董洪霞 劉健 李想

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淺談3D打印技術(shù)在測繪領(lǐng)域中的應(yīng)用

董洪霞 劉健 李想

（西安測繪總站 陜西西安 710054）

3D打印是目前全球最火的一項技術(shù)，有人甚至將3D打印技術(shù)列入第三次技術(shù)革命范疇。目前3D打印技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)制造、生物醫(yī)療、建筑設(shè)計、航天航空等領(lǐng)域，并發(fā)揮著巨大的作用。但在測繪領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用并不是很成熟，現(xiàn)通過對3D打印技術(shù)的研究，探討了其在測繪領(lǐng)域中的一些應(yīng)用。

3D打印技術(shù) 快速成形技術(shù) 立體地圖

1 引言

3D打印技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一個新名詞，在專業(yè)領(lǐng)域中被稱為“快速成形技術(shù)”，又稱“快速原型制造技術(shù)”。它誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種高新制造技術(shù)，被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個重大成果。它集機械工程、CAD、逆向工程技術(shù)、分層制造技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、材料科學(xué)、激光技術(shù)于一身，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱?、新設(shè)計思想的校驗等方面提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。如同一臺“立體打印”機，因此得名“3D打印”技術(shù)。

3D打印技術(shù)最大的特點就是將數(shù)字化的三維數(shù)字模型轉(zhuǎn)換為實體化的現(xiàn)實物體，與常規(guī)三維模型依賴電子設(shè)備方能實現(xiàn)視覺化的區(qū)別在于，3D打印技術(shù)使三維模型的快速展示具備了獨立性、實體性甚至功能性。

2 3D打印及其技術(shù)優(yōu)勢

2.1 3D打印的基本原理

3D打印就是可以“打印”出真實物體的一種技術(shù)。它根據(jù)需打印物體的形狀，每次制作一個具有一定微小厚度和特定形狀的截面，然后再將這些截面逐層粘結(jié)起來，就得到所需的立體零件，整個過程可以比喻為一個“積分”的過程。不同公司制造的3D打印機所用的成形材料不同，系統(tǒng)的工作原理也有所區(qū)別，但其基本原理一樣，那就是“分層制造、逐層疊加”。

以制作塑料材質(zhì)的蘋果為例，來說明3D打印技術(shù)的制作過程。首先在電腦上使用3D軟件制作出一個蘋果的3D模型文件，并轉(zhuǎn)換成3D打印機支持的文件格式，然后導(dǎo)入到3D打印系統(tǒng)中。打印系統(tǒng)將蘋果的3D模型從底部開始按照固定厚度分切成很多截面，并從最底部的截面開始控制激光器（或噴嘴）在這一層截面圖的范圍燒結(jié)原料（或擠出原料），這一層“打印”好后接下來在第一層的上方“打印”第二層，依此類推。通過逐層疊加，這個塑料蘋果就一層層的“打印”出來。

2.2 3D打印的技術(shù)優(yōu)勢

3D打印技術(shù)及產(chǎn)品，與目前現(xiàn)有的測繪行業(yè)的地理信息展現(xiàn)形式相比，具有以下特點：

（1）相對于傳統(tǒng)紙質(zhì)成果的二維表現(xiàn)形式，3D打印輸出的成果能夠更加形象、完美地展現(xiàn)地形地貌的直觀特征。隨著技術(shù)和材料的發(fā)展，未來甚至可以打印出可彎曲折疊的“立體地圖”。

（2）相對于傳統(tǒng)的沙盤制作等三維表現(xiàn)形式，3D打印技術(shù)目前仍受幅面限制，無法一次成型大尺寸的三維地形模型，只能通過多次打印再進行粘合的方式制作，但隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，制作尺寸和打印速度必將得到極大的提升。

（3）相對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)等三維表現(xiàn)形式，3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，使電腦中的三維模型由虛擬轉(zhuǎn)化為實體，具備了脫離計算機等電子設(shè)備進行獨立展示的特點，使特殊條件下的地理信息快速三維化展示成為可能，但同時也存在著模型內(nèi)容固定，無法變更的問題。

3 3D打印在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用

在測繪領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可用來完成仿真環(huán)境模型和“立體地圖”的制作等方面，應(yīng)用廣泛。

3.1 仿真環(huán)境模型制作

傳統(tǒng)的模型制作主要依靠人工作業(yè)，人為誤差大，且制作周期較長。3D打印技術(shù)由三維數(shù)學(xué)模型直接生成真實模型，精確度非常高，一個人操作就可完成以前多人完成的任務(wù)量。另外，3D打印材料種類也將越來越多，例如采用塑料、石膏或其他材料來制作仿真環(huán)境模型，相比傳統(tǒng)手工制作的模型更易保存，更具備了多樣化的視覺感和科技感。

如圖1所示，匈牙利YBL Miklos建筑學(xué)院使用ZPrinter350制作了建筑模型，使用ZCorp 3D打印技術(shù)打印制作，大小為310cm×125cm，包括70座房子。

3.2“立體地圖”制作

“立體地圖”是具有立體感的系列比例尺地形圖，相較于傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖，它能給人以更直觀的視覺感受。

用3D打印技術(shù)制作的戰(zhàn)場環(huán)境模型和“立體地圖”主要應(yīng)用于以下三個方面：

（1）在指揮決策中的應(yīng)用

為指揮機關(guān)提供各類立體地圖和仿真環(huán)境模型，快速標(biāo)注現(xiàn)場態(tài)勢、預(yù)案方案，實現(xiàn)科學(xué)高效的決策支持。

（2）在陌生地域應(yīng)急反恐行動中的應(yīng)用

在陌生地域應(yīng)急反恐行動中，反恐行動隊需要攜帶大量地圖以及其它裝備。3D打印技術(shù)可與北斗、天繪、網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)鏈接，將獲取的現(xiàn)勢信息快速轉(zhuǎn)化為立體地圖、仿真環(huán)境模型，供反恐行動隊及時使用。提高了陌生地域應(yīng)急反恐行動的能力，減少了反恐行動隊裝備負(fù)重。

（3）在各類應(yīng)急救援中的應(yīng)用

在各類應(yīng)急救援行動中，當(dāng)?shù)乩憝h(huán)境遭受破壞時，是否準(zhǔn)確、及時的地理空間信息成為制約救援隊行進、展開的重要瓶頸。在惡劣環(huán)境限制下，更是經(jīng)常無法正常利用航天航空遙感等手段獲得信息?，F(xiàn)在基于信息化條件下，3D打印技術(shù)能夠?qū)崟r獲取的三維數(shù)字模型快速轉(zhuǎn)換成現(xiàn)勢性強的直觀三維產(chǎn)品，迅速融合與匯集各類信息與一體，為救援隊提供地理空間信息和各類專題信息的綜合保障。

4 應(yīng)用中存在的問題

4.1 打印尺寸較小

目前市場上銷售的主流3D打印機均存在著打印幅面較小的問題，大多3D打印機的打印尺寸為長25cm×寬20cm×高20cm左右（根據(jù)品牌不同，部分產(chǎn)品長寬高參數(shù)中的某一項在此基礎(chǔ)上有5-18cm的差距），如制造大幅面模型，還需要將每次打印出來的小幅面模型進行二次粘合。

2013年1月,美國的Stratasys公司推出的Object 1000，擁有長100cm×寬80cm×高50cm的超大幅面，使得大幅面3D打印一次成型成為可能。相信隨著科技的不斷發(fā)展，大幅面、超大幅面3D打印機必將成為市場上的主流產(chǎn)品。

4.2 耗材價格高

根據(jù)使用材料的不同，3D打印使用的材料價格從1千克百元到四萬元不等，以西安的“3D照相館”為例，使用PLA塑料為原料制作約長3cm×寬1cm×高6cm的半身人像，售價800元。

4.3 打印材料相對單一

目前所有廠商生產(chǎn)的3D打印機，其所使用的材料均為單一材料，還沒有任何一款產(chǎn)品能夠使用多種不同物理性質(zhì)（如金屬與塑料混合）的材料，這一點對3D打印的應(yīng)用拓展和普及有一定的影響。

5 結(jié)束語

綜上所述，基于數(shù)字成果的實體制造技術(shù)與手段具有廣闊的發(fā)展前景，未來極有可能掀起一場新的“制造革命”。3D打印技術(shù)在測繪領(lǐng)域的應(yīng)用，必將對測繪成果的生產(chǎn)與應(yīng)用模式帶來巨大變化，為測繪專業(yè)技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)品創(chuàng)新帶來新的契機，為測繪新型領(lǐng)域帶來新的生長點。

[1] （美）利普森，（美）庫曼著.賽迪研究院專家組譯.3D打?。簭南胂蟮浆F(xiàn)實[M].北京：中信出版社,2013(4).

[2] 吳懷宇.3D打?。喝S智能數(shù)字化創(chuàng)造[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014(1).