3d打印技术与运用范文
时间：2023-09-20 17:54:16
导语：如何才能写好一篇3d打印技术与运用，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。
篇1
0 前言
当前，3D打印技术迅速席卷全球，并掀开了产业革命新篇章，尤其是随着3D打印技术的不断发展与成熟，使得该技术的应用领域与范围随之实现了拓展。在材料动画片的制作领域中，作为动画艺术领域的重要分支之一，借助3D打印技术的运用，实现材料动画片在制作上更加的完善，效果更加逼真，充分彰显出了现代技术与手工艺完美结合的优势。在此过程中，由于一系列问题的呈现，也使得3D打印技术在该领域中的运用受阻，成为当前亟待攻克的一大难题。
1 3D打印技术与材料动画概述
所谓的3D打印技术也被称之为快速成形技术，该技术则是基于数字模型这一基础上，借助软件分层离散以及数控成型系统，以激光束等方式来实现耗材打印，通过对所使用特殊材料的逐层堆积与粘结，获得立体模型并将这一数字三维模型进行打印，实现实物产品的制作。基于3D打印技术下，其运行原理是：结合实际需求来提前备好打印材料，然后将数字三维模型数据输入到3D打印机中，相应的打印设备则结合模型数据，按照层叠的方式来打印出相应的立体实物。
材料动画也被称之为定格动画，其需要相应的拍摄动画师对模型定位的实体图像进行逐格拍摄，在拍摄完一副画面后，对拍摄对象进行稍微移动后实现下个镜头的拍摄，在完成拍摄后，将每次所拍摄的一帧画面进行连续播放，进行形成具备活灵活现的动画镜头。在传统的拍摄制作中，采用手工工艺的方式不仅耗费时间长且整个工序十分复杂，进而加大了成本投入，同时制作效果也存在一定的不足。而借助3D打印技术的运用，则能够为有效解决手工艺拍摄制作所存在问题的同时，借助3D打印技术与材料动画的完美结合，在简化材料动画制作程序的同时，赋予拍摄镜头以更加逼真的视觉效果。
2 3D打印技术在材料动画片制作中所呈现出的优势
2.1 降低成本并提高制作效率
在材料动画片制作的传统领域中，要想打造一部精良之作，就意味着在实际之作的过程中，需要针对角色、场景以及到道具等进行细化之作，相应的工序极其复杂，进而使得投入成本过高。而借助3D打印技术的运用，则能够与传统手工艺之作进行有机结合，在简化手工工艺操作程序的同时，大大降低了成本投入。同时，在实际开展制作工作的过程中，需要结合实际情景之需，实现相应模型的打造，当角色需要在一个或者是多个场景中出现，则就需要针对人偶、道具以及场景等及西宁反复的翻制，借助手工艺来开展这一工作，面对繁琐且复杂的制作程序，无意会消耗大量的时间，相应制作效率极低。将3D打印技术进行运用，能够基于相应数据下，提高制作的效率，为实现材料动画片的高质高效制作奠定了基础。
2.2 借助良好材质的运用促使画面更加逼真
在材料动画片的制作中，需要借助材料的运用来实现人物造型、道具以及情景等的设计，而相应材料材质直接影响到了动画片制作的效果。在传统的拍摄方法下，难以实现画面的完美呈现，特别是画面缺乏立体感，而借助3D打印技术的运用，则能够通过对模型材质的扫描来实现数字修正，在此基础上，借助特殊材料的使用来实现实物打印，在保证原材质属性不被破坏的同时，还能进行修正之后，凸显出材质细节的精准性，最终呈现出逼真的画面。在完成实物制作的基础上，以逐帧拍摄的方式来实现具备动态影像画面的制作，为呈现出一部精良动画作品奠定基础。
3 3D打印技术在材料动画片制作中所呈现出的局限性
从前文的分析中可知，借助3D打印技术的运用，能够为提高材料动画片制作的效率与质量奠定基础，进而为降低成本投入并实现逼真动画影像的打造。但是，在实际运用3D打印技术的过程中，也呈现出了一定的局限性，具体而言，表现在：第一，3D打印技术本身对成本投入提出了较高要求。虽然与传统手工工艺技术相比，3D打印技术能够节省大量的人力、物力以及财力，并提高制作效率，但是，从3D打印耗材方面看价格高的耗材所打印出的模型精细度较高，但是，相应的成本随之加大，而如果选择廉价耗材，虽然能够在一定程度上降低成本，但是，很多情况下，则难以满足实际之作之要求。同时，因相应增材制造的材料研发本身具备了较大的难度，进而致使3D打印技术的运用同样需要投入较大成本；加上当前增材料制造技术在国内发展尚不成熟，进而也影响到了3D打印技术下材料动画制作的效率与精度。第二，自动化控制水平偏低。基于3D打印技术下，需要以信息技术以及材料科学等多学科领域中的尖端技术引进，而从目前自动化控制系统看，相应系统稳定性有待提升，进而影响都了制作的精准度。第三，材料单一。目前，从3D打印技术本身的实际发展现状看，最大的问题在于材料的局限，一般而言，要求相应的3D打印材料要具备方便性，且成本可控、性能可靠；同时，现有3D打印普遍为单色素模，无法满足材料动画制作发展之需。第四，人员素质有待提升。在材料动画片制作中，要想充分实现3D打印技术的作用与价值，就需要提高对人员能力素质的重视程度，确保相应人员能够在开展材料动画制作的过程中，以实现对3D打印技术的完善运用。但从目前相应人员能力素质的现状看，还存在着一定的不足，难以将3D打印技术与手工工艺进行完美结合，进而阻碍了3D打印技术作用的发挥。如上问题是当前材料动画片制作过程中，运用3D打印技术所急需解决的主要问题。
4 结语
在材料动画片制作中，借助3D打印技术的运用，能够在化简工序、提高材料动画制作质量与效率的基础上，降低制作成本，并打造出完美的视觉效果，为进一步促进材料动画片制作领域的发展步伐奠定了基础。而从实际践行看，3D打印技术在实际运用于材料动画制作过程中，依旧存在着一定的局限性，需要制定具有针对性解决措施，以打破3D打印技术在该领域中发展瓶颈的束缚。
参考文献：
[1] 范治鸣.数字技术背景下对当前定格动画创作的思考[J].福建商业高等专科学校学报，2014（06）：87-91.
篇2
[关键词]3D打印机 运用 发展
中图分类号：TS85 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）05-0361-01
前言：在3D领域当中，3D打印机是一种实现快速成型技术的机器，基于数组模型文件，可将粉末状的塑料、金属等可黏合材料，利用逐层打印的方式，对物体模型进行构造。与传统打印机相比，3D打印机最大的不同之处就是打印材料的不同，3D打印机当中采用的，都是待制品的原材料。作为一种累计制造技术，3D打印可以在很多不同的领域当中进行应用，并且都能够取得较为良好的应用效果。
一、3D打印机的原理
3D打印机也叫做三维打印机。在实际应用中3D打印机能够根据实际需求，利用3D辅助设计软件打印制造出三维立体的实际物体。3D打印机可以使用塑料、金属、蜡、橡胶等多种不同的原料，并且利用这些原料直接打印出三维立体模型，同时也能够根据人们的要求，打印出各种不同形状的物体。与传统的去除材料加工技术不同的是，3D打印机能够连续的创建物理层，因而属于添加剂制造技术的范畴。而相比于其它的添加剂制造技术，3D打印机的运行速度更快、易用性更好、成本更低。在实际应用中，首先利用计算机建模软件对相应的三维模型进行构建[1]。在第一构建体中，根据具体要求和一定的规律，离散有序序列单位，在Z方向上离散到一定的厚度，从而将原有的三维CAD模型转变为若干层片。在每个层片中，将相应的处理参数输入，并且通过系统轮廓信息，生成相应的数控代码。将打印出的各个片层进行连接，从而形成了3D模型。
二、3D打印机的运用
在3D打印机当中，应用了激光技术、融容沉积技术、CAD技术、材料科学技术、光化学技术等多种先进技术，在建筑设计、医疗用品设计、工业设计、产品设计等方面都有着十分广泛的应用。利用3D打印机能够快速的得到立体实物模型，从而为CAD设计模型的修订和优化提供便利。目前，在医疗、航天、机械制造、建筑、工业等诸多领域当中，3D打印机都得到了良好的应用，甚至在一些工艺品制造、精密器械设计等方面，3D打印机也发挥出了十分良好的应用效果。
具体来说，3D打印机能够直接打印出金属铸件的模型、图案、插件。在医疗方面，利用患者自身的细胞，3D生物打印机能够利用一层层的生物构造块，对真正的活体组织进行制造，打印出软骨组织、骨骼、皮肤等。在曲面异型建筑当中，利用3D打印机，能够迅速的制作出很多精密构件的准确模型，从而极大的提高了建筑模型制作水平。只要提供充足的参数，3D打印机还能够制造出一栋完整的建筑物[2]。对于地理空间方面的GIS数据，可以利用3D打印机进行转换，从而形成城市沙盘或景观模型。此外，3D打印机能够有效的融合抽象概念与现实世界，将很多想象中的物体转变为真实存在的立体模型。利用三维数据、三维动画、电子游戏等方面的设计要求，能够将想象中的形象和物体打印出来，使之转变为真实存在的物体。
三、3D打印机的发展
在日常生活中，3D打印机具有十分良好的发展前景。其中，医疗领域是一个十分重要的领域。利用3D生物打印机，能够针对不同人体打印出各种器官，例如肌肉、皮肤等简单的活体组织器官。而在未来的发展中，更加复杂的身体器官，诸如心脏、肝脏、肾脏等，也很有可能通过3D打印机实现[3]。利用3D打印机还能够打印出各种精细的工件，例如，我们公司―广州市想现电子科技有限公司（3Dgreat）制造出一系列的FDM，DLP等各种工业级的3D打印机，人们只要把三维立体图形数据经过切片软件读取后连接到打印机中，就能够打印出任何自己想要的形状。在教育教学当中，3D打印机也正在发挥着越来越大的作用。教师在教学当中，利用3D打印技术的演示教学，能够极大的提升和开发学生的创造力。同时，在历史、科学等课程教学当中，可以利用3D打印机制作一些文物、化石等模型向学生进行展示。在生物、医学等专业教学中，还可以利用3D打印机打印出分子、蛋白质等模型，可从而让学生更加直观的学习和掌握知识。
科技领域是3D打印机未来发展中的一个主要方向。例如，在2014年，国际制造技术展览会上曾经展出了一辆3D打印汽车，该车的整个车身、机器、零部件等都是利用3D打印机实现的，并且能够正常的驾驶和运行。利用一种新型的3D打印机，目前已经能够打印出飞机引擎等先进的设备，该技术对机制造成本的降低，以及飞机运行燃油的节省都有着很大的意义[4]。利用3D打印机，还能够打印出飞机上很多精密的零件。而在打印过程中，可以采用很多性能材质良好的轻金属，因而使打印出的零件能够直接应用在飞机制造当中。在动漫艺术领域，3D打印机的发展前景也十分广阔，例如，在迪斯尼大型动画电影《超能陆战队》当中，就大量的应用了3D扫描、3D打印等技术。而在《通灵男孩诺曼》当中，对于角色任务的面部表情，也是通过3D打印技术实现的。
结论：3D打印技术作为当前社会中一种新兴的技术，具有很多方面的优势和特点。在很多不同的领域当中，3D打印机都能够进行良好的应用，并且在众多实践当中都取得了较为理想的效果。通过3D打印机，能够实现很多传统工艺无法实现的技术。因此，在未来的发展中，3D打印机在生活、艺术、医疗、科技等领域当中，都具有十分广阔的发展前景。
参考文献
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[2] 彭波，郑海忠，李淑贤，梁龙，韩宇，詹福南.浅析3D打印机常见问题[J]. 黑龙江科技信息，2015，16：153-154.
篇3
【关键词】CAID；3D打印；计算机辅助设计；工业设计
引言
工业设计是在伴随着工业的发展而发展起来的一个行业，迄今为止工业设计已经有了一百多年的发展历史。在工业发展的过程当中，人们对工业产品的需求不断提高，从而促使生产厂家必须要提高产品的外观、构造以及形态，从而促进了工业设计的诞生。工业设计最初的内容就是对单个产品的开发设计，现如今工业设计已经逐渐成为了整体性的服务与产品生命周期当中的系统设计，其内容被不断的丰富与完善，这种设计方式的转变也对人们的日常生活产生了较大的影响。我国的工业设计起步相对较晚，在上个世纪80年代，我国的工业设计才逐渐开始走进人们的生活当中，同时当时的工业设计水平相对较低，工业设计受到艺术设计的影响也相对较大，设计的内容主要是产品的外观方面[1]。随着改革开放的不断深入，我国的经济持续高速发展，到上个世纪90年代左右，经济的发展推动了我国制造业的发展，在这样的背景下，我国的工业产品制造技术不断趋于完善，同时工业产品的生产在社会当中也火热开展起来，同时在这个时期以计算机为代表的信息技术开始走向成熟，因此利用计算机进行工业设计就开始在工业设计领域当中出现，从而出现了计算机辅助工业设计，即CAID，在CAID技术开始在工业设计领域当中广泛运用的同时，3D打印技术也出现了，但是3D打印技术在很长的一段时间内都处于停滞不前的状态当中，直到2010年左右，3D打印技术才取得了突破性的进展，3D打印技术才被运用在实际生产当中，尤其是在工业设计领域当中具有非常广泛的运用，许多设计师通过3D打印技术进行产品的设计，有效的缩短了产品研发的周期，省去了设计过程当中的模型制造与审核的环节，极大的推动了工业设计的发展[2]。
一、CAID简介
计算机辅助工业设计是从计算C辅助设计发展而来的一个新的概念，随着计算机技术的不断发展，许多配套的设计软件也逐渐成熟起来，如CAD与有限元软件等开始出现，从而允许计算机被使用在设计领域当中。而CAID就是计算机辅助设计的英文缩写。从CAID的本质上进行分析，CAID技术是在工业设计与计算机技术的支撑下系统形成的一种全新的技术，是与传统的工业设计存在着极大的差别的设计方法，与传统的工业设计方法相比，CAID在设计方法、 设计过程、 设计质量和设计效率方面都发生了颠覆性的改变，从而为工业设计的发展提供了重要的动力。CAID技术是一种包含了多种不同属性的计算机技术，如虚拟显示技术、模糊技术、人工智能技术、多媒体等，同时不同的技术之间也存在着一定的交叉，由此可见CAID技术是一种综合性的技术[3]。
在工业产品的开发过程当中，往往需要经过多个环节才能使得最终的产品得以实现，首先需要对市场进行必要的调查，了解用户对产品的实际需求，并设定产品的市场定位，再绘制草图与效果图，之后还需要制造出数据模型与实物模型，最终才能进行产品的批量生产。在这个过程当中产品的可视化过程是非常关键的一个部分，只有做好这部分工作才能在产品量产之前对其中所存在的不足支出与错误进行改进，从而促进了产品的完善，在进行可视化工作的过程当中，往往需要CAID技术的支撑，例如在进行产品效果图绘制的过程当中，我们可以利用PS、Coreldraw等计算机辅助设计软件进行二维效果图的绘制，利用3DMax等软件进行三维模型的设计。而在数据模型阶段，CAID也具有非常广泛的运用，例如可以使用一些工程类的软件进行工程模型的制作，如SolidWorks与CATIA。从而为后期的产品生产做出充分的准备。在进行产品设计的整个过程当中使用CAID技术进行设计相比于传统的使用手工效果图与模型制作的方式极大的提高了涉及的效率，同时也使得设计的精确性得以有效的提升。当前阶段在工业设计领域当中使用CAID技术进行工业设计的相关软件已经非常的丰富，尤其是在计算机硬件不断升级的基础上各种软件的性能也得到了极大的提升，并不断的朝着智能化与集中化的方向发展。因此，在未来计算机会完美呈现设计者的设计构想， 不用去花费太多的精力和时间去学习各种软件建模、 渲染技术。这样是技术对设计师的一种解放， 让设计师可以把更多的精力集中到设计创造阶段[4]。
CAID在工业设计当中的应用也不仅仅局限于设计表现方面的运用，我们可以将CAID技术推向工业设计的全过程，例如，在进行工业产品的前期调研过程当中，我们可以利用计算机对相关的调研数据进行充分的分析与论证，从而提高产品市场定位的精确性，在最近几年发展起来的大数据技术就可以充分的使用在该领域当中。还有设计过程中对产品的人机工程学分析， 只要有了数据模型， 我们可以通过计算机辅助设计技术， 用人体数据库对设计进行检验， 提出更合理的人因工程分析数据， 帮助设计师改进设计。这些都是计算机辅助设计技术应该发挥作用的方面[5]。
二、3D打印技术与工业设计
3D打印技术是在上个世纪90年代才出现的一种全新的制造技术，3D打印技术需要以存储在计算机当中的模型数据为基本依据，利用塑料或者粉末状的材料通过逐层打印的方式来将实际的物体制造出来。3D打印技术在问世之后，广受设计人员的欢迎，被广泛的使用在设计模型的制造方面，但是随着3D打印技术的不断发展，3D打印的应用已经不再仅仅局限在设计领域当中，在实际生产当中也具有非常广泛的运用，一些工业零部件已经开始采用3D打印的技术开始生产[6]。
但是总体来说3D打印技术在工业设计领域的应用相对来说还是较多的，在传统的工业设计当中，在O计的最后阶段都需要制作一个模型，用来测试和检验设计的可行性和合理性。一般来说一个模型的制作周期大约为1周左右，模型的成本相对来说也较大，同时通过手工制作的模型在精度方面还存在着较大的问题，如果还需要进行开模的话，模型的价格则会更高，但是如果采用3D打印技术进行模型的制作，只需要通过一台3D打印机与制作材料在几个小时之内就可以将模型制作出来，同时模型的精度还非常高，这就可以使得产品开发的过程被极大的缩短了，同时也可以有效的降低制作成本。当前阶段3D打印机的制造技术已经非常成熟，其成本相对来说也较低，许多企业都会为设计工作配置3D打印机，甚至还有部分企业推出了家用的3D打印机[7]。
3D打印技术的出现对制造业与工业设计带来了革命性的变化，当前阶段3D打印在工业设计与制造方面的应用已经在很大程度上改变了人们的日常生活，例如可以通过3D打印技术进行房子的制造，可以使得一些生活在极端环境下人群的居住环境得以有效的改善，通过3D打印技术还可以进行人体器官的打印，从而避免了大量的器官移植需求得不到满足的现状。
三、CAID与3D打印技术在工业设计方面的结合
CAID技术与3D打印技术本来就是两种相辅相成的技术，3D打印技术必须要以一定的数据模型作为打印的基本依据，而3D打印技术则将虚拟的工业设计转变成了实际的模型，因此，如果实现CAID与3D打印技术在工业设计方面的有效结合，则可以推动工业设计产业的整体发展，同时也会使得这两种技术的实际运用得到一定的推广[8]。
在下文当中，笔者将通过一个自己实际操作的案例分析CAID与3D打印技术在工业设计方面的实际运用。在该案例当中，需要进行一个吉祥物的设计，设计的原稿是由他人进行设计的，因此，在此仅仅讨论数据模型的制作过程与3D打印的实际过程。下图一为通过CAID技术所制作出来的二维效果图，这两个吉祥物分别被明明为花花与桃桃，其人物造型是以花与桃子为原型的，三维模型制作阶段应用了 McNeel公司开发的Rhinoceros 软件和多边形建模插件 T-spline。借助于 T-spline 的自由多边形建模功能， 在数据模型的建构过程当中，首先需要构建花花与桃桃的身体部位，再通过多边形转 NURBS曲面的命令， 转成 Rhinoceros软件中可用来编辑的 NURBS曲面[9]。在完成这些工作之后还需要对人物的身体方面的细节进行充分的修饰，最后才能完善数据模型的构建，数据模型的构成如下图二中所示。在完善数据模型的建构之后，需要将相关的模型数据保存为STL格式，并将相关的数据导出来，在导出数据之后，再将相关的数据信息导入到与3D打印机相连的计算机当中的打印软件。在该案例当中所使用的3D打印机是我国国产的3D打印机，打印机与打印软件如下图三中所示，通过定位、 打印尺寸等的设置后打印机便会执行指令， 开始逐层打印， 直到打印完毕。最后还需要对3D打印所得出的实际模型进行简单的人工处理，最后就可以得到模型。在该案例当中从最开始的数据模型的构建到最后的打印完成耗时一周不到，所得到的模型效果也相对较高[10]。
四、结语
在本文当中，笔者对CAID与3D打印进行了简略的介绍，并以此为基础分析了CAID与3D打印技术在工业设计领域当中的应用，最后通过实例对二者之间的结合进行了分析。我们可以发现，将CAID与3D打印技术结合在一起可以有效的提高工业设计的效率，在提高设计速度的同时，还能提高设计的质量，并有效降低设计成本，应该在实际的使用过程当中大力推广。
参考文献：
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篇5
3D打印技术被誉为第三次工业革命的钥匙、“万能机”等，该产业也被列为未来最赚钱的产业之一。2015年8月，总理主持国务院专题讲座，讨论加快发展先进制造与3D打印等问题，他要求从业队伍运用该技术，配合中国制造2025的愿景，制定行业发展计划。
在这一领域，国家、社会的关注度极高；政策、技术研发、资金也不缺乏。然而，国内却出现了另一番景象，看似一片火热的3D打印技术经历了一波又一波的火爆炒作。但在技术应用和市场推广方面，3D打印产业发展却面临尴尬。
外热内冷 技术应用遇尴尬
3D打印的优势是传统制造业无法企及的，国外很多企业甚至把3D打印技术作为发展战略。近日，惠普以10.5亿美元收购三星打印业务，进军3D打印技术应用市场；通用电气也宣布以14亿美元收购瑞典Arcam和德SLMSolutions两家3D打印企业，使自己从3D打印行业最大的用户之一跻身于3D打印市场最大的供应商之列。
3D技术被高度关注始于2003年。一些关于该技术领域的论坛、研讨会和商业推广会等从未间断；在资本市场，3D打印概念股一片火热。2012年，国内企业大批进入3D领域，然而，目前多数企业经营困难。
被誉为中国3D打印教父的中国工程院院士、快速制造国家工程研究中心主任卢秉恒介绍：“现在仅有几十亿美元，与数万亿美元的制造市场相比，差距甚远。因此，未来的发展前景仍不可估量。”
从市场需求看，前途无量的3D打印外热内冷。国内应用规模不大，而且在工业领域，以3D打印的应用也并不多见，国内的3D打印企业盈利者也是寥寥无几。国家对3D打印的高度重视使得3D打印成为信息技术与制造技术融合的热门，成为智能制造的焦点之一。而现在3D打印应用的发展不温不火，原因又是什么？
难以推广 市场有待突破
卢秉恒分析原因认为，中国3D打印技术的主要缺陷在于产业链尚未形成、原创技术太少、产业化的应用规模远远不够。
国际3D打印制造领域知名专家、华曙高科CEO许小曙也做出类似的分析，他说：“我国工业界对3D打印技术的认可度及应用度不高，多数制造企业尚未接受数字化设计、批量个性化定制生产等先进制造理念，与此同时，工业级3D打印设备单台成本较高，企业购置3D打印设备的需求动力不足，产业运用范围和领域也有限，应用前景还有待进一步开发。”
由于3D打印的跨领域应用特性，行业门槛不一样，有些领域应用3D打印技术还有政策制约，像医疗领域、军工领域等，市场开拓还有很长一段路要走。
清华大学教授、江苏永年激光董事长颜永年、“太尔时代”CEO郭戈是中国3D打印领域的另外一支力量。颜永年主张打造3D打印的软实力，掌握核心技术，将激光器的价格降下来，与国内做激光和振镜的单位一起合作，使光束质量和稳定性达到世界先进水平。
许小曙带领国内3D打印行业的“领头羊”湖南华曙高科技术团队在2015年突破技术瓶颈，提升了3D打印机的效率和精度。许小曙说：“当前涉足3D打印的企业，主要还是以技术研发和科技创新为主，成熟的盈利模式尚未形成，虽然整个行业拥有巨大的市场容量，但短期内仍很难得到有效的释放。”
经过过去几年3D打印的投资热，3D打印技术步入到了一个新的阶段，应用市场仍有待突破已经成为一个不争的事实。
先天不足 产业发展遇瓶颈
业内专家分析，除了技术应用和市场推广面临的问题以外，3D打印技术本身也有着自己的缺点，这些缺点也影响了其成长的速度。
材料的限制。目前，高端工业印刷可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但其发展水平还无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。
技术和成本的限制。3D打印对机器的要求很高，目前的3D打印对于运动的物体和它们的清晰度就难以实现。此外，目前3D打印规模化生产的条件尚不具备，而且3D打印机本质是单体机，是现有产业链的一种方式，而不是一个制造能力总成体系。
知识产权的限制。知识产权越来越受关注，保护力度也是越来越强。3D打印技术也会涉及到这一问题，通过3D打印，人们可以随意复制任何东西，并且数量不限。
道德的挑战。据统计，3D打印服务提供商每年打印产品上百万种。打印汽车、飞行器、建筑物等变得非常容易。然而，打印人体生物器官或者活体组织，打印武器、飞行器、复制名人、明星玩偶是否有违道德伦理？
工业级应用技术欠缺。3D打印技术低端运用已经趋于饱和，工业级应用则技术欠缺。目前，工业级的3D打印机市场依然被3DSystems、Stratasys、德国EOS等国外巨头垄断，国内绝大部分购买客户为国企、央企等大型企业，中小型企业购买者寥寥。
尚未形成完整产业体系。2015年2月，工业和信息化部、发展改革委、财政部联合印发《国家增材制造产业发展推进计划（2015～2016年）》，为3D打印的发展提供了有力的政策支撑环境。然而，我国3D打印产业尚未形成完整的产业体系，3D打印材料等关键核心技术基础薄弱，产业化进程较慢。
应用市场 个性化成为突破
3D打印作用于智能工厂，综合应用了信息技术、新材料技术、数字制造技术等诸多学科，直接成型无需模具，也无需对原材料进行切削、组装，不受产品结构复杂度的影响，突破了加工工艺的限制，是典型的柔性可重构制造系统，极大地缩短了产品设计、研制及验证周期。
卢秉恒认为，制造业未来的大趋势是从大批量生产变为个性化定制，而对个性化定制来说，3D打印是最适合的技术。
3D打印适用于复杂构件制造、个性化、定制化制造，它在缩短研发周期、降低制造成本、优化零件结构上有着无可比拟的优势。消费者可以根据自己的需求量身定制产品，人人都是创造的主体，从而改变以集约式、标准化为代表的传统大规模生产方式，使“社会化制造”及“分布式制造”成为可能。
目前市场上，个性化定制设计很受欢迎，采用专用材料及其工艺技术的3D打印也有很好的市场。比如，在医学方面，3D打印已被用于手术精准设计、图像重建、手术模型打印，并重点在3D打印重建脑胶质瘤模型用于精准用药、3D干细胞打印用于脑瘫儿童的治疗、细胞3D打印用于脊柱损伤的治疗、3D打印器官芯片用于药物筛选等四方面发展细胞3D打印技术。
近期，涉及3D打印的会务不断。9月12日，中国国际传感器技术与应用展览会暨全球智能制造大会在上海举行；9月23日，由国家商务部、中国国际贸易促进委员会、湖北省人民政府、湖南省人民政府、河南省人民政府、山西省人民政府和武汉市人民政府共同主办的智能制造国际论坛举报；2016年9月26日，2016中国智能制造大会在杭州举办。
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［关键词］3D打印;口腔医学;材料
1材料种类
1.1金属材料
口腔医用金属产品要求金属材料具有良好的机械性能，化学特性，生物相容性和耐腐蚀性等等。对原料的要求也很高，包括纯度高、含氧量低、粉末粒度细、可塑性好、流动性好等特点。目前主要应用于口腔医学领域的3D打印金属粉末材料包括:钛、钛合金、钴铬合金、不锈钢等。其中，钛及钛合金材料具有密度小、精确度高、强度大的优点，并且该种材料有较好的生物相容性，被口腔医学领域视为比较理想的3D打印金属材料。尤其是在口腔颌面部位的修复、牙体组织的修复以及有关种植体制造［6］等领域广泛使用。由于纯钛的一些性能的缺陷，例如纯钛的强度不如钛合金大，而且纯钛的弹性模量比骨组织的要高，很容易导致钛种植体和骨组织两者产生不相融和的机械应力。对于此，很多研究者都试图采用各种方式来改善纯钛的性能，例如在其表面增加涂层或者氧化纯钛的表面等［7］。3D打印的钴铬合金也是口腔医学领域常用的修复材料。利用3D打印技术制造出，再采用修复技术将人工牙添加上去，这样的修复体进入口腔后便具有良好的密合性。由于使用的钴铬合金义齿支架与添加的人工牙采用了不同的材料，根据现阶段的技术设施，基本上不可能一次性打印出完整修复体。Traini等［8］成型了梯度化Ti-6Al-4V钛合金多孔牙科种植体，具有更加优化的理化性能，抗拉强度、断面收缩率及延伸率均达AMs4999(美国材料协会的关于3D打印钛合金的相关标准)。Figliuzzi等［9］使用激光烧结个性化钛合金(Ti-6Al-4V)种植体，拔除患牙后即刻种植修复，随访显示个性化种植体及美观效果良好。Traini等［8］激光烧结钛合金试件，然后分别测量试件表面多孔层和内部致密层的弹性模量，前者接近骨皮质，后者接近机械加工的钛金属，表明这种方法加工钛合金种植体能减小表面应力，有利于种植体的长期稳定。Mangano等［10］将激光烧结的窄直径种植体用于患者的后牙种植修复治疗，37例种植体随访2年后存留率为100．0%，成功率为94.6%。在物理机械性能、生物抗腐蚀性及相容性等方面，需要深入研究3D打印的有关金属产品是否与传统工艺制造的产品相同，是否按照国家的标准。目前，新兴金属材料在口腔医学领域依然处在体外研究的状态，尤其作为口腔植入材料的性能仍有很大的研究空间［11］。目前，3D打印技术不断发展，不断优化的设备性能和多样的金属打印材料，金属3D打印技术也会更加广泛的运用到口腔医学的各个领域中。
1.2高分子材料
高分子材料已成为目前3D打印领域中基本的成熟的打印材料，塑料作为高分子材料的代表，具有较好的热塑性、流动性与快速冷却粘接性以及其迅速固化的性能［12-14］。另外，由于高分子材料具有良好的粘接性，可以使其能够与陶瓷、玻璃、纤维、无机粉末、金属粉末等形成新的复合材料［15，16］，在口腔医学中，聚乳酸、聚己内酯、聚富马酸二羟丙酯等属于比较常见的3D打印材料。聚乳酸(PLA)是一种具有良好的生物可降解性的环保材料，能在特定条件下被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不会造成环境污染，对环境保护非常有利，是公认的环境友好材料。其还具有半透明性和光泽质感，是口腔医学领域3D打印的理想材料。聚醚醚酮(PEEK)是一种热塑性聚合物，目前用于制作3D打印卫星、3D打印汽车零件，开始在3D打印行业发挥真正的影响。PEEK材料的优点包括，①PEEK材料弹性模量和人体骨骼相近，修复后颅骨的应力完整;②X射线透过性能好，不会产生金属伪影，不影响医学影像，方便检测术后恢复情况;③使用3D打印PEKK材料制成的结构比用传统的PEEK具有更好的抗菌性能，可以高温消毒再用;④PEEK本身具有很强的惰性，对头皮刺激非常小，排斥性低，稳定性高。目前用于制造义齿零件。从3D打印技术的发展状况而言，光固化立体成形属于发展最早也是最成熟的技术，并且得到了广泛的运用。3D打印光敏树脂即光固化树脂、UV树脂，是口腔医学领域应用广泛的高分子材料。对于口腔医学领域而言，液态树脂材料需要有优良的稳定性、较低的黏度、固化迅速且程度高等［17］。有研究发现［18］，液态光敏树脂可以打印成可生物降解组织工程支架，利用光固化快速成型技术制造形成的支架与人松质骨有比较相同的机械性能，并且具有促进成纤维细胞黏附与分化的作用。迅速发展的光固化树脂材料不断促进口腔医学的进步，有利于口腔医学更加个性化和精准化。
1.3陶瓷材料
口腔医学领域的陶瓷材料要求具有良好的美观性和生物相容性，具有低密度、高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好等优良的物理化学特性，其广泛应用于机械制造、航空航天、生物医疗等行业。因其优良的机械性能和美观性能，目前也用作口腔修复材料。氧化锆陶瓷用切削技术进行加工时会有很多材料被切除掉，造成浪费，导致全瓷冠的价格昂贵，而且还可能在义齿中有切削力造成的内裂。3D打印氧化锆陶瓷义齿对材料利用率可达90%以上，相对来说成本较低。3D打印氧化锆可减少材料浪费和环境污染，并可通过打印特殊内部结构来实现硬度等力学性能的仿生性。早期的氧化锆3D打印制造主要以激光烧结的方法为主，但存在制件致密度及成形效率低，表面粗糙和裂纹等问题［19，20］。光固化成形陶瓷具有良好的表面质量和结构精度可控性［21］，并迅速成为研究热点。目前，氧化锆材料3D打印过程中仍存在一些问题，如内部应力大、烧结后容易产生裂纹以及体积收缩大等，这些可能会影响其机械性能和临床适合性，陶瓷材料及其加工工艺仍需进一步研究。
1.4生物组织材料
使用3D打印材料和技术生产具有良好生物性功能的人体细胞、组织以及器官等，是众多学者一直的追求。学者们不断探索3D打印技术，并且紧密结合了生物组织工程技术，制造具有生物功能性的人造细胞、组织和器官来替代需要修复的人体缺损组织。水凝胶是一种水溶性的高分子聚合物，其利用化学或物理的交联而产生，是一种3D网络结构［22，23］。水凝胶有优良的生物相容性，可以构建组织工程支架，并且可以加工形成可控型释放药物的载体［24，25］。但目前，3D绘图生物写入制造的水凝胶具有较低的硬度，可能导致结构崩溃或限制形状的复杂性，因此3D打印生物材料的最新进展将推进3D打印生物材料领域的进步和发展［26，27］。在口腔医学领域中，不论是患者个性化定制的生物组织材料，还是现有的成品，3D打印产品在牙科和口腔手术［28，29］中都发挥了重要作用。目前，3D打印技术基本上实现人牙髓细胞(humandentalpulpcells，hDPCs)的生物打印，这奠定了3D生物打印技术更广泛的应用于牙体组织的基础。再者，人工骨材料羟基磷灰石与光敏高分子相融合可以用于制造含生物活性的骨组织工程支架。在种植学方面，3D打印个性化种植体成为即刻种植的趋势，对钛种植体表面进行修饰，可促进成骨细胞的生长分化，种植体具有更优良的特性。由于3D打印技术生成的微米表面的粗糙程度更容易被特定的细胞识别出来。具有微纳复合结构的种植体促进了细胞的增殖和延展，同时更利于细胞向成骨方向分化。在微纳复合结构提供的生理三维的仿生环境中，更利于细胞的伸展，从而更好地增殖与分化。
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[关键词]3D打印技术 教育应用 应用模式
中图分类号：D170 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0382-01
1、3D打印的原理
对于大多数人来说，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面内容的普通打印机，事实上二维的喷墨打印和某些类型的3D打印在技术表现上确实比较相似，3D打印使用特制的设备将材料一层层地喷涂或熔结到三维空间中，从而让打印的数字虚拟对象实现三维实体化。3D打印机的精确度相当高，可以打印出模型的大量细节，而且它比起铸造、冲压、蚀刻等传统方法能更快速地创建原型，特别是传统方法难以制作的特殊结构模型。一般来说，通过3D打印获得一件成品需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要阶段：
（1）三维建模
通过GoScan之类的专业3D扫描仪或是Kinect之类的DIY扫描设备获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型。也可以使用3ds Max、Blender、AutoCAD、SketchUp等三维建模软件从零开始建立三维数字化模型，或是直接使用已做好的3D模型。
（2）分层切割
由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入到计算机以后，需要通过打印机配备的专业软件来进一步处理。即将模型切分成一层层的薄片模块，每个模块的厚度由喷涂材料的属性和打印机的规格决定。
（3）打印喷涂
由打印机将打印材料逐层喷涂或熔结到打印台的三维空间中，根据工作原理的不同，有多种流程方式。较常规的是先喷一层胶水，然后在上面撒一层粉末。如此反复；或是通过高能激光融化合金材料，一层层地熔结成模型。整个过程根据模型大小、复杂程度、打印材质和工艺流程耗时几分钟到数天不等。
（4）后期处理
由于3D打印机规格、打印材质、打印精度的不同，可能出现成品截面粗糙或有毛刺的现象，这时就需要对打印出来的模型进行必要的加工处理，如：表面打磨、剥离、上色、固化处理等。
2、3D打印技术在教学中的作用
2.1 提高学生主动学习的积极性
3D打印是以计算机软件生成或通过实体扫描获得的数字模型文件为基础，运用粉末状的金属或塑料等具有粘合性的材料，通过“积层造型法”逐层打印出实物的技术。该技术应用于课堂上能够激发学生浓厚的兴趣。通过3D打印，课本上的二维知识能够快速转化为三维的实物，3D打印本身的功能特性和新颖性以及对教学过程的辅助作用都能够激发学生的好奇心和学习兴趣，提高学生的积极性与主动性。通过将3D打印技术引入课堂，学生可以将自己的想法与构思实体呈现出来，不仅培养了学生的动手能力，还加深了对知识的理解与记忆，激发学生深入学习的热情，积极地投入到再学习中，形成良性循环。
2.2 培养学生的创新思维能力
3D打印技术为学生提供了一个自由发挥想象力的平台，学生可以通过3D打印将许多课本中看不见摸不着的内容变为实物，能够使学生捕捉知识要点并实体定格。在3D打印技术的支持下，学生可以将更多的时间与精力投入到设计与创新环节，通过自身的理解与想象，结合课本上的知识举一反三，将记忆理论概念转化为实物创作，在体验实践中融会贯通进而创新。可以说3D打印技术引入学校教学中，极大地促进了学生思维能力和创新能力的提高，学生可以参与创新设计，尽情发挥自己的想象力和创造力，将创新思维能力培养贯穿于学习活动之中，通过打印出具有个人特色的实体作品，体验课本外的知识实践应用。
2.3 帮助教师探索新的教学方法
在传统的教学中，教师只能通过口头讲述的方式来为学生讲解知识，即使是多媒体技术和设备非常发达的今天，教师也只能通过音视频使得教学相对生动真实，由于大量学科仍是非实物化的教学方式，加上学生的阅历有限，理解能力不足，使得他们对知识掌握的程度仍未教师理想。有了3D打印技术的支持后，教师就能够将全新的“体验式教育”实施到课堂之中，将课本上以前那些难以触摸，或是难以在课堂上具现化的内容打印成三维实物，让学生通过自己的亲身触碰和体验来加强学习理解。以学生为主导的教学方式，教师将学习的主动权交给学生，帮助学生去感受最真实最具体的内容，结合着理论概念与知识点，让学生更容易理解其中的内涵与意义。
3、3D打印技术在教学实践中应用模式探究
3.1 3D打印技g用于课堂情境教与学
以莱夫为代表的情境学习理论认为，知识寓于情境之中，学习者通过具体活动能更好地获得知识，强调知与行的交互性。而我国教师在教学中普遍实施的是灌输式教学法，教学模式僵化。3D打印技术对于教师和学习者的重要价值体现在：它能够更加真实形象地呈现特定事物，并让学习者获得深刻的感知体验。利用3D打印机可将大多数有益于教学的模型实物打印出来并呈现在课堂上，借助实物教具教师可以更容易将抽象问题进行深刻解析，学习者也可通过其帮助对知识加深理解，实现教学双方所共同期望的交互教学模式。
在桌面3D打印机巨头MakerBot举办的数学工具模型大赛上，爱好者制作了各类创意教具，并用3D打印机将创意立体化为三维实物，大大提高了学习者的学习兴趣。大量实践证明，教学中采用生动的、符合情境的教具，课堂氛围更热烈，教学过程更轻松，学习效果更显著。（图1）为教师自行设计并打印的球齿轮教学模型，3D打印教具的使用可促使学习者将已有知识经验与实际问题进行联系，深化知识和内涵；使教师从知识权威转变为学习者研学的促进者，有利于引导学习者应用所学知识来解决“现实”问题。
3.2 3D打印技术用于课外创新实践活动
创新是一个民族进步的灵魂，提高自主创新能力、建设创新型国家必须依靠创新型人才，而我国教育工作者针对如何培养人才创新能力难题一直在努力探索。许多学校创建了学生社团以鼓励创新，但往往一些创意思想都囿于现实而被迫终止。例如在模具设计中学生试图将创意付诸实践时发现，即使标准零部件仍需去市场上逐一甄选，过程繁杂，而非标准件则必须找代工厂进行单件生产，加工周期长且价格昂贵，这些困扰在很大程度上消减了学生创新的积极性。
3D打印的出现彻底改变了@一现状，任何创意设计都不再局限于传统加工能力的局限，3D打印机可以快速打印出学生DIY过程所需的零件，学生几乎可以足不出户就能将创意变成成品。3D打印可激发学生对某些科学过程或现象进行可视化展现，便于进行科技发明或创新制作，为实现设计提供一种更加高效的途径。
3.3 3D打印技术用于培养大学生的综合技能
当今社会对人才的知识体系要求发生剧烈变化，从传统的单一知识形式转变为多领域知识融合形式。3D打印对于中小学生可简单定位为一种科普教育，而在高等教育理工学科中则应是一种技能教育。因此，3D打印机对于大学生不仅仅是一种模型制作设备，更应该通过对打印设备的系统学习，深入掌握所涉及的各种技术知识。
如前所述，3D打印技术是一种集多领域知识于一体的技术形式，它要求学生综合学习机械设计、计算机技术、控制技术、光学技术、材料科学等多种专业技术，这就必然促使大学生加强多领域知识的学习与融合，契合当今社会对综合型人才的需求。
3.4 3D打印技术用于提高大学生就业竞争力
近年来我国大学生就业问题日益突出，其根源在于人才培养与社会需求脱节，存在“两张皮”现象。部分专业的课程设置和课程内容不能与时俱进，与社会岗位对专业人才的要求不相符合。2014年9月，人力资源咨询机构WANTED Analytics报告表示，近四年来市场上对具备3D打印与增材制造相关技能的人员需求量持续上升；2014年8月，3D打印行业的招聘广告数量比去年同期增长103%，且相关岗位的人员招聘难度系数最高达到60%，企业很难招聘到具有此项专门技术的人才，人才缺口十分巨大。
目前，我国还没有设置3D打印专业，仅出现小规模具有高校背景的培训机构，远不能满足市场对3D打印人才的需求，所以亟待将3D打印技术融入课堂教学，将人才培养与社会需求结合起来，可以大大提高学生就业竞争力。
3.5 3D打印技术用于开展产学研项目
技术作为连接知识与生产的桥梁，不仅是知识的应用与物化，要进行构思设计，还要直接作用于生产过程，进行产品开发与制造。因此，积极开展产学研项目合作是把握技术的理论性与实践性之间发展规律的重要环节。
3D打印技术用于开展产学研项目有利于培养学生科研能力，增强科研转化能力。对于高校，一方面可对3D打印技术进行深入科学研究，另一方面应向企业提供共享服务。如青岛高新区引进西安交通大学快速制造国家工程研究中心卢秉恒院士团队，帮助其打造完整的3D打印产业链；与中科院自动化所共建青岛智能产业技术研究院，建设3D打印社会资源平台等，形成双赢的局面。
4、结束语
目前，3D打印技术受到了各个领域的高度重视。虽然3D打印引入教学中还存在着很多困难，但其带来的效果是不可估量的。3D打印技术的运用，需要学校与师生的支持，使其充分发挥作用，为我国教育事业的发展提供动力。
参考文献
[1] 张彦芳.3D打印技术及其应用[J].科技视界，2013
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揭开3D打印的神秘面纱
随着3D打印技术的走俏，以3D打印机为代表的3D打印技术相关产品在各科技类展会上成为焦点。诸多企业跃跃欲试，以求抓住3D打印带来的商机；许多创业者也对此颇为关注，认为这是个人创业的捷径。3D打印，似乎迎来了它的黄金发展期。
其实，3D打印不是新鲜的东西，早在27年前它就存在了。世界上第一台3D打印机诞生于1986年，由美国人CharlesHull发明。而他所成立的3DSystems公司，现在已是一家在纳斯达克挂牌的上市公司，并已成为美国3D打印产业内首屈一指的巨头之一。到这里，我们不禁有疑问：既然3D打印技术早已存在了二十多年，缘何在今日突然爆发？现今，3D打印的技术与市场的真实状况是怎样的？带着这些疑问，我们近距离观察3D打印。
近场观察，价格优势and技术软肋
在成龙的封山之作，电影《十二生肖》中，成龙通过3D打印机将十二生肖的赝品制造了出来，这一事例很好地概括了3D打印的特点：快速成型。远观3D打印，似乎它无所不能只要拥有一台3D打印机，你就可以打印出你喜欢的一切甚至克隆另一个自己，这是真的吗？答案当然是否定的。
其实3D打印的原理很简单，就是以计算机三维设计模型为蓝本，将模型分解成若干层平面切片，然后把打印材料按切片图形逐层叠加，最终堆积成完整的物体。它的工作原理类似喷墨打印机，不过它喷出的不是墨水，而是黏接剂和液态材料。这使得3D打印技术的发展深受材料的限制。目前，能够被运用到3D打印中去的材料仅有薄膜、树脂、石蜡、石膏、尼龙丝、钛合金、陶瓷等十几种。受材料的限制，3D打印技术能打印的东西还比较有限。
但由于这种制造方式不需要模板，也不用组装，产品形态完全通过软件操控，生产一件产品与大批量生产相比，单位成本几乎一样，所需劳动力数量大幅减少的同时也省去了冗长而昂贵的模具制造过程，能够极大地缩短产品的研制周期，大幅减少成本投入，还能较精准地塑造复杂精细的造型。
有了3D打印机器，就相当于拥有了一整条生产线，一整个车间。3D打印对于工业设计与模具制造在传统制造链条中的冲击，不言而喻。这就是3D打印突然爆发的主因。经济危机后，欧美国家发展已经停滞，尤其需要制造业回归，这个时候传统生产方式已没有优势可言。3D打印技术与制造业的结合，使得劳动力密集型的制造业变身为高端的自动化产业，让制造业重新焕发了生机。
市场分析，停于概念or走向现实
毫无疑问，材料的局限性限制了3D打印技术的发展，但同时其价格优势也惹人垂涎。在此，我们不妨预想一下3D打印的未来：3D打印前景如何，真能“横扫一切”吗？3D打印最终是停于人们畅想中还是逐步走向现实？
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关键词：3D打印；标准；教学应用；云平台
中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2017）05-0011-04
一、引言
3D打印技术作为一项对传统制造业具有颠覆意义的技术，近年来在世界范围内受到广泛关注，其主要生成流程包括两大步骤：基于计算机辅助软件设计立体模型，并通过3D打印机基于熔融、光固化等工艺逐层打印成品。[1]近年来，作为“增材制造”的主要实现形式，3D打印技术受到了我国政府的高度重视。进一步地，针对3D打印等新型数字化制造技术的研发和产业化，我国政府出台了《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016）》。此计划将3D打印技术发展规划提高到了国家战略发展的高度，不仅强调了3D打印教育的推广和普及，更强调了3D打印技术人才的培养。随后，在中国政府实施制造强国战略第一个十年的行动纲领《中国制造2025》中，3D打印被列为突破发展的重点领域。更为引人注目的是在国务院关于3D打印增材制造的专题讲座后，总理表示要在国内多个重点行业加速3D打印的装备和运用。
在教育行业发展领域中，3D打印技术的相关应用已经逐步引起国内外政府以及相关组织的高度重视。现阶段，针对3D打印教育价值的一系列探索性研究以及实践工作正在逐步开展中，并已取得了一些基础成果。国内，上海、青岛等教育发展先进地区已经成功地将3D打印引入基础教育领域。目前，上述先进地区通常在青少年活动中心配备3D打印机和扫描仪，同时定期邀请技术专家开设包括CAD建模和3D打印机操作实践等相关课程，最终以指导学生打印出自己设计的产品为基础教育阶段的教育实践目标。国外，在“人类学习可以通过制造和分享过程产生”的理念下，英国教育部与英国物理学会、英国全国数学教学创优中心和3D打印机厂商协调合作，进一步保障使用3D技术的学校可以得到良好的理论指导及技术支持。另外，为培养高中生的工程技术能力并激发学生对工程、设计、制造和科学相关课程的兴趣，美国以项目推进形式在高中大力推广3D打印机，例如，美国国防高级研究计划局制作实验和拓展项目等。不仅如此，作为预测影响全球教育领域的教学、学习和创造性探究新兴技术的权威报告，新媒体联盟地平线报告在基础教育、高等教育和图书馆教育的三个版本中，连续两年将教育应用中主流技术的重要进展聚焦到3D打印上。
3D打印技术涵盖包括信息技术、机械加工技术和新材料技术等多个学科领域的先进技术。在日常教育场景中，3D打印主要体现出以下三方面教育特性：其一，便于塑造可重用的多态教育对象，且可快速打印用于教学辅助的模型、标本等教具；其二，作为蕴涵“设计思维”的个性化创造工具，可以满足不同教育层次的学习者以专业制造水平实现个性化创意设的产品化需求；其三，便于打造虚实结合的教育创新应用平台，并可以基于3D打印技术建立创新实验室和创客空间，实现互联网和智能制造技术的协同创新。尽管目前3D打印技术在教育行业的创新性应用蓬勃发展，但是3D打印作为教育装备用于教育实践活动开展尚存在几点无法回避的关键性问题：
（1）3D打印作为教育领域的一种新技术，其教育行业的标准尚未建立，目前教育行业流通的3D打印机质量参差不齐，导致3D打印教学实践活动的质量、安全和教育适用性等方面无法保障；
（2）3D打印技术与教育理论严重脱节，包括教学案例、教学模型库在内的教育资源缺乏，如何体系化地借助3D打印技术辅助基础教育、高等教育和职业教育的教育实践活动成为关键性问题；
（3）3D打印软件环境和硬件环境的配备费用均较高，具体地说，3D 打印机和专业的三维建模软件价格都比较高而且对使用场地要求较高，从而导致仅有少部分重点学校有能力配备，无法满足教育均衡发展的需求。
二、3D打印行业应用的突破途径
本文重点围绕上述关键性问题，提出解决方案，主要包含以下三条突破途径：
（1）研究并起草3D打印技术的教育行业标准及规范
3D打印系统按功能分为五大模块，即三维模型获取模块、三维模型处理模块、三维模块分层模块、三维模型打印模块和三维模型后处理模块，依托多个学科领域的尖端技术，包括信息技术、机械制造技术和材料技术。技术归根到底服务于教育，3D打印技术涉及制定相应标准，其意义在于通过对技术的规范化提升产品质量，保障教学活动参与者的人身安全，提升3D打印的教育适用性。
（2）从教育理论出发面向不同教育阶段系统化建立3D打印的教学应用体系架构
对于不同教育阶段的学生，3D打印技术具有不同的内涵和外延。对于基础教育来说，3D打印作为认知工具，用于快速制造与课程配套的模型；对于高等教育，3D打印作为创新平台，用于快速实现创新性的设计思想；对于职业教育，3D打印作为教学目标和学习内容，形成了面向中国制造2025的职业技能知识体系。因此，要将3D打印技术深度融合于不同教育阶段的教学实践活动中，必须探索3D打印技术和教育理论的契合点，系统化地建立面向基础教育、高等教育和职业教育的个性化教学应用体系架构，涵盖3D打印的核心课程、资源库、教材、实训资源等。
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创新3D科技在医疗行业中取得突破性进展
提到3D打印，对于很多人来说已并不陌生。它是快速成型技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，运用液态、粉末或实心材料，通过逐层凝固、熔化等“打印”的方式来构造物体的技术，已经广泛应用于工业设计等领域。而提起数字化医疗3D打印技术却是鲜为人知的，该技术是将传统医疗与数字化设计制造相结合形成的一门新兴产业，与民生息息相关，必将在医疗行业掀起又一场革命性浪潮。
2013年，北京市委、市政府提出全面推进北京市3D打印科技创新与产业培育的新要求，北京市科委提出《促进北京市增材制造（3D）科技创新与产业培育的工作意见》，为此，北京工业大学成立了3D打印科技工作领导小组和专家联合工作组，组建了“数字化医疗3D打印北京市国际科技合作基地中心”和“北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心”科研平台，均获得北京市科委正式批准。他们以建立国内首创和世界一流的“数字化医疗3D打印协同创新中心与服务平台”为目标，联合国药集团、京城控股、北大口腔医院等单位，牵头成立了北京市数字化医疗3D打印产业联盟，创新机制体制，加大投入，承担了市科委重大项目，围绕肿瘤靶标治疗、口腔种植、义齿、颅脑、颔面与各科手术，医疗辅具等5大应用目标开展工作。
为了给3D打印项目提供良好的科研环境，2013年12月，北京工业大学专门将学校新建的教学科研楼四层作为“3D打印中心”用房，面积近2000平方米。为了加快数字化医疗3D打印平台建设，学校安排预算、购置设备，目前已经投入建设经费8000余万元，并取得了重大的阶段性成果，他们开发的数字化医疗3D打印模板导向技术在肿瘤医院微创介入中心成功地为一名上颔囊癌患者实施了放射性粒子植入术，即组织间放疗，受到社会高度关注。
在2013年和2014年举办的全国科技活动周暨北京科技周活动中，国务院副总理刘延东，北京市委书记郭金龙，科技部长万钢，北京市长王安顺等领导，听取了北京工业大学校长郭广生、书记郑吉春关于3D打印项目的介绍，并给予了肯定。这让北京工业大学的课题研究团队成员更加充满信心。
数字化医疗3D打印技术的研究背景
关于数字化医疗3D打印技术的研究背景，北京市数字化医疗3D打印国际合作交流基地主任、北京工业大学3D打印专家组副总工陈继民教授给我们做了详细介绍，他说，目前治疗肿瘤的方法主要是放疗、化疗和手术治疗，但这些方法都存在着治疗效果不明显、痛苦大、副作用大等缺点。另外，在放化疗的过程中，除了杀死癌细胞，同时还会杀死好细胞，因为目前还没有有效的方法来分辨细胞的好坏。为了解决这些问题，国外曾经提出一个方案，即直接将放射性粒子植入到肿瘤体里面杀死癌细胞，而不是从外进行照射，这样能够准确的杀死坏细胞。于是，针对前列腺癌症这种相对来说比较规则的肿瘤体，国外主要采用的是一种叫做影像导航的方法将放射粒子植入肿瘤内部。所谓影像导航，就是通过超声影像或CT扫描影像等观察到肿瘤的位置，然后通过穿刺等方法一点点的将放射性粒子植入到肿瘤体里面去，从而达到杀死癌细胞的目的。这种方式最大的优点就是它的准确性，同时，由于前列腺的形状比较规则，肿瘤的形状一般也比较简单，因此，植入准确性也高。据了解，目前国外70%的前列腺癌都是采用这种方法治疗，这种方法又被称为“内放疗”。
但是，“内放疗”仍存在很多问题，首先，每个放射性粒子杀死癌细胞的范围是有限的，比如说，如果用碘125的放射性粒子，这样的粒子只有芝麻粒大小，那么大一点点的粒子仅能够杀死周围大概一点几到两厘米之间的肿瘤;另外，每个人的肿瘤形状和大小都不一样，那到底需要多少颗这样的粒子、如何排布这些粒子才能把所有的肿瘤都杀死呢？这就需要有一套准确的计算方法，可以根据肿瘤的大小和形状，计算出来一颗肿瘤大概需要多少颗这样的放射性粒子，这样就能将放射性粒子分布到肿瘤体里面，从而杀死肿瘤，同时对周围正常的组织几乎不产生任何影响或者说将影响降到最小。虽然这种“内放疗”方案很早就提出过，但是由于肿瘤形状不规则，如何将粒子正好按照医生的设想分布到肿瘤体中仍是最大的难题，所以这种治疗方法提出来以后并没有得到大规模的推广。
为了打破这一技术瓶颈，2013年7月以来，北京工业大学与北京市科委、中国医药集团等企业和医院经过多次交流和探讨，提出运用3D打印这一创新技术，并共同形成了“数字化医疗3D打印关键技术与应用协同创新与产业化发展计划”，从而开始了数字化医疗3D打印技术的研究开发。
数字化医疗3D打印技术治疗肿瘤的原理及临床实践
陈继民教授介绍说，数字化医疗3D打印技术治疗肿瘤是将传统医疗与数字化设计制造相结合产生的，其治病原理和国外提出的方法是一样的，主要是通过计算得知杀死一个肿瘤需要多少颗放射性粒子，然后采用3D打印的方法打印出一个手术导板。所谓手术导板实际上类似一个辅助的医疗器械工具，这种辅助工具是按照病人肿瘤的形状和大小做出一个导向模，这样，当医生在做放射性粒子植入的时候，就可以按照这个导向模很准确地将放射性粒子植进去，这是最初的设想。
2014年，北京工业大学承担的“3D打印肿瘤医疗导板成型装备及检测设备工程样机研制”项目取得突破性进展，并将其开发的数字化医疗3D打印模板导向技术在肿瘤医院微创介入中心应用，成功为一名上颌面肿瘤患者实施了放射性粒子植入术，即组织间放疗。陈继民说，所谓颌面肿瘤就是肿瘤长在脸部，如果用手术的方法把肿瘤挖掉，整个脸就会完全变形，而且那是一位女性患者，已经失去了手术的时机，其本人也不愿意做手术。因此，他们给这位患者实施了数字化医疗3D打印辅助“内放疗”技术治疗。他们首先用CT扫描了肿瘤的形状，扫描完后进行三维重建，这时头盖骨的形状就出来了，当时患者的肿瘤长在眼睛附近，长了肿瘤以后使脸部发生了很大的变形。因此，他们首先根据肿瘤大小和形状设计好医疗导板，然后通过3D打印技术将导板打印出来，再根据导板的形状进行模拟，根据计算结果运用穿刺手术的方法将一个很小的放射性粒子直接穿进去，并把它布置在肿瘤的范围里面。在手术期间，必须严格按照设计的方向一个个把放射性粒子植到肿瘤体里面，这整个过程都是用3D打印技术来完成的，他们用这种方式，真正实现了“靶标治疗”，取得了良好的效果。
关于这次与内蒙古医院合作的临床实践已经有了相应的临床报告，如果想要进一步推广这一数字化医疗3D打印新技术，必须得到国家药监局的批准，取得注册医疗许可证。还需要在不同的医院做临床实验，临床实验后要把实验报告结果经过专家评估并认可后才能进行推广。目前，该技术的推广工作正在进行中，并不断和其他医院合作，在进行临床实验。陈继民表示，只有真正的将该技术推广出去，才能真正造福于民，并推动医疗事业的发展。
宣传推广创新医疗技术，利国利民
从理论上来说，除了可以治疗颌面肿瘤，这种数字化医疗3D打印技术对任何肿瘤都有效，而且这种手术并不是非常大的手术，属于微创手术，因为它是用穿刺的方法，即用很细的银针一点点的穿进去，然后把放射性粒子一点点的植入进去，同时在每根针上标记一个刻度，当银针进到五厘米或者三厘米深度时，也就是肿瘤的位置，这个针就把粒子固定在那里，从而杀死癌细胞，完成整个手术过程。
与传统治疗肿瘤的方法相比，数字化医疗3D打印技术简单易行，准确率高，没有副作用，患者痛苦小，经济压力小，是医学界的一大创新技术。说到3D打印，在医疗上早已有过应用，陈继民教授说，以前他们是将该技术应用到牙齿上，我们都知道，每个人的牙齿不一样，因此如果要做义齿就一定是个性化的。这就与治疗肿瘤一样，因为每个人的肿瘤也不太一样，也只能用这种个性化的方法来实现治疗目的，所以这种技术的发展前景非常广阔。
陈继民教授还表示，北京工业大学目前开展的这一医疗项目得到了北京市科委的大力支持，他介绍说，北京市科委在3D打印方面目前主要专注于三个方向，一个方向是属于航空航天领域的，主要是做大型构件及零部件等，通过3D打印直接打印出来;一个方向是属于文化创意和个人消费，主要是3D设计和打印个性化时尚的产品，还有一个大的方向是医疗卫生和健康领域，这一领域由北京工业大学蒋毅坚教授领衔;目前已经正式启动了数字化医疗3D打印技术治疗肿瘤项目，这必将在医疗领域引起极大的关注。
与此同时，他们还瞄准医用导板3D打印设备市场，研发出了基于DLP技术的面曝光3D打印机――北思客BESK，陈继民教授解释说，北思客代表着北京工业大学的一群有理想、有信念的的研究人员，他们要做国内最好BEST的3D打印机，致力于发展我国数字化医疗3D打印事业，希望早日能将这一技术造福于民。
