3D 打印

3D 打印（3D Printing），即增材制造技术，是快速成型技术的一种。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、热熔喷嘴等方式将金属粉末陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D 打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低 了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床和众多的人力，直接 从计算机图形数据中便可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。

减材制造与增材制造

原来的工业社会用的是什么方式呢？现在我们称之为叫减材制造，就是把材料一点一点地减下去，是把原材料当中我们不需要的那部分抠掉，然后获得我们所需要的物品。那种生产方式，自然它的工业母机就是机床，什么车钳刨铣磨，通过什么折弯、切削、钻孔、磨，最后得到我们用的部件，然后把它组合，就变成一个工业品。

可是 3D 打印就不是这样啊，它是通过喷各种各样的材料，当然材料五花八门了，什么都有，有的是尼龙，有的是树脂，有的是塑料，还有很高级的，比如说喷钛金属，还有喷各种生物的分子的。但是不管怎么样，它都是用一种叫增材制造的方法，是用加法，从零开始一点一点堆出你想要的那个东西。

数据驱动

3D 打印真正的含义不是什么增材制造，而是用数据可以远程驱动的制造。工业社会也是把农耕社会的这个消费和生产一体化的场景一剖两半，让你们互相之间寻找，一旦寻找，就会有信息成本。

3D 打印是什么？是通过互联网和一系列现代化的材料技术、制造技术，构建的人类的最后一道跨越天堑的桥梁，把人、把信息、把财富，和实体世界的物联系起来的方式。

3D 打印发展历程

3D 打印技术的核心思想于 19 世纪末的美国起源，到 20 世纪 80 年代后期 3D 打印技术发展成熟并被广泛应用。可谓是“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。

• 1860 年，多照相机实体雕塑（Photosculpture）的专利被法国人 Franois Willème 申请。
• 1892 年，一项采用层合方法制作三维地图模型的专利技术在美国登记。
• 1992 年，Stratasys 公司推出了第一台基于 FDM 技术的工业级快速成型打印机。
• 1993 年，美国麻省理工学院 MIT 的 Emanual Sachs 教授发明了三维打印技术。
• 1995 年，麻省理工的两名学生 Jim Bredt 和 Tim Anderson 的毕业论文选题是便捷快速成型技术。两人把打印机墨盒里面的墨水替换成胶水，成功打印出了一些立体的物品。这是 3D 打印在学术上的首次成功尝试。
• 1996 年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation 公司均各自推出了新一代的快速成型设备，此后快速成型便有了更加通俗的称呼 ──“3D 打印”。在此之前为研究领域所接受的名词是“快速成型”。

进入 21 世纪，3D 打印技术迅速发展，

• 2005 年，Z Corp.公司推出世界上第一台高精度彩色 3D 打印机 Spectrum Z510，3D 打印由此有了精致的色彩；
• 2009 年，Bre Pettis 创立了著名的桌面级 3D 打印机公司 Maker Bot，并出售 DIY 套件，购买者可自行组装 3D 打印机，将 3D 打印技术进一步推广开来；
• 2015 年，美国 Carbon3D 公司发布一种新的光固化技术——连续液态界面制造（Continuous Liquid Interface Production，CLIP），利用氧气和光连 续地从树脂材料中逐出模型。将 3D 打印速度提升了一个阶段，且可以使用部分生物材料。此外，还有许多 3D 打印技术在汽车制造、首饰设计、食品、艺术、生物医疗、航空航天等领域的成功案例。

3D 打印材料

3D 打印所使用的材料均针对 3D 打印设备专门研发，其形态为粉末状、丝状、层片状、液体状等等，与普通材料有所区别。以粉末状打印材料为例，根据打印环境的不同，其粒径一般为 1-100μ ｍ不等，且一般要求粉末有高球形度。

• ABS 塑料：ABS（Acrylonitrile–Butadiene–Styrene Copolymer）为使用最广泛非通用塑料之一，它将丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的性能结合起来，具备耐冲击、耐高低温、耐化学药品、无毒无味的特性，此外，其易加工、可二次加工。

• PLA 塑料：PLA（Polylactic-Acid）是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源（如红薯、玉米）所提炼出的淀粉原料制成。其相容性、可降解性、物理性能、光泽性与抗拉强度良好，适用于各种加工方法，尤其是吹塑与热塑。

• 工程塑料：工程塑料（Engineering-Plastics）是指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，耐热性、耐冲击性、抗老化性与机械性能良好，主要用于工业。主要品种有：聚酰胺（尼龙），聚苯硫醚，聚碳酸酯，聚甲醛，PBT，聚苯醚。

• 光敏树脂：光敏树脂是由高分子组成的胶状物质，由于粘度低、固化收缩小速率快程度高、溶胀小、光敏感性高等特性，成型后产品外观平滑，呈现出透明至半透明的磨砂状。常见的光敏树脂有 somosNEXT 材料、树脂 somos11122 材料、somos19120 材料和环氧树脂。

• 橡胶类材料：橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特性，其硬度低、断裂伸长率高、抗撕裂强度大、拉伸强度大，非常适合应用于要求防滑或柔软表面的领域。3D 打印的橡胶类材料产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。

• 金属材料：3D 打印所使用的金属粉末与一般金属不同，要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，应用于 3D 打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。其中钛合金强度高、模量低、耐疲劳性强，广泛应用于航空航天与生物医学。

• 陶瓷材料：陶瓷材料具有硬度高、密度低、耐高温、耐腐蚀等特性，广泛用于航空航天、汽车、生物医疗等行业。陶瓷颗粒越小，表面越接近球形，陶瓷层的烧结质量越好。由于目前工艺的局限，复杂的陶瓷打印所需模具复杂、成型困难、成本高，难以广泛应用。

• 复合型石膏粉末：这是一种全彩色的打印材料，具有易碎、坚固、色彩清晰的特点，成型后外表会出现细微的颗粒效果，外观很像岩石，在表面曲面会出现环状纹理。

• 蓝蜡和红蜡：采用多喷嘴立体打印技术（MJM），表面光滑，多用于制造蜡模，利用失蜡铸造的原理，用于精密铸造。在珠宝、服饰、医疗、雕塑、艺术等领域广泛应用。

• 其他材料：细胞材料，在实验室培养出细胞介质，以水基溶胶为粘合剂；食品材料，加热为胶状的砂糖等。

3D 打印制造流程

3D 打印可以简单地理解为“多层的二维打印”，3D 打印机一般使用特制的材料，基于 笛卡尔机械坐标系，按照三维图纸，将其一层层喷涂或者熔结到三维空间中，从而制作出传 统制造工艺难以制作的高复杂度产品。3D 打印机主要由高精度机械系统、数控系统、喷射 系统、计算机技术组成的机电一体化复杂系统。概括来说，3D 打印机的制造过程一般要经 历三维建模、分层切割、打印喷涂和后期处理四个阶段：

• 三维建模：分为扫描和手动建模两种。扫描是一种自动建模的方法，即通过 GOSCAN 之类的扫描设备获取扫描对象的三维数据，并自动生成三维模型；手动建模是从零开始，使 用三维建模软件，如 Blender、AutoCAD、C4D，在直角坐标系中建立三维模型。目前大部 分 3D 打印机均基于 stl 格式设计。

• 分层切割：由于 3D 打印机不能直接操作 3D 模型，需要通过打印机配备的专业软件将 模型文件处理为打印机可识别的描述方式，分为多层薄片，每层厚度由打印材料的属性与打 印精度决定。

• 打印喷涂：打印机按照分层切割的蓝图，将打印材料逐层喷涂或熔结到三维空间中。这 一阶段有多种实现方式，较为普遍的方式是先喷一层胶水，再添加粉末，循环往复；或是用 5 高能激光融化合金材料，层层绘制，熔结成产品；比较先进的是连续液态界面制造，利用氧 气和光连续地从树脂材料中逐出模型。这一过程根据模型大小、复杂程度与打印材料不同，耗时几分钟到几天不等。

• 后期处理：打印喷涂结束后一般会有一些粗糙截面与材料毛刺，便需要对模型进行后期 处理，包括固化、修整、打磨、上色等。这一阶段与 3D 打印技术关系较小。