3D打印是如何工作的？
撰稿 | 关耳（季华实验室）
你是否还记得成龙在《十二生肖》中瞬间复制兽首的震撼场景？那正是3D打印的雏形！今天，这项未来科技已照进现实，正以雷霆之势重塑我们的世界。
从太空到地球，奇迹正在发生：我国首次太空3D打印助力空间站建设，而商业公司已计划发射全3D打印火箭！这项技术正爆发出惊人的潜力，彻底改变制造格局。
图1：3D打印技术示意图
3D打印，即增材制造，以数字模型为蓝本，通过逐层堆叠材料构建三维实体。它被誉为“未来经济12大颠覆技术”之一，驱动第三次工业革命，引领制造迈向智能新时代。
相比传统制造，3D打印无需模具、减少废料、降低库存，能优化结构、节约能源，极大提升效率，真正实现“设计即制造”。
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打印技术诞生于1984年，美国科学家Charles Hull发明了立体光固化成型（SLA）。此后，选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、微喷射粘结成型（3DP）等技术相继涌现，开启制造新纪元。
进入21世纪，3D打印迎来爆发式增长，在大类技术下衍生出众多革新工艺，精准匹配行业需求，与传统制造完美互补。
3D打印方法分类
根据ISO/ASTM标准，3D打印主要分为七大类，各显神通：
一、材料挤出型：像挤牙膏一样“画”出物体
Material extrusion
通过喷嘴精准沉积材料。如熔融沉积成型（FDM），将丝状材料加热挤出，层层堆叠成型。材料多为PLA、TPU等聚合物，广泛用于原型制作和教育。
优点：设备廉价、材料广泛、强度高。
缺点：精度较低、表面粗糙。
二、光聚合成型：用光“雕刻”液态树脂
Vat photopolymerization
利用光固化液态树脂，包括SLA（激光逐点扫描）和DLP（整面曝光），实现微米级精度，适合珠宝和牙科模型。
优点：精度高、表面光滑、效率高。
缺点：材料受限、性能较弱。
三、定向能量沉积型：高温“焊接”金属零件
Directed energy deposition
用激光或电子束熔化材料并沉积，如激光同步送粉和电子束熔丝沉积，常用于航天部件修复和大型构件制造。
优点：无需支撑、灵活度高、修复高效。
缺点：精度受限、需后加工。
四、材料喷射型：喷墨打印的3D进化版
Material jetting
类似2D喷墨，喷射光敏液滴并固化，包括连续材料喷射（CMJ）和按需滴落（DOD），可实现全彩精细打印，提升原型美学。
优点：精度极高、色彩丰富。
缺点：材料有限、成本昂贵。
五、粘合剂喷射成型：用“胶水”粘合粉末
Binder Jetting
又称3DP，将粘合剂喷射到粉末中层层粘合，支持多色打印，适用于陶瓷和金属的快速原型。
优点：效率高、多颜色、无支撑。
缺点：粗糙度大、需后处理。
六、粉末床熔融成型：激光“雕刻”金属粉末
Powder bed fusion
用高能束熔融粉末床，包括SLS、SLM和EBSM，直接制造高强度金属零件，是航天和医疗植入物的首选。
优点：精度高、材料多样。
缺点：成本高、易翘曲。
七、片材层压型：切割粘贴“叠”出物体
Sheet lamination
将材料切割后粘合，如分层实体制造（LOM）和超声波增材制造（UAM），可用纸或金属片，快速制作简单结构。
优点：速度快、变形小。
缺点：强度各向异性、材料利用率低。
应用实例
在研发浪潮推动下，3D打印正颠覆制造业：从航天火箭到医疗假体，从汽车零件到艺术创作，它已渗透各行各业，赋能创新革命。
图3：深蓝火箭试验飞行现场
在航空和能源领域，全球巨头争相布局：美国公司用3D打印碳纤维复合材料打造客舱支架；索尔维量产零件用于航空和能源。国内，3D打印助力商业火箭腾飞，从姿控系统到发动机，已成为火箭制造的核心技术。
在医疗假体方面，3D打印已从骨科扩展到眼部假体，德国研究实现临床应用突破，商业化进程加速。
随着需求挖掘和政策引导，3D打印应用将更深更广。
图4：3D打印仿生眼球模型
短短三十余年，3D打印已掀起制造革命。作为“互联网+智能制造”核心，它融合定制与量产，释放无尽创意。产业腾飞在即，2026年全球产值预计达372亿美元。面对精密化、智能化、通用化、便捷化的挑战，3D打印正迈向新高峰。你是否也想踏上这趟未来列车？立即关注我们，探索智能制造前沿，共同塑造下一个里程碑！
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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