3D 打印如何工作？

一种增材制造方法是 3D 打印。它之所以“增材”是因为它只需堆叠和熔合材料层即可创建实际物体，而无需材料块或模具。它可以构建比“传统”技术更复杂的几何形状，通常速度快，固定设置成本低，并且可以使用越来越多的材料。工程部门大量使用它，尤其是在原型设计和开发轻量级几何形状时。

增材制造和 3D 打印

“3D 打印”一词经常与创客文化、业余爱好者和发烧友、桌面打印机、FDM 等易用的打印技术以及 ABS 和 PLA 等廉价材料联系在一起。这在一定程度上要归功于 RepRap 运动中出现的经济实惠的桌面打印机，例如最初的 MakerBot 和 Ultimaker，它们推动了 3D 打印的普及以及 2009 年的 3D 打印热潮。

3D 打印技术：创新制造的未来

3D印刷历史

3D打印概念产品始于20世纪70年代，1981年，首次描述逐层打印制造方法的日本科学家儿玉博士尝试3D打印，并亲自创制了SLA（立体光刻）3D打印技术——通过紫外光聚合的光敏树脂。

几年后，美国科学家Charles Hull也对SLA技术进行了深入研究，并于1986年提交了SLA的第一项专利。成立了3D Systems公司，并于1988年发布了第一款商业化产品SLA-1。（下图）

SLA可以说是最早开发的3D打印技术，那么后来的SLS（选择性激光烧结）和FDM（熔融沉积成型）是什么时候出现的呢？

1988年，美国人卡尔·德卡德（Carl Deckard）在德克萨斯大学申请了SLS技术专利，这是另一种利用激光局部熔融粉末颗粒进行打印的3D打印技术。同年，Stratasys创始人之一斯科特·克伦普（Scott Crump）申请了熔融沉积成型（FDM）的专利。1980年至1990年，3D打印的三大主要技术均获得专利，标志着该行业进入快速发展时期。

在欧洲，EOS GmbH 创建了一套用于 3D 打印的设计系统：Stereos”系统。如今，其在工业领域的 3D 打印模型在全球范围内被广泛用于塑料和金属的 SLS 3D 打印技术（选择性激光烧结）。

1992年，FDM（熔融沉积成型）3D打印技术专利被Stratasys公司授权，该公司研发出了3D打印机，满足了众多专业人士和个人的不同需求。

1993年至1999年，3D打印行业不断涌现出各种技术，与此同时，越来越多的新型CAD软件、3D建模软件也应运而生，例如最早参与其中的Sanders Prototype（现称Solidscape）就是其中之一。

3D打印多领域应用

2008年，第一款3D打印假肢问世，进一步提升了3D打印在媒体中的占比。人们发现3D打印不仅可以打印传统的部件，还可以应用于人体修复。这个令人惊奇的医疗3D打印项目将一个生物肢体的所有部件组合在一起，可以“按原样”打印，无需任何后续组装。如今，结合3D扫描，3D打印的医疗假肢和矫形器越来越便宜、越来越快地满足患者的需求。而且，这些假肢越来越优化，越来越适应患者的形态。3D打印为大规模个性化带来了新的机会。（添加图片）

2009年是FDM专利进入大众消费领域的一年，为FDM 3D打印机的大规模创新开辟了一条新道路。随着桌面3D打印机价格的下降，越来越多的人能够关注3D打印行业的发展。

2013年，美国总统奥巴马在国情咨文中提到3D打印是未来的主要生产方式，让“3D打印”成为绝对的热门词汇。如今，它在公众心目中的地位非常突出。越来越多的中小型公司正在利用3D打印提供的低成本原型设计优势，将其充分融入到迭代、创新和生产过程中。

3D打印概念车

就建筑应用而言，3D打印房屋如今已成为现实。2018年，人们首次搬进3D打印房屋。这栋房屋面积为1022平方英尺，非常适合居住。打印总共花了两天时间。

3D打印的分类体系关于制造与3D打印的异同

就拿镂空球来说，表面有十几朵花，如果用传统机械加工来加工，会非常麻烦，图案都要一个个修改。而如果选择3D打印，就不存在材料的浪费，所以它还有一个名字叫增材制造，意思是用逐渐积累材料的方式来制造实体零件。传统方法是先做出胚，然后去除多余的材料，剩下的材料就是需要的形状。如果发现问题，就需要开模修改；而3D打印采用一点一点的材料积累，很快就能看到成品。

3D打印技术实现

3D打印技术应用于工业生产，3D打印需要用到的并不是实物，而是数字模型。如果要把眼前的实物3D打印出来，那么必须用电脑建模，或者用3D扫描仪把实物数字化，也就是3D模型，最快十五分钟就能打印出来。目前3D打印技术分为FDM、DLP/SLA、SLS四大类

SLS——激光烧结成型工艺

SLS是比较高科技的粉末，在激光照射的高温条件下会熔化。在工作台上铺一层薄薄的粉末，用激光束扫描这一层的横截面，使温度升到熔点，从而实现烧结粘接，重复铺粉、烧结、打磨、干燥，直到模型成型。其实3D打印就是一遍又一遍的2D打印。如果你把一个物体切得很薄，会发现每一片都有一个形状，如果把所有的形状拼在一起，就得到了一个三维结构的物体。所以我们用激光来绘制图形。SLS成型件对环境（温度、湿度、化学腐蚀）的抵抗力与热塑性材料差不多；而SLA成型件的抵抗力相对较差，比如用环氧树脂成型的SLA工件容易受到湿气和化学腐蚀，在38℃以上的环境中会软化、翘曲，但成型精度高。

SLA--立体光刻成型工艺

SLA是光固化技术，目前国内比较发达。“立体光刻”是利用激光束在液态树脂表面勾勒出物体的第一层形状，然后将生产平台降低一定距离（0.05-0.025mm之间），再将固化后的层浸入液态树脂中，如此反复。所用的树脂是感光树脂，经激光束照射后会形成固态，成型模型快速、精确。

DLP——立体光刻成型工艺

DLP数字光处理，又称激光整形技术。DLP 3D打印技术与SLA 3D打印技术有很多相似之处，如果把生产比喻成用铅笔画一个圆，那么SLA技术就相当于一层一层的画，而DLP就相当于直接冲压。我们追求的量产有两点非常重要，一个是效率，一个是材料成本。现在有一种3D打印机可以比传统制造快几百倍的打印速度，那就是直面技术，目前已经被深圳的一家公司光棱镜科技研发出来了。用传统的FDM 3D打印打印一个空心球需要2-5个小时，最快也要一个小时，但是用最新的直面技术打印只需要10分钟左右，打印速度非常惊人，这种3D打印一旦上市，对传统工艺的冲击还是很大的。

熔融沉积成型工艺

相较于DLP、SLS等技术，FDM技术相对简单，因此受众群体较大，更容易进入家庭。其原型构建方式是利用热塑性材料挤出为半熔融的长丝，逐层沉积的方式，直接从3D CAD数据构建。FDM技术的优点是机械结构简单，设计容易，制造成本、维护成本和材料成本低，对环境无污染。因此FDM也是家用桌面型3D打印机中应用最为广泛的技术。它是一种比较传统的打印方式，不使用激光，成本较低，但精度不高，打印速度很慢。这是最容易被大家接受的方式，一般用于教育市场。

3D 打印对制造业和传统工艺的影响

3D 打印的优势

（1）定制

以牙科为例，每个人的牙齿都是不一样的，但3D打印可以解决定制化生产与量产之间的矛盾，批量生产定制化的种植牙、牙套等。

（2）实时采样

因为3D打印速度快，设计师上午设计一版产品，中午领导就能看到成品，下午6点再设计一版，第二天早上就能看到成品，大大加快了新产品的开发速度。如果不是特别复杂的产品，3D打印3个小时就能出成品，而传统打样每次要4-6周，所以工业设计的整体速度也提高了。

（3）无污染

 由于生产的原材料全部为环保材料，整个生产过程属于无污染生产，无废气、废水的污染，无边料的浪费。

（4）数据化

当数字化牙科成熟后，对医生的技术要求会大大降低，患者只需要在医院用仪器扫描两分钟，就能知道所有牙齿问题的原因和解决方法。

此外，3D打印还可以用于牙齿矫正，打印个性化定制透明牙套。整形时，牙齿应该向左移动还是向前移动？移动多少毫米？以往牙科手术完全依赖医生的个人经验，但数字化牙科增加了手术的稳定性，降低了医生的技术门槛。

（5）快速

 相较于传统工业流程，3D打印无需人力、运输等前期准备，仅需机器和原材料，即可快速投入生产。

（6）自动化

 可以说虚拟想象与现实之间只差一台3D打印机，3D打印一键生产节省了大量的人工成本和人为失误。