工业级别3D打印机
依托CT扫描图和3D打印机，患者骨折后骨骼的具体恢复状况被成功复制；借助轿车汽缸的三维实景数据，经过3D打印机的一番操作，一个实体汽缸就诞生在我们眼前；拿到卡通人物的三维数据，你的偶像也能被轻松“打印”。这是最近记者在广州市一家3D打印企业的真实所见。
3D打印被视为引领新一轮科技革命和产业变革的核心技术之一。当前，广州市在激光与增材制造及医疗器械产业方面已具有显著的发展优势和先导地位。本期《科技周刊》，记者来到广东省唯一一家被科技部认定的3D打印产业国家级科技企业孵化器——广州市3D打印产业园采访，向读者们介绍3D打印的科学原理和神奇应用。
光敏树脂+激光构筑模型
在广州市3D打印产业园的广州捷和电子科技有限公司，记者见到了多款工业级3D打印设备。公司总经理李一奇饶有兴致地讲述了3D打印机的工作原理。
1 参数输入主板
SLA技术是3D打印的核心技术，全称是立体光固化成型法，就是利用激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，之后随着面与面的层层累加，周而复始就构成了一个三维实体。
理论上，任何物体都可以利用相互垂直的X轴、Y轴、Z轴构建的三维函数来进行建模，随后将数据输入3D打印机主板，打印机的激光器就可以开始层层打印。只要3D打印机足够大，任何物体都可以一体成型。
运行3D打印机还离不开软件和硬件主板。李一奇介绍，公司开发的主板性能优良，只要将三维数据通过USB接口连接打印机主板，读取数据后，就可以指导激光系统完成打印任务。而光固化材料以树脂路线为主，目前，公司生产的性能最优良的3D打印机配备了10个激光模组，其工件制作速度可达1.7kg/小时，最大成型空间为2250毫米（长）、900毫米（宽）、400毫米（高），这也意味着不少航空航天、汽车的大型部件，可以通过这台机器直接打印。
2 光固化材料输出
3D打印离不开光固化材料。比较常见的是光敏树脂，其在3D打印机内以液态呈现，当激光照射到液体树脂时，便会瞬间凝固，形成固体模型。
另一类光固化材料则是金属粉末，以钛合金、铝合金、模具钢等粉末为主。此外，尼龙同样可以作为光固化材料。
3 激光照射 材料固化
3D打印离不开激光系统，其核心为二极管固体激光器，其发出的光斑，直径可精细至0.1毫米，被激光照射的光固化材料会固化、未照射激光的则不会。通过控制光斑的明暗，可以控制哪个点要打印，哪个点不用打印，由此构建3D打印的基础。
4 打印后吸附涂铺
一台3D打印机需要有重涂系统，对打印出来的材料进行吸附涂铺，李一奇介绍，公司开发的工业级3D打印设备中的智能真空吸附涂铺系统，可精细打印层厚精度，其中精密制作层厚精度为0.05毫米至0.1毫米。
5 升降系统实现分层打印
要实现分层打印，打印机还需要有升降系统，李一奇介绍，目前公司所产3D打印机的重复定位精度可达±0.01毫米，垂直分辨率可达0.0002毫米。
“总的来说，3D打印就是利用激光和光固化材料衍生而来的，所以我们业内，3D打印更专业的名称为激光与增材制造，3D打印则是非常形象的形容词。”
——李一奇·广州捷和电子科技有限公司总经理
科学家解前沿
广州一项3D打印科技填补国内空白
广州医科大学于今年8月发布国内首台商业化体积打印装备OrganSEC，并推出自主研发的国内首款体积打印装备控制软件（Haomiao）
3D打印技术专家、华南理工大学机械与汽车工程学院教授宋长辉告诉记者，在前沿领域，世界上已出现生物3D打印、微纳3D打印、太空3D打印等新方向。在生物3D打印领域，广州医科大学于今年8月发布国内首台商业化体积打印装备OrganSEC，并推出自主研发的国内首款体积打印装备控制软件（Haomiao）。体积打印技术能解决常规逐层式打印速度慢、细胞存活率低的问题，技术指标达到国际一流，填补国内空白。设备将主要针对类器官市场，包括类器官制备、基于类器官的肿瘤个性化用药以及基于类器官的药物筛选等。
空间3D打印技术是一种在太空环境中制造物体的先进制造技术。广州商业航天企业中科宇航在2022年试车的“玄鸢一号”20吨级液氧煤油火箭发动机大量采用3D打印，该型发动机采用高压气起动、点火剂点火，使用方便，维护简单；推力室通过采用隔板喷嘴一体化设计方案，突破了高效稳定液液燃烧技术。
微纳3D打印技术能够在微米至纳米尺度上精确构建复杂的三维结构，可以在极细的分辨率下制作出具有高度复杂性和精确度的产品。可广泛应用于微纳机电系统、微纳光学器件、微纳传感器等领域。
工业级别3D打印机正在工作中。
“广州最大的优势是创新核心原动力”
华南理工大学、广东工业大学、广州医科大学、暨南大学、广东省科学院等高校和相关科研院所都对3D打印技术开展研究。广州市3D打印产业园是国内最早的国家级增材制造科技企业孵化器之一
宋长辉认为，在3D打印领域，广州最大的优势是其创新核心原动力。目前，华南理工大学、广东工业大学、广州医科大学等高校和相关科研院所都对3D打印技术开展研究。位于荔湾区的广州市3D打印产业园是国内最早的国家级增材制造科技企业孵化器之一。
广州市产业门类非常齐全，从上游的原材料工业，到3D打印机的生产制造企业及相关的软件设计企业，都可以找到。广州在生物医药、汽车工业、商业航天等领域的布局，也为3D打印产业提供丰富的下游客户和适配应用场景。
宋长辉建议，接下来广州应深化产学研融合，进一步提升产业的创新能力，并进一步打造3D打印产业集群，培育出更大的有国际影响的龙头企业。
据悉，广州涉及3D打印业务的企业超130家，拥有迈普医学、爱司凯等上市企业，在2022年工业和信息化部发布的《首批增材制造典型应用场景名单》中，3家企业入选4个场景；在创新能力和产业园区建设方面，拥有8个国家级平台和12个省级工程技术研究中心。荔湾区正积极推进激光与增材制造产业发展，并与中国科学院院士冷劲松共建广州未来增材研究院。
应用
医疗领域
常用于整形牙套
记者了解到，3D打印最早应用于医疗领域。目前最为常见的是口腔医院的整形牙套，牙齿矫正是一个漫长的治疗过程，每一个时期都需要有配套的整形牙套帮助矫正，整套治疗下来，需要30多副整形牙套，目前，李一奇所在公司已与广州市内多家口腔医院合作，医生向公司提出牙套的设计需求，通过3D打印牙套来帮助患者矫正。
3D打印在牙科得到普遍应用。
3D打印全距骨假体可治疗严重距骨病变。广州日报全媒体记者吴子良、王燕、杨耀烨摄
目前，3D打印对手术中的复杂植骨术也有重要帮助。对于一部分口腔癌患者，医生必须手术切除颌骨（下巴骨），这不仅会导致患者毁容，还会严重影响其咀嚼、吞咽等功能，这就需要医生进行颌面重建手术。公司目前与市内多家三甲医院合作，根据患者的CT图，3D打印出患者的下颌骨模型。手术时，医生会取出患者的腓骨，根据患者的下颌骨模型，将腓骨打断，设计成患者的下颌骨模样，再植入患者体内，以保留患者下巴的功能和容貌的完整性。
此外，医生还会根据CT图，3D打印骨折患者的患骨，以便更清晰判断骨折的恢复状况，减少误诊误判等。
3D打印的发动机等装备配件
汽配领域
与失蜡铸造结合
在汽车领域，如今3D打印的功用已不可或缺。李一奇向记者展示其公司利用3D打印技术铸造的汽缸等汽车零部件。汽车工业对于材料的要求很高，不少零部件并不能直接用金属3D打印的方式制成，但仍可利用3D打印与失蜡铸造相结合的办法进行生产。其原理就是利用一种特殊的熔点低、残留少的光固化树脂，先精细打印零部件的模型，再将模型内外包裹一层易凝固、熔点高、不变形的特殊物质，待这一物质完全固化定型后，利用蒸汽、焙烧等办法，将树脂烧掉，只留下一个类似模具的外壳。最后，再向外壳中浇铸符合汽车工业要求的金属，等金属冷却定型后，整个零部件便生产出来了。
3D打印叠层技术应用，可令羽绒服“感知”气温，作出调整。 广州日报全媒体记者王燕、陈忧子、陈希摄
民生领域
让羽绒服变“聪明”
在民生领域，3D打印也展现出独特魅力，比如花都区在花东镇联安村和花城街罗仙村安置区试点利用3D打印技术建设乡村公厕，3D打印公厕的材料是回收的建筑垃圾，非常环保。广州供电局也曾利用建筑3D打印技术建设配电房，该技术运用先进的计算机和控制技术，将传统的砌砖、浇筑等人工工序转变为工业自动化打印方式，大幅度提高施工质量和效率。
在今年广交会上，有一款采用3D气凝胶面料以及3D打印叠层技术的羽绒服，可以自主感知温度、调整厚度，受到不少人的关注。
文/广州日报全媒体记者武威
图/广州日报全媒体记者王维宣（除署名外）
