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人民日報:3D打印,這樣走進我們的生活

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3D打印,又稱增材制造,是一種數字化制造過程,通過逐層堆積材料來創建三維物體。今天,3D打印以其獨特優勢正向生產生活各個領域廣泛滲透,醫療、建筑、航天、工業生產、教育、文物保護等場景都能看到這項新技術的應用。

記者選取與日常生活較近的3個場景:蓋房子、看病就醫、陶藝DIY,一窺新技術如何進入和改變我們的生活。

由新之聯伊麗斯(上海)展覽有限公司主辦的“2024上海國際增材制造應用技術展覽會”將于2024年3月6-8日在上海世博展覽館隆重舉辦。展覽內容涵蓋增材制造原材料、機械設備、部件產品及服務等整條工藝鏈。展會規模達45,000平方米,云集900+家中外企業參展,同期會議論壇嘉賓演講多達100+場次,預計將吸引65,000名專業觀眾到場參觀。

同期將舉辦第六屆SAMA增材制造大會,將邀請全球增材制造領域的行業領袖、專家學者、企業高管蒞臨參會,圍繞原材料、核心軟硬件、關鍵工藝、創新應用等多角度分享前沿觀點,多維度解構最新技術,多方位剖析市場前景,并從行業用戶的視角詮釋和呈現增材制造技術應用的典型案例和發展趨勢。誠邀您蒞臨參會!

202401171354299894.jpg識別二維碼,報名參會

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像搭積木一樣蓋房子——

打印農房成了“網紅”景點


4個月前,56歲的張國烈怎么也想不到,自家農房會成為“網紅”景點。
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位于河北省故城縣的3D打印民居。本報記者 康 樸攝
這座約400平方米、由6間北房組成的農家院坐落在河北省故城縣房莊鎮宋莊村,采用“3D打印與模塊化裝配”的新型建造方式,在工廠將數字模型打印制作成一塊塊像積木一樣的墻體模塊,運到現場后,僅用7天就完成了主體結構安裝。
新奇的蓋房子方式在十里八鄉傳開了,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?記者走進這座農家小院一探究竟。在一片紅磚砌體民房中,這座灰白色的院落格外出挑。面對一撥撥探訪,張國烈總是熱情地把來客迎進院中,“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”。
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3D打印的“祥云福鹿”雕塑。  本報記者  康  樸攝

這座民居由浙江大學建筑工程學院智能建造團隊聯合靈砼科技、冠力科技、山東基石增材公司產研協作共同完成?!霸郝洳捎靡惑w化數字設計,整個房屋、院墻、廊柱等結構部件,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,外部雕花紋理和內部管線空腔都是在設計階段隨著結構一起做好,三維建模,所見即所得?!闭憬髮W建筑工程學院副教授孫曉燕介紹。
“設計完成后,打印過程就像擠奶油,3D打印機的噴嘴在設計好的軌道上來回運行,同時‘吐’出混凝土,一層層堆疊起來,墻體模塊就造好了?!睂O曉燕說。記者湊近仔細觀看,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感的花紋。

顏值挺高,實用性如何?

“設計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構抗震抗災的配筋需求,保溫性能好,燒天然氣取暖,比住普通房屋更省,結構強度也更高?!闭憬髮W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,更綠色環保?!?/span>

造價如何?“這座院子建設成本為30萬元左右,和農村普通的磚混房建造成本接近,附近幾個村的農戶也想著在自己家‘打印’一套?!惫食强h農業農村局副局長張延安表示,“現在農村蓋房子經常面臨用工短缺,3D打印為美麗鄉村建設提供了新思路,我們計劃在更大范圍內推廣?!?/span>

認可背后,是科研團隊板凳甘坐十年冷的艱辛與執著。

“從2013年起就致力于數字建造技術研究,用2年時間摸清了打印混凝土的性能調控,又逐步攻克打印設備、配筋增強技術以及打印建造技術等,團隊至今已取得3D打印材料、裝備、結構、施工方法國內外發明專利30余項,設備和技術也出口到了國外?!蓖鹾}堈f。

甘肅火星1號基地太空艙酒店、香港景觀座椅、沙特阿拉伯大型別墅……該團隊的3D打印建筑物已在多地亮相?!俺送七M更多項目落地,我們正探索水下和太空等場景的3D打印技術,并取得積極進展?!睂O曉燕說,“增材智能建造的國際標準不久前發布,這意味著替代傳統建造的步伐將會加快。希望在不久的將來,能像科幻電影里那樣,在海底和太空實現遠程無人智能建造?!?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"/>

從削足適履到量體裁“骨”——

為提升健康福祉出份力


上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院10號樓5層,3D打印接診中心的一個房間里,大大小小的人體骨骼和關節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,那是特意標識的患者真實腫瘤形態?!熬拖耖_車看導航一樣?!痹撛汗强浦魅吾t師郝永強說,“應用于手術設計的病變模型屬于3D打印醫學應用的第一個層次。有了這個模型,腫瘤多大、長在什么位置,與周圍臟器、血管神經等之間是什么關系等等一目了然,既減少手術時間,也能幫助年輕醫生更快成長?!?/span>
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郝永強展示他制作的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斗。小的缺損人體可以自我修復,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,也沒有兩個人的關節或骨缺損的情況是完全一樣的?!焙掠缽娬f,“過去,同一款人工關節假體形態基本一致,僅有少數幾種尺寸差異,后來隨著設計改進,組成假體的部件有多種規格,連接部有了更多的調節接口,但即便如此,效果仍不理想?!?/span>

3D打印的應用,實現了骨科手術由削足適履到量體裁“骨”的精準化治療。搭載人體細胞、細胞因子的生物打印活性組織或器官,則代表了3D打印醫學應用的最高層次。

郝永強清楚地記得兩年前一位16歲女孩由母親陪同來向他求助。當時,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”。

“切除腫瘤會引致骨缺損,傳統的治療方法采用自體骨或異體骨移植,都存在一定風險或缺陷,如二次手術創傷、疾病傳播、免疫排異、骨來源受限等?!焙掠缽娬f。

看著陳列室冷冰冰的模型,聽著讓人一頭霧水的術語,患者和家屬都有點蒙,但郝永強還是說服他們,同意采用一項新技術——那是中國科學家開創的“生物3D打印活性骨修復骨缺損”技術的首次應用。

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郝永強(右一)與團隊工程師探討手術規劃及3D打印個性化假體設計方案。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胞及活性生長因子,與缺損區域周圍骨組織細胞相互作用,骨形態完全匹配,修復速度也大大加快。

效果出乎患者預料。術后一個多月,這名女孩就能活動自如了,不僅回到課堂,還能上體育課。

從醫35年,在郝永強幫助下,已有成百上千名患者感受到3D打印技術的溫度?!吧鲜兰o90年代,國內醫生會優先選擇國外的技術和產品?,F在,從原材料到設備軟硬件再到實施手術,我們實現了3D打印骨科手術技術和產品的完全國產化,手術成果讓外國專家瞪大眼睛?!焙掠缽娬f。

2016年上海交通大學醫學3D打印創新研究中心成立,郝永強擔任該中心主任。到現在,全國28個省份已成立約100家醫學3D打印分中心。不僅如此,國外骨科醫療器械商拋出的橄欖枝也讓郝永強意識到,應該到國外建設分中心:“我們的技術創新走到了全球前列,‘走出去’既是擴展自身影響力,也是為提升海外尤其是醫療欠發達地區患者的健康福祉出份力?!?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"/>

在家也能燒瓷器——

更便利地享受動手樂趣


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,數十道程序下來,往往歷時數月才能制作完成。

今天,網購好原料,用陶瓷3D打印機,使用窯爐燒制,或者更簡單點,家用微波爐也能替代——劉文強測算出的平均時間是15分鐘。

10年前,出于個人興趣,山東大學機械工程專業二年級學生劉文強研發了一款陶瓷3D打印機,在學校環保主題的創新比賽中拿了獎,后來代表學校參加全國比賽,又斬獲一等獎,這些獎狀一直被他悉心珍藏。

10年間,這名獲獎大學生成了濟南辰坤智能科技有限公司創始人,一款產品衍生出適用于多種場景的系列產品?!凹扔羞m合普通消費者的,也有的適合專業人士、公司。如用彩色釉料打印,也能實現上釉效果?!眲⑽膹娬f。

劉文強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,這些都是他開發的陶瓷3D打印機制作的。與其說是辦公室,倒不如說更像一個陶藝DIY手工作坊。劉文強說:“陶瓷3D打印機大大降低了藝術創作、藝術體驗的成本?!?br style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;"/>

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濟南辰坤智能公司研發的3D陶瓷打印機及其打印的陶瓷制品。受訪者供圖

打印出來的作品,稱得上藝術品嗎?這是劉文強經常面對的質疑?!坝腥苏f機器做出來的東西沒有靈魂?!彼貞?。

最初,劉文強也不知道如何反駁,直到他從用戶樂此不疲的體驗中找到了3D打印文創產品的價值。吉爾·泰勒是美國人,有60多歲,很喜歡陶藝,但隨著年齡增長,手經常不聽使喚,陶藝制作讓她感到有些力不從心,直到發現這家公司的產品。

泰勒在社交平臺上“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,身姿優雅,頭微微抬起,凝視遠方,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、突破傳統工藝的束縛,做出更加復雜多變的形態,帶來更大的創作自由度?!眲⑽膹娬f。

可以打印的,不只是陶瓷。手辦、船模、建筑模型、雕像、玩具……在文化創意領域,3D打印的應用越來越廣。劉文強感覺到,消費級3D打印機市場增長速度很可觀。有數據佐證了這一點:2022年中國消費級3D打印設備銷量為135.18萬臺,較2017年增長14.4倍。

打印速度慢、使用門檻高、產品價格高等因素一度“勸退”廣大普通消費者。近年來在市場需求和技術進步共同催化下,消費級3D打印機銷售價格大幅下探,并叩開海外市場。

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在海外手工達人開設的陶藝課程上,陶藝愛好者體驗濟南辰坤智能公司研發的3D陶瓷打印機。受訪者供圖

“我們的用戶主要來自海外,一些動手能力很強的人還會熱情地提出建議幫助改進產品,很喜歡這種和用戶共創的氛圍?!眲⑽膹娬f,“希望我們的產品能走進更多家庭,讓人們更便利地享受動手樂趣?!?/span>

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