三维打印技术

3D打印技术3D打印技术可与传统制造业技术互补，共同推进现代制造业的转型。此外，3D打印技术本身也在不断改进，不断有新的应用材料出现，应用领域也在逐步拓展。
3D打印技术源自19世纪美国研究的照相雕塑和地貌成型技术，学界将其称为“快速成型技术”。1986年美国科学家查尔斯·胡尔利用一种叫光敏树脂的液态材料，发明出世界上第一台3D打印机。随后胡尔以这种技术为基础成立了世界上第一家3D打印设备公司3D Systems，并于1992年卖出了第一台商业化产品。上世90年代3D技术经历过一波快速发展，例如1989年美国得克萨斯大学卡尔提出选择性激光烧结（SLS）技术，1990年麻省理工学院申请了“三维印刷技术”专利等。本世纪至今全球越来越多的公司先后涉足3D打印制造，目前全球已经产生两家行业巨头Stratasys公司和3D Systems。

据统计， 2012年3D打印市场规模达到22.04美元，同比增长29%，预计未来3D打印市场将保持快速增长的势头。

3D打印原理——分层制造，逐层叠加

“3D打印”是一类将材料逐层添加来制造三维物体的“增材制造”技术的统称，其核心原理是：“分层制造，逐层叠加”，类似于高等数学里柱面坐标三重积分的过程。区别于传统的“减材制造”，3D打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制技术和生物医学等技术融合贯通，具有缩短产品开发周期、降低研发成本和一体制造复杂形状工件等优势，未来可能对制造业生产模式与人类生活方式产生重要的影响。

按照3D打印的成型机理，通常将3D打印分为两大类：沉积原材料制造与黏合原材料制造，涵盖十多种具体的三维快速制造技术，较为成熟和具备实际应用潜力的技术有5种：SLA-立体光固化成型、FDM-容积成型、LOM-分层实体制造、3DP-三维粉末粘接和SLS-选择性激光烧结。

主要3D打印技术对比技术类型与材料共同决定应用范围

具体到细分类型，不同的成型原理对材料的要求也不同。目前SLA技术主要采用液态光敏树脂，FDM技术主要使用丝状热熔性塑料，LOM使用薄膜材料，SLS使用金属粉末，而3DP可使用金属粉末或塑料粉末等。反过来讲，材料本身的物理特性又会限制不同技术的应用。
立体光固化成型的成形速度快，精度相对较高，且外形表面好，但限于光敏树脂的物理特性，其3D打印产品主要用于代替熔模精密铸造中的蜡模和原型设计验证方面，而很少作为功能性零件使用。

目前3D打印技术中唯一可桌面化的技术是FDM，京东商城所售的3D打印机就是基于这种技术，使用ABS或PLA丝状、线状材料制作玩具；而在工业中FDM使用的丝状材料主要是工程塑料，其产品多为塑料件、铸造蜡模和样件等。SLS是3D技术中最具潜力制备功能性零件的技术，SLS可再细分为金属粉末和粘结剂混合烧结、金属粉末激光烧结和金属粉末压坯烧结；SLS主要优势是制作相对高强度的金属制品，在高端制造领域中完成样件功能试验或装备模拟。南京航空航天大学用Ni基合金混铜粉进行烧结成型的试验，成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件。

与传统制造技术相比，各有用武之地

传统机械制造是基于削、钻、铣、磨、铸和锻等“减”材制造基本工艺的组合，工件的制造一般要经过多个工艺的组合才能完成。而3D打印技术秉承“分层制造，逐层叠加”核心原理，是一体成型技术，一台3D打印机就可以完成整个工件的制造。从工业应用领域来看，目前3D打印适于小批量、造型复杂的非功能性零部件；大多在汽车、航天等领域内用于制造样件和模具等；而传统的机加工制造就适用于大规模、需要量产的部件，并广泛应用在几乎所有领域。从使用的材料来分析，受制于技术的需要，3D打印技术目前使用的材料多为塑料、光敏树脂和金属粉末等材料，这与传统机加工可以使用几乎任何材料相比要少很多。但3D打印就像其技术特点一样，几乎不产生浪费，材料的利用率可超过95%；而传统的“减”材制造，不同程度要产生许多废料。

 3D打印技术与传统机械制造的比较未来可能与传统制造业优势互补

如今，3D打印技术已经在社会公众中引起了较大的反响，多个企业宣布即将进入或已经进入3D打印领域，业界也有学者认为3D打印将是推动第三次工业革命的重要内容，将在制造业掀起颠覆性的革命。
但是，近代装备制造业经过数百年的积累和发展，形成了配套完善、功能齐全产业基础；新世纪以来，传统制造业中不断引入新一代信息技术，正在向智能化、数字化与网络化的现代先进制造业转变。

从技术上来说，3D打印技术有待未来突破自身的限制，取代传统制造业的道路也许会很漫长。但3D打印技术可与传统制造业技术互补，共同推进现代制造业的转型。此外，3D打印技术本身也在不断改进，不断有新的应用材料出现，应用领域也在逐步拓展。

3D创平常方法难以达到的结构三维打印的设计过程是：先通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

3D打印枪械打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

3D打印汽车模型三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

许多相互竞争的技术是可用的。它们的不同之处在于以不同层构建创建部件，并且以可用的材料的方式。一些方法利用熔化或软化可塑性材料的方法来制造打印的“墨水”，例如：选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）和混合沉积建模（fused deposition modeling，FDM），还有一些技术是用液体材料作为打印的“墨水”的，例如：立体平板印刷（stereolithography，SLA）、分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM）。每种技术都有各自的优缺点，因而一些公司会提供多种打印机以供选择。一般来说，主要的考虑因素是打印的速度和成本，三维打印机的价格，物体原型的成本，还有材料以及色彩的选择和成本。

三维技术打印房屋 “油墨”为再利用可以直接打印金属的打印机价格昂贵。有时候人们会先使用普通的三维打印机来制作模具，然后用这些模具制作金属部件。

累积技术基本材料

选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS） 热塑性塑料、金属粉末、陶瓷粉末

直接金属激光烧结（Direct metal laser sintering，DMLS） 几乎任何合金

熔融沉积成型（fused deposition modeling，FDM） 热塑性塑料,共晶系统金属、可食用材料

立体平版印刷（stereolithography，SLA） 光硬化树脂（photopolymer）

数字光处理（DLP） 液态树脂

熔丝制造（Fused Filament Fabrication，FFF） 聚乳酸（PLA）、ABS树脂

融化压模（Melted and Extrusion Modeling，MEM） 金属线、塑料线

分层实体制造（laminated object manufacturing，LOM） 纸、金属膜、塑料薄膜

电子束熔化成型（Electron beam melting，EBM） 钛合金

选择性热烧结（Selective heat sintering，SHS） Thermoplastic powder

粉末层喷头三维打印（en:Powder bed and inkjet head 3d printing，PP） 石膏

（1）三维喷涂粘接成型机

（2）喷墨式三位打印

三维喷涂粘接原理：

3D打印技术的主要类别3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。

用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。先烧掉粘接剂，然后在高温下渗入金属，使零件致密化。提高强度。

三维喷涂粘接特点:

适合成型小件；

工件的表面不够光洁，需要对整个截面进行扫描粘接，成型时间较长；

采用多个喷头。

代表公司：Z Corporation

3D打印技术实际上是一系列快速原型成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，由快速原型机在X-Y平面内通过扫描形式形成工件的截面形状，而在Z坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。目前市场上的快速成型技术分为3DP 技术、FDM熔融层积成型技术、SLA立体平版印刷技术、SLS选区激光烧结、DLP激光成型技术和UV紫外线成型技术等。

3DP技术：3DP全称Three Dimensional Printing（三维打印）。这才是真正的3D打印！因为这种技术和平面打印非常相似，连打印头都是直接用平面打印机的。和SLS类似，这个技术的原料也是粉末状的。典型的3DP打印机有两个箱体。如上图所示，左边为储粉缸，右边为成型缸。打印时，左边会上升一层（一般为0.1mm），右边会下降一层，滚粉辊把粉末从储粉缸带到成型缸，铺上厚度为0.1mm的粉末。打印机头根据电脑数据把液体打印到粉末上。（平面打印机的Y轴是纸在动，而3DP的Y轴是打印头在动）液体要么是粘合剂要么是水（用于激活粉末中粉状粘合剂）。

FDM熔融层积成型技术：FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高度（即分层厚度）再成型下一层，直至形成整个实体造型。其成型材料种类多，成型件强度高、精度较高，主要适用于成型小塑料件。

SLA立体平版印刷技术：SLA全称Stereolithography（立体印刷术）。它用激光选择性地让需要成型的液态光敏树脂发生聚合反应变硬，从而造型。SLA有两大类，一种是Objet为代表的，从下到上打印的。另一种是FormLabs为代表的，从上往下打印的。

SLS选区激光烧结技术：SLS全称Selective Laser Sintering（选择性激光烧结）。和SLA类似，SLS使用激光。和SLA不同的是，SLS用的不是液态的光敏树脂，而是粉末。激光的能量让粉末产生高温和相邻的粉末发生烧结反应连接在一起。^[1]
DLP激光成型技术：DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，由于每层固化时通过幻灯片似的片状固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。

UV紫外线成型技术：UV紫外线成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似类似，不同的是它利用UV紫外线照射液态光敏树脂，一层一层由下而上堆栈成型，成型的过程中没有噪音产生，在同类技术中成型的精度最高，通常应用于精度要求高的珠宝和手机外壳等行业。

每一种添加性制造技术的具体原理都不一样，但是主要都是想办法根据电脑数据制造出一层东西，然后在这层东西上面再制造一层东西，如此类推，直至制造出整个立体模型。

主要特点是成品结构复杂性几乎不受限制。

目前主要用于航空工业、汽车工业、专业设计（产品设计和建筑设计的模型制造）、外科（量身定做的矫正牙套、假牙、助听器）等等。

Three Dimension Printing 3DP三维打印

Three-Dimensional Printing TDP快速成型机

过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“三维打印”意味着这项技术的普及。

三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。

该技术珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC），汽车，航空航天，牙科和医疗产业，教育，地理信息系统，土木工程，枪支以及其他领域都有所应用。

粉末材料选择性烧结

小型快速成型机

3DP工艺是美国麻省理工学院Emanual Sachs等人1989年研制的。已被美国的Soligen公司以DSPC（Direct Shell Production Casting）名义商品化，用以制造铸造用的陶瓷壳体和芯子。

1. 先开启 Z-corp 前处理软件将需要打印的 S.T.L. 档案输入

2. 操作时必须佩带手套及口罩

3. 检查废料瓶及粉末回收箱是否有足够空间

4. 用工具将粉末内的空气带走

5. 用力将粉末挤实

6. 启动扫粉器将粉末铺平

7. 用蒸馏水洗净喷墨头制造原型

8. 按 Online 将打印机及计算器连接

9. 打印机会根据分层出来的 2D 图像进行喷墨打印

10.打印完成后将粉末取走将原件小心地取出，并用毛帚将粉末清除

11. 将原件放置于清粉器，用风枪将多余的粉末吹走

12. 风枪压力应调较至大概 2 – 3 bar 大气压力

13. 将原件放置于抽气室中进行胶水渗透程

行业咨询公司“沃勒斯协会”提供的数据显示，三维打印技术的市场销售额已达17亿美元，且有望在2015年前升至37亿美元。

作为三维打印技术的发明者和领头羊，“三维系统”公司2012年收益2.3亿美元，比前年增长四成多。

公司设计的一款新型打印机“立方体”（Cube）定于2012年五月上市，其工作原理和“饶舌男”类似，应用程序则借鉴苹果公司产品，更方便顾客操作。

它的自带程序里已预先装载大量物品设计图，比如棋子、首饰、厨具等，顾客无须学习复杂的三维设计软件，便可直接打印所需物品。

此外，“立方体”还支持无线网络链接，顾客能从网站付费下载更多物品设计图：一只玩具大象收费4.99美元，一枚戒指10美元，一把剃须刀15美元。

总部设在纽约的Shapeways公司是“三维系统”的有力竞争对手。这家公司走的市场路线与购物网站“亚马逊”类似：顾客通过网站上传自己设计的产品图，或订购现有的设计图，公司则按图打印产品，送货上门。

在Shapeways的网站上，既有标价760美元的珊瑚造型台灯，也有只卖几美元的小饰品，还有一些仅三维打印技术才能制造出的稀奇玩意儿，例如类似俄罗斯套娃但不能打开的“套球”。

Shapeways公司首席执行官彼得·魏马尔肖森说，他们每个月售出大约10万件产品，其中最受欢迎的是珠宝首饰、苹果手机套和玩具火车。

医疗行业。一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。

科学研究。美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。

产品原型。比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。

文物保护。博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。

建筑设计。在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。

制造业。制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。

食品产业。没错，就是“打印”食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。

汽车制造业。不是说你的车是3D打印机打印出来的（当然或许有一天这也有可能），而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。

配件、饰品。这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来，就可以实现。