一、3D打印简介
1.3D打印概念
3D打印（3DPrinting），三维打印，相对于传统减材加工制造技术，3D打印是增材制造，是快速成型技术的一种，是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或者塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。
3D打印技术起源可以追溯到19世纪末的美国，学名为“快速成型技术气直到20世纪80年代才出现成熟的技术方案，面向企业级的用户。今天，尤其是MakeBot系列以及REPRAP开源项目的出现，使得越来越多的爱好者积极参与到3D打印技术的发展和推广中。
传统喷墨打印机工作过程是通过计算机发出打印控制指令，喷墨打印机把计算机传送过来的文件，通过将一层墨水喷到纸的表面以形成一幅二维图像。3D打印也是这样，通过单击控制软件中的“打印”按钮，控制软件通过切片引擎完成一系列数字切片，然后将这些切片信息传送到3D打印机上，后者会逐层打印，然后堆叠起来，直到一个固态物体成型。
2.发展历史
19世纪末，由于受到两次工业革命的刺激18~19世纪欧美国家的商品经济得到了飞速的发展，为了满足科研探索和产品设计的需求，快速成型技术从这一时期已经开始萌芽。年4月，英国著名经济学杂志TheEconomist一篇关于第三次工业革命的封面文章全面地掀起了新一轮的3D打印浪潮，以编年史的形式简述了3D打印技术的发展历程：
年，Blanther首次提出使用层叠成型方法制作地形图的构想。
年，Perera提出可以沿等高线轮廓切割硬纸板然后层叠成型制作3D地形图的方法。
年，Matsubara在纸板层叠技术的基础上首先提出使用光固化材料，光敏聚合树脂涂在耐火的颗粒上面，然后这些颗粒将被填充到叠层，加热后会生成与叠层对应的板层，光线有选择地投射到这个板层上将指定部分硬化，没有扫描的部分将会使用化学溶剂溶解掉，这样板层将会不断堆积直到最后形成一个立体模型，这样的方法适用于制作传统工艺难以加工的曲面。
年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard发明了选择性激光烧结工艺（SelectiveLaserSintering，SLS），SLS技术应用广泛并支持多种材料成型，如尼龙、蜡、陶瓷，甚至金属。
年，美国麻省理工大学的EmanualSachs教授发明了3D印刷技术（Three-DimensionPrinting，3DP），3DP技术通过黏接剂把金属、陶瓷等粉末黏合成型。
年，ZCorporation公司推出世界上第一台高精度彩色3D打印机SpectrumZ，让3D打印走进了彩色时代。
年，3D打印服务创业公司Shapeways正式成立，建立起了3D打印设计在线交易平台，为用户提供3D打印服务。年，第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布。
年，《科学美国人》（ScientificAmerican）的中文版评选出了年最值得铭记、对人类社会产生影响最为深远的十大新闻，其中3D打印位列第九。
二、3D打印的原理与技术
1.3D打印的原理
3D打印技术采用分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步，第一步在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，第二步是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化结结，没有胶水的区域仍保持松散状态。在一层胶水一层粉末的交替下实体模型打印成型，打印完毕后扫除松散的粉末即可刨出模型，剩余粉末还可循环利用。
3D打印按材料可分为块体材料、液态材料和粉末材料等。按照美国材料与试验协会（ASTM）、3D打印技术委员会（F42委员会）的标准，七类3D打印工艺与所用材料如表1所示。
2.3D打印技术分类
1）光固化成型
光固化成型技术（StereoLithigraphyApparatus，SLA），使用光敏树脂为材料，通过紫外光照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品，如图1所示。
图1SLA工作原理图
光固化树脂材料主要包括齐聚物、反应性稀释剂及光引发剂。该技术优点是原材料的利用率将近%、成型过程自动化程度高、尺寸精度高、表面质量优良、可以制作结构复杂的模型；缺点是价格高，制件易变形，可使用材料、液态树脂有气味和毒性，制作物品较脆等。
2）熔融沉积制造
熔融沉积（fuseddepositionmodeling，FDM）又叫熔丝沉积，是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品，如图2所示。
图2FDM工作原理图
使用的材料一般是热塑性材料，如ABS、PC、蜡、尼龙等。优点是系统构造原理和操作简单、成本低、材料的利用率高、去支撑简单等；缺点是成型件的表面有明显的条纹、沿成型轴垂直方向的强度比较弱、需要设计与制作支撑结构、打印速度慢。还有多喷头FDM和气压式FDM，实现多种材料的混合打印。
3）选择性激光烧结
选择性激光烧结（selectinglasersintering，SLS）利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制层叠堆积成型。步骤是：首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型，如图3所示。
图3SLS工作原理图
该工艺能制造塑料、陶瓷、石蜡、金属等材料零件。
技术优点是可采用多种材料如尼龙、聚碳酸醋、聚苯乙烯、聚氯乙烯等，制作工艺简单、无须支撑结构、材料利用率高、打印的零件机械性能好、强度高。其缺点是制作表面粗糙、烧结过程挥发异味、制作过程需要比较复杂的辅助工艺、材料粉末比较松散，烧结后成型精度不高等。
4）聚合物喷射技术
聚合物喷射技术（PolyJet）原理如图4所示。
图4聚合物喷射技术原理图
喷射打印头沿X轴方向来回运动，工作原理类似喷墨打印机，区别是喷头喷射的是光敏聚合物。当光敏聚合材料被喷射到工作台上后，UV紫外光灯将沿着喷头工作的方向发射出UV紫外光对光敏聚合材料进行固化。
完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射光敏聚合材料进行下一层的打印和固化。由一层接一层平面打印实现整个工件打印制作完成。
PolyJet使用的激光光斑为0.06~0.10mm，打印精度高于SLA。PolyJet可以使用多喷头，在打印光敏树脂的同时，可以使用水溶性或热熔型支撑材料。而SLA/DLP的打印材料与支撑材料来源于同一种光敏树脂，所以去除支撑时容易损坏打印件。
由于可以使用多喷头，可以实现不同颜色和不同材料的打印。
PolyJet的优点主要如下：
（1）打印精度高。高达16μm的层分辨率和0.1mm的精度，确保获得光滑、精准部件和模型。
（2）清洁。适合于办公室环境，采用非接触树脂载入/卸载，支撑材料的清除容易。
（3）打印速度快。全宽度上的高速光栅构建，可实现快速的打印，无须二次固化。
（1）用途广。由于打印材料品种多样，可适用于不同几何形状、机械性能及颜色的部件。此外，所有类型的模型均使用相同的支持材料，因此可快速便捷地变换材料。
PolyJet的缺点主要如下：
需要支撑结构，耗材成本相对较高，成型件强度较低。
5）电子束选区熔化技术
电子束选区熔化技术（electronbeamselectivemelting，EBSM）是采用高能电子束作为加工热源，扫描成形通过操纵磁偏转线圈进行，电子束真空环境可以避免金属粉末在液相烧结或熔化过程中被氧化。
利用金属粉末在电子束轰击下熔化的原理，先在铺粉平面上铺展一层粉末并压实；然后电子束在计算机的控制下根据截面轮廓的信息进行有选择的熔化、烧结层层堆积，直至整个零件全部熔化、烧结完成。
该技术无须扫描机械运动部件，电子束移动方便快捷，可实现快速偏转扫描功能。由于电子束的能量利用率高、熔化穿透能力强、可加工材料广泛等特点，使EBSM在人体植入、航空航天小批量零件、野战零件快速制造等方面具有独特的优势。
EBSM技术的优点如下：
（1）成型过程不消耗保护气体。完全隔离外界的环境干扰，没有金属氧化问题。
（2）无须预热。由于成型过程是处于真空状态下进行的，热量的散失只有靠辐射完成，无对流作用，成型过程中热量保持好，无须预热装置。
（3）力学性能好。成型件组织非常致密，可达%的相对密度。由于成型过程中在真空下进行，成型件内部一般不存在气孔，成型件内部组织呈快速凝固形貌，力学性能甚至比锻压成型试件好。
（4）纯度好。在真空环境中成型没有其他杂质，是其他快速成型技术难以做到的。
（5）不需支撑。成型过程采用粉末作为支撑，不需要额外添加支撑，省去了成型前需添加支撑，成型后需去除支撑，节省了成型时间。
EBSM技术的缺点如下：
（1）受制于电子束无法聚到很细，精度有待提高。
（2）成型前需长时间抽真空，抽真空占去了总机大部分功耗。
（3）成型完后，热量只能通过辐射散失，降温时间长。
（4）真空室的四壁必须高度耐压。
（5）为保证电子束发射的平稳性，成型室内要求高度清洁，工艺要求高。
（6）采用的高电压会产生较强的X射线，需采取防护措施。
6）叠层实体制造
叠层实体制造（laminatedobjectmanufacturing，LOM）由计算机、材料存储及送进机构、热粘压机构、激光切割系统、可升降工作台、数控系统和机架等组成。
LOM原理是在工作台上制作基底，工作台下降，送纸滚筒送进一个步距的纸材，工作台回升，热压滚筒滚压背面涂有热熔胶的纸材，将当前迭层与原来制作好的迭层或基底粘贴在一起，切片软件根据模型当前层面的轮廓控制激光器进行层面切割，逐层制作，当全部迭层制作完毕后，将多余废料去除，如图5所示。
图5LOM工作原理示意图
所用材料主要是应用纸、塑料薄膜、金属箔等薄层材料。技术优点是原材料价格便宜、制作尺寸大、无须支撑结构、操作方便等，缺点是工件表面有台阶纹、工件的抗拉强度和弹性差、易吸湿膨胀等。
三、3D打印的特点与优势
1.3D打印的特点
1）数字制造
借助建模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。
2）降维制造（分层制造）
即把3D结构的物体先分解成二维层状结构，逐层累加形成3D物品，3D打印技术可以制造出任何复杂的结构，制造过程更柔性化。
3）堆积制造
“从下而上”的堆积方式对于实现非匀致材料、功能梯度的器件有优势。
4）直接制造
任何高性能难成型的部件均可通过打印方式直接制造出来，不需要通过组装拼接等复杂过程来实现。
5）快速制造
3D打印制造工艺流程短、全自动、可实现现场制造，制造更快速、更高效。
2.3D打印的优势
1）制造复杂物品不增加成本
就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高。对3D打印机而言制造形状复杂的物品成本不增加。
2）产品多样化不增加成本
3D打印可以打印许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同形状的物品。3D打印只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。
3）无须组装
3D打印能使部件一体化成型，通过分层制造可以同时打印一扇门及上面的配套绞链，不需要组装，节省了劳动力和运输方面的花费。
4）零时间交付
3D打印机可以按需打印，减少了企业的实物库存，可以实现按需就近生产，零时间交付，可能形成新的商业模式。
5）设计空间无限
传统制造技术和工匠制造形状的能力受制于所使用的工具，3D打印可突破这些局限，开辟巨大的设计空间。
6）零技能制造
批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求，无须专业人员进行机器调整和校准。非技能制造带来新的商业模式，能在远程环境或极端情况下为人们提供新的生产方式，可以与物联网结合形成新的模式。
7）材料无限组合
采用多材料3D打印技术比较容易实现不同材料融合在一起实现多材料器件及其功能。
8）精确的实体复制
采用3D打印技术可以将数字精度扩展到实体世界，通过扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。
四、3D打印应用
3D打印技术可以应用于模具制造、工业设计、航天航空国防、医疗行业、文物保护、建筑设计、制造业、食品产业等众多行业。
1.医疗行业
3D打印现已在制造人体器官、活体组织、骨骼等方面获得实际应用。
1）打印器官
3D打印技术可以通过制作半透明的器官模型帮助外科医生了解器官内部结构，可以精确复制人体心脏模型，帮助医生在术前研究患有疑难并发症的患者的心脏结构。3D打印技术也可使用加入细胞混合物凝胶的可生物降解脚手架，逐层构建器官。
2）打印外骨骼
3D打印骨骼可以对残疾人士与肌肉萎缩人士起到支撑作用，辅助站立及走动，提升行动能力。还可以帮助正常骨骼细胞生长发育，人体骨骼复原后，原料可以在人体内自然溶解。
3）打印细胞
研究人员开发了基于瓣膜的细胞打印过程，可以按特定的模式打印细胞。细胞打印过程中喷嘴用力恰当，以保护细胞和组织的生命力。
4）打印活体组织
研究人员模仿生物组织中的一些细胞特性，将小水滴组装成为一种类似胶状物的物质，能够像肌肉一样弯曲，像神经细胞一样传输电信号，可用于修复或缓解器官衰竭。
5）打印血管
联合3D打印技术和多光子聚合技术，可打印人造血管。
6）治疗癫痫
日本科研团队研发出光固化3D打印材料，是高导电性的新型树脂，可应用于制作生物传感器的接口，制作与大脑连接的3D微电极，大脑中的神经可以通过3D微电极的接口进行互连，从而发送或接收来自神经元的电信号，可用于进行深部脑刺激和相关疾病如癫痫、抑郁症、帕金森氏病的干预及治疗。
7）胎儿塑像诊疗
用超声波探测子宫中的胎儿，记录出各种数据；再运用3D扫描技术对这些数据进行处理从而模拟出胎儿的雏形；最后用黄铜将模型浇铸出来，有助于胎儿先天性缺陷的探测。
3D打印对整个医疗行业产生深远影响。3D打印技术和克隆技术结合有望解决器官排异问题。医药机构通过3D打印的人体活体组织中提取大量数据，有利于加速新药品的研发进度。
2.航天航空和国防
航天航空厂商利用3D打印技术打造新的、可定制的零部件。NASA利用3D打印技术生产了用于执行载人火星任务的太空探索飞行器（SEV）的零部件，并探讨在该飞行器上搭载小型3D打印设备，实现“太空制造气
有家航空公司设计的直升机发动机中，使用了GE的3D打印技术，实现了40%的零部件由3D打印制造，并且将零部件数量从个减少到16个。另一个发动机从个部件减少到12个，重量减轻了5磅，并降低了80%的成本。3D打印技术为飞机、航天器进行微型零部件定制化设计与制造能力的提升颠覆性地改变整个航天航空国防工业。
3.建筑行业
3D打印技术在建筑领域的应用有建筑设计阶段和工程施工阶段。在建筑设计阶段，可以制作建筑模型，设计师们利用3D打印机将虚拟中的3D设计模型直接打印为建筑模型，这种方法快速、环保、成本低。建筑施工阶段直接利用3D打印建造技术建造建筑，3D打印建造技术有利于减少资源浪费和能源消耗。
4.食品行业
人们对定制化食品的需求量在逐渐提高，3D打印可以助力定制化食品的快速实现，采用3D打印技术容易实现调整食品的某些营养成分，可以根据具体需求自由做出含糖量不同的食品，对控制肥胖、糖尿病等问题有重大好处。
5.能源行业
GE公司将3D打印集成到生产流程的许多阶段。例如，通过3D打印技术，实现更加坚固的钻头，并能够在现场打印可更换部件。金属3D打印也已经用于风力涡轮机和采矿设备制造上。
还可使用石墨烯进行3D打印。在电气设备的设计方面获得一些自由，为能源系统提供新的可能性。这种新方法，更容易和可行地存储可再生能源。
6.制造业
3D打印技术的出现，给制造业带来了无限种可能，3D打印降低了制造业的生产成本，制造效率也在不断的提高。
1）废物预防
资源浪费在3D打印中几乎不存在，3D打印采用增材制造而不是减材制造，不用剔除边角料，提高了材料的利用率，无须任何损失。
2）原型生产简单
与传统制造相比，原型生产采用3D打印更具灵活性，不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具，就能直接把计算机的任何形状的3D图形生成实物产品。
3）无缝制作
3D打印的制造工艺更自动化，选择材料后，按打印按钮，项目将以无缝的方式实现成品。
4）大规模定制
通过3D打印，可以大量打印定制设计。
7.文物保护
文物作为一种不可再生资源，一旦破损和毁灭，都将对考古学家对历史的考察与探究造成很大的困扰，从而抹杀人类的历史记忆。采用3D打印与3D扫描技术，使古文物“起死回生”，让古代文化得以传承。
五、3D打印与物联网的结合
3D打印行业正向着速度更快、精度更高、成本更低、应用更广、操作更简便的方向发展。材料向多元化发展：建立相应的材料供应体系，将拓宽3D打印技术应用场合。3D打印技术发展未来将是4D打印，在3D打印基础上，加上时间轴，可以执行一项任务，远程环境或极端情况下，如航天器舱外一个螺母松了，可以就地打印一个带动力的机械扳手去执行拧螺母的功能。
3D打印产业链存在巨大的潜在发展空间，特别是上游打印材料和个人3D打印设备的制造企业将会有巨大商机。
3D打印技术将从工业应用逐步渗透到日常生活中。如车里放着一台3D打印机，汽车的某个零件坏了，便可以及时打印一个重新装上。
3D/4D打印会因为它的无所不能可以让“异想天开”成为现实。
3D/4D打印与物联网结合，并在未来深度融合，3D/4D打印将变成物联网的一个终端执行设备，结合云端控制，实现物联网机器人，实现远程感知、远程控制、远程执行的超距物联网机器人。
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