3D打印技术及其在地学信息领域应用进展

1、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

2、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

3、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“

4、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

5、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

6、，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 )

7、( 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.DPublishers)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

8、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

9、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

10、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：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。地形地貌模型：提高了商谈复杂解决方案的效率。地理信息系统模型：迅速、高质量地呈现

11、乡村、城市、地形地图。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：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。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

12、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。用户需要提前准备好3D数字模型用于3D打印数据输入。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一参考初始平面形态。3D打印技术与虚拟三维城市模型(Cit

13、yGML)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

14、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0.2m至W5m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

15、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

16、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。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

17、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T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