3D打印機(jī)與普通打印機(jī)的區(qū)別

不同于很多人想象中的憑空造物，3D打印技術(shù)利用的是一種“提升維度—累積”的思想。 通常來說，藝術(shù)家在二維尺度上創(chuàng)作繪畫作品，即長和寬兩個(gè)方向，雕塑作品則有三個(gè)維度，分別是長、寬和高。3D打印技術(shù)的核心在于把一個(gè)立體的物體分割成無數(shù)層級，每個(gè)層級都是一幅獨(dú)立的畫作。在打印機(jī)工作的時(shí)候，每一個(gè)層級都疊加于前一個(gè)層級之上，聚沙成塔，最終完成一個(gè)固態(tài)的立體構(gòu)件。

就結(jié)構(gòu)上來說，一般的3D打印機(jī)與普通的噴墨打印機(jī)區(qū)別不大，都是有噴頭、墨盒、支架之類的組件，但是因?yàn)橛脕泶蛴×Ⅲw部件，大多數(shù)3D打印機(jī)還有一個(gè)可以上下移動(dòng)的支持平臺，用來承載打印的部件。至于工作原理，則跟傳統(tǒng)二維打印機(jī)一樣，需要在電腦上設(shè)計(jì)一個(gè)模型（圖形），輸入之后才能打印出物體?，F(xiàn)行的3D打印機(jī)輸入文件格式，包括STL、3DS、DXF、OBJ、WRL、ZPR等等，其中要屬STL和WRL較為流行。打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，把“墨水”逐層打印出來。比較常見的墨水有粉狀或者液體狀兩種，對于兩種墨水，分別有兩種后續(xù)處理方法。就粉狀墨水來說，有黏合法：噴頭首先將粉狀微粒噴灑成一張圖案，然后用液態(tài)黏合劑進(jìn)行黏合使其定型，然后再噴灑下一層。激光熔鑄法：用激光高能集中的特性對每一層粉狀顆粒進(jìn)行加工，然后逐層累積成型。對于塑料產(chǎn)品，還可以使用液體墨水，首先噴灑一層液態(tài)的塑料物質(zhì)，等凝固之后再噴灑下一層。目前市面上的3D打印機(jī)大多尺寸不大，即使是世界最大的3D打印機(jī)也離制造大型工業(yè)構(gòu)件為時(shí)尚早。

3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀

中國物聯(lián)網(wǎng)校聯(lián)盟將3D打印機(jī)稱作“上上個(gè)世紀(jì)的思想，上個(gè)世紀(jì)的技術(shù)，這個(gè)世界的市場?！边@種說法不無道理，單一噴頭的3D打印機(jī)對處理塑料、金屬、陶瓷甚至其他常見材料已是不在話下。有一些設(shè)計(jì)復(fù)雜的3D打印機(jī)則可以處理復(fù)合型材料，比如內(nèi)層是金屬，外層是塑料；又或者幾種不同顏色的材料互相交織，打印出彩色的雕像。對于傳統(tǒng)工業(yè)，3D打印機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于可以加工出精確的物件，比如高精度的小型金屬原件，或者是尺寸小但是復(fù)雜的工藝品甚至是食品。想要制作出更精細(xì)的產(chǎn)品，則必須滿足兩個(gè)條件，一是更加精確的三維掃描或者三維設(shè)計(jì)文件，二是減少每一層的厚度。任意一個(gè)條件都會加大制作的時(shí)間成本和材料成本。從目前來說，這些就注定了3D打印機(jī)還無法投入大規(guī)模生產(chǎn)，另一方面來說，需要大規(guī)模生產(chǎn)的構(gòu)件并不要求很高的精度。

3D打印機(jī)與傳統(tǒng)打印機(jī)的最大區(qū)別在于材料。正是因?yàn)?D打印這項(xiàng)技術(shù)的先天定位，其在利用傳統(tǒng)材料制造物件上的可開發(fā)性不大，取得的經(jīng)濟(jì)效益有限。不過總體來看，3D打印技術(shù)還是有光明前景的，但是其應(yīng)用性在目前來說，并沒有想象的那樣大。無論是在“墨水”的制造上，還是儀器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化上，仍有許多技術(shù)壁壘需要攻克。

3D打印技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

從3D打印技術(shù)在當(dāng)前開發(fā)應(yīng)用的初步成效來看，未來人們可以將它廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。日常生活中，人們?yōu)楦鞣N各樣的病痛所困擾，尤其是因?yàn)槟承┰驅(qū)е缕鞴傩匀睋p的病人，如骨頭壞死被截肢、器官病變被切除等等。眾所周知，接受器官移植手術(shù)的病人在術(shù)后，必須不間斷地服藥以減少自身免疫器官對外來移植器官的排斥作用，這給病人帶來極大的痛苦和損傷。

由于器官的結(jié)構(gòu)和功能較為復(fù)雜，所以結(jié)構(gòu)比較單一的骨骼成為打印的首要目標(biāo)。日前，北京大學(xué)第三醫(yī)院骨科專家劉忠軍教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在征得病人同意之后，在脊柱及關(guān)節(jié)外科領(lǐng)域研發(fā)出3D打印脊柱外科植入物植入患者體內(nèi)，包括頸椎椎間融合器、頸椎人工椎體及人工髖關(guān)節(jié)在內(nèi)的三個(gè)產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了臨床觀察階段。從材料上來看，這種假骨與真骨有一定的區(qū)別，它的主要作用在于定型，可以將周邊的骨頭吸引過來，使人體骨骼和植入物結(jié)合起來，促進(jìn)患者康復(fù)。2013年6月，美國麻省理工學(xué)院的Markus Buehler也宣布他的項(xiàng)目組開發(fā)出一種類似人類骨骼的生物材料，這種材料也有類似骨骼的復(fù)合結(jié)構(gòu)（膠原蛋白和羥磷灰石），由兩種不同的物質(zhì)交錯(cuò)形成，它的韌性甚至比人骨更強(qiáng)。另一種方法就是利用3D打印技術(shù)打印出一個(gè)“腳手架”，在里面填入可以發(fā)育成人骨細(xì)胞的胚胎細(xì)胞和生長因子。目前，這種方法在老鼠身上已經(jīng)取得成功，但還沒有在人類身上進(jìn)行臨床實(shí)驗(yàn)。此外，現(xiàn)在的技術(shù)還可以為患者定做牙齒，更加方便，節(jié)省時(shí)間。

科學(xué)家的目標(biāo)不僅于此，為了解決免疫系統(tǒng)對外來器官的排異問題，他們已經(jīng)在著手利用3D打印技術(shù)定制器官。首要的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是腎臟，因?yàn)槿梭w有兩個(gè)腎臟，有參照物可以作為對照，可以更精確地建設(shè)三維模型?？茖W(xué)家的設(shè)想是用3D打印機(jī)打印出一個(gè)跟完好腎臟一樣大小的模型，在這個(gè)模型里面有無數(shù)個(gè)大小、形狀不一的空隙；接下來是在不同的空隙里面注入可以成長為不同細(xì)胞的胚胎細(xì)胞、誘導(dǎo)素、生長因子以及營養(yǎng)物質(zhì)。經(jīng)過一段時(shí)間的培養(yǎng)，這些空隙被填滿之后，這個(gè)人造腎臟就會擁有類似真實(shí)腎臟的功能，而且不會受到病人免疫系統(tǒng)的排斥（用病人自己的細(xì)胞培養(yǎng)而成）。但是，這在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨許多問題：這個(gè)腎臟能否有人器官一樣的功能、培養(yǎng)過程會不會太慢以及這個(gè)腎臟移植之后的成活問題等等。 所以說，人類在器官打印技術(shù)應(yīng)用的道路上還有很多需要攻克的難題。