3D数字化与3D打印：用“虚拟”再造“现实”

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话题背景

　　近年来，我们经常能听到“3D”这个名词。3D之所以被认为神奇，很大程度上归因于我们通过高科技数字化的手段，使得客观世界中的3D实体能够在虚拟世界中得以高精度重建（3D扫描）、自由编辑（3D设计）、真实感高清展示（3D显示），乃至重新返回至客观世界（3D打印）。

    题头照片小女孩Emma的辅助手臂，就是用三维软件Solid Edge建模，通过3D打印来完成的。

■吴怀宇

　　3D打印，是快速成型技术的一种，它是一种以3D数字化模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印、迭加成型的方式来增量构造物体的技术。3D数字化和3D打印是一对孪生兄弟，相辅相成。

　　3D数字化是实现3D打印的前提和基础，否则“巧妇难为无米之炊”；而3D打印使3D数字化“落到实处”。

什么是3D数字化

　　3D数字化就是利用计算机来生成数字化的3D图纸模型，以便输出到3D打印机。目前有两类方法进行3D数字化。第一类是使用3D设计软件，由设计师从无到有地设计3D数字化产品。目前常见的3D商业设计软件有：SOLIDWORKS、AutoCAD、3ds Max、Maya、Rhino3D、Zbrush等。此外，还有多款各有特色的免费设计软件：Blender、Tinkercad、3DTin、SketchUp等，其中很多还支持基于WebGL的网络在线编辑。

　　当然，并非人人都有能力自己设计3D形状，因此第二类3D数字化就是3D扫描（俗称3D照相），基于计算机视觉、计算机图形学、模式识别与智能系统、光机电一体化控制等技术对现实存在的3D物体进行扫描采集，以获得逼真的数字化重建。3D扫描技术分主动（Active）扫描与被动（Passive）扫描两种。

　　主动式扫描是对被测物体附加投射光，包括激光、可见白光、超声波与X射线等。其中激光线式的扫描，可以扫描大型的物体，但是由于每次只能投射一条光线，所以扫描速度慢。而目前最新的基于结构白光的扫描设备，能同时测量物体的一个面，点云密度大、精度高，在快速采集物体三维表面信息方面具有独特优势。此外还有基于光照编码的扫描设备，如微软2010年发布的Kinect，具有实时性的特点。

　　被动式扫描对被测物体不发射任何光，而是通过采集被测物表面对环境光线的反射进行，因不需要规格特殊的硬件，所以成本非常便宜。被动式扫描重建技术，如Autodesk最新的123D Catch，通常基于计算机三维视觉的理论方法，如立体视觉法等。受环境光照对图像质量的影响，被动式扫描往往精度较低、噪声误差较大。

　　在获得3D扫描的原始数据后，往往还需对其进行复杂的处理，如将多个视角的形状片段进行对齐和拼接配准，以统一在同一个世界坐标系下。此外还需进行漏洞修补、噪声去除、三角化、重网格化等，以生成最终的高质量水密曲面。

　　目前还没有一种成熟的3D数字化技术能够对自然界的任意形状进行全自动地真实重建，如对于人体的头发等。因此在实际操作过程中，往往需要同时结合多种扫描技术，以及一定的手工编辑，以获得一个好的重建质量。

助力3D打印

　　3D打印诞生于上世纪80年代，用于将虚拟世界中复杂的3D数字化模型变成客观世界中真实存在的3D实体。与传统的“切削去除材料”的加工技术（如3D雕刻）不同，3D打印采用“逐层增加材料”的方式来生成3D实体。3D打印无需机械加工或任何模具，这样极大地减小了复杂产品的制造难度，缩短了研制周期。目前3D打印在电影制作、游戏动漫、医疗、教育、建筑、文物考古、生产制造业都发挥了独特的作用。

　　3D打印成为近年来的新闻热点，与2006年英国Reprap开源项目的发布不无关系。Reprap是3D桌面打印发展的基石，直接催生了包括Makerbot在内的一大批廉价普及型3D打印机，价格从几千到几万元人民币不等。

　　而在高精度大尺寸工业打印领域，美国3D Systems和Stratasys两大公司占据了大部分的市场份额。当然，在这个新技术竞争激烈的领域不乏挑战者，如Mcor公司2012年新推出的Iris全彩打印机，只需普通A4办公纸作为原材料，具有超低的成本优势和绿色环保的优势。在国内，由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学、清华大学等科研机构和企业发起的中国3D打印技术产业联盟于2012年成立。

　　目前，3D打印机已经能够使用各式各样的新材料（液体、粉末、塑料丝、金属、沙子、纸张甚至巧克力、人体干细胞等），通过喷墨沉积、熔融沉积成型、激光烧结、立体光刻等工艺将三维数字模型变成实物，从玩具、工具，到厨房用品、建筑、时尚衣服应有尽有，甚至还可直接打印具备触感的人造耳朵、人体骨骼、人造假牙、鲜肉，以及**、跑车、无人飞机等。

　　3D打印技术目前面临着以下几个主要问题亟待解决：

　　首先，与传统切削加工技术相比，产品尺寸精度和表面质量相差较大，产品性能还达不到许多高端金属结构件的要求。其次是大批量生产效率还比较低，不能完全满足工业领域的需求。最后，3D打印的设备和耗材成本仍然很高，如基于金属粉末的打印成本远高于传统制造。

　　由此可见，3D打印技术虽然是对传统制造技术的一次革命性突破，但它却不可能完全取代切削、铸锻等传统制造技术，两者之间应是一种相互支持与补充，共同完善与发展的良性合作关系。

　　3D数字化与3D打印技术相结合所带来的优势，不仅在于通过复制手段真实还原现实世界，还可以在3D数字化的基础之上，通过再设计工作，创造出一个更加美好的世界。

　　以电影《阿凡达》为例，很多美轮美奂的场景都无法从现实中直接拍摄。而通过数字化的艺术设计，再使用3D打印机直接打印出来，这样不仅免去了费时费力的手工制作，而且获得了超越现实的逼真效果。3D数字化与3D打印的完美结合，将实现用“虚拟”再造“现实”的崭新境界。

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