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深度解讀

人民日?qǐng)?bào):3D打印,這樣走進(jìn)我們的生活

激光制造網(wǎng) 來源:人民日?qǐng)?bào)海外版2024-01-06 我要評(píng)論(0 )   

3D打印,又稱增材制造,是一種數(shù)字化制造過程,通過逐層堆積材料來創(chuàng)建三維物體。今天,3D打印以其獨(dú)特優(yōu)勢正向生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域廣泛滲透,醫(yī)療、建筑、航天、工業(yè)生產(chǎn)...

3D打印,又稱增材制造,是一種數(shù)字化制造過程,通過逐層堆積材料來創(chuàng)建三維物體。今天,3D打印以其獨(dú)特優(yōu)勢正向生產(chǎn)生活各個(gè)領(lǐng)域廣泛滲透,醫(yī)療、建筑、航天、工業(yè)生產(chǎn)、教育、文物保護(hù)等場景都能看到這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用。

記者選取與日常生活較近的3個(gè)場景:蓋房子、看病就醫(yī)、陶藝DIY,一窺新技術(shù)如何進(jìn)入和改變我們的生活。



像搭積木一樣蓋房子——

打印農(nóng)房成了“網(wǎng)紅”景點(diǎn)


4個(gè)月前,56歲的張國烈怎么也想不到,自家農(nóng)房會(huì)成為“網(wǎng)紅”景點(diǎn)。

位于河北省故城縣的3D打印民居。本報(bào)記者 康 樸攝
這座約400平方米、由6間北房組成的農(nóng)家院坐落在河北省故城縣房莊鎮(zhèn)宋莊村,采用“3D打印與模塊化裝配”的新型建造方式,在工廠將數(shù)字模型打印制作成一塊塊像積木一樣的墻體模塊,運(yùn)到現(xiàn)場后,僅用7天就完成了主體結(jié)構(gòu)安裝。
新奇的蓋房子方式在十里八鄉(xiāng)傳開了,附近村民紛紛趕來“打卡”,來自北京、上海、浙江、湖北等地和新加坡的專家也慕名而來。
打印的房子有啥特別?記者走進(jìn)這座農(nóng)家小院一探究竟。在一片紅磚砌體民房中,這座灰白色的院落格外出挑。面對(duì)一撥撥探訪,張國烈總是熱情地把來客迎進(jìn)院中,“花開富貴”影壁、“祥云福鹿”雕塑、“喜鵲登梅”紋理門廊、“福壽山水”畫面山墻都成了“打卡點(diǎn)”。

3D打印的“祥云福鹿”雕塑。  本報(bào)記者  康  樸攝

這座民居由浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院智能建造團(tuán)隊(duì)聯(lián)合靈砼科技、冠力科技、山東基石增材公司產(chǎn)研協(xié)作共同完成?!霸郝洳捎靡惑w化數(shù)字設(shè)計(jì),整個(gè)房屋、院墻、廊柱等結(jié)構(gòu)部件,還有花壇、地磚、假山、雕塑等景觀裝飾均由混凝土3D打印而成,外部雕花紋理和內(nèi)部管線空腔都是在設(shè)計(jì)階段隨著結(jié)構(gòu)一起做好,三維建模,所見即所得?!闭憬髮W(xué)建筑工程學(xué)院副教授孫曉燕介紹。
“設(shè)計(jì)完成后,打印過程就像擠奶油,3D打印機(jī)的噴嘴在設(shè)計(jì)好的軌道上來回運(yùn)行,同時(shí)‘吐’出混凝土,一層層堆疊起來,墻體模塊就造好了。”孫曉燕說。記者湊近仔細(xì)觀看,灰白色的混凝土墻體表層帶有一層層約1厘米厚的紋理,還利用墻面凹凸形成頗具藝術(shù)感的花紋。

顏值挺高,實(shí)用性如何?

“設(shè)計(jì)之初就充分考慮了如何利用墻體空腔解決保溫隔熱隔聲等功能和結(jié)構(gòu)抗震抗災(zāi)的配筋需求,保溫性能好,燒天然氣取暖,比住普通房屋更省,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也更高?!闭憬髮W(xué)智能建造與工程管理研究所所長王海龍教授說,“還用上了固廢低碳混凝土,更綠色環(huán)保?!?/p>

造價(jià)如何?“這座院子建設(shè)成本為30萬元左右,和農(nóng)村普通的磚混房建造成本接近,附近幾個(gè)村的農(nóng)戶也想著在自己家‘打印’一套?!惫食强h農(nóng)業(yè)農(nóng)村局副局長張延安表示,“現(xiàn)在農(nóng)村蓋房子經(jīng)常面臨用工短缺,3D打印為美麗鄉(xiāng)村建設(shè)提供了新思路,我們計(jì)劃在更大范圍內(nèi)推廣?!?/p>

認(rèn)可背后,是科研團(tuán)隊(duì)板凳甘坐十年冷的艱辛與執(zhí)著。

“從2013年起就致力于數(shù)字建造技術(shù)研究,用2年時(shí)間摸清了打印混凝土的性能調(diào)控,又逐步攻克打印設(shè)備、配筋增強(qiáng)技術(shù)以及打印建造技術(shù)等,團(tuán)隊(duì)至今已取得3D打印材料、裝備、結(jié)構(gòu)、施工方法國內(nèi)外發(fā)明專利30余項(xiàng),設(shè)備和技術(shù)也出口到了國外?!蓖鹾}堈f。

甘肅火星1號(hào)基地太空艙酒店、香港景觀座椅、沙特阿拉伯大型別墅……該團(tuán)隊(duì)的3D打印建筑物已在多地亮相?!俺送七M(jìn)更多項(xiàng)目落地,我們正探索水下和太空等場景的3D打印技術(shù),并取得積極進(jìn)展。”孫曉燕說,“增材智能建造的國際標(biāo)準(zhǔn)不久前發(fā)布,這意味著替代傳統(tǒng)建造的步伐將會(huì)加快。希望在不久的將來,能像科幻電影里那樣,在海底和太空實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無人智能建造。”

從削足適履到量體裁“骨”——

為提升健康福祉出份力


上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院10號(hào)樓5層,3D打印接診中心的一個(gè)房間里,大大小小的人體骨骼和關(guān)節(jié)3D打印模型靜置在陳列架上。有的模型上有醒目的綠色物體,那是特意標(biāo)識(shí)的患者真實(shí)腫瘤形態(tài)?!熬拖耖_車看導(dǎo)航一樣。”該院骨科主任醫(yī)師郝永強(qiáng)說,“應(yīng)用于手術(shù)設(shè)計(jì)的病變模型屬于3D打印醫(yī)學(xué)應(yīng)用的第一個(gè)層次。有了這個(gè)模型,腫瘤多大、長在什么位置,與周圍臟器、血管神經(jīng)等之間是什么關(guān)系等等一目了然,既減少手術(shù)時(shí)間,也能幫助年輕醫(yī)生更快成長?!?br/>

郝永強(qiáng)展示他制作的3D打印定制型骨盆重建假體。受訪者供圖

治療骨科疾病多半就是在和骨缺損戰(zhàn)斗。小的缺損人體可以自我修復(fù),到一定程度只能借助人工解決,植入的骨填充塊就是解決方法之一?!笆澜缟蠜]有兩片完全相同的樹葉,也沒有兩個(gè)人的關(guān)節(jié)或骨缺損的情況是完全一樣的?!焙掠缽?qiáng)說,“過去,同一款人工關(guān)節(jié)假體形態(tài)基本一致,僅有少數(shù)幾種尺寸差異,后來隨著設(shè)計(jì)改進(jìn),組成假體的部件有多種規(guī)格,連接部有了更多的調(diào)節(jié)接口,但即便如此,效果仍不理想。”

3D打印的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了骨科手術(shù)由削足適履到量體裁“骨”的精準(zhǔn)化治療。搭載人體細(xì)胞、細(xì)胞因子的生物打印活性組織或器官,則代表了3D打印醫(yī)學(xué)應(yīng)用的最高層次。

郝永強(qiáng)清楚地記得兩年前一位16歲女孩由母親陪同來向他求助。當(dāng)時(shí),這名患者飽受左小腿疼痛困擾,連走路都成問題——臨床診斷為“左脛骨近端腫瘤”。

“切除腫瘤會(huì)引致骨缺損,傳統(tǒng)的治療方法采用自體骨或異體骨移植,都存在一定風(fēng)險(xiǎn)或缺陷,如二次手術(shù)創(chuàng)傷、疾病傳播、免疫排異、骨來源受限等?!焙掠缽?qiáng)說。

看著陳列室冷冰冰的模型,聽著讓人一頭霧水的術(shù)語,患者和家屬都有點(diǎn)蒙,但郝永強(qiáng)還是說服他們,同意采用一項(xiàng)新技術(shù)——那是中國科學(xué)家開創(chuàng)的“生物3D打印活性骨修復(fù)骨缺損”技術(shù)的首次應(yīng)用。

郝永強(qiáng)(右一)與團(tuán)隊(duì)工程師探討手術(shù)規(guī)劃及3D打印個(gè)性化假體設(shè)計(jì)方案。受訪者供圖

3D打印活性骨被植入缺損部位,慢慢降解并釋放出搭載的患者自身的干細(xì)胞及活性生長因子,與缺損區(qū)域周圍骨組織細(xì)胞相互作用,骨形態(tài)完全匹配,修復(fù)速度也大大加快。

效果出乎患者預(yù)料。術(shù)后一個(gè)多月,這名女孩就能活動(dòng)自如了,不僅回到課堂,還能上體育課。

從醫(yī)35年,在郝永強(qiáng)幫助下,已有成百上千名患者感受到3D打印技術(shù)的溫度?!吧鲜兰o(jì)90年代,國內(nèi)醫(yī)生會(huì)優(yōu)先選擇國外的技術(shù)和產(chǎn)品。現(xiàn)在,從原材料到設(shè)備軟硬件再到實(shí)施手術(shù),我們實(shí)現(xiàn)了3D打印骨科手術(shù)技術(shù)和產(chǎn)品的完全國產(chǎn)化,手術(shù)成果讓外國專家瞪大眼睛?!焙掠缽?qiáng)說。

2016年上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)3D打印創(chuàng)新研究中心成立,郝永強(qiáng)擔(dān)任該中心主任。到現(xiàn)在,全國28個(gè)省份已成立約100家醫(yī)學(xué)3D打印分中心。不僅如此,國外骨科醫(yī)療器械商拋出的橄欖枝也讓郝永強(qiáng)意識(shí)到,應(yīng)該到國外建設(shè)分中心:“我們的技術(shù)創(chuàng)新走到了全球前列,‘走出去’既是擴(kuò)展自身影響力,也是為提升海外尤其是醫(yī)療欠發(fā)達(dá)地區(qū)患者的健康福祉出份力。”

在家也能燒瓷器——

更便利地享受動(dòng)手樂趣


燒制一件瓷器需要多久?

在古代,選礦、煉泥、定樣、利坯、繪畫、施釉、入窯燒瓷,數(shù)十道程序下來,往往歷時(shí)數(shù)月才能制作完成。

今天,網(wǎng)購好原料,用陶瓷3D打印機(jī),使用窯爐燒制,或者更簡單點(diǎn),家用微波爐也能替代——?jiǎng)⑽膹?qiáng)測算出的平均時(shí)間是15分鐘。

10年前,出于個(gè)人興趣,山東大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)二年級(jí)學(xué)生劉文強(qiáng)研發(fā)了一款陶瓷3D打印機(jī),在學(xué)校環(huán)保主題的創(chuàng)新比賽中拿了獎(jiǎng),后來代表學(xué)校參加全國比賽,又?jǐn)孬@一等獎(jiǎng),這些獎(jiǎng)狀一直被他悉心珍藏。

10年間,這名獲獎(jiǎng)大學(xué)生成了濟(jì)南辰坤智能科技有限公司創(chuàng)始人,一款產(chǎn)品衍生出適用于多種場景的系列產(chǎn)品?!凹扔羞m合普通消費(fèi)者的,也有的適合專業(yè)人士、公司。如用彩色釉料打印,也能實(shí)現(xiàn)上釉效果?!眲⑽膹?qiáng)說。

劉文強(qiáng)的辦公室里擺滿了花瓶、水杯、擺件等大大小小顏色各異的陶瓷制品,這些都是他開發(fā)的陶瓷3D打印機(jī)制作的。與其說是辦公室,倒不如說更像一個(gè)陶藝DIY手工作坊。劉文強(qiáng)說:“陶瓷3D打印機(jī)大大降低了藝術(shù)創(chuàng)作、藝術(shù)體驗(yàn)的成本?!?br/>

濟(jì)南辰坤智能公司研發(fā)的3D陶瓷打印機(jī)及其打印的陶瓷制品。受訪者供圖

打印出來的作品,稱得上藝術(shù)品嗎?這是劉文強(qiáng)經(jīng)常面對(duì)的質(zhì)疑?!坝腥苏f機(jī)器做出來的東西沒有靈魂?!彼貞?。

最初,劉文強(qiáng)也不知道如何反駁,直到他從用戶樂此不疲的體驗(yàn)中找到了3D打印文創(chuàng)產(chǎn)品的價(jià)值。吉爾·泰勒是美國人,有60多歲,很喜歡陶藝,但隨著年齡增長,手經(jīng)常不聽使喚,陶藝制作讓她感到有些力不從心,直到發(fā)現(xiàn)這家公司的產(chǎn)品。

泰勒在社交平臺(tái)上“秀”出一件3D打印和手工配合完成的作品:那是一只站立的母獅,穿禮裙戴披肩,身姿優(yōu)雅,頭微微抬起,凝視遠(yuǎn)方,其中最難的裙裾就是3D打印而成的?!?D打印可以幫助用戶擺脫禁錮、突破傳統(tǒng)工藝的束縛,做出更加復(fù)雜多變的形態(tài),帶來更大的創(chuàng)作自由度。”劉文強(qiáng)說。

可以打印的,不只是陶瓷。手辦、船模、建筑模型、雕像、玩具……在文化創(chuàng)意領(lǐng)域,3D打印的應(yīng)用越來越廣。劉文強(qiáng)感覺到,消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)市場增長速度很可觀。有數(shù)據(jù)佐證了這一點(diǎn):2022年中國消費(fèi)級(jí)3D打印設(shè)備銷量為135.18萬臺(tái),較2017年增長14.4倍。

打印速度慢、使用門檻高、產(chǎn)品價(jià)格高等因素一度“勸退”廣大普通消費(fèi)者。近年來在市場需求和技術(shù)進(jìn)步共同催化下,消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)銷售價(jià)格大幅下探,并叩開海外市場。

在海外手工達(dá)人開設(shè)的陶藝課程上,陶藝愛好者體驗(yàn)濟(jì)南辰坤智能公司研發(fā)的3D陶瓷打印機(jī)。受訪者供圖

“我們的用戶主要來自海外,一些動(dòng)手能力很強(qiáng)的人還會(huì)熱情地提出建議幫助改進(jìn)產(chǎn)品,很喜歡這種和用戶共創(chuàng)的氛圍?!眲⑽膹?qiáng)說,“希望我們的產(chǎn)品能走進(jìn)更多家庭,讓人們更便利地享受動(dòng)手樂趣?!?/p>


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