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2019年8月
3D打印新纪元

自1986年第一台商业用3D打印机面世以来,3D打印技术日渐成熟及专业化,技术除见於工商业外,更採用於医疗、航天、军事及建造等不同领域,更被形容為新世纪的工业革命。

 

何冠寰:3D打印新纪元 应用广、规模巨

上世纪80年代发明、90年代兴起的先进快速成形技术,今天的3D打印已广泛应用於模具製造、工业设计、医学整形等不同领域,并不断推陈出新。据环球业界估计,单是涵盖3D打印机、打印物料及各式软件设计等全球直接市场的规模,至2028年将达220亿美元,香港宜加强相关的人才培训,抓紧箇中机遇。

 

香港在3D打印技术应用方面,现处於亚洲的领先地位。不过,香港三维打印协会副会长何冠寰指出,邻近国家及地区正锐意推动相关技术的发展,近年已有急起直追之势,若本港在培训及推广应用等各方面稍有鬆懈,便会被其他地区所超越,失去优势。

 

朝精密及个人化发展

“以往工业界是3D打印技术的主要用家,多用於原型设计,特别是模具製造方面,藉以优化工厂生產项目。”何冠寰补充,由於本港工业的应用层面,由昔日集中於被动的OEM(原设备製造)批量生產,到其后的ODM(原设计生產)及消费產业,如珠宝及服务设计等项目,种类和范畴难免有所局限,令这项技术未能取得突破。 前瞻3D打印的未来发展方向,何冠寰认為技术将朝向两大领域继续发展:其一是精密化,其二是个人化。两者可分开发展,也可互相结合,料可成為未来所有行业的重要推动力。“3D打印可透过电脑设计辅助CAD功能及扫瞄,进行快速原型製造,具有相当高的几何精密度,故现已逐步应用於航天、汽车及医疗等精密產业,未来发展可期。”

 

医疗3D打印效益大

香港三维打印协会去年中曾赴台湾考察,何冠寰对参观医疗打印的应用项目印象殊深,常见应用於手术辅助、手术修补物和辅具製作三方面。“以辅具製作為例,已有科学家尝试採用3D打印技术,成功复製出部分人体器官。事实上,这是一个发展潜力优厚的市场,据内地业界估计,内地3D打印医疗市场的规模,至2024年将达97亿元人民币。

 

放眼香港,近年既有国际医学院在本地成立科研基地,而科学园也通过筹建医疗科技平台,冀吸引更多研发机构落户於此。何冠寰期望,政府若留意到3D打印医疗能带来丰厚的经济回报,便要大力支持,并将有关技术的发展与本港的经济优势结合,从而带来可观的经济效益。

 

强化3D打印技术和人才

何冠寰乐见政府近年积极推动科研发展,更致力透过科技人才入境计划,引进专才,他相信这对推展3D打印技术确实可发挥重要作用,当局亦应在吸引及鼓励科技型生產企业进驻香港作出更大努力。随着新科技园在莲塘兴建的计划展开,亦可望扫除如土地限制等障碍。

 

“现时本港教育机构尚未设立3D打印的专科,就相关人才及技术的培养仍须努力。何冠寰期望,未来除了有需要加强在大学及大专院校的专业培训,為业界带来更多兼具知识与应用技能的人才之餘,当局也应在中小学引入3D打印及应用的课程,如同推动STEM(科学、科技、工程及数学)教育一样,让青少年可及早接触有关技术,奠下一定基础,同时啟发他们的兴趣与潜能,為日后投身业界作好準备。

 

 

陈世祈:纳米3D打印造福医疗

3D打印技术近年愈趋成熟及专业化,更在多个不同领域不断取得突破。香港中文大学工程学院机械与自动化工程学系教授陈世祈及其团队,去年底成功研发全球首部3D显微镜与纳米3D打印机,料可进一步推动仿真生物支架等在医学范畴上的应用,引领医疗技术发展迈向新里程。

 

3D打印技术约於上世纪80年代出现,经科研人员不断创新,除工业项目外,3D打印技术应用范围更广及不同领域。陈世祈坦言,3D打印技术的发展日趋精进,而企业普遍着重研发商用层面的技术和產品,例如打印汽车及房屋等大型项目;相对而言,他指大学科研团队碍於空间,加上并非商业机构,故毋须以赚取最大利润為目标,因而可将研究范围集中在惠及公眾的项目上,如专研精準度及打印速度全面提升的纳米3D打印机,冀用於改善人类的医疗发展。

 

速度与质素俱提升

由陈世祈率团队开发的纳米3D打印机Nano-Builder,於去年底获得有“创科界奥斯卡”称誉的“R&D 100年奖”嘉许,并入选“2018年全球百大创新发明”,充分体现他们在相关研究方向上,获得重大的技术突破和认同。

 

陈世祈阐释:“传统3D打印技术採用由物件底部扫瞄至顶端的方式,逐层处理。换言之,必须完成一层,才再往上打印,一旦打印物件内有中空设计,更要在空隙位置预先放置支撑物料,令打印时间延长之餘,也容易造成物料浪费。”他与其团队遂致力对症下药,研发出採用数码全息雷射扫瞄及光束整形技术的“数码全息纳米3D打印机”,成功突破时间、空间、灵活度及解像度等重重限制,同步提升打印速度与质素。

 

提到Nano-Builder的独特优势,陈世祈表示,数码全息雷射扫瞄及光束整形技术可透过22.7kHz高速进行多焦点扫描,即每秒22,700次频率,较逐层扫描、逐层建构的单焦点传统3D打印模式,提升最高达100倍的速度。此外,有别於现时多焦点扫瞄普遍存在质素及精细度不足等缺点,Nano-Builder可打印纳米级别的物件,其精细度并达到头髮丝的千分之一,需要用上电子显微镜才可观察得到,绝不会因速度提升而令打印的质素下降。

 

有助开发纳米医疗和科研

除了高速与质素兼备的3D打印功能外,陈世祈强调,Nano-Builder同时具有医学扫瞄及显微功能,只须将打印机中的CCD相机,更换為PMT光电倍增管,即可透过接收反射信号,化身為高性能的显微镜,并取得实时图像,将3D随机扫瞄技术全面延伸至医学,乃至基础生物的研究工具。“Nano-Builder能準确刺激生物大脑中多个神经元,而不会对神经元周遭的结构造成伤害,因此也可用於大脑神经迴路及特定功能的长期研究,达致安全可靠的效果。”

 

陈世祈相信,Nano-Builder的研发成果将有助日后开发更多不同类型的纳米级科研及医疗工具,包括光子晶体、微纳流体器件、仿真生物组织及支架等,影响深远。“举例说,未来如可採用生物降解的原料,打印出能进入血管的纳米机械人,将可应用於微创手术或血液药物运输等范畴上,对提升本港以至全球的医疗水平肯定大有帮助。