地礦行業(yè)3D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

劉小雨，陳蓉，盧珍松

(四川省冶金地質(zhì)勘查院，成都 610051)

0 引言

傳統(tǒng)的地礦行業(yè)以礦產(chǎn)勘查及礦業(yè)咨詢(xún)?yōu)橹饕獦I(yè)務(wù)，隨著地礦行業(yè)大轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢(shì)，地礦行業(yè)在傳統(tǒng)地質(zhì)找礦的基礎(chǔ)上，向測(cè)繪、工程勘察、水工環(huán)、地質(zhì)災(zāi)害防治、城市地質(zhì)、農(nóng)業(yè)地質(zhì)、旅游地質(zhì)、污染土地治理、環(huán)境保護(hù)等眾多新興地質(zhì)技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域拓展。在現(xiàn)今“數(shù)字礦山”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字中國(guó)”的宏偉目標(biāo)下，數(shù)字地理空間框架作為其重要的基礎(chǔ)構(gòu)架，有力推動(dòng)了地礦行業(yè)地理信息技術(shù)由傳統(tǒng)的二維圖像向三維圖像的技術(shù)變革。

地礦行業(yè)是3D打印技術(shù)應(yīng)用的新切入點(diǎn)，近年來(lái)呈蓬勃發(fā)展之勢(shì)。地礦產(chǎn)業(yè)模型通常為高度定制化模型，模型形態(tài)復(fù)雜，實(shí)體化制作過(guò)程中，若采用傳統(tǒng)的制造工藝，需要耗費(fèi)比較高的人力、物力成本。3D打印作為一種新型材料制造技術(shù)，以逐層打印、疊加成型的制作原理，可以有效降低工藝成本負(fù)擔(dān)，使地質(zhì)三維實(shí)景模型可以直觀(guān)地展現(xiàn)到管理人員、設(shè)計(jì)人員面前。

1 3D打印技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)起源于美國(guó)。1985年由Charles W.Hull開(kāi)發(fā)出光固化技術(shù)(SLA )，并成立3D System公司。2000年以來(lái)，3D打印技術(shù)逐步從單一的工業(yè)領(lǐng)域延展到私人、政府機(jī)構(gòu)、醫(yī)療、食品、時(shí)尚等更廣泛的領(lǐng)域中。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的研發(fā)應(yīng)用，目前3D打印技術(shù)種類(lèi)繁多，各類(lèi)技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，適用于不同領(lǐng)域的需求。常見(jiàn)的3D打印技術(shù)包括立體固化成型(SLA)、噴墨印刷(PolyJet)、選擇性激光燒結(jié)/熔融(SLS/SLM)、熔融沉積造型(FDM)、連續(xù)液面生長(zhǎng)(CLIP)、電子束選區(qū)熔化成形(EBM)、多射流熔融(MJF)、定向能量沉積(DED)、激光熔覆沉積(LENS)等多項(xiàng)技術(shù)(表1)。

表1 3D打印主流技術(shù)分類(lèi)Table 1 The leading classification of 3D technologies

立體固化成型技術(shù)(SLA)主要用于模具、模型的制造，這項(xiàng)技術(shù)具有成形的速度快、精度高、成品表面光滑的特點(diǎn)；但樹(shù)脂在固化的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生收縮，相應(yīng)地出現(xiàn)應(yīng)力或形變現(xiàn)象，所以開(kāi)發(fā)收縮率較小、固化速度快、強(qiáng)度高的光敏材料是這項(xiàng)技術(shù)今后發(fā)展的方向。

噴墨印刷技術(shù)(PolyJet)的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在成型的效率高，由于增加了噴頭的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)了彩色打印制件，減少了后續(xù)的處理環(huán)節(jié)，但目前多為進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格較為昂貴[1]。

選擇性激光燒結(jié)/熔融(SLS/SLM)中的激光熔融技術(shù)(SLM)是在激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，它用高功率、高密度的激光束將金屬粉末直接熔化，最終得到預(yù)定尺寸和精度、高密度的金屬零部件，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)金屬3D打印的主流技術(shù)。

熔融沉積造型(FDM)是近期廣泛使用的一種快速造型技術(shù)，近年來(lái)開(kāi)發(fā)出高性能、高分子的PEEK材料，可以打印出具有耐高溫、自潤(rùn)滑、易加工和高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)異性能的塑料零件，在許多特殊領(lǐng)域可以替代金屬、陶瓷等傳統(tǒng)材料。

連續(xù)液面生長(zhǎng)技術(shù)(CLIP)是由立體固化成型技術(shù)(SLA)改進(jìn)而來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)具有高速、可消除零件表面“臺(tái)階效應(yīng)”的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)大大改善了傳統(tǒng)3D打印零件因?yàn)閷訝罱Y(jié)構(gòu)而使產(chǎn)品在堆疊方向上的力學(xué)性能差的情況，有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

電子束選區(qū)熔化成形技術(shù)(EBM)開(kāi)始用于醫(yī)療行業(yè)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、航空和汽車(chē)等行業(yè)，通常使用鈦合金，無(wú)法打印塑料或陶瓷部件[2]。

多射流熔融技術(shù)(MJF)是惠普公司2018年新研發(fā)的一種3D打印工藝，適用于航空、航天、醫(yī)療保健和汽車(chē)等行業(yè)制造高質(zhì)量的定制化部件[3]。

2 適用于地礦行業(yè)的3D打印技術(shù)

不同于制造業(yè)零部件的批量化生產(chǎn)，地礦行業(yè)3D打印的主要需求是定制化的模型打印，打印的模型要求精細(xì)、復(fù)雜、異形、多彩，以及一定的強(qiáng)度，模型的應(yīng)用是以不同場(chǎng)景的展示為主。因此，打印設(shè)備的選擇以高精度、支持復(fù)雜模型、多彩、易處理等為原則。對(duì)比了國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)打印技術(shù)，認(rèn)為立體固化成型(SLA)、三維打印快速成型(3DP)、噴墨印刷(PolyJet)和熔融沉積造型(FDM)等4類(lèi)技術(shù)最適合地礦行業(yè)模型定制化打印需求。

(1)立體固化成型技術(shù)(SLA)。該技術(shù)是以光敏樹(shù)脂為原材料，采用激光固化成型，為目前定制化模型主流的打印方法。該技術(shù)可以打印出精度較高、表面光滑、強(qiáng)度較大的復(fù)雜模型，但打印的模型僅為單色。該項(xiàng)技術(shù)對(duì)環(huán)境的要求嚴(yán)苛，需要準(zhǔn)備獨(dú)立的打印室和后處理室。設(shè)備重量大，需考慮樓板的承重部位。打印室需維持恒溫、恒濕狀態(tài)，需配備紫外線(xiàn)光罩及UPS電源。此外，光敏樹(shù)脂具有一定的揮發(fā)毒性。立體因化成型技術(shù)打印出的模型質(zhì)量較好，應(yīng)用廣泛，但對(duì)環(huán)境要求高，設(shè)備價(jià)格高昂，打印過(guò)程中易揮發(fā)有毒氣體，維護(hù)成本高昂。

(2)三維打印快速成型技術(shù)(3DP)。該技術(shù)是由噴頭處噴射單色或彩色的黏結(jié)劑，將平臺(tái)上的粉末(通常采用石膏粉)黏結(jié)成型[4]。三維打印快速成型技術(shù)可打印出全彩模型，非常適于地理模型、城市三維模型、地層模型等結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，色彩豐富的模型打印，在地礦行業(yè)的應(yīng)用范圍較廣。設(shè)備無(wú)需激光器等高成本的元器件，成本較低，且易操作、易維護(hù)，同時(shí)耗材價(jià)格低。但這項(xiàng)技術(shù)打印復(fù)雜精細(xì)的零件(如礦山模型)難度較大，而且成品的強(qiáng)度較低，表面較為粗糙。目前，工業(yè)級(jí)3D快速成型打印機(jī)多從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格高昂；國(guó)內(nèi)的同類(lèi)打印設(shè)備以桌面級(jí)為主，打印的精度和設(shè)備的穩(wěn)定性較差。

(3)噴墨印刷技術(shù)(PolyJet)。噴墨印刷技術(shù)與3D快速成型技術(shù)類(lèi)似，但直接噴射光敏樹(shù)脂材料的技術(shù)具有的優(yōu)勢(shì)為：①可打印表面平滑的精細(xì)原型，呈現(xiàn)出產(chǎn)品的美感；②可制造精準(zhǔn)的模具、鉆模、夾具和其他制造工具；③可處理復(fù)雜的形狀和細(xì)節(jié)，呈現(xiàn)精致的特征；④可將多彩色的材料種類(lèi)一并應(yīng)用到單個(gè)模型中，提高效率，這頂技術(shù)在打印模型的美觀(guān)程度和細(xì)節(jié)呈現(xiàn)方面當(dāng)屬首選；⑤對(duì)環(huán)境的要求低，適用于辦公環(huán)境[5]。但該技術(shù)的材料成本較高，且成品的硬度較差，不適用于小批量生產(chǎn)零件。目前，PolyJet 3D打印機(jī)制造廠(chǎng)商主要為美國(guó)Objet，設(shè)備價(jià)格昂貴。

(4)熔融沉積造型技術(shù)(FDM)。是當(dāng)前全世界應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù)，該技術(shù)設(shè)備環(huán)境要求低，材料為絲狀，易于保存，適合辦公環(huán)境使用。該項(xiàng)技術(shù)材料種類(lèi)繁多，包括PLA塑料、工程塑料、柔性材料、碳纖維材料等?，F(xiàn)今發(fā)展的多噴頭技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)混合材質(zhì)打印，使模型更加美觀(guān)、實(shí)用，并易于后處理。但是，熔融沉積造型術(shù)受打印原理(層層堆積)的限制，打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型難度較大，且模型的表面不可避免會(huì)有臺(tái)階效應(yīng)。

3 地礦行業(yè)3D打印的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)在地礦行業(yè)的測(cè)繪、城市地質(zhì)、設(shè)計(jì)、礦山、科研、教學(xué)、地質(zhì)環(huán)境等各方面均有應(yīng)用，展現(xiàn)出較好的發(fā)展前景(表2)。

表2 3D打印技術(shù)在地礦行業(yè)主要應(yīng)用類(lèi)型Table 2 The main applicable types of 3D technologies to geology and mining industries

3D打印技術(shù)已成為當(dāng)前國(guó)外在地質(zhì)研究、地下結(jié)構(gòu)可視化、野外環(huán)境分析和軍事地質(zhì)領(lǐng)域較為成熟的一項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。City GML(虛擬三維城市模型)平臺(tái)有開(kāi)放地理空間信息聯(lián)盟OGC認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，可制作標(biāo)準(zhǔn)化三維城市模型，它分為5個(gè)連續(xù)的分辨率等級(jí)(LOD 0—LOD 4)，打印精度為0.2～5 m，有多個(gè)城市(如德國(guó)的柏林市、荷蘭的阿珀?duì)柖鄠愂械?均已建立這類(lèi)三維城市模型[6]。目前，國(guó)內(nèi)的一些測(cè)繪裝備類(lèi)企業(yè)也在積極謀求為3D打印技術(shù)提供硬件、軟件及數(shù)據(jù)支持，通過(guò)精準(zhǔn)的測(cè)繪數(shù)據(jù)，清晰地打印出高標(biāo)準(zhǔn)的模型。

地理文化衍生品領(lǐng)域也成為地礦行業(yè)3D打印的重要拓展方向。在英國(guó)3D打印地圖工藝產(chǎn)品網(wǎng)站 “Terrainator.com”地圖平臺(tái)，用戶(hù)可以在有相關(guān)業(yè)務(wù)地區(qū)的地圖中，以一定的比例尺設(shè)定出一塊地域，提交后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自動(dòng)處理，并生成一張三維地形結(jié)構(gòu)圖。用戶(hù)將這幅三維可視圖提交給網(wǎng)站并支付費(fèi)用后，網(wǎng)站就會(huì)打印出一套定制化的三維地形圖模型提供給用戶(hù)。目前該網(wǎng)站只支持美國(guó)(大部分地域)、加拿大(西部)、英國(guó)的版圖以及歐洲少數(shù)國(guó)家的部分版圖。美國(guó)3D地理地形圖商業(yè)網(wǎng)站“Landprint.com”可提供如“世界知名山峰”等3D地理結(jié)構(gòu)商品，同時(shí)也提供3D地形定制化服務(wù)[7]。國(guó)內(nèi)也有一些能夠提供地理空間信息3D打印解決方案的公司，如杭州銘展網(wǎng)絡(luò)科技有限公司。

3.2 地礦行業(yè)應(yīng)用案例

2013年，科技日?qǐng)?bào)曾以“3D打印‘打進(jìn)’地理信息產(chǎn)業(yè)”為題，報(bào)道了3D打印技術(shù)在三維地圖、三維模型精細(xì)度等地理信息領(lǐng)域的研究進(jìn)展，并預(yù)示了這項(xiàng)技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景；2016年，同濟(jì)大學(xué)王建秀等應(yīng)用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)工程教學(xué)中各種地質(zhì)體的實(shí)體模型三維打印，使得巖體的結(jié)構(gòu)特征直觀(guān)地展示出來(lái)，有利于學(xué)生對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)的深入理解，有助于諸如極射赤平投影、巖石節(jié)理統(tǒng)計(jì)、節(jié)理玫瑰花統(tǒng)計(jì)等課程的學(xué)習(xí)，從而提升課堂教學(xué)的效果[8]；2014年和2017年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)鞠楊等利用CT掃描了天然煤巖式樣、混凝土試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用一種樹(shù)脂材料作為主體，另一種非透明材料作為骨料，利用3D打印技術(shù)對(duì)試樣進(jìn)行重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)和骨料結(jié)構(gòu)的可視化[9]；2018年，中南大學(xué)管克亮等以金川銅鎳礦田為例，應(yīng)用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了其中4個(gè)礦區(qū)地質(zhì)體模型的打印，從而幫助地質(zhì)人員更好地進(jìn)行地質(zhì)體模型的觀(guān)察與研究[10]；2019年，成都理工大學(xué)李陽(yáng)等以江油馬角壩地區(qū)雙馬石灰石礦區(qū)為例，通過(guò)對(duì)礦區(qū)三維模型的構(gòu)建，利用3D打印制作出可觀(guān)性極強(qiáng)的地質(zhì)體實(shí)體模型[11]。

3.3 應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)

通過(guò)3D打印技術(shù)呈現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)的技術(shù)仍然處于起步階段，存在一定的技術(shù)難題。GIS數(shù)據(jù)的格式繁多，STL格式文件是目前3D打印機(jī)能夠識(shí)別的幾種通用文件格式之一，在GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為STL文件格式過(guò)程中往往存在數(shù)據(jù)的丟失，使模型的細(xì)節(jié)受損；3D打印技術(shù)可以制作高精度、高分辨率的實(shí)體模型，但模型在打印過(guò)程中，材質(zhì)層堆疊的寬度將決定打印的分辨率，模型壁的最小厚度極限值會(huì)造成模型細(xì)節(jié)特征的丟失。另外，3D模型打印之后，原始的GIS數(shù)據(jù)屬性被整合壓縮，研究人員需要研究數(shù)據(jù)個(gè)別屬性的時(shí)候，需要重新返回到平面地圖，參考初始的平面形態(tài)。從模型呈現(xiàn)的美觀(guān)角度，地礦行業(yè)所需求的真實(shí)彩色模型仍是目前3D打印的技術(shù)難點(diǎn)。

4 結(jié)論

3D打印技術(shù)近年來(lái)的飛速發(fā)展，不僅在傳統(tǒng)的制造業(yè)中體現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿?，同時(shí)其魅力更延伸至多個(gè)與人們生活息息相關(guān)的領(lǐng)域。目前地礦行業(yè)中的三維業(yè)務(wù)需求日益增長(zhǎng)，如基礎(chǔ)地質(zhì)研究、成礦預(yù)測(cè)研究、礦體三維建模、物探勘查模型、測(cè)繪研究與成果表達(dá)、地質(zhì)災(zāi)害模型研究、城市地質(zhì)模塊化管理、地質(zhì)教學(xué)、地質(zhì)景觀(guān)研究等諸多專(zhuān)業(yè)技術(shù)環(huán)節(jié)均可與3D打印密切融合，從而提升研究效果和表達(dá)形式。地礦行業(yè)以打印定制化模型為主，其模型要求精細(xì)、復(fù)雜、異形、多彩以及一定的強(qiáng)度，打印出色彩逼真而且沒(méi)有任何毛刺的物品，是3D打印技術(shù)在地礦行業(yè)應(yīng)用的一大目標(biāo)。