对于3D打印技术在医学领域应用的认识

第一篇：对于3D打印技术在医学领域应用的认识

对于3D打印技术在医学领域应用的认识

首先，什么是3D打印？3D打印（3DP)即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D 打印技术出现在 20 世纪 90 年代中期，实际上是利用光固化和纸层叠等技术的最新快速成型装置。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末等“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。近年来，随着打印设备和打印材料的不断研发，该技术在医学中的应用得到了长足的发展。

现阶段，3D打印在医疗领域的应用大致分为四个层次。一是快速成型层面，这个层面的应用主要是根据数字影像资料打印出立体三维模型，帮助医生分析病情，拟定手术方案。另外，立体三维模型便于医生与患者沟通交流，这方面的应用在技术上已逐渐成熟。二是利用3D打印技术制造出辅助手术工具或 器 械。由于每台手术 的独特性，需要特定的手术工具或器械以满足医生的特定需求，３Ｄ 打印技术为满足个性化的手术器械提供了技术保障，可以制造出个性化的手术器械用于某例特定手术。三是3D打印技术可直接打印出植入体内的修复体，即快速制造层面。在这个层面上打印出的个性化修复体可以植入到人体内，更好地与病人的病灶结合，做到精准医治疾病。四是组织工程生物活体的3D打印技术，可制造出具有生物活性的人体组织和器官，这是目前生物3D打印的研究热点和研究方向。

在快速成型层面，日本筑波大学和大日本印刷公司组成的科研团队2015 年 7 月 8 日宣布，已研发出用3D打印机低价制作可以看清血管等内部结构的肝脏立体模型的方法。据称，该方法如果投入应用就可以为每位患者制作模型，有助于术前确认手术顺序以及向患者说明治疗方法。这种模型是根据 CT 等医疗检查获得患者数据用 3D打印机制作的。模型按照表面外侧线条呈现肝脏整体形状，详细地再现其内部的血管和肿瘤。由于肝脏模型内部基本是空洞，重要血管等的位置一目了然。但由于价格昂贵等原因，利用3D打印技术制作的内脏器官模型主要用于研究，在临床上没有得到普及。科研团队表示，他们一方面争取到 2016 年度实现肝脏模型的实际应用；另一方面将推进对胰脏等器官模型制作技术的研发。

在临床范围，快速制造已被临床医生应用与实例中。2014 年 8 月，北京大学研究团队成功地为一名 12岁男孩植入了 3D 打印脊椎，这属全球首例。据了解，这位小男孩的脊椎在一次足球受伤之后长出了一颗恶性肿瘤，医生不得不选择移除掉肿瘤所在的脊椎。不过，这次的手术比较特殊的是，医生并未采用传统的脊椎移植手术，而是尝试先进的 3D 打印技术。此项手术取得了成功，北京大学第三医院公开宣布，世界首个金属 3D 打印定制 19 厘米人造脊椎植入顺利完成。这也标志着中国 3D 打印技术正式开启人工椎体时代。

3D打印技术的制造的假体植入人体在骨科应用较为广泛，技术较为成熟。３Ｄ 打印植入性假体主要包括颅骨、下颌骨、义齿、人工关节、骨小梁髂臼假体等。在颅面外科直接使用钛合金３Ｄ 打印的费用很高，因此可先根据缺损颅骨的形状、厚度打印出一个模具，然后运用倒模技术制作一块与缺损部位高度吻合的钛合 金人工骨。据２０１４年８月２８日中新社报道，中国陕西西京医院的外科医生为患者打印了一个３Ｄ 钛网植入物，用于治疗其从三楼坠落所致的左脑损伤。张庆福等采用医用钛合金３Ｄ 打印技术为１例下颌骨半侧切除患者设计和制作了解剖形态高度个体化仿真的下颌骨植入体，取得了满意效果。吴江等等利用逆向工程软件制作出了全口义齿钛基托的计算机模型，然后利用送粉方式 ３Ｄ 打印技术（四路送粉装置）制造了全口义齿钛基托。这种方式比传统工艺更简单，而且打印成形后的全口义齿钛基托外形良好。王臻等针对提取的股骨髁关节软骨三维轮廓数据进行了个体化人工半膝关节的计算机辅助设计，获得了股骨髁关节的计算机三维模型，然后再将三维模型进行切片分层，使用 ＬＰＳ６００树脂快速成型机打印出三维树脂模型，通过对树脂模型进行修整、抛光得到了个性化的人工半膝关节模型，经过硅胶翻模、制作蜡模、成壳、浇注 后最终获 得了钛合 金 关 节。在 金 属 ３Ｄ打印口腔假体方面，唐志辉采用金属３Ｄ 打印机打印出了与牙齿相同的金属牙，它可取代传统方法制造出的标准种植体，可以完全根据口腔患者的牙齿形状量身定制。

在发达国家，药物与医疗设备的市场份额基本相等，而在中国，医疗器械远低于药品的市场份额，这就意味着中国的医疗设备还有很大的发展空间，３Ｄ 打印在骨科医疗行业的应用为中国医疗器械的发展起到了不可替代的作用。目前，在新型生物材料和３Ｄ 打印个性化植入物方面还存在着很多问题。如医疗效果被不良媒体夸大、医疗注册许可政策亟待突破、材料成本及种类的限制等。

但3D 打印技术作为一项具有开创性意义的技术，可以根据不同患者，快速便捷地制作出更个性化的假体，使人们获得了重生的机会；其次，3D 打印用于复杂手术术前计划制订、手术模拟的广泛应用，提高了手术成功率等。但 3D 打印技术也存在一些问题与不足，比如所需材料价格极高，支架材料的可降解性及降解时间、孔径大小都对其打印结果有影响。随着信息技术的发展、新型材料和制作技术手段的增强，在未来临床及科研的道路上，3D打印技术势必会获得突破性进展，发挥越来越大的作用。

第二篇：3D打印技术在医学领域的应用

3D打印技术在医学领域的应用

医学模型快速建造。

医学道具、模型、用品等材料可通过3D?打印获得。利用3D打印技术，可将计算机影像数据信息形成实体结构，用于医学教学和手术模拟。传统医学教学模型制作方法时间长，且搬运过程容易损坏，使用3D?打印技术，可有效减少制作时间，根据需要随时制作，并降低搬运损坏的风险。目前，3D打印医学模型已获得较好的技术支持，具备一定的打印速度，能使用多种材质进行打印，应用程度高，有着很好的应用前景。

组织器官代替品制作。

人体组织器官代替物的材料要求很高，实现难度大。但目前已有一些成功案例，比如复制人体骨骼，制作义肢等。比如，人体某块骨骼缺失或损坏需要置换，首先可扫描对称的骨骼，形成计算机图形并做对称变换，再打印制作出相应骨骼。与传统方法相比，该技术不需要先制作模具，可直接打印，建造速度较快。这项技术可应用于牙种植、骨骼移植等。身体软组织器官制作亦取得进展，报道显示，美国某大学已利用该技术制作出人造耳，与此同时，微型人体肝脏也已被成功制造。德国研究人员利用3D?打印机等相关技术，制作出柔韧的人造血管，并能使血管与人体融合，并同时解决了血管免遭人体排斥的问题。该技术的不断进步和应用的深入将有助于解决当前和今后人造器官短缺所面临的困难。

脸部修饰与美容。

利用3D?打印技术制作脸部损伤组织，如耳、鼻、皮肤等，可以得到与患者精确匹配的相应组织，为患者重新塑造头部完整形象，达到美观效果。首先扫描脸部建立起3D计算机数据，医生可以制作出患者所缺少的部位，重现原来面貌。比起传统技术，该方法更精确，材质选择更加多样化。随着3D打印技术所支持材质的增多，打印质量的精细化，以及美容市场的壮大，脸部修饰与美容应用将有更加广阔的天地，应用水平亦将得到进一步提高。

第三篇：3D打印技术在建筑工程领域的应用前景

3D打印技术在建筑工程领域的应用前景

科技改变生活，科技提高效率，科技创造价值。随着科技进步，如今越来越多的新技术、新工艺、新材料被应用到建筑工程领域，极大地提高了工程建设的质量和效率。3D打印技术正是科技发展的产物，自打其研制诞生以来，就不断地吸引人们的眼球，受到各行各业的广泛关注，打印食物、打印机械零件甚至打印手枪等不一而足。3D打印技术先后进入了牙医、珠宝、医疗行业，人们希望利用3D打印等先进制造技术快速制产品，借此提升执行任务的速度并降低成本，3D打印技术未来应用的范围会越来越广。如今也有建筑工程人员将这项技术应用到建筑领域，并取得了一定成效。

一、3D打印技术

（一）3D打印技术的概念。我们都知道文字图片打印机，它们是平面的二维打印，3D打印就是在普通的二维打印的基础上再加一维。与普通打印机工作原理基本相同，区别在于只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂以及尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、镀银、镀金、橡胶类材料等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料。3D打印机工作时先像普通打印一样，在一个平面上将塑料、金属等粉末状材料打印出一层，然后再将这些可黏合的打印一层一层的粘起来。通过每一层不同的“图形”的累积，最后就形成了一个三维物体。就像搭积木一样，一层一层的累积起来后，就完成了一个设计好的立体的样子。3D打印技术就是快速成形技术的一种，它运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过一层又一层的多层打印方式，来构造零物件。模具制造、工业设计常将此技术用于建造模型，现在正向产品制造的方向发展，形成直接数字化制造。

（二）3D打印技术的现实意义。首先，大幅度提高工作效率。根据模型的尺寸以及复杂程度，传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，开辟了快速成型的新途径。其次，降低成本。传统的制造技术如注塑法可以降低成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快、更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。再次，打印的物品逼真。因为3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够，并且是三维的，所以打印出发产品例如模型十分逼真。今天的3D打印能复制出与原物一模一样的实物出来。最后，给设计者带来更多的想象空间。

二、3D打印技术在建筑领域的应用

（一）建筑设计领域应用

3D打印实际就是快速成型技术的应用，快速成型技术是特种加工技术中具有代表性的一种，它是集数控、机械CAD／CAM技术、激光加工、新材料科学等多种新型技术为一体的新技术。由于3D打印成品的可塑性非常强，从二维到三维，3D打印可以精确到600dpi，每层0.01毫米的厚度，几乎任何复杂的结构

都可以轻松打印出来，于是许多建筑设计师将该技术用于建筑与市政布局模型、工业设计的快速成型。

以往建筑设计师制作模型和3D效果图都是手勾草图，现在，3D打印提供了一种与传统的3D效果图、建筑模型等建筑造型表现方式不同的、全新的操作模式，它将让模型作为建筑师矫正设计的手段这一初衷获得新生。整个建筑模型制造过程分为三个阶段：拍照、建模、打印。这种操作方式比用软件画图、按照图纸仿形雕刻更精确、更快捷。

（二）建筑市场开发应用

1.建设方案初始设计阶段。我们知道通过看2D图想象3D空间确实比较困难，需要有丰富的空间想象力。3D打印模型在这一点不仅非常有用，而且还可以有效传达想法，根据各方讨论意见随时改变。例如在做城市综合体、交通综合体等这种大体量建筑群开发初始阶段，就需要研究这些综合体建成后会对周围的建筑和城市空间有何影响。最好的、最有效的做法就是给出模型，用以直观真实的展现建成后的情景，3D打印机具有这方面的极大优势。

2.建设提交方案成果阶段。建筑工程每个设计阶段的任务终将形成一个连贯一致的设计，包括方案、成本、准则等所需要求。如果用3D模型完成空间、环境设计，就相当一个缩微版的建筑与环境原型再现，必然会得到建设方和公众的接受，也可避免因为设计者的疏忽造成的失败建筑。

3.项目技术设计和营造阶段。随着建筑项目的开展，3D打印模型的辅助设计功能也随着改变，转向项目的技术设计和细部处理、风格展现，比如内饰、外饰的材料、风格、空间内部的陈设和装饰物品，使之更加深化细致。

4.建设项目成果展示。3D打印模型不仅是设计过程和项目施工过程中所用的工具，也可作最终展示。设想在一间设计公司的展厅内，陈列着这家公司完成的许多项目缩微模型，他们就是窗外真实城市景观的真实再现，这些模型就能赢得潜在客户的信任，给设计者带来新的收益机会。

（三）在建筑构件方面的应用。如今有一些建筑师将3D打印技术应用于建筑构件。起初，建筑师采用SLS（选择性激光烧结）3D打印技术按照设计的尺寸分段打印各个节点，然后将其组装起来。SLS3D打印技术能够满足建筑所需要的美学和结构方面的需求。

（四）在制造实体建筑方面的应用。也就是用3D打印技术来盖房子。采用的方法是分段打印组装方式，即建筑模块化，在工厂里每块打印好，最后一起现场组装。与建设传统房屋一样，打印房子之前首先需要打下地基；接着，打印机根据图纸打印墙体结构，同时预留“梁”与“柱”浇筑的空间；最后，在预留空间置入钢筋、灌注混凝土，在墙体的中空部分填充保温材料。这种打印实体建筑在我国也有案例，肉眼观察，这些3D打印房与普通房屋有着明显的区别：它们的墙体有着类似雕饰的纹路，或横向或纵向，而整体效果宛如制作奶油蛋糕时挤出的奶油被一层一层堆叠起来。

三、3D打印技术在建筑工程领域的应用前景分析

3D打印技术在建筑工程领域的应用还有较长的路要走，特别是在实体建筑打印方面还面临诸多挑战。

首先，打印材料的限制。3D打印机使用的是真实的金属、陶瓷、塑料、尼龙玻纤等材料，虽然可以实现塑料、某些金属或者陶瓷打印，但打印的材料都是比较昂贵和稀缺的。另外，打印机也还没有达到成熟的水平，无法支持日常生活中所接触到的各种各样的材料。虽然研究者们在一些打印材料上已经取得了一定的进展，但除非这些进展达到成熟并有效，否则材料依然会是3D打印的一大障碍。

其次，打印机器的限制。3D打印技术在重建物体的几何形状和机能上已经获得了一定的水平，几乎任何静态的形状都可以被打印出来，但是那些运动的物体和它们的清晰度就难以实现了。但最基本的困难在于尺寸。2维打印大家都常用，一个最根本的常识就是，输出尺寸越大，打印机本身就越大，那么打印机的喷头活动范围要能够覆盖全幅的输出尺寸，那么必然会大一圈。在3维打印领域，这意味着：如果打印住宅则打印机需要比你的住宅大一圈。机器越大越难制造，更重要的是机器越大，打印精度和打印速度就会越差。所以现阶段解决3d打印房屋的一些基本问题：材料，控制，精度等。

再次，3D打印建筑的安全问题。一方面，3D打印技术能否把房屋的梁体、墙体和柱体做到和传统行业一样坚固，还有待检验。另一方面，建筑的抗震性。现在一般使用超轻的全新材料，打印的房子自重会小于传统房屋，抗震性也就更好，但如果打印房的自重大于普通房屋，抗震性的问题就值得考虑了。再一方面，建筑的耐撞击性，不管怎样由于材料的关系，打印的建筑的耐撞击性可能不如传统房屋。国家尚未对3D打印建筑出台相关标准，这使得3D打印房的安全性、抗震性等性能无法得到检验。

因此，短期内，3D打印技术不可能完全替代传统建筑方式。一种较大的可能是新技术与传统工艺互为补充，在钢筋混凝土结构的基础上结合3D打印技术，建造一些科幻建筑、概念建筑等。但在设计体系、模型制作、钢筋混凝土很难塑造的个性的效果方面，3D打印却能发挥不可替代的作用。

第四篇：3D打印技术及其在地学信息领域应用进展

3D打印技术及其在地学信息领域应用进展

作 者：缪谨励、刘文斐

单 位：中国地质调查局发展研究中心、国土资

源部地质信息技术重点实验室

地 址：北京市西城区阜外大街45号院 邮 编:100037

摘 要： 3D打印在三维建模方面是一种革命性的进步技术。在地质建模方面可以应用3D打印技术将地理信息数据打印成实体模型。例如地质模型、地形地貌模型、地理信息系统模型、房地产3D沙盘模型。3D打印技术在地质新方面的应用在日益发展。关键词：3D打印、三维建模、实体模型

3D打印技术近年来得到普遍关注。目前，国外3D打印技术在各领域的应用已取得明显进展，而在国内，3D打印技术还没有得到全面应用。就地学信息领域而言，仅在个别部门得到初步应用。

一、3D打印技术简介

（一）发展历史

3D打印技术最早诞生于1986年美国人查尔斯.豪尔（Charles W.Hull）申请的专利。作为3DSystems公司的创始人，查尔斯.豪尔推出了第一款工业化的3D打印设备。80年代末期，出现了熔融层积成型技术（FDM）与选择性激光烧结（SLS），并于1992年售出了第一台基于熔融沉积成型技术的3D打印设备。同年，DTM公司也将选择性激光烧结技术生产的产品推向市场。1993年，美国麻省理工学院启动研究“三维打印技术”，并于1995年推出了第一款产品。随后，一款具有里程碑意义的3D打印机产品--Spectrum Z510于2005年推出，这是第一款能够实现高分辨率彩色3D打印的设备。此后，世界上推出了几十种不同的3D打印制造工艺方法，其成本也逐年降低。

（二）工作原理

3D打印技术的工作原理与传统的喷墨打印技术基本相似，均为基于原料喷射堆叠成型技术。3D打印的主要流程：应用计算机软件设计三维模型蓝图，通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列的数据切片，然后将这些切片信息发送至3D打印机，对描述打印对象相关属性 的数据文件（如STL文件或者CAD文件）进行快速处理，最后用液化、粉末化或丝化的薄层材料逐层连续地进行堆叠，每层材料只有0.1mm-0.2mm厚，层与层之间通过特殊的液体粘合剂进行粘合，并完成固结，直至“打印”出成型的固态实体模型。

（三）优缺点

3D打印技术在三维模型的模拟方面取得了革命性进步。由于3D打印不需要生产线，既节省了模具制作时间，缩短了生产周期，又减少了前期模型各部件设计及粘合的成本消耗，同时也在一定程度上减少了材料的浪费。另外，3D打印技术具有一次成型，快速个性化定制等特点，在小批量、多品种的生产中占有优势。充分利用3D打印机，消除修改磨具的制作成本消耗，能够使开发成本节约10倍以上，同时缩短产品开发周期至1/3，同时在制作的过程中无需考虑工具的路径和脱模的方式。

3D数字可视化技术能够成功地将真实环境下的目标对象呈现于虚拟环境之下。而3D打印技术制作的三维实体物理模型能够辅助用户更好地理解目标对象在现实世界中不同维度下的形态。事实上，3D打印技术在舒适度、基于目标对象特征的探索、分析和实现大规模讨论的可行性简易程度、以及对用户专业素质的要求等方面明显优于3D数字可视化技术。

然而，3D打印技术还存在一些技术难点，如3D打印数据、粉末材料和液体粘合剂的准备过程复杂，3D打印机易用性差等问题。STL格式数据输入的过程很难实现用户可视化，并且处理后输出的数据还需进行一系列用户不可见的不规则数据自动化清理过程。由于3D打印产业不断发展带来的社会安全和知识产权保护等问题，也可能影响3D打印技术的发展进程。

（四）工艺分类

目前，比较成熟的主流3D打印技术有十余种，其中SLA快速成型技术是目前应用最广、精度最高的快速成型方法。每种技术都有其各自的优势和劣势。还有一些不常用的技术,如多喷嘴建模系统、V Flash Printer、Desktop Factory、DLP激光成型技术、UV紫外线成型技术、实体磨削固化（SGC）、数码堆叠成型技术（DBL）、三维焊接（3DW）、直接铸壳成型技术（DSPC）、直接金属成型技术（DMD）等工艺方法。

二、3D打印技术的应用现状

3D打印在制造业已经悄然兴起，随着3D打印技术社会需求量的逐年增加，3D打印机的价格逐年降低。截至2010年初，中国3D打印设备使用量占亚洲总额的30.4%，占世界总额的3%。

（a）（b）

图 1（a）美国佛罗里达州迈阿密的The Realization Group 多维可视化服务公司采用ZPrinter 310 Plus 制作了这款28 英寸高的迈阿密“The Met”建筑物模型，所用时间和成本为传统建筑模型制作方法的四分之一。（b）南非德班千禧塔(F.A.D Publishers)以及南非斯坦陵布什大学学生使用ZPrinter 310打印机根据实际工程参数制作的千禧塔三维模型。

3D打印技术在许多领域均有涉及。生物化学医疗方面，3D打印技术可以将CT 和MRI 扫描数据转化成三维模型，以供学术和临床用途，包括手术方案的制定、医学假肢或生物体植入物的设计，还有比较新兴的“三维细胞打印”和“仿生定制”等，使活细胞打印有可能在未来成为现实。3D打印技术还可打印化学反应容器，可产生新的化学化合物。3D打印技术可以复制无法翻模、不适于翻模、以及局部残缺的文物，对于重建古生物化石、考古学复原文化古迹和珍贵艺术品意义重大。由于3D打印技术可用于复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件和构件制造，对于结构复杂、成本高昂的航空航天零件，一旦出现瑕疵或缺损，只能整体更换，可能造成数十万、上百万元损失。而通过3D打印技术，可以用同一材料将缺损部位修补成完整形状，修复后的性能不受影响，大大节约了时间和资金。另外，美国航空航天局（NASA）正在研究食物3D打印机，目的是研发新的方式来生产营养食品，并可在漫长的航天任务中进行储存。3D打印成型的建筑项目模型能让建筑设计师从创造性和空间感方面考虑问题，有助于与负责按设计施工的工程师之间进行良好的沟通。3D模型也可用于各学科的教学和科研。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被应用于

教学和科研，其中以麻省理工学院尤为领先。同时，位于南非的斯坦陵布什大学工业工程系也验证了3D打印技术在教育领域的价值。3D打印技术在资源、能源开采领域也逐渐得到推广。中国石化工程技术人员首创的“礁滩相储层开发精细描述技术”，将3D打印技术制作的地下储层精细的三维地质模型，应用于普光天然气田的钻井设计，钻井成功率达100%，从而解决了世界难题。

三、3D打印技术在地学信息领域的应用

（一）基于地理信息数据制作各种三维实体模型

3D打印技术能够准确地区分土地、水体、建筑物和其它地形特征，特别是复制一个复杂的等比例自然地形结构或城市构造，使3D打印技术在地学信息技术领域的应用深度逐渐增加。对于大面积的地理结构图，可将地理模型分段处理，逐块打印，最终拼接到一起。应用3D打印技术可以将地理信息数据打印成多种实体模型：

1.地质模型：辅助工程人员了解不同地层在水平和垂直方向上的属性特征、矿体特性、地下水概况和各深度的蓄水层构造。

2.地形地貌模型：提高了商谈复杂解决方案的效率。

3.地理信息系统模型：迅速、高质量地呈现乡村、城市、地形地图。4.房地产3D沙盘模型：不仅外观精细准确，内部结构也符合标准比例尺。

（a）（b）

图 2（a）应用3D打印技术生成的描述地形和地下地质情况的3D模型；（b）应用3D打印技术在水晶玻璃中生成的洞穴几何形状及根据地震数据生成的彩色3D模型

（二）应用3D打印技术呈现GIS图层的技术难点

通过3D打印技术呈现GIS数据的技术仍处于起步阶段，存在一定的技术难题，主要包括：

1.需要将大量不同种类的地理空间数据格式转换成STL文件格式。

2.减少在DEM数据转换为STL文件格式过程中的数据丢失。STL格式文件是目前3D打印机识别的几种文件格式之一。研究人员正在通过使用各种软件和方法分几个阶段获取3D STL格式的数据。已经成功的一种是将DEM ASCII XYZ直接转换成3D STL 数据。

3.3D打印技术本质上并不是一个廉价的技术手段，因此在制作实体三维物理模型时，一定要估算打印材料的使用量。

4.3D打印技术可以制作高精度、高分辨率的实体模型，但同时也可能丢失一部分细节特征。模型打印过程中，材质层堆叠的宽度将决定打印的分辨率，以及模型壁的最小厚度极限值。

5.用户需要提前准备好3D数字模型用于3D打印数据输入。

6.原始GIS数据被打印成3D模型后，数据的属性被整合压缩。但是有时研究人员需要研究数据的个别属性，需要重新返回平面地图--参考初始平面形态。

（三）3D打印技术与虚拟三维城市模型(CityGML)的联系

空间数据的可视化进程经历了一系列发展阶段。起初，仅能应用2D纸质地图以固定比例的非交互式的静态模式，对现实事物进行二维展示。随着信息技术的问世，这些2D地图可以被扫描至计算机，生成可根据需求进行适度缩放的非交互式数字2D图像，而虚拟世界的比例尺寸概念成为当时的技术挑战。随着地理空间信息技术的提出，附加相应非空间属性的交互式2D数据得以生成。GIS技术的进一步发展，成功创建了交互式3D数据和附加相应属性的虚拟模型。紧接着，三维建模功能迎来了一系列快速的进步和技术革新，在此基础上提出了3D模拟漫游概念，并应用相关软件生成动态视频。随后，随着硬件的进步，3D打印机的问世很大程度上缩短了三维实体物理模型的生成时间，使之前不可能实现的目标对象制作过程变得简单易行。

CityGML是一种用于虚拟三维城市模型数据交换与存储的格式,是开放地理空间信息联盟OGC认可的标准。与其它3D矢量格式相比，CityGML是表达现实世界的通用拓扑模型。对于特定的领域，CityGML也可以在保存语义互操作性的前提下提供拓展机制来丰富具有识别功能的数据。目标应用领域明确包括了城市和景观规划、建筑设计、旅游和休闲活动、三维地籍图，可采用5个连续的分辨率等级（LOD0-LOD4），打印精度从≤0.2 m至≤5 m不等。现阶段许多城市都根据CityGML建立了3D城市模型，如德国的柏林市和荷兰的阿珀尔多伦市。

四、3D打印技术在地学空间信息领域应用的发展趋势

当前，3D打印技术在地学空间信息领域的应用主要朝着三个新方向发展：

1.3D打印技术生成的房地产3D沙盘模型，不仅外观细节精确，分辨率较高，内部结构也符合标准比例尺，从而极大地提升规划和设计的参考价值。随着国内有关3D打印产业政策的舆论呼声日渐高涨，房地产领域在应用3D打印技术向消费者和规划设计人员进行展示的标准化问题会获得新进展，国家科技部的相关负责人已经表示，将会制定有关的3D打印行业规范及相关政策。

2.3D地质沙盘也有助于对建筑地基、地下空间构造、隧道等地质数据集成的理解。应用3D打印技术可快速生成三维地质矿产模型，帮助地质和矿山开发人员了解地质矿体情况。3D打印技术在一些技术较发达的国家的地学研究领域已有实践，在地下矿床油气田结构可视化、地质研究、野外环境分析、矿产资源能源开采以及军事指挥中，均有了许多成熟的应用。

3.地理空间信息科学研究需要更高三维精细度的3D模型。目前，全球最为流行的专业3D打印机是Zprinter系列产品，这种型号的打印机可以很好地兼容地理空间信息模型的输出，并支持全彩打印，从而将地质结构的三维实体特性清晰细致地展现出来，其效率很高。

世界著名商业建筑设计公司Jerde 在波兰华沙“Zlote Tarasy”项目的波状玻璃屋顶设计以及加利福尼亚州“Morongo 娱乐场耀眼天蓬”设计时，其效率呈“指数式”提升。麻省理工学院也将Z Corp.3D打印机应用于教学和科研中。不仅提升了学生教育体验的效益，同时也完善了建筑设计等相关专业的尖端课程，增强了与世界顶级研究机构及重点实验室的紧密联系。国内的一些测绘装备类企业，也积极在为国内的3D打印技术提供着硬件、软件技术和精准测绘数据上的支持，可以清晰地打印出高标准的模型。

3D打印技术被视为地学信息技术领域最大众化的发展方向。英国Terrainator.com地图平台是一家打印3D地图工艺产品的网站。用户可以在网站提供的地图中，按照一定的比例尺圈定区域，提交给地图平台，系统会自动生成三维地形结构图。网站会根据该区域的版图面积、地形复杂程度和一些定制化的要求为用户打印出三维地形模型。目前，该地图平台仅支持美国大部分地区、加拿大西部、英国及欧洲少数国家的部分地区。除此之外，美国网站Landprint.com则是一个明码标价出售3D地理模型和地形模型的公司，主要出售夏威夷群岛、世界著名山峰、著名国家公园和月球陨石坑四个类型的3D模型，比如圣海伦斯火山的3D地形模型可卖到195美元的高价。同样，该公司也提供3D地形定制化服务，满足客户的特殊需求。

3D打印技术在地学信息领域应用日趋广泛，并且技术上已经日臻完善，必将在地质调查三维模拟和地质勘查三维模型成果输出方面发挥重要作用。

(转自中国勘测联合网：www.xiexiebang.com 技术百科)

第五篇：3D打印技术在医疗料领域的应用

3D打印技术在医疗料领域的应用

机械1202 马也 3120301052 摘要：3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印技术能够根据不同患者需要快速精确制备适合不同患者的个性化生物医用高分子材料,并能同时对材料的微观结构进行精确控制.本文介绍了3D打印技术在医疗领域的应用。

关键词：快速成型技术，3D打印，医疗。

Abstract: 3D print, i.e., a technique of rapid prototyping, which is a digital document based on the model, the use of powdered metal or plastic material may be an adhesive, layer by layer manner by printing techniques to construct the object.3D printing technology for fast and accurate preparation of patients according to different needs of different patient, personalized biomedical polymer materials and the microstructure of the material can simultaneously be precisely controlled.This article describes 3D printing technology in the medical field.Keywords: rapid prototyping, 3D printing, medical.前言

3D打印是一项20世纪80年代后期逐渐兴起的新型数字化成型技术V-3]其基本加工原理是:根据计算机辅助设计(CAD)模型或断层扫描(CT)形成的数据，在电脑程序控制下，基于离散、堆积成型的原理，通过“分层打印、逐层叠加”的方式，对材料进行精确堆积以快速加工制造任意形状的3D复杂物体(见图1)3D打印技术具有能够按照设计的模型构建特定空间结构的能力，并能在制备材料时对其微观结构进行精确控制。这种具有独特优势的新兴技术，正在越来越广泛地影响着各行各业的发展。

近年来，3D打印技术在生物医用材料应用领域的研发已得到越来越多的关注，并取得了诸多成就。研究人员可根据不同患者的需求，采用3D打的个性化生物材料。在理论创新方面，提出了“生物印刷”的概念，即将3D打印技术和生物工程技术结合起来，将材料科学、生命科学与印刷技术相融合，为研究组织工程学在3D尺度上与人体器官和组织相似的三维实体相匹配进行精确控制提供了新的思路和方法。导电聚合物具有独特的电活性和导电性特点，不仅可用作药物、基因载体;在电刺激条件下，尚可调节细胞的豁附、迁移、增殖及分化等其他功能，在“生物印刷”技术中具有重要的研究意义。危岩及其课题组着重于导电聚合物材料的研发，取得了丰富的成果，并归纳了“生物印刷电子材料”技术的核心，即采用3D打印技术将具有电活性的材料制备成生物医用支架，继而在此支架上实现可以调控和优化的可控细胞和组织生长，最终获得有生物功能的新产品或新技术，以应用医学检测、诊断和治疗。这些成果对3D打印技术在医疗行业的发展产生了巨大的促进作用。

一、3D打印在医疗临床应用案例

（一）、3D打印用于足踝手术手术风险降低

3D打印出的骨头和患者真实的骨头在外形上可以实现1：1的效果，相当于是将患处的骨头“搬运”了出来。武汉大学人民医院骨三科主任李亚明教授介绍，涉及到足踝关节等复杂部位时，传统影像报告的局限性往往让专家们“眼见不一定为实”。如何矫形、切口如何设计、要涉及哪些关节，这些都不十分明确。医生只能依靠以往的经验一点点地截骨，导致患者的创伤和风险也随之增加。

（二）、“3D打印技术”进入先心病治疗

3D打印制造的人类骨骼组织，为越来越多的患者解除病痛。近日，复旦大学附属中山医院心外科课题组首次将3D打印技术应用于经导管主动脉瓣置换手术(TAVI)，成功为一例77岁高龄的主动脉瓣重度狭窄合并关闭不全患者实施了TAVI规划与导航。3D打印技术则可将患者的二维影像数据转化成栩栩如生且实物大小的心脏模型呈现于医生眼前，并可提供更多传统影像学检查难以显示的丰富信息，从而将上述复杂过程大大简化和标准化，使得手术更准确安全。

（三）、3D技术应用于癌症切除

随着第三代3D打印技术的发展，3D打印技术在制作组织器官的代替品上也日趋成熟。3D打印技术在准确定位病灶与重要脉管结构的关系上发挥了重要作用，不但可以快速制造出与术中大小位置完全一致的透明化3D模型，也使外科医生跳出“凭空想象”的窘境，在术前即可从多维度真实预见术中情形，明确重要管道的走行，制定手术路径和程序并预演手术。在3D打印技术的辅助下，外科医生可借助肝脏及解剖机构的3D图形，精确定位病灶并确定手术路径，实现完整切除病灶和避免重要解剖结构损伤的多目标优化。

以前只能通过电脑实现的3D效果，现在通过3D打印后1∶1的比例将模型带入手术室与术中进行比对，实时引导重要管道的分离和病灶的切除，提高手术的根治性切除率，同时降低手术风险，最终实现患者获益最大化。这种方式也有助于术中讨论以及对年轻医生进行培训。

目前在医院成功切除的10例胆道癌症患者中，有6名在传统治疗评估中是无法进行切除手术的，但通过3D打印技术后，成功进行切除手术，其中还有几名4期癌症患者，经过切除后可存活5年以上。

（四）、3D打印应用于牙科

“如今，3D打印技术已经应用于正畸牙套制作。”高杨说，别小看了这个塑料牙套，它可是高科技产品。无托槽隐形矫治器就是3D打印技术的一种产品。首先，牙齿所有的位置信息通过扫描模型或者直接扫描牙齿，技师们就得到一套3D数字模型。然后，医生根据具体情况进行诊断和设计，决定每个牙齿最后应该在什么位置。技师再将所有中间过程细化为一个个小步骤，每一个小步骤牙齿的位置都有细微的差别，每一个步骤都对应一套3D数字模型。最后，将每一个步骤的3D数据打印出模型，再以这些模型为模板，打印出塑料牙套。

（五）、3D打印矫形器会更加舒适体贴、效果更佳

通过在一些医生以及患者那里我们了解到，大多数患者在治疗过程中经常会面临矫形手段与辅助工具不能灵活调整的问题。患者在初次使用矫形器时常常感到不舒服，他们的脚从来没有真正与矫形器完全匹配。传统的矫形器使用石膏模具，其中有太多的估计的环节，导致矫形器的拟合效果差。

通常我们通过扫描仪对患者肢体进行高精度数字扫描，公司技术人员根据不同病人的特点，特定功能需求，进行数据处理，包括设计矫形器，调整修复三维模型，然后通过JOYE的专有软件为患者创建精确的数字三维模型，最后利用先进的3D打印技术制作出完全附和患者肢体的矫形器。

二、3D打印技术在医疗领域的优势

（一）、3D打印技术的特点。

3D打印技术具有自由成型的特点，能快速精确地制造个性化内植人物，不仅可减少患者的等待时间，提高手术质量，还解决了传统通用型内植人物修复时形状不匹配和力学性能差的问题。

（二）、3D打印技术的适用领域

3D打印技术在制造多孔内植人物和有复杂微观结构的复合内植物方面具有独特优势。以上2种内植人物有望解决现有内植人物普遍存在的应力屏蔽现象和生物活性低的问题。因此，3D打印技术可应用于个性化颅领面骨修复、个性化人工膝关节修复、个性化牵引成骨、手术导航与定位器具等个性化内植物与医疗器械的制造。

（三）、3D打印机可以零时间交付。

可以根据病人的订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足治疗需求。如果人们所需的物品按需就近生产，零时间交付式生产能最大限度地减少长途运输的成本。节约急症患者的救治时间。

三、总结与展望

在医疗行业，目前3D打印在我国体外医疗器械制造和个性化永久植入物方面都有一些应用，供产品设计的医疗模型和指导手术的导板装置也已使用多年。而在3D生物打印方面，我国仍在实验阶段。

“总体而言，我国的3D打印技术仍处于起步阶段。”我国与欧美国家相比仍有较大差距，目前关于3D打印的核心技术多数都在国外，而我国医疗行业使用的3D打印机和金属打印材料多数依赖进口，国内的技术还欠成熟。“中国是钛生产大国，但是目前专门生产适用于3D打印钛粉的企业极少，并且产品质量与国外差距较大，企业生产的积极性也不高。”而在产品价格方面，国外3D打印机设备和材料的价格也居高不下。据悉，用于制造器官模型的3D打印机售价在120万元至300万美元，打印金属制品的设备价格则在350万到1500万元人民币左右，很多医院和机构难以承担，这也成为医疗行业3D打印发展的巨大障碍。

要促进3D打印在医疗行业的广泛应用，还有以下几点要做，一要鼓励发展拥有自主知识产权的3D打印机和专用配套材料，二是加强计算机辅助设计人才的培养，三是政策上的支持，比如鼓励使用并推广这项新技术，同时严控质量，包括完善医疗器械监督管理条例，加强行业管理和规范，鼓励创新和临床转化。现有的医疗器械管理条例于2000年开始执行，当时并无涉及3D打印的规定，这势必会影响3D打印技术更好的为病人服务，值得引起更大的关注。而汪祥艮认为，目前3D打印在医学行业面临的最大挑战就在于传播和教育，新技术的应用需要从传统技术慢慢过渡并逐步适应，与传统技术相辅相成，需要人们不断看到该技术的优势。因此，希望继续加大对医疗行业和公众的宣传及培训教育。同时MikeRenard则表示，中国要更好地在医疗行业采用3D打印技术并支持相关产业的增长，需要做到三点：首先，确保对于该项技术的控制和知识产权保护；其次，促进国家食品药品监督管理局与欧美主要国家政府监管机构之间的合作；最后，建立清晰的回报预期，使技术拥有者在将具有经济可持续性和能为社会和医保系统产生价值的技术引进到中国后，能够基于准确的信息来作出决定。

参考文献

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