3D打印技術(shù)是快速成形技術(shù)的一種，它是將計算機(jī)設(shè)計出的三維數(shù)字模型分解成若干層平面切片，然后由3D打印機(jī)把粉末狀、液狀或絲狀塑料、金屬、陶瓷或砂等可粘合材料按切片圖形逐層疊加，最終堆積成完整物體的技術(shù)。該技術(shù)綜合了數(shù)字建模技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、材料科學(xué)與化學(xué)等諸多方面的前沿技術(shù)知識，是一種具有很高科技含量的綜合性應(yīng)用技術(shù)。

　　3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)大規(guī)模的個性化生產(chǎn)，可以制造出傳統(tǒng)生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形。并且可以實現(xiàn)首件的凈型成形，大大減小了后期的輔助加工量，避免了委外加工的數(shù)據(jù)泄密和時間跨度。另外，由于其制造準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的時間大幅減少，使得單件試制、小批量生產(chǎn)的周期和成本降低，特別適合新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)。這些優(yōu)勢使3D打印成為一種潮流，目前已在建筑、工業(yè)設(shè)計、珠寶、鞋類、模型制造、汽車、航空航天、醫(yī)療、教育、地理信息系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

　　3D打印與傳統(tǒng)模型加工制造相比，有以下優(yōu)勢：

　　(1)打印的零件精度高。目前市面上的主流3D打印機(jī)的精度基本都可以控制在0．3ram以下。這種精度對于一般產(chǎn)品需求來說是足夠的。

　　(2)產(chǎn)品制造周期短，制造流程簡單。3D打印技術(shù)省去了傳統(tǒng)工藝模具設(shè)計與制作等工序，直接從CAD軟件的三維模型數(shù)據(jù)得到實體零件，生產(chǎn)周期大大縮短，也簡化了制造流程，節(jié)約制模成本。

　　(3)可實現(xiàn)個性化制造。3D打印一般通過計算機(jī)建模實現(xiàn)設(shè)計，很容易在尺寸、形狀和比例上做修改，并且這些修改都是實時的，為制作個性化產(chǎn)品提供了極大便利。另一方面，利用計算機(jī)建模能得到一些傳統(tǒng)工藝不能得到的曲線，這將使3D打印產(chǎn)品擁有更加個性的外觀。

　　(4)制造材料的多樣性。通常一個3D打印系統(tǒng)可以使用不同材料打印，如金屬、石料、塑料等，從而滿足不同領(lǐng)域的需要。

　　(5)可完成一些相對復(fù)雜的零件。彌補(bǔ)了傳統(tǒng)加工工藝的不足。

　　3D打印技術(shù)是以計算機(jī)三維設(shè)計模型為藍(lán)本，用軟件將其離散分解成若干層平面切片，然后由數(shù)控成型系統(tǒng)利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末狀、液狀或絲狀金屬、陶瓷、塑料、細(xì)胞組織等材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實體產(chǎn)品。3D打印機(jī)是3D打印的核心裝備，它是集機(jī)械、控制及計算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由高精度機(jī)械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。與傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造技術(shù)”相反，3D打印遵從的是加法原則，即“逐層疊加”原則，不再需要傳統(tǒng)的刀具、夾具和機(jī)床，能實現(xiàn)設(shè)計制造一體化，從而大幅降低了生產(chǎn)成本和縮短了加工周期，提高了原材料和能源的利用率，減少了對環(huán)境的影響，并且能實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的設(shè)計制造，成型產(chǎn)品的密度也更加均勻。

　　助設(shè)計人員使用計算機(jī)建模軟件制作出產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，再根據(jù)模型自動分析出打印的工序，之后按下“打印”鍵，3D打印機(jī)就可以把它們打印出來。3D打印與傳統(tǒng)打印原理是一樣的，只是所用的打印原材料不一樣，傳統(tǒng)打印用的是“墨水”，而用于3D打印的原材料則必須是能夠液化、粉末化、絲化的塑料、金屬、陶瓷或砂等，在打印完成后又能重新結(jié)合起來，并具有合格的物理、化學(xué)性質(zhì)。

　　(1)三維設(shè)計

　　三維打印的設(shè)計過程是：先通過計算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維立體模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。3D設(shè)計軟件是3D打印的數(shù)據(jù)源頭，3D打印所需的模型是由3D設(shè)計軟件創(chuàng)建的，國內(nèi)的3D設(shè)計軟件包括cAD、中望3D、cAxA等。雖然目前3D打印的專用軟件不少，但更為直觀、簡單、實用的3D打印專用軟件還有待開發(fā)。

　　(2)切片處理

　　3D打印與激光成型技術(shù)一樣，采用了分層加工、疊加成型來完成3D實體打印。每一層的打印過程分為兩步，首先打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，在需要成型的區(qū)域噴灑一層特殊膠水，膠水液滴本身很小，且不易擴(kuò)散。然后噴灑一層均勻的粉末，粉末遇到膠水會迅速固化黏結(jié)，而沒有膠水的區(qū)域仍保持松散狀態(tài)。這樣在一層膠水一層粉末的交替下，實體模型將被“打印”成型，打印完畢后只要掃除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末還可循環(huán)利用。

　　(3)完成打印

　　3D打印機(jī)的分辨率對大多數(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)足夠，但在彎曲的表面可能會比較粗糙，像圖像上的鋸齒一樣，要獲得更高分辨率的物品可以先用當(dāng)前的三維打印機(jī)打出稍大一點的物體，再稍微經(jīng)過表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

　　(1)SLA立體光固化成型技術(shù)

　　該技術(shù)的原理是用特定波長與強(qiáng)度的“光”聚焦到“光固化材料”表面，從而完成單層材料的圖形化。使用的材料是液態(tài)光敏樹脂。特點是成形速度較快，精度相對較高，外形表面非常好。主要用于制造多種模具、模型。

　　(2)FDM容積成型技術(shù)

　　其原理是將絲狀材料通過加熱器的擠壓頭熔化成液體，微噴頭作x—v平面運動，將熔融的材料涂覆在成型的“作品”上，冷卻后便完成一層圖形的制作。使用的材料是絲狀材料(石蠟、金屬、工程塑料、低熔點合金絲)。特點是使用、維護(hù)簡單，成本較低，速度快，復(fù)雜程度原型僅需要幾個小時即可成型。主要用于塑料件、鑄造用蠟?zāi)?、樣件或模型?

　　(3)LOM分層實體制造技術(shù)

　　其原理是激光切割系統(tǒng)按照計算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的薄材用激光切割出工件的內(nèi)外輪廓，切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層紙疊加上去，利用粘壓裝置將已切割層粘合在一起。使用的材料是紙、金屬箔、塑料膜、陶瓷膜及涂敷有熱敏膠的纖維紙等。特點是工作可靠，模型支撐性好，成本低，效率高。主要用于快速制造新產(chǎn)品樣件、模型或鑄造用木模。

　　(4)3DP三維粉末粘接技術(shù)

　　其原理是先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復(fù)鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終工件。使用的材料是粉末材料，如陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等。特點是成型速度快、無需支撐結(jié)構(gòu)，而且能夠輸出彩色打印產(chǎn)品，目前其他技術(shù)比較難以實現(xiàn)。主要應(yīng)用在專業(yè)領(lǐng)域。

　　(5)SLS選擇性激光燒結(jié)技術(shù)

　　其原理是先鋪一層粉末材料，控制激光束有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，使粉末材料溫度升至熔化點，被燒結(jié)部分便固化形成圖形，接著不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過程，直至完成整個模型成型。使用的材料是金屬粉末材料(Ni基合金混銅粉、Ti、Fe、Cu粉末等)。特點是成品精度好、強(qiáng)度相對較高，最主要的優(yōu)勢在于金屬成品的制作。主要應(yīng)用在高端制造領(lǐng)域。

　　但3D打印技術(shù)要進(jìn)一步擴(kuò)展其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用空間，仍面臨著多方面的瓶頸和挑戰(zhàn)：

　　(1)成本較高?，F(xiàn)有3D打印機(jī)造價普遍較為昂貴，今年雖然多家公司推出了廉價3D家用打印機(jī)(1000美元以下)，但是苦于打印材料價格高居不下，導(dǎo)致總體成本偏高。

　　(2)打印材料限制。目前3D打印的成型材料多采用化學(xué)聚合物，選擇的局限性較大，成型品的物理特性較差，而且安全性也存在一定隱患。

　　(3)精度、速度和效率方面。目前3D打印成品的精度還不盡如人意，打印效率還遠(yuǎn)不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的需求，而且受打印機(jī)工作原理的限制，打印精度與速度之間存在嚴(yán)重沖突。

　　(4)打印零件尺寸限制。目前的3D打印機(jī)并不能實現(xiàn)大尺寸零件的制造。

　　(5)產(chǎn)業(yè)環(huán)境方面。3D打印技術(shù)的普及將使產(chǎn)品更容易被復(fù)制和擴(kuò)散，制造業(yè)面對的盜版風(fēng)險大增，現(xiàn)有知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)機(jī)制難以適應(yīng)產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的需求。

　　3D打印技術(shù)最早可追溯至1984年，世界上第一臺3D打印機(jī)誕生于1986年，引起關(guān)注和商業(yè)化應(yīng)用開發(fā)則是近幾年的事。美國政府已將人工智能、3D打印、機(jī)器人作為重振美國制造業(yè)的三大支柱，其中3D打印是第一個得到政府扶持的產(chǎn)業(yè)。我國工信部也正在組織研究制定3D打印技術(shù)路線圖、中長期發(fā)展戰(zhàn)略、3D打印技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以及3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項財稅政策。目前，華中科技大學(xué)史玉升科研團(tuán)隊經(jīng)過十多年的努力，已研發(fā)出全球最大的“3D打印機(jī)”，這一“3D打印機(jī)”可加工零件長寬最大尺寸均達(dá)到1．2米。與此同時，民用3D打印機(jī)市場也在快速崛起，3D打印機(jī)制造廠商也在不斷增多。

　　目前，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計、試制及快速打印成形；個性化產(chǎn)品設(shè)計及快速打印制造；模型制造；醫(yī)療行業(yè)；建筑業(yè)；汽車制造業(yè)；航空航天；食品產(chǎn)業(yè)；教育科研；軍事等行業(yè)中。從長遠(yuǎn)看，這項技術(shù)應(yīng)用范圍之廣將超乎想象，最終將給人們的生產(chǎn)和生活方式帶來顛覆式的改變。但由于受制于材料、成本、打印速度、制造精度等多方面因素，這項技術(shù)并不能完全取代傳統(tǒng)的減材制造法并實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)兩種生產(chǎn)方式將并存、互補(bǔ)。