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(shù)發(fā)展日新月異，應(yīng)用范圍也越來越廣泛。為了深入了解當(dāng)前3D打印的應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)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(shù)受到大家的廣泛關(guān)注，請您談?wù)勀壳?D打印技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)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(shù)主要應(yīng)用在工業(yè)、醫(yī)療、教育和文化創(chuàng)意等領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域中，裝備制造業(yè)的很多零部件都可以用3D打印的方式生產(chǎn)；模具行業(yè)的快速模具、模具修復(fù)和金屬模具都可以通過3D打印制作的；產(chǎn)品端的產(chǎn)品試制、快速樣機(jī)和快速樣件的開發(fā)也是用3D打印呈現(xiàn)的。在教育領(lǐng)域中，從小學(xué)到大學(xué)再到研究室，3D打印技術(shù)應(yīng)用也很廣泛。在小學(xué)主要是培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造力，目前在北京已經(jīng)有很多的小學(xué)設(shè)立了3D打印實驗室。在大學(xué)主要用于教學(xué)工作以及學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計和科研任務(wù)。在醫(yī)療領(lǐng)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(jié)構(gòu)，而患者的發(fā)病機(jī)理和生理結(jié)構(gòu)不同，3D打印更加適合病理模型的呈現(xiàn)，以供醫(yī)生進(jìn)行術(shù)前的檢查診斷和醫(yī)患溝通。而在骨科的植入物研究方面3D打印技術(shù)也有較深入的應(yīng)用。在手術(shù)中應(yīng)用定位導(dǎo)航板技術(shù)可以減少病人痛苦，提高手術(shù)成功率和手術(shù)精度，縮短手術(shù)時間和減少出血量等等。另一種在醫(yī)療領(lǐng)域中針對組織工程應(yīng)用的3D打印技術(shù)是通過打印細(xì)胞來培養(yǎng)組織，目前這種技術(shù)還沒有應(yīng)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(lǐng)域，3D打印技術(shù)可以做出構(gòu)造復(fù)雜而且重量輕的部件，可以縮減零部件的體積并使整個設(shè)備的性能得到提升。在文化創(chuàng)意領(lǐng)域中，2015年遍地開花的眾創(chuàng)眾籌產(chǎn)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(chuàng)意領(lǐng)域很早就得以廣泛應(yīng)用。3D打印應(yīng)用場景時時刻刻都在不斷的更新和拓展，比如在虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，通過3D打印技術(shù)的介入可以實現(xiàn)更多的可能性。

目前3D打印行業(yè)的確存在著一些問題，3D打印從技術(shù)原理上是一種增材制造，同時又是一門交叉學(xué)科，其基礎(chǔ)最主要是材料科學(xué)。材料和機(jī)械以及程序之間的配合是3D打印的關(guān)鍵。在機(jī)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(guān)鍵是以何種成型方式打印出所需要的材料質(zhì)量，優(yōu)秀的材質(zhì)一直是3D打印行業(yè)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(xù)的投入來研發(fā)3D打印材料，以光敏樹脂為例，國內(nèi)和國外的材料性質(zhì)存在較大的差異，在關(guān)鍵參數(shù)和成型精度以及成型之后的濾水膨脹率、光照穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等方面有差距，所以材料研發(fā)應(yīng)當(dāng)是3D打印行業(yè)未來發(fā)展的主要任務(wù)。另一個問題是在國內(nèi)3D打印行業(yè)，研發(fā)3D打印設(shè)備的廠家很多，而3D打印行業(yè)如何與傳統(tǒng)的行業(yè)應(yīng)用場景深入的銜接，做這方面研究的人卻很少。以汽車行業(yè)為例，如何使3D打印真正結(jié)合材料、結(jié)合技術(shù)，深入應(yīng)用到日常消費(fèi)級別的汽車?yán)?，?yīng)當(dāng)是廣大3D打印行業(yè)人員應(yīng)當(dāng)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(shè)備？能否介紹下這些3D打印設(shè)備的特點(diǎn)和優(yōu)勢？

齊軼鵬：目前，計算中心擁有以下幾種3D打印設(shè)備。首先是桌面級的3D打印機(jī)，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(yè)級的FDM設(shè)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(qiáng)度要求高的工業(yè)用零部件，比如機(jī)器人自動機(jī)器臂的蓋板零部件。另外還有工業(yè)級的光敏樹脂類3D打印機(jī)，主要用于高精度打印，其精度可到達(dá)單側(cè)層厚16um，適用于對模型精度要求高的電子消費(fèi)類產(chǎn)品、醫(yī)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(biāo)模型的三維幾何參數(shù)。首先是手持式3D掃描儀，其特點(diǎn)是移動靈活，可以在現(xiàn)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(dá)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(qū)別？這兩種解決方案主要針對哪些目標(biāo)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(xì)分。如果客戶僅需要得到產(chǎn)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(dá)到預(yù)期的精度要求。如果是特定的應(yīng)用領(lǐng)域，比如要求精度必須達(dá)到50um，則必須使用高精度的設(shè)備才能達(dá)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(yī)療單位和研發(fā)單位等等。

智能制造：近期計算中心和航空總醫(yī)院共同舉辦了“3D打印+醫(yī)療”科普交流會，請問目前3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)有哪些應(yīng)用？目前，計算中心在醫(yī)療方面提供的3D打印服務(wù)有哪些？

齊軼鵬：3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用必須以解決方案的形式進(jìn)行服務(wù)，因為醫(yī)療行業(yè)是一個高度專業(yè)化的領(lǐng)域，傳統(tǒng)3D打印行業(yè)與其存在一定的距離。當(dāng)3D打印介入時，計算中心有一個醫(yī)療團(tuán)隊作為支撐，其作用主要是撫平3D打印和醫(yī)療以及醫(yī)生之間的技術(shù)鴻溝。計算中心實際上在做橋梁性的工作。

3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)比較成熟的解決方案首先是從醫(yī)學(xué)影像出發(fā)，比如CT技術(shù)，通過CT技術(shù)可以把病人的病理模型和生理模型重構(gòu)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(zhǔn)3D模型，并依據(jù)3D模型和醫(yī)生做技術(shù)上的交流溝通。因為涉及到醫(yī)生的醫(yī)療方案、手術(shù)方案以及所使用的醫(yī)療器械，因此計算中心會與醫(yī)生進(jìn)行多輪次的溝通，之后制定手術(shù)方案，并確定計算中心所要做的配合，比如術(shù)前的患者病理模型和術(shù)中解決方案?；颊咝g(shù)前病理模型主要應(yīng)用于肝膽外科腫瘤切除的手術(shù)，因為肝膽腫瘤的環(huán)境復(fù)雜，醫(yī)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(xiàn)出來后，醫(yī)生可以很快判斷手術(shù)需要在哪里把組織切開并剝離腫瘤。同時醫(yī)生可以通過3D病理模型做出詳盡而且準(zhǔn)確的手術(shù)預(yù)案。術(shù)中解決方案比如顱骨修復(fù)、頜面外殼的手術(shù)，在術(shù)中使用導(dǎo)航定位板來正確擺放碎骨的位置以確保手術(shù)重構(gòu)的準(zhǔn)確。在術(shù)中除了把醫(yī)學(xué)影像轉(zhuǎn)化為三維數(shù)據(jù)，還需要和醫(yī)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(dǎo)航定位板的技術(shù)，醫(yī)生通過怎樣的緊固具、手術(shù)用具把碎骨固定住，以及如何把導(dǎo)航定位板撤銷等等，這個流程結(jié)束后再進(jìn)行3D打印，然后對導(dǎo)航定位板進(jìn)行醫(yī)學(xué)消毒，最后在手術(shù)室將導(dǎo)航板應(yīng)用到手術(shù)中。

對于牙科領(lǐng)域的種植體的種植導(dǎo)板，通過定位板技術(shù)保證種植牙的種植方向是精準(zhǔn)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(shù)在齒科領(lǐng)域的應(yīng)用，這項技術(shù)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(lǐng)域和神經(jīng)外科領(lǐng)域也有應(yīng)用，計算中心和沈陽陸軍總醫(yī)院以及中科院金屬研究所有相關(guān)合作。通過應(yīng)用3D打印技術(shù)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(xué)性能、耐久性和壽命等問題。植入物在心臟外科、心臟內(nèi)科領(lǐng)域已有臨床上的應(yīng)用，也有國內(nèi)外少見的前端科學(xué)研究。以血液研究為例，需要研究流體力學(xué)、血液動力學(xué)，是比較系統(tǒng)、龐雜的科學(xué)研究，同時解決植入物問題的技術(shù)基礎(chǔ)也是3D打印技術(shù)。

智能制造：請您介紹下在3D打印服務(wù)方面，計算中心的云計算能力和云平臺服務(wù)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(wù)于廣大企業(yè)的云計算服務(wù)平臺。3D打印實際上是“云鏈”的一個有機(jī)組成部分。云計算依托的是高性能的云計算服務(wù)，3D打印服務(wù)既有線上又有線下的服務(wù)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(jìn)行打印，也可以在線下以傳統(tǒng)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?！霸奇湣笔腔诨ヂ?lián)網(wǎng)的技術(shù)，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(shè)計軟件等等。而用戶在通過“云鏈”完成計算和設(shè)計之后不滿足僅在電腦上表現(xiàn)設(shè)計，這時3D打印介入進(jìn)來，幫助用戶完成實體工序的實現(xiàn)。未來，3D打印不僅僅滿足做出模型而是集成設(shè)計和實現(xiàn)等更多功能的平臺。也就是說，用戶在這個平臺上提出設(shè)計想法，就能拿到真實的、帶有功能性的產(chǎn)品。

智能制造：您認(rèn)為不斷發(fā)展的3D打印技術(shù)在未來將如何影響人們的生活？

齊軼鵬：作為3D打印的行業(yè)人員，我很高興談?wù)?D打印未來的美好設(shè)想。我認(rèn)為，在未來，3D打印的發(fā)展?jié)摿κ蔷薮蟮?，?D打印技術(shù)進(jìn)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(shè)想的。較之克隆技術(shù)會帶來人體器官使用方面的倫理問題，3D打印技術(shù)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(xiàn)，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(tǒng)制造業(yè)，隨著產(chǎn)品品質(zhì)的提高，人們對個性化定制產(chǎn)品的需求越來越高。目前在汽車行業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)汽車內(nèi)飾和配件的定制，未來的產(chǎn)品將會實現(xiàn)高度符合用戶個人的使用特點(diǎn)，3D打印技術(shù)將在這方面發(fā)揮積極作用。

另外，未來3D打印技術(shù)或許將會對物流行業(yè)產(chǎn)生影響。目前，在航天領(lǐng)域的空間站物流運(yùn)輸上已經(jīng)實現(xiàn)通過傳輸數(shù)據(jù)到空間站，并通過3D打印機(jī)生產(chǎn)所需物品的案例，以此節(jié)省成本。所以未來如果3D打印技術(shù)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(shù)據(jù)的傳送，數(shù)據(jù)從提供方到3D打印機(jī)接收方，通過打印機(jī)將產(chǎn)品呈現(xiàn)出來，這也許是物流行業(yè)未來一個新的業(yè)態(tài)。

記者手記：

3D打印技術(shù)的飛速發(fā)展得益于這個時代有一批對技術(shù)革新孜孜不倦的工程師以及為技術(shù)落地不懈努力的科學(xué)工作者。從齊軼鵬博士身上我能深刻感受這一點(diǎn)。技術(shù)的進(jìn)步永無止境，正如齊博士所說的，“3D打印的應(yīng)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(yuǎn)地影響我們的生活。