3D打印技术概述

摘 要： 3D打印技术是一种利用三维数字模型逐层叠加成型的增材制造技术，其以颠覆性的制造原理被广泛运用于各行业与领域。文章对3D打印的定义、3D打印常见成型工艺及

一、3D打印的简介

（一）3D打印的定义

3D打印技术，学术上又称“添加制造”（additve manufacturing）技术，也称为增材制造或增量制造。3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将塑料、金属粉末、陶瓷粉末、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品的制造方法[1]。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺，不需要庞大的机床，也不需要众多的人力，直接由数字化文件生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

（二）3D打印的过程

对于大多数人来说，提到“打印”，首先想到的是能打印文稿或照片等平面内容的普通打印机，事实上传统的喷墨打印机和某些工艺类型的3D打印在技术上确实比较接近。3D打印使用特制的设备将材料一层层地喷涂或熔结到三维空间中，最后形成所需的实体，所用设备即3D打印机。一般来说，通过3D打印获得实体需要经历建模、分层、打印和后期处理四个主要阶段。

1.三维建模

三维模型通常有两种途径获取，一是通过3D扫描仪获取对象的三维数据，并且以数字化方式生成三维模型；二是使用三维建模软件从零开始建立三维数字化模型。

2.分层切割

由于描述方式的差异，3D打印机并不能直接操作3D模型。当3D模型输入电脑中后，需要通过打印机配备的专业软件进一步处理，即将模型切分为一层层薄片，每个薄片的厚度由喷涂材料的属性和打印机的精度决定。

3.打印喷涂

由打印机将打印耗材逐层喷涂或熔结到三维空间中，根据工作原理的不同，有多种实现方法。常见的有光固化方法（SLA）、熔融沉积制造（FDM）、选择性激光烧结法（SLS）等。

4.后期处理

模型打印完成后一般都会有毛刺或粗糙的截面。这时需要对模型进行后期加工，如固化处理、剥离、修整、上色等，才能最终完成所需要的模型的制造。

（三）3D打印的特点

数字制造：借助CAD等软件将产品结构数字化，驱动机器设备加工制造成器件；数字化文件还可借助网络进行传递，实现异地分散化制造的生产模式。

降维制造：把三维结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成三维物品。因此，原理上3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，而且制造过程更柔性化。

堆积制造：采用分层制造的堆积方式对实现非匀致材料、功能梯度的器件更具优势。

直接制造：任何高性能难成型的部件均可通过打印方式一次性直接制造出来，不需要通过组装拼接等过程实现。

快速制造：3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，因此，制造更快速、更高效。

绿色制造：3D打印技术是增材制造技术，与传统减材制造相比具有较高的材料利用率，同时可以采用复杂的结构减少材料使用量，降低能源消耗，从而实现制造的绿色可持续发展。

二、3D打印常见成型工艺

现在常见的3D打印工艺有SLS、SLA、FDM。

（一）SLS（Selective Laser Sintering，选择性激光烧结）

选择性激光烧结是采用激光有选择地分层烧结固体粉末，并使烧结成型的固化层一层层叠加生成所需形状的零件。工艺原理（见图1）。该工艺通常采用金属、石蜡、陶瓷粉末等作为成型材料。成型件强度高、无须设计支撑结构，但是成型后的工件表面比较粗糙，后期处理工艺比较复杂。

（二）SLA（Stereo lithography Appearance 立体光固化成型法）

立体光固化成型法是最早商用的3D打印技术，它采用的成型材料是液态光敏树脂，当特定波长与强度的激光照射到液态材料表面时，光敏树脂则会凝固为固体。激光由点到线再由线到面的依次扫描就形成一层面的成型作业，然后工作台升降一个层片的高度，在成型下一个层面，通过这种方式制造三维实体（见图2）

光固化成型法技术成熟度高、成型速度较快、表面精度较高，但是系统造价昂贵，成型件强度较低，所以还无法大范围使用。

（三）FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉积制造）

熔融沉积制造是采用低熔点的丝状材料作为成型材料，通过热喷嘴把熔融的材料涂覆在工作台上，喷头作X-Y平面运动，工作台做Z向运动，然后逐层叠加成型（见图3）。这种成型工艺虽然需要设计辅助支撑结构，但是因为不需要复杂的能量束，使用维护简单，成本低，同时耗材种类相对丰富，所以该工艺使用较广泛，目前FDM系统在全球已安装快速成型系统中的份额大约为30%。

当然还有其他3D打印成型工艺，例如，分层实体制造（Laminated Object Manufactuing，LOM）、电子束选区熔化（Electron Beam Melting，EBM）、激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）。每种技术都有各自的优缺点，应根据使用场景、材料、成本等因素选择合适的成型工艺。

三、3D打印的应用及其意义

3D打印机的应用领域极其广泛，从寻常百姓家的锅碗瓢盆，到关系到国家安全的国防事业，几乎各种领域都可以有它的身影。它的应用对象可以是任何行业，只需要这些行业提供3D数据模型或原型，3D打印机均可以加工。其中这些行业中对3D打印机需求较大的包括政府、航空航天、医疗设备、高科技研发、教育业及制造业。

医疗行业：从2010年美国成功打印活体器官开始，似乎直接打印人体也并不是不可能，它更类似于克隆技术，打印出来的活体器官不会与患者排斥，还可以打印骨骼、牙齿等。我们可以预计在将来3D打印机的发展中，在医疗方面引入一个全新的人体植入概念，让更多的患者看到希望。