探索3D打印的工作原理
撰稿 | 关耳（季华实验室）
嘿，你是否曾好奇，电影中的科幻场景如何照进现实？回想2012年成龙主演的《十二生肖》，那个扫描并瞬间复制兽首的片段，正是3D打印技术的生动预演！如今，这项科技已从幻想跃入我们的生活，步伐快得超乎想象。
想象一下，在太空中直接制造零件！我国去年成功完成首次太空3D打印，为空间站扩建注入新活力。更震撼的是，有公司计划用3D打印打造整枚火箭，并目标2022年发射，彰显其无限潜力。
图1：3D打印技术
3D打印，又名增材制造，是一种以数字模型为蓝图，通过逐层堆积材料构建三维实体的尖端技术。作为“未来经济12大颠覆技术”之一，它驱动着第三次工业革命，引领制造业向智能化飞跃。
与传统工艺相比，3D打印实现“去模具、减废料、降库存”，优化结构、节约资源，效率倍增，真正践行“设计引导制造”的创新哲学。
图2：通用3D打印流程
图源：Zhang et al. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun. Appl. 2015, 12, 2
发展历程
3D打印的征程始于1984年，美国科学家Charles Hull发明SLA技术，点燃星星之火。随后，SLS、SLM、3DP等工艺百花齐放，21世纪更迎来爆发式增长，与传统制造互补共赢。
3D打印方法分类
根据国际标准，3D打印主要分为七大类，各显神通。
一、材料挤出型
Material extrusion
如同精准挤牙膏，通过喷嘴沉积材料。代表技术FDM，将热熔丝材加热挤出，层层堆积，简单直观。材料多为PLA、TPU等聚合物。
优点：成本低、材料广、强度高。
缺点：精度不足、表面粗糙。
二、光聚合成型
Vat photopolymerization
利用光固化树脂，从液态变固态。SLA用激光逐点扫描，DLP整面曝光，效率超高。材料为光敏树脂。
优点：精度高、表面光滑、速度快。
缺点：材料受限、性能较弱。
三、定向能量沉积型
Directed energy deposition
高能束熔化材料，即熔即沉积。如激光送粉技术，适合修复复杂部件。材料包括钛合金等。
优点：无需支撑、灵活性强。
缺点：表面精度低、需后处理。
四、材料喷射型
Material jetting
升级版喷墨打印，喷射光敏液滴，紫外固化。可实现全彩精细输出。
优点：精度极高、色彩丰富。
缺点：材料少、价格贵、需后处理。
五、粘合剂喷射成型
Binder Jetting
喷粘合剂粘结粉末，层层固化。材料如陶瓷、金属，经烧结强化。
优点：效率高、可多彩、无支撑。
缺点：表面粗糙、致密度低。
六、粉末床熔融成型
Powder bed fusion
高能束熔融粉末床，直接成型。SLS、SLM等技术擅长金属打印，精度卓越。
优点：精度高、材料多。
缺点：成本高、易翘曲、速度慢。
七、片材层压型
Sheet lamination
切割并粘结片材，如纸或金属。LOM和UAM技术快速成型，适合简单结构。
优点：速度快、变形小。
缺点：粘接差、强度各向异性。
应用实例
3D打印正重塑各行各业，从航天到医疗，创意无限。
图3：深蓝火箭试验飞行
在航空和能源领域，Arris Composites与空客合作，批量生产轻量支架；国内深蓝航天成功试射3D打印火箭，开启制造新纪元。
在医疗假体方面，德国研究已实现3D打印仿生眼，商业化进程加速。
随着需求深化，3D打印将拓展更广天地。
图4：3D打印仿生眼球
短短三十多年，3D打印已掀起制造业革命。作为“互联网+智能制造”典范，它融合定制与量产，创意喷涌。全球产值预计2026年达372亿美元，竞争如火如荼。迈向精密化、智能化之路，3D打印正重塑未来。现在，就加入这场变革，动手尝试设计你的首个3D模型吧！
参 考 资 料：
1. Jake Port. How does 3D printing work? , cosmosmagazine, 7 December 2021
2. 《3D打印与工业制造》——机械工业出版社
3. 2021年3D打印行业深度研究报告——西部证券
监制 | 赵阳
编辑 | 赵唯
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
来源：先进制造
编辑：Garrett
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