。英國Terrainator.com地圖平臺是一家打印3D地圖工藝產品的網站。用戶可以在網站提供的地圖中，按照一定的比例尺圈定區域，提交給地圖平臺，系統會自動生成三維地形結構圖。網站會根據該區域的版圖面積、地形復雜程度和一些定制化的要求為用戶打印出三維地形模型。目前，該地圖平臺僅支持美國大部分地區、加拿大西部、英國及歐洲少數國家的部分地區。除此之外，美國網站Landprint.com則是一個明碼標價出售3D地理模型和地形模型的公司，主要出售夏威夷群島、世界著名山峰、著名國家公園和月球隕石坑四個類型的3D模型，比如圣海倫斯火山的3D地形模型可賣到195美元的高價。同樣，該公司也提供3D地形定制化服務，滿足客戶的特殊需求。

3D打印技術在地學信息領域應用日趨廣泛，并且技術上已經日臻完善，必將在地質調查三維模擬和地質勘查三維模型成果輸出方面發揮重要作用。

(轉自中國勘測聯合網：www.tmdps.cn 技術百科)

第五篇：3D打印技術在醫療料領域的應用

3D打印技術在醫療料領域的應用

機械1202 馬也 3120301052 摘要：3D打印，即快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。3D打印技術能夠根據不同患者需要快速精確制備適合不同患者的個性化生物醫用高分子材料,并能同時對材料的微觀結構進行精確控制.本文介紹了3D打印技術在醫療領域的應用。

關鍵詞：快速成型技術，3D打印，醫療。

Abstract: 3D print, i.e., a technique of rapid prototyping, which is a digital document based on the model, the use of powdered metal or plastic material may be an adhesive, layer by layer manner by printing techniques to construct the object.3D printing technology for fast and accurate preparation of patients according to different needs of different patient, personalized biomedical polymer materials and the microstructure of the material can simultaneously be precisely controlled.This article describes 3D printing technology in the medical field.Keywords: rapid prototyping, 3D printing, medical.前言

3D打印是一項20世紀80年代后期逐漸興起的新型數字化成型技術V-3]其基本加工原理是:根據計算機輔助設計(CAD)模型或斷層掃描(CT)形成的數據，在電腦程序控制下，基于離散、堆積成型的原理，通過“分層打印、逐層疊加”的方式，對材料進行精確堆積以快速加工制造任意形狀的3D復雜物體(見圖1)3D打印技術具有能夠按照設計的模型構建特定空間結構的能力，并能在制備材料時對其微觀結構進行精確控制。這種具有獨特優勢的新興技術，正在越來越廣泛地影響著各行各業的發展。

近年來，3D打印技術在生物醫用材料應用領域的研發已得到越來越多的關注，并取得了諸多成就。研究人員可根據不同患者的需求，采用3D打的個性化生物材料。在理論創新方面，提出了“生物印刷”的概念，即將3D打印技術和生物工程技術結合起來，將材料科學、生命科學與印刷技術相融合，為研究組織工程學在3D尺度上與人體器官和組織相似的三維實體相匹配進行精確控制提供了新的思路和方法。導電聚合物具有獨特的電活性和導電性特點，不僅可用作藥物、基因載體;在電刺激條件下，尚可調節細胞的豁附、遷移、增殖及分化等其他功能，在“生物印刷”技術中具有重要的研究意義。危巖及其課題組著重于導電聚合物材料的研發，取得了豐富的成果，并歸納了“生物印刷電子材料”技術的核心，即采用3D打印技術將具有電活性的材料制備成生物醫用支架，繼而在此支架上實現可以調控和優化的可控細胞和組織生長，最終獲得有生物功能的新產品或新技術，以應用醫學檢測、診斷和治療。這些成果對3D打印技術在醫療行業的發展產生了巨大的促進作用。

一、3D打印在醫療臨床應用案例

（一）、3D打印用于足踝手術手術風險降低

3D打印出的骨頭和患者真實的骨頭在外形上可以實現1：1的效果，相當于是將患處的骨頭“搬運”了出來。武漢大學人民醫院骨三科主任李亞明教授介紹，涉及到足踝關節等復雜部位時，傳統影像報告的局限性往往讓專家們“眼見不一定為實”。如何矯形、切口如何設計、要涉及哪些關節，這些都不十分明確。醫生只能依靠以往的經驗一點點地截骨，導致患者的創傷和風險也隨之增加。

（二）、“3D打印技術”進入先心病治療

3D打印制造的人類骨骼組織，為越來越多的患者解除病痛。近日，復旦大學附屬中山醫院心外科課題組首次將3D打印技術應用于經導管主動脈瓣置換手術(TAVI)，成功為一例77歲高齡的主動脈瓣重度狹窄合并關閉不全患者實施了TAVI規劃與導航。3D打印技術則可將患者的二維影像數據轉化成栩栩如生且實物大小的心臟模型呈現于醫生眼前，并可提供更多傳統影像學檢查難以顯示的豐富信息，從而將上述復雜過程大大簡化和標準化，使得手術更準確安全。

（三）、3D技術應用于癌癥切除

隨著第三代3D打印技術的發展，3D打印技術在制作組織器官的代替品上也日趨成熟。3D打印技術在準確定位病灶與重要脈管結構的關系上發揮了重要作用，不但可以快速制造出與術中大小位置完全一致的透明化3D模型，也使外科醫生跳出“憑空想象”的窘境，在術前即可從多維度真實預見術中情形，明確重要管道的走行，制定手術路徑和程序并預演手術。在3D打印技術的輔助下，外科醫生可借助肝臟及解剖機構的3D圖形，精確定位病灶并確定手術路徑，實現完整切除病灶和避免重要解剖結構損傷的多目標優化。

以前只能通過電腦實現的3D效果，現在通過3D打印后1∶1的比例將模型帶入手術室與術中進行比對，實時引導重要管道的分離和病灶的切除，提高手術的根治性切除率，同時降低手術風險，最終實現患者獲益最大化。這種方式也有助于術中討論以及對年輕醫生進行培訓。

目前在醫院成功切除的10例膽道癌癥患者中，有6名在傳統治療評估中是無法進行切除手術的，但通過3D打印技術后，成功進行切除手術，其中還有幾名4期癌癥患者，經過切除后可存活5年以上。

（四）、3D打印應用于牙科

“如今，3D打印技術已經應用于正畸牙套制作。”高楊說，別小看了這個塑料牙套，它可是高科技產品。無托槽隱形矯治器就是3D打印技術的一種產品。首先，牙齒所有的位置信息通過掃描模型或者直接掃描牙齒，技師們就得到一套3D數字模型。然后，醫生根據具體情況進行診斷和設計，決定每個牙齒最后應該在什么位置。技師再將所有中間過程細化為一個個小步驟，每一個小步驟牙齒的位置都有細微的差別，每一個步驟都對應一套3D數字模型。最后，將每一個步驟的3D數據打印出模型，再以這些模型為模板，打印出塑料牙套。

（五）、3D打印矯形器會更加舒適體貼、效果更佳

通過在一些醫生以及患者那里我們了解到，大多數患者在治療過程中經常會面臨矯形手段與輔助工具不能靈活調整的問題。患者在初次使用矯形器時常常感到不舒服，他們的腳從來沒有真正與矯形器完全匹配。傳統的矯形器使用石膏模具，其中有太多的估計的環節，導致矯形器的擬合效果差。

通常我們通過掃描儀對患者肢體進行高精度數字掃描，公司技術人員根據不同病人的特點，特定功能需求，進行數據處理，包括設計矯形器，調整修復三維模型，然后通過JOYE的專有軟件為患者創建精確的數字三維模型，最后利用先進的3D打印技術制作出完全附和患者肢體的矯形器。

二、3D打印技術在醫療領域的優勢

（一）、3D打印技術的特點。

3D打印技術具有自由成型的特點，能快速精確地制造個性化內植人物，不僅可減少患者的等待時間，提高手術質量，還解決了傳統通用型內植人物修復時形狀不匹配和力學性能差的問題。

（二）、3D打印技術的適用領域

3D打印技術在制造多孔內植人物和有復雜微觀結構的復合內植物方面具有獨特優勢。以上2種內植人物有望解決現有內植人物普遍存在的應力屏蔽現象和生物活性低的問題。因此，3D打印技術可應用于個性化顱領面骨修復、個性化人工膝關節修復、個性化牽引成骨、手術導航與定位器具等個性化內植物與醫療器械的制造。

（三）、3D打印機可以零時間交付。

可以根據病人的訂單使用3D打印機制造出特別的或定制的產品滿足治療需求。如果人們所需的物品按需就近生產，零時間交付式生產能最大限度地減少長途運輸的成本。節約急癥患者的救治時間。

三、總結與展望

在醫療行業，目前3D打印在我國體外醫療器械制造和個性化永久植入物方面都有一些應用，供產品設計的醫療模型和指導手術的導板裝置也已使用多年。而在3D生物打印方面，我國仍在實驗階段。

“總體而言，我國的3D打印技術仍處于起步階段。”我國與歐美國家相比仍有較大差距，目前關于3D打印的核心技術多數都在國外，而我國醫療行業使用的3D打印機和金屬打印材料多數依賴進口，國內的技術還欠成熟。“中國是鈦生產大國，但是目前專門生產適用于3D打印鈦粉的企業極少，并且產品質量與國外差距較大，企業生產的積極性也不高。”而在產品價格方面，國外3D打印機設備和材料的價格也居高不下。據悉，用于制造器官模型的3D打印機售價在120萬元至300萬美元，打印金屬制品的設備價格則在350萬到1500萬元人民幣左右，很多醫院和機構難以承擔，這也成為醫療行業3D打印發展的巨大障礙。

要促進3D打印在醫療行業的廣泛應用，還有以下幾點要做，一要鼓勵發展擁有自主知識產權的3D打印機和專用配套材料，二是加強計算機輔助設計人才的培養，三是政策上的支持，比如鼓勵使用并推廣這項新技術，同時嚴控質量，包括完善醫療器械監督管理條例，加強行業管理和規范，鼓勵創新和臨床轉化。現有的醫療器械管理條例于2000年開始執行，當時并無涉及3D打印的規定，這勢必會影響3D打印技術更好的為病人服務，值得引起更大的關注。而汪祥艮認為，目前3D打印在醫學行業面臨的最大挑戰就在于傳播和教育，新技術的應用需要從傳統技術慢慢過渡并逐步適應，與傳統技術相輔相成，需要人們不斷看到該技術的優勢。因此，希望繼續加大對醫療行業和公眾的宣傳及培訓教育。同時MikeRenard則表示，中國要更好地在醫療行業采用3D打印技術并支持相關產業的增長，需要做到三點：首先，確保對于該項技術的控制和知識產權保護；其次，促進國家食品藥品監督管理局與歐美主要國家政府監管機構之間的合作；最后，建立清晰的回報預期，使技術擁有者在將具有經濟可持續性和能為社會和醫保系統產生價值的技術引進到中國后，能夠基于準確的信息來作出決定。

參考文獻

[1]張海榮；魚泳，3D打印技術在醫學領域的應用[J].第四軍醫大學教育技術中心；2015-02-11 08:50 [2]管吉；楊樹欣；管葉；高磊；3D打印技術在醫療領域的研究進展[J]中國人民解放軍第三零二醫院醫學工程保障管理中心；中國人民解放軍總醫院門診眼科2014-04-25 [3]周長春,王科峰,肖占文,張興棟.3D打印技術在生物醫學工程中的研究及應用[J].科技創新與應用,2014,21:41-42.[4]胡堃,危巖,李路海,魏先福,余均武,張丹,杜彩霞,王樂,張志媛,崔馨月,陳麗梅.3D打印技術在生物醫用材料領域的應用[J].新材料產業,2014,08:33-39.[5]張陽春；張志清；3D打印技術的發展與在醫療器械中的應用[J]哈爾濱工業大學；山西省醫療器械檢測中心；2015-08-25 [6]姜杰；朱莉婭；楊建飛；楊繼全；3D打印技術在醫學領域的應用與展望[J]南京師范大學江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室；2014-11-15