劉小雨，陳蓉，盧珍松

(四川省冶金地質勘查院，成都 610051)

0 引言

傳統(tǒng)的地礦行業(yè)以礦產勘查及礦業(yè)咨詢?yōu)橹饕獦I(yè)務，隨著地礦行業(yè)大轉型的發(fā)展趨勢，地礦行業(yè)在傳統(tǒng)地質找礦的基礎上，向測繪、工程勘察、水工環(huán)、地質災害防治、城市地質、農業(yè)地質、旅游地質、污染土地治理、環(huán)境保護等眾多新興地質技術服務領域拓展。在現(xiàn)今“數(shù)字礦山”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字中國”的宏偉目標下，數(shù)字地理空間框架作為其重要的基礎構架，有力推動了地礦行業(yè)地理信息技術由傳統(tǒng)的二維圖像向三維圖像的技術變革。

地礦行業(yè)是3D打印技術應用的新切入點，近年來呈蓬勃發(fā)展之勢。地礦產業(yè)模型通常為高度定制化模型，模型形態(tài)復雜，實體化制作過程中，若采用傳統(tǒng)的制造工藝，需要耗費比較高的人力、物力成本。3D打印作為一種新型材料制造技術，以逐層打印、疊加成型的制作原理，可以有效降低工藝成本負擔，使地質三維實景模型可以直觀地展現(xiàn)到管理人員、設計人員面前。

1 3D打印技術發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術起源于美國。1985年由Charles W.Hull開發(fā)出光固化技術(SLA )，并成立3D System公司。2000年以來，3D打印技術逐步從單一的工業(yè)領域延展到私人、政府機構、醫(yī)療、食品、時尚等更廣泛的領域中。經過多年來的研發(fā)應用，目前3D打印技術種類繁多，各類技術各有優(yōu)勢與缺點，適用于不同領域的需求。常見的3D打印技術包括立體固化成型(SLA)、噴墨印刷(PolyJet)、選擇性激光燒結/熔融(SLS/SLM)、熔融沉積造型(FDM)、連續(xù)液面生長(CLIP)、電子束選區(qū)熔化成形(EBM)、多射流熔融(MJF)、定向能量沉積(DED)、激光熔覆沉積(LENS)等多項技術(表1)。

表1 3D打印主流技術分類Table 1 The leading classification of 3D technologies

立體固化成型技術(SLA)主要用于模具、模型的制造，這項技術具有成形的速度快、精度高、成品表面光滑的特點；但樹脂在固化的過程中會產生收縮，相應地出現(xiàn)應力或形變現(xiàn)象，所以開發(fā)收縮率較小、固化速度快、強度高的光敏材料是這項技術今后發(fā)展的方向。

噴墨印刷技術(PolyJet)的優(yōu)勢體現(xiàn)在成型的效率高，由于增加了噴頭的數(shù)量，從而實現(xiàn)了彩色打印制件，減少了后續(xù)的處理環(huán)節(jié)，但目前多為進口設備，價格較為昂貴[1]。

選擇性激光燒結/熔融(SLS/SLM)中的激光熔融技術(SLM)是在激光燒結技術(SLS)基礎上發(fā)展而來的，它用高功率、高密度的激光束將金屬粉末直接熔化，最終得到預定尺寸和精度、高密度的金屬零部件，是當前國內金屬3D打印的主流技術。

熔融沉積造型(FDM)是近期廣泛使用的一種快速造型技術，近年來開發(fā)出高性能、高分子的PEEK材料，可以打印出具有耐高溫、自潤滑、易加工和高機械強度等優(yōu)異性能的塑料零件，在許多特殊領域可以替代金屬、陶瓷等傳統(tǒng)材料。

連續(xù)液面生長技術(CLIP)是由立體固化成型技術(SLA)改進而來，這項技術具有高速、可消除零件表面“臺階效應”的優(yōu)勢，同時大大改善了傳統(tǒng)3D打印零件因為層狀結構而使產品在堆疊方向上的力學性能差的情況，有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

電子束選區(qū)熔化成形技術(EBM)開始用于醫(yī)療行業(yè)，現(xiàn)已廣泛應用于醫(yī)學、航空和汽車等行業(yè)，通常使用鈦合金，無法打印塑料或陶瓷部件[2]。

多射流熔融技術(MJF)是惠普公司2018年新研發(fā)的一種3D打印工藝，適用于航空、航天、醫(yī)療保健和汽車等行業(yè)制造高質量的定制化部件[3]。

2 適用于地礦行業(yè)的3D打印技術

不同于制造業(yè)零部件的批量化生產，地礦行業(yè)3D打印的主要需求是定制化的模型打印，打印的模型要求精細、復雜、異形、多彩，以及一定的強度，模型的應用是以不同場景的展示為主。因此，打印設備的選擇以高精度、支持復雜模型、多彩、易處理等為原則。對比了國內外多項打印技術，認為立體固化成型(SLA)、三維打印快速成型(3DP)、噴墨印刷(PolyJet)和熔融沉積造型(FDM)等4類技術最適合地礦行業(yè)模型定制化打印需求。

(1)立體固化成型技術(SLA)。該技術是以光敏樹脂為原材料，采用激光固化成型，為目前定制化模型主流的打印方法。該技術可以打印出精度較高、表面光滑、強度較大的復雜模型，但打印的模型僅為單色。該項技術對環(huán)境的要求嚴苛，需要準備獨立的打印室和后處理室。設備重量大，需考慮樓板的承重部位。打印室需維持恒溫、恒濕狀態(tài)，需配備紫外線光罩及UPS電源。此外，光敏樹脂具有一定的揮發(fā)毒性。立體因化成型技術打印出的模型質量較好，應用廣泛，但對環(huán)境要求高，設備價格高昂，打印過程中易揮發(fā)有毒氣體，維護成本高昂。

(2)三維打印快速成型技術(3DP)。該技術是由噴頭處噴射單色或彩色的黏結劑，將平臺上的粉末(通常采用石膏粉)黏結成型[4]。三維打印快速成型技術可打印出全彩模型，非常適于地理模型、城市三維模型、地層模型等結構簡單，色彩豐富的模型打印，在地礦行業(yè)的應用范圍較廣。設備無需激光器等高成本的元器件，成本較低，且易操作、易維護，同時耗材價格低。但這項技術打印復雜精細的零件(如礦山模型)難度較大，而且成品的強度較低，表面較為粗糙。目前，工業(yè)級3D快速成型打印機多從國外進口，價格高昂；國內的同類打印設備以桌面級為主，打印的精度和設備的穩(wěn)定性較差。

(3)噴墨印刷技術(PolyJet)。噴墨印刷技術與3D快速成型技術類似，但直接噴射光敏樹脂材料的技術具有的優(yōu)勢為：①可打印表面平滑的精細原型，呈現(xiàn)出產品的美感；②可制造精準的模具、鉆模、夾具和其他制造工具；③可處理復雜的形狀和細節(jié)，呈現(xiàn)精致的特征；④可將多彩色的材料種類一并應用到單個模型中，提高效率，這頂技術在打印模型的美觀程度和細節(jié)呈現(xiàn)方面當屬首選；⑤對環(huán)境的要求低，適用于辦公環(huán)境[5]。但該技術的材料成本較高，且成品的硬度較差，不適用于小批量生產零件。目前，PolyJet 3D打印機制造廠商主要為美國Objet，設備價格昂貴。

(4)熔融沉積造型技術(FDM)。是當前全世界應用最為廣泛的3D打印技術，該技術設備環(huán)境要求低，材料為絲狀，易于保存，適合辦公環(huán)境使用。該項技術材料種類繁多，包括PLA塑料、工程塑料、柔性材料、碳纖維材料等。現(xiàn)今發(fā)展的多噴頭技術可以實現(xiàn)混合材質打印，使模型更加美觀、實用，并易于后處理。但是，熔融沉積造型術受打印原理(層層堆積)的限制，打印結構復雜的模型難度較大，且模型的表面不可避免會有臺階效應。

3 地礦行業(yè)3D打印的應用現(xiàn)狀

3.1 國內外應用現(xiàn)狀

3D打印技術在地礦行業(yè)的測繪、城市地質、設計、礦山、科研、教學、地質環(huán)境等各方面均有應用，展現(xiàn)出較好的發(fā)展前景(表2)。

表2 3D打印技術在地礦行業(yè)主要應用類型Table 2 The main applicable types of 3D technologies to geology and mining industries

3D打印技術已成為當前國外在地質研究、地下結構可視化、野外環(huán)境分析和軍事地質領域較為成熟的一項應用技術。City GML(虛擬三維城市模型)平臺有開放地理空間信息聯(lián)盟OGC認可的標準，可制作標準化三維城市模型，它分為5個連續(xù)的分辨率等級(LOD 0—LOD 4)，打印精度為0.2～5 m，有多個城市(如德國的柏林市、荷蘭的阿珀爾多倫市等)均已建立這類三維城市模型[6]。目前，國內的一些測繪裝備類企業(yè)也在積極謀求為3D打印技術提供硬件、軟件及數(shù)據(jù)支持，通過精準的測繪數(shù)據(jù)，清晰地打印出高標準的模型。

地理文化衍生品領域也成為地礦行業(yè)3D打印的重要拓展方向。在英國3D打印地圖工藝產品網(wǎng)站 “Terrainator.com”地圖平臺，用戶可以在有相關業(yè)務地區(qū)的地圖中，以一定的比例尺設定出一塊地域，提交后，系統(tǒng)會進行自動處理，并生成一張三維地形結構圖。用戶將這幅三維可視圖提交給網(wǎng)站并支付費用后，網(wǎng)站就會打印出一套定制化的三維地形圖模型提供給用戶。目前該網(wǎng)站只支持美國(大部分地域)、加拿大(西部)、英國的版圖以及歐洲少數(shù)國家的部分版圖。美國3D地理地形圖商業(yè)網(wǎng)站“Landprint.com”可提供如“世界知名山峰”等3D地理結構商品，同時也提供3D地形定制化服務[7]。國內也有一些能夠提供地理空間信息3D打印解決方案的公司，如杭州銘展網(wǎng)絡科技有限公司。

3.2 地礦行業(yè)應用案例

2013年，科技日報曾以“3D打印‘打進’地理信息產業(yè)”為題，報道了3D打印技術在三維地圖、三維模型精細度等地理信息領域的研究進展，并預示了這項技術的廣闊應用前景；2016年，同濟大學王建秀等應用3D打印技術實現(xiàn)地質工程教學中各種地質體的實體模型三維打印，使得巖體的結構特征直觀地展示出來，有利于學生對于巖體結構的深入理解，有助于諸如極射赤平投影、巖石節(jié)理統(tǒng)計、節(jié)理玫瑰花統(tǒng)計等課程的學習，從而提升課堂教學的效果[8]；2014年和2017年，中國礦業(yè)大學鞠楊等利用CT掃描了天然煤巖式樣、混凝土試樣的內部結構，用一種樹脂材料作為主體，另一種非透明材料作為骨料，利用3D打印技術對試樣進行重構，實現(xiàn)了內部裂隙結構和骨料結構的可視化[9]；2018年，中南大學管克亮等以金川銅鎳礦田為例，應用3D打印技術實現(xiàn)了其中4個礦區(qū)地質體模型的打印，從而幫助地質人員更好地進行地質體模型的觀察與研究[10]；2019年，成都理工大學李陽等以江油馬角壩地區(qū)雙馬石灰石礦區(qū)為例，通過對礦區(qū)三維模型的構建，利用3D打印制作出可觀性極強的地質體實體模型[11]。

3.3 應用技術難點

通過3D打印技術呈現(xiàn)GIS數(shù)據(jù)的技術仍然處于起步階段，存在一定的技術難題。GIS數(shù)據(jù)的格式繁多，STL格式文件是目前3D打印機能夠識別的幾種通用文件格式之一，在GIS數(shù)據(jù)轉換為STL文件格式過程中往往存在數(shù)據(jù)的丟失，使模型的細節(jié)受損；3D打印技術可以制作高精度、高分辨率的實體模型，但模型在打印過程中，材質層堆疊的寬度將決定打印的分辨率，模型壁的最小厚度極限值會造成模型細節(jié)特征的丟失。另外，3D模型打印之后，原始的GIS數(shù)據(jù)屬性被整合壓縮，研究人員需要研究數(shù)據(jù)個別屬性的時候，需要重新返回到平面地圖，參考初始的平面形態(tài)。從模型呈現(xiàn)的美觀角度，地礦行業(yè)所需求的真實彩色模型仍是目前3D打印的技術難點。

4 結論

3D打印技術近年來的飛速發(fā)展，不僅在傳統(tǒng)的制造業(yè)中體現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿?，同時其魅力更延伸至多個與人們生活息息相關的領域。目前地礦行業(yè)中的三維業(yè)務需求日益增長，如基礎地質研究、成礦預測研究、礦體三維建模、物探勘查模型、測繪研究與成果表達、地質災害模型研究、城市地質模塊化管理、地質教學、地質景觀研究等諸多專業(yè)技術環(huán)節(jié)均可與3D打印密切融合，從而提升研究效果和表達形式。地礦行業(yè)以打印定制化模型為主，其模型要求精細、復雜、異形、多彩以及一定的強度，打印出色彩逼真而且沒有任何毛刺的物品，是3D打印技術在地礦行業(yè)應用的一大目標。