浅谈3D打印技术在测绘领域中的应用

董洪霞 刘健 李想



浅谈3D打印技术在测绘领域中的应用

董洪霞 刘健 李想

（西安测绘总站 陕西西安 710054）

3D打印是目前全球最火的一项技术，有人甚至将3D打印技术列入第三次技术革命范畴。目前3D打印技术已经应用于工业制造、生物医疗、建筑设计、航天航空等领域，并发挥着巨大的作用。但在测绘领域，3D打印技术的应用并不是很成熟，现通过对3D打印技术的研究，探讨了其在测绘领域中的一些应用。

3D打印技术 快速成形技术 立体地图

1 引言

3D打印技术是近年来出现的一个新名词，在专业领域中被称为“快速成形技术”，又称“快速原型制造技术”。它诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学、激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。如同一台“立体打印”机，因此得名“3D打印”技术。

3D打印技术最大的特点就是将数字化的三维数字模型转换为实体化的现实物体，与常规三维模型依赖电子设备方能实现视觉化的区别在于，3D打印技术使三维模型的快速展示具备了独立性、实体性甚至功能性。

2 3D打印及其技术优势

2.1 3D打印的基本原理

3D打印就是可以“打印”出真实物体的一种技术。它根据需打印物体的形状，每次制作一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后再将这些截面逐层粘结起来，就得到所需的立体零件，整个过程可以比喻为一个“积分”的过程。不同公司制造的3D打印机所用的成形材料不同，系统的工作原理也有所区别，但其基本原理一样，那就是“分层制造、逐层叠加”。

以制作塑料材质的苹果为例，来说明3D打印技术的制作过程。首先在电脑上使用3D软件制作出一个苹果的3D模型文件，并转换成3D打印机支持的文件格式，然后导入到3D打印系统中。打印系统将苹果的3D模型从底部开始按照固定厚度分切成很多截面，并从最底部的截面开始控制激光器（或喷嘴）在这一层截面图的范围烧结原料（或挤出原料），这一层“打印”好后接下来在第一层的上方“打印”第二层，依此类推。通过逐层叠加，这个塑料苹果就一层层的“打印”出来。

2.2 3D打印的技术优势

3D打印技术及产品，与目前现有的测绘行业的地理信息展现形式相比，具有以下特点：

（1）相对于传统纸质成果的二维表现形式，3D打印输出的成果能够更加形象、完美地展现地形地貌的直观特征。随着技术和材料的发展，未来甚至可以打印出可弯曲折叠的“立体地图”。

（2）相对于传统的沙盘制作等三维表现形式，3D打印技术目前仍受幅面限制，无法一次成型大尺寸的三维地形模型，只能通过多次打印再进行粘合的方式制作，但随着3D打印技术的不断发展，制作尺寸和打印速度必将得到极大的提升。

（3）相对于虚拟现实技术等三维表现形式，3D打印技术的出现，使电脑中的三维模型由虚拟转化为实体，具备了脱离计算机等电子设备进行独立展示的特点，使特殊条件下的地理信息快速三维化展示成为可能，但同时也存在着模型内容固定，无法变更的问题。

3 3D打印在测绘领域的应用

在测绘领域，3D打印技术可用来完成仿真环境模型和“立体地图”的制作等方面，应用广泛。

3.1 仿真环境模型制作

传统的模型制作主要依靠人工作业，人为误差大，且制作周期较长。3D打印技术由三维数学模型直接生成真实模型，精确度非常高，一个人操作就可完成以前多人完成的任务量。另外，3D打印材料种类也将越来越多，例如采用塑料、石膏或其他材料来制作仿真环境模型，相比传统手工制作的模型更易保存，更具备了多样化的视觉感和科技感。

如图1所示，匈牙利YBL Miklos建筑学院使用ZPrinter350制作了建筑模型，使用ZCorp 3D打印技术打印制作，大小为310cm×125cm，包括70座房子。

3.2“立体地图”制作

“立体地图”是具有立体感的系列比例尺地形图，相较于传统纸质地图，它能给人以更直观的视觉感受。

用3D打印技术制作的战场环境模型和“立体地图”主要应用于以下三个方面：

（1）在指挥决策中的应用

为指挥机关提供各类立体地图和仿真环境模型，快速标注现场态势、预案方案，实现科学高效的决策支持。

（2）在陌生地域应急反恐行动中的应用

在陌生地域应急反恐行动中，反恐行动队需要携带大量地图以及其它装备。3D打印技术可与北斗、天绘、网络等系统链接，将获取的现势信息快速转化为立体地图、仿真环境模型，供反恐行动队及时使用。提高了陌生地域应急反恐行动的能力，减少了反恐行动队装备负重。

（3）在各类应急救援中的应用

在各类应急救援行动中，当地理环境遭受破坏时，是否准确、及时的地理空间信息成为制约救援队行进、展开的重要瓶颈。在恶劣环境限制下，更是经常无法正常利用航天航空遥感等手段获得信息。现在基于信息化条件下，3D打印技术能够将实时获取的三维数字模型快速转换成现势性强的直观三维产品，迅速融合与汇集各类信息与一体，为救援队提供地理空间信息和各类专题信息的综合保障。

4 应用中存在的问题

4.1 打印尺寸较小

目前市场上销售的主流3D打印机均存在着打印幅面较小的问题，大多3D打印机的打印尺寸为长25cm×宽20cm×高20cm左右（根据品牌不同，部分产品长宽高参数中的某一项在此基础上有5-18cm的差距），如制造大幅面模型，还需要将每次打印出来的小幅面模型进行二次粘合。

2013年1月,美国的Stratasys公司推出的Object 1000，拥有长100cm×宽80cm×高50cm的超大幅面，使得大幅面3D打印一次成型成为可能。相信随着科技的不断发展，大幅面、超大幅面3D打印机必将成为市场上的主流产品。

4.2 耗材价格高

根据使用材料的不同，3D打印使用的材料价格从1千克百元到四万元不等，以西安的“3D照相馆”为例，使用PLA塑料为原料制作约长3cm×宽1cm×高6cm的半身人像，售价800元。

4.3 打印材料相对单一

目前所有厂商生产的3D打印机，其所使用的材料均为单一材料，还没有任何一款产品能够使用多种不同物理性质（如金属与塑料混合）的材料，这一点对3D打印的应用拓展和普及有一定的影响。

5 结束语

综上所述，基于数字成果的实体制造技术与手段具有广阔的发展前景，未来极有可能掀起一场新的“制造革命”。3D打印技术在测绘领域的应用，必将对测绘成果的生产与应用模式带来巨大变化，为测绘专业技术发展与产品创新带来新的契机，为测绘新型领域带来新的生长点。

[1] （美）利普森，（美）库曼著.赛迪研究院专家组译.3D打印：从想象到现实[M].北京：中信出版社,2013(4).

[2] 吴怀宇.3D打印：三维智能数字化创造[M].北京：电子工业出版社，2014(1).