遥感所  赵世学 

　　前  言 

　　2013年5月9日，笔者去中国国际展览中心参观。观后有感，写下此文留念。文中引用了展主们散发的资料中的图片、文字等，其目的是想科普自己，了解当今信息网络的发展状况及社会即将进入更高一级的自动化时代的景象。今天只谈3D打印，即各种快速成型技术的通俗叫法。 

　　(一）一个真实的故事 

　　小智：小慧，我今天去国展看展览去啦！一进去，就看见LED光源展位，只展不卖。你知道一只灯泡的寿命有多长吗？告诉你吧，它长达5万到7万小时；那还不说，还节能，一只15瓦LED灯泡就相当于老灯泡100瓦，你说厉害不厉害。还有能让物品如箱子、衣服、珠宝等会说话的标签，即无线射频识别标签（RFID)以及生产他们的机器，还有物联网的神经末梢——传感器…… 

　　我在展厅中随便走，无人带路，无人阻拦，他们还为我们参观者讲解，很自由。就在一个小拐角处，我看见一个机器人，他威武雄壮又温文尔雅，两眼有神，非常可爱。我情不自禁地跟他打招呼，“喂，你好”！他不理睬我；我摸摸它，他也不躲避我。于是我问展主：“他能做什么”？展主说“它什么也不能做”。我又问“那么，为什么要做他”？展主说“它就是一个模型”。我不明白、费好大力气只是为了做一个模型。你说我傻不傻呀！ 

　　我看完展览后，才明白为什么要做模型。小慧，你先说说为什么要做模型？ 

　　小慧：做模型很重要。设计师有了机器人模型后，如有不妥之处，还可以修改，直到完全符合他的设计要求，才能投入机器人的正式生产。房地产开发商为让客户能看到小区全貌，他们都要制作出小区的三维模型图——沙盘。工厂生产机器零件也是先要制作出与零件大小、形状完全相同的模具，看看符合设计要求否。你还看见什么啦？ 

　　小智：你看！这是什么？图1（注1） 

图1

　　小慧：一个印章，一个没刻字的印章，这就是印章的一种模型。 

　　小智：还是你聪明，说对啦！但这个印章不是工厂的机器生产出来的，是3D打印机打印出来的。为了证实我亲眼看到3D打印机能打印出实物，我特意跟展主要了一个小物品，这是印章的最简单造型。 

　　小慧：是什么材料制作的？ 

　　小智：可再生PLA生物塑料熔丝，说白了，就是一种塑料丝绳，利用快速成型技术，大约三小时就可以变成你想要的实物啦。以前我只在网上看到：用打印机可以打印出汽车、骨关节，我只当是天方夜谭，没想到今天却亲眼目睹。在其他站台上还摆着：精致的镂空绣球、漂亮的镂空高跟鞋、飞机、轮船等，看起来像是象牙雕刻，真让我眼前一亮。手工制作都很困难，没想到机器却把它变成了极为简单的操作。不但如此，3D打印机还能轻松地将GIS数据转化成三维地形模型，最后打印出独具这块地理空间特色的三维的有山有水的实体模型,如图2。 

　　小慧：你说打印这种三维实体模型有什么用？ 

　　小慧：供专家们分析这里的地形地貌，又直观、又具体、又形象，这样，就可以准确地进行判断、决策、设计、规划等。 

图2

　　由于模型出生在产品之前，它又具有可视、可触摸、可装配、和可修改的特性，所以能找出设计的缺陷与结构不合理的地方，从而使设计进一步完善优化。这不仅缩短了研发周期，还加强了研发阶段的保密性。让产品研发到生产都实现了自主完成，对搞设计的人来说他们在设计室内就把自己的设计转化为产品并能随时进行调整与改进。在医疗方面，医疗专家组可利用三维实体模型进行模拟手术对病况进行分析，对特殊病变部分进行修补等，看来你收获还真是不小。今天我们把模型问题先说到这里，明天我和你一起去看个究竟。 

　　(二）关于3D打印 

　　小慧：除了模型，琳琅满目的模型外，你还看到了什么啦？ 

　　小智：3D打印技术。说通俗了就是快速成型技术，也叫增材制造技术。3D打印机和普通打印机工作原理基本相同。它们都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材、介质等架构组成，只是普通打印机使用墨水做为耗材，在电脑的控制下打印一个字又一个字；一行字又一行字，最后打印出一篇文章。3D打印机使用实实在在的材料，在电脑的控制下把打印材料一点一点的堆积，然后在一层一层的叠加起来，最后把计算机的三维模型图就变成了实物模型。能被用来打印的材料也是多种多样的，如石蜡、尼龙、ABS、可再生PLA生物塑料熔丝、各类特种合金，还有为打造出更为逼真的模型，又研发出许多新型材料，约有一百多种以上的数码材料（复合树脂材料）可供选择。 

　　小慧：这种快速成型技术我也听说过，它的优点是缩短设计开发周期，减少开发成本。比如，在汽车设计中要用到各种车模，在设计过程中，将车模CAD模型转化成STL文件格式图，通过专业快速成型数据处理软件对模型进行参数设置、分层、打印，最后将车身模型打印出来。如图3，（注3） 

图3

　　小智：我知道。你说的这种打印方式属于工业级的。他们使用的是MEM技术。MEM是Melted Extrusion Modeling的首写字母，其中文意思是熔融挤压快速成型技术。这种技术综合了机械工程、CAD数控技术及材料科学技术，设备是在计算机控制与管理下，根据零件的CAD模型，采用材料精确堆积（由点堆积成面，由面堆积成三维实体）的方法制造原型或零件。（注4） 

　　小慧：你还知道的挺清楚的，那么你说说材料精确堆积是什么意思？ 

　　小智：我理解它的意思是按着要求在计算机的控制下，在平面上打印一个点、再打印一个点，这样一个点一个点地积少成多就形成一个平面；然后，在已形成的平面层上再打印一个新的平面层。这很像工人师傅砌墙，在同一个平面上砌一块砖、再砌一块砖这样这些被砌的砖就形成了一个由砖组成的平面，然后在这个成形的砖平面层上再砌第二层、第三层，如此继续下去，直至最后就砌成了一面墙，一面立体的、实用的、即成房屋的墙。 

　　小慧：你说得对。这种三维打印设计的过程一般是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。设计软件和打印机之间的协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角形面片来近似模拟物体的表面，三角形面片越小，那么它生成的表面分辨率越高（注5）。但是形成这一过程所应用的技术各个厂家却有所不同。 

　　小智：我想问问这个STL文件格式是怎么回事？ 

　　小慧：STL是Standerd Template library的首写字母组合，它的中文意思是标准模板库。说到“库“字，它就不是一个文件，而是一系列软件的统称。它们都是一些标准化的组件。这样，人们再遇到类似问题时就不用重新开发，可以使用现成的组件。STL是C++的一部分，被安装在编译器中，可直接调用，其中有一种文件是3D模型文件格式，也是记做STL。这个STL是Stereo lithography的缩写字。STL文件格式是由3D System公司于1988年制定的一个接口协议，是一种为快速成型制造技术服务的三维图形文件格式。比如，快速成型数据处理软件Model Wizard就是以STL文件为数据接口，将CAD造型转化为快速成形系统接受的层片模型，可用于产品的设计、功能测试、模具制造等领域。 

　　小智：我还看到了快速成型机不止一种，是因为快速成型技术不止一种。比如，粉末烧结快速成型机，利用选择性激光烧结快速成型技术，简称SLS技术，可将任意复杂的三维CAD模型用激光束或其他方法将材料层层堆积，直接加工出实体模型或零件。如图4（注6） 

图4

　　还有一种激光快速成型机，它采用SL(Stereo Lithography)工艺，也成光造型。它使用液态光敏树脂做材料。这种技术是机械、激光、光化学、软件和控制技术的结晶。基于光敏树脂受紫外光照射凝固的原理，计算机控制激光逐层扫描固化树脂槽中的光敏树脂，每一层固化的截面是有零件的三维CAD模型软件分层得到，不断分层叠加，直至最后得到光敏树脂实物原型，如图5，（注7） 

图5-1

图5-2

　　也还有一种喷墨式3D打印机。这种机器把3DCAD数据以每层厚为16 m的厚度进行分层切片处理，然后用液体感光树脂逐层喷涂成型，每喷一层都要使用紫外线灯来固化，逐层造型完成后托盘将沿Z轴方向向下移动，直到立体造型完成。机器在运行时，不需人来操作，它实现72小时无人化作业。机器如图6.（注8） 

图6

　　还有好多种快速成型技术，我就不一一列举了。它们的共性是由点到面进行材料堆积，再由面逐层堆积成体，最后得到三维实体模型。再一个共性是都需要电脑控制。随着科学技术的发展还会有新的打印技术出现，我就不多说了。只是这么一来，磨具车间、铸造车间等就可以消失了，这就彻底改变了传统的生产方式，是不是？ 

　　小慧：目前还不能完全取代，但我想这是一个方向。你想，这种快速成型技术不用切割、不产生噪音、也无震动，甚至连废料都不产生，生产过程绝对是绿色环保的，它的成本低、成型快，为什么不朝这方向去努力哪！特别是废旧塑料的再利用，如日本，有6个厂家，年生产120万枚托盘，使用再生塑料24000吨，这也是为实现循环经济做出贡献，为人类共有的地球家园做出贡献。 

　　 快速成型技术是集成CAD技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科学技术，作为一种先进制造技术，它逐渐被各大院校列入工程训练教学内容之一。学校通过开设快速成型技术课程，让学生了解世界科技前沿的生产方式，并能通过运用先进设备充分挖掘学生自身的创造力，为社会培养具有先进思想的复合型、创造型人才。小智，你还看到什么啦？ 

　　 小智：其实这种工业级的3D打印机，在展会上没人演示它，只是在那里擺着机器和展品。大家围着观看的是正在演示制造3D模型全过程一种机器—桌面3D打印机。从名字就知道这种打印机可以放在桌面上。它小巧便携，它打印精度能与工业级打印产品比美，它也是一层一层地叠加打印，特别是操作简单，只要三步。第一步：载入模型；第二步：设置参数；第三步：点击打印。例如打印一只小白兔。技术规格：成型层厚0.2mm，内部填充，网络结构；打印速度：fast（快）；重量：43克；打印耗时：3小时1分钟；尺寸：67 87 86mm；打印最终成本：17.2元。 

　　其模型图见图7： 

图7

　　打印步骤：向计算机载入模型，设置参数，点击打印。如图8. 

图8

　　打印出实体模型：在计算机的控制下，打印出一个三维实体模型，如图9，（注10）。 

图9

　　 小慧，你看这只小白兔有多可爱，要是你觉得还不够美丽动人、不够活泼灵利，你可以对它进行修改，直到成为你满意的设计创意的模型。 

　　 小慧：3D桌面打印机对设计师来说确实是个好帮手。它可以把虚拟的三维模型转化成可触摸、可装配、可修改的最终达到设计者创意的实体模型。让我们这些外行，这些普通人感受到3D打印乐趣。为此，我赋诗一首，表示我对全过程的认识。 

　　飘逸白云笑眯眯，化成天马腾空飞。 

　　3D模型STL图，  设置参数给微机。 

　　一键打印我点击，熔丝塑料变形急。 

　　一点一层逐层堆，成型实物仅三时。 

　　草原骏马四蹄飞，酷烈馨香品质极。 

　　问君宝马何处有？天地山川唱新奇。 

　　小智：我听着是这么个过程，最后一句是什么意思？ 

　　小慧：这样的作品无处可买，只能吸取天地之精华，山川之灵气，再创作新作品。 

　　小智：我还想问问，你说这么神奇的打印机怎么一下子就发展起来了呢？ 

　　小慧：据说一百多年前，一位美国科学技术研究人员，专门研究照相雕塑和地貌成型技术，这就是3D产生的思想基础。到上个世纪八十年代才有机器的雏形，学名是“快速成型机“。到1995年，麻省理工学院创造了”三维打印“一词。近十年在快速发展，所以物联网校企联盟把它称为”上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场。“其发展速度很快。而且应用的领域非常广泛。如在服装业可以打印千姿百态的三维实体模型，请看图10就是一幅3D人体扫描与打印的图例（注10，注11）。 

　　  

图10

　　在汽车、摩托车、家电、航空、航天及各种武器所需要零部件的设计、改性、装配试验、试制或是特殊零件的直接制造等以及遥感信息的模型制作。 

　　在医学上尤为突出。听说前一位83岁的老人患有慢性骨头感染，医生给她换上了由3D打印机打印出来的下颚骨，这是世界上第一例用3D打印产品做人体骨骼的案例。现如今科学家正在利用这种技术制造如皮肤、肌肉、血管片段等简单的活体组织。很有可能将来的某一天会制造出像肾脏、肝脏及心脏等这样的大型人体器官，而且和任何患者都匹配。听说3D打印机还可以打印出食品，如蛋糕。 

　　现在研究人员已开始尝试打印巧克力。所以说3D打印机的前景令人欣喜。但也有人说3D打印机可以打印出一座大楼或一幢别墅，目前我们没见到。甚至还有人说可以把3D打印机发送到月球或其它星球，让它在那里为宇航员打印出房子、家具及其它生活用品。所有这些说法都没见到其真实性的印证及预测的资料，今天要做的是尽一切努力去实现它。 

　　小智：3D打印的前景这么好，我真想学习它。你说我该从哪儿开始学习呢？ 

　　小慧：我和你一样，我们都是外行。我在百度百科上看到一些网友也在议论这个话题，比如说要有绘画基础，尤其是结构素描、色彩基础、动漫造型基础、要熟练地掌握CAD、要会用STL文件以及一些专门的打印文件。还有个网友总结了一个公式就是：超前的审美观点+熟练的软件操作＝实践。  

　　依我看要想成为真正的行家最好还是进行系统学习，比如到高校进行深造或是参加某个相关的学习班比较好。因为我们不仅要会动手操作3D打印机，更要懂得设计三维模型。在设计模型时遇到包含空洞及悬臂这样的复杂结构时，就要考虑支撑结构。若设计的不合理打印出来就会变形，还有一些其他后续工艺及其它相关的问题，如三维扫描、三维监测、逆向工程及材料的选购等都需要考虑。广告材料告诉你“这一切都很简单”，那是商人为卖机器，要是真那么简单为什么持续到今天才有市场，我们对任何一个行业都不要小瞧。 

　　参观时一位展主给我讲了一个故事，他说“我认识一位中科院的院士。一天，我到他的实验室看见他正在做实验。我一看设备，是我们多年前已淘汰的。你说用这种陈旧设备做研究工作，他怎么能和人家用最先进的机器相比，你说怎么能玩得过人家”！？这就告诉我们还要关心最新动态，才能触摸到当代最先进的科学技术。 

　　小智：你说的太对了，就这么办。 

　　  

　　注：下面文中引用了许多参展公司散发的彩页中的原话和图，先将这些贵公司的名字呈上： 

　　01、图1的印章本是实物，由北京威控睿博科技有限公司赠送。     

　　02、图2来自杭州铭展网络科技有限公司ＺＰｒｉｎｔｅｒ系列打印产品中的一幅彩照。 

　　03、一段文字来自北京太尔时代科技有限公司行业案例中的【汽车设计】。图3的三辆小汽车的彩照来自东尔快速成型企业中的【快速成型样件】。 

　　04、一段文字来自北京太尔时代科技有限公司【ＩＮＳＰＩＲＥＡ系列快速成型系统】。 

　　05、来自百度百科词条【３Ｄ打印】 

　　06、图４和一段文字来自北京北方恒利科技发展有限公司【产品简介】。 

　　07、图５和一段文字来自上海数造机电科技有限公司【快速成型】。 

　　08、图６和一段文字来自爱而泰可贸易（上海）有限公司的世界上唯一的复合材料３Ｄ打印机中的【高品质与高性能的16微米层厚３Ｄ打印机ＥＤＥＮ系列】。 

　　09、图７＼图８＼图９来自北京泰尔时代科技有限公司【ＵＰ！Ｐｌｕｓ桌面３Ｄ打印机】。 

　　10、文字的意思来自“百度知道”。 

　　11、中国三维数字化制造技术先驱，上海数造机电科技有限公司。