3D 打印技术及其发展趋势3D 打印（3D Printing ）技术作为快速成型领域的一种新兴技术，目前正成为一种迅猛发展的潮流，引起了国内外新闻媒体和社会公众的广泛关注。

2011年2月，英国《经济学人》杂志刊载的封面文章，对3D 打印技术的发展作了简要介绍和展望，文章认为：3D 打印技术未来的发展将使大规模的个性化生产成为可能，这将会带来全球制造业经济的重大变革。

更有新闻媒体乐观地认为：3D 打印产业将成为下一个具有广阔前景的朝阳产业。

由此可见，了解3D 打印技术的相关知识及其未来发展对我们学习先进成型技术、掌握新材料和新成型技术的市场需求及发展具有重要意义。

一、3D 打印技术简介3D 打印技术，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，采用分层加工、迭加成形的方式逐层增加材料来生成三维实体的技术。

与传统的“去除型”制造不同的是：传统的数控制造一般是在原材料的基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等方法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品（如图1(a)所示）；而3D 打印技术则是直接根据计算机图形数据，将三维实体分解为若干个二维平面，再通过逐层增加材料的方法生成所需形状的物体（如图1(b)所示），因此又称为“增材制造”（AM ，Additive Manufacturing ）技术。

3D 打印技术在制造过程中不需要复杂的成型工艺，不需要原胚和模具，亦不需要众多的人力，从而简化了产品的制造程序，缩短了产品的研制周期，提高了生产效率并降低了成本。

作为一种综合性应用技术，3D 打印技术综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技图1（a ）去除型制造原材料零件二维分解 逐层添加零件图1（b ）增材制造 图1 去除型制造与增材制造的区别术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。

其核心装备是3D 打印机——它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。

此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D打印技术体系的重要组成部分。

3D打印技术可使用的材料种类非常丰富，例如以沙子为材料可打印建筑；以玻璃为材料可打印玻璃制品；以金属为材料可打印机械零件等。

同时3D打印技术还可以在很大程度上提高制作效率和精密程度。

目前，3D打印技术主要应用于产品模型、模具制造、文化创意、航空航天、生物医疗、艺术创作以及个性化定制等领域，以替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。

此外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。

二、3D打印技术的过程及原理众所周知，我们日常生活中所使用的普通打印机以墨水和纸张为打印材料可以打印出电脑设计的二维平面图像及文字。

而3D打印机的工作原理则参照了普通打印机的技术原理，其分层加工的过程与喷墨打印十分相似，只是二者的不同之处主要在于其打印材料不同——3D打印机的打印材料是金属、陶瓷、塑料、砂等实实在在的原材料，打印机与计算机连接后，打印机在计算机的控制下利用快速成型技术将“打印材料”一层一层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

简而言之，所谓3D打印技术就是可以打印出真实的三维物体的一种技术。

2.1 3D打印技术的过程3D打印技术的实现主要分为四步，即三维设计、切片处理、三维打印和产品后处理。

1、三维设计作为一种新兴的高技术数字化加工方式，3D打印离不开数据的驱动。

而三维数据的获得则是根据需要，利用计算机辅助设计软件如3DMAX、PRO/E等设计出产品的数字化三维模型。

模型创建可根据创意理念或是具体的产品尺寸进行设计，在对已有实物仿制时，还可以借助近几年来迅速发展起来的反求技术采集已有实物的空间三维数据，再以此在计算机辅助设计软件上重建产品的三维模型。

2、切片处理3D打印的工作原理是分层累加，故必须对模型进行离散化处理。

用一族密集的平行平面切分三维模型，得到一层层交线，由于模型是实体，故每一条交线应该是封闭的环，称之为轮廓线。

切平面间是密集的，相互之间的距离越接近，最终成品的精度越高，但与之对应的是数据的急剧增大，数据处理的时间会成倍增加。

而在实际应用中，通常需要兼顾材料特性、零件精度和处理时间，目前，常用的3D打印机的精度多在0.005mm~0.1mm 之间的。

3、三维打印打印过程中，打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。

这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。

4、产品后处理介于目前3D 打印技术的发展水平，通过3D 打印机打印的零件大多不能直接使用，还必须经过一定的后续处理才能满足工况要求，如去除支撑材料、打印件的手续烧结处理等。

2.2 3D 打印技术的成型原理3D 打印技术是利用普通打印机的原理，将打印机和计算机连接起来，把原料装入机身，通过计算机的控制，利用快速成型技术将原料一层一层累积起来，最后将计算机上的蓝图变成实物。

目前实现3D 打印的快速成型技术多种多样，应用最多的主要有以下四类：1、选择性激光烧结成型（SLS ）选择性激光烧结法又称为选区激光烧结，它的原理（如图2所示）是：预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行扫描，被激光扫描部分的粉末烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分粘接为一体，；当一层截面烧结完后，再铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面，如此不断循环，层层堆积，最终获得所需三维实体。

2、激光光固化成型（SLA ）光固化是指单体、低聚体或聚合体基质在光的诱导下发生固化的过程。

激光光固化成型的工作原理（如图3所示）是：采用特定波长与强度的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的每层薄片的二维图形轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描，使之由点到线，由线到面顺序凝固，从而构成模型的一个薄截面轮廓；在完成一个层面的绘图作业后，将升降台在垂直方向移动一个层片的高度，再固化另一个层面，这样层层叠加最后构成一个三维实体。

图2 选择性激光烧结成型的原理图3、熔融沉积造型（FDM ）熔融沉积造型的工作原理类似于标花蛋糕的制作（如图4所示）。

熔融沉积造型采用热熔喷头，丝状热塑性材料由供丝机构送进喷头，在喷头中加热到熔融态。

熔融态的材料被挤压出来，按照计算机给出的截面轮廓信息，随加热喷头的运动，选择性地涂覆在工作台的制件基座上，并快速冷却固化。

一层完成后喷头上升一个层高，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。

4、三维打印技术（3DP ）三维打印技术与SLS 工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末（如图5所示）。

所不同的是三维打印过程中材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂(如硅胶)将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。

成型过程中，首先在工作台上均匀地铺上一层粉末材料，接着打印头(喷头)将按照零件截面形状，把粘结材料选择性地喷射到已铺好的粉末层上，使零件截面实体区域内的粉末材料粘接在一起，从而形成截面轮廓；一层打印完后工作台下移一定高度，然重复上述过程，如此循环逐层打印直至工件完成。

由于用粘接剂粘接的零件强度较低，通常还须后处理。

图3 激光光固化成型的原理图图4 熔融沉积造型的原理图三、3D 打印技术的特点3D 打印与传统模型加工制造相比，有以下优势：1、打印的零件精度高。

目前市面上的主流3D 打印机的精度基本都可以控制在0．3r am 以下。

这种精度对于一般产品需求来说是足够的。

2、产品制造周期短，制造流程简单。

3D 打印技术省去了传统工艺模具设计与制作等工序，直接从CAD 软件的三维模型数据得到实体零件，生产周期大大缩短，也简化了制造流程，节约制模成本。

3、可实现个性化制造。

3D 打印一般通过计算机建模实现设计，很容易在尺寸、形状和比例上做修改，并且这些修改都是实时的，为制作个性化产品提供了极大便利。

另一方面，利用计算机建模能得到一些传统工艺不能得到的曲线，这将使3D 打印产品拥有更加个性的外观。

4、制造材料的多样性。

通常一个3D 打印系统可以使用不同材料打印，如金属、石料、塑料等，从而满足不同领域的需要。

5、可完成一些相对复杂的零件。

弥补了传统加工工艺的不足。

但3D 打印技术要进一步扩展其产业应用空间，仍面临着多方面的瓶颈和挑战：1、成本较高。

现有3D 打印机造价普遍较为昂贵，今年虽然多家公司推出了廉价3D 家用打印机( 1000美元以下)，但是苦于打印材料价格高居不下，导致总体成本偏高。

2、打印材料限制。

目前3D 打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全性也存在一定隐患。

3、精度、速度和效率方面。

目前3D打印成品的精度还不尽如人意，打印效率还远不图5三维打印技术的原理图适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。

4、打印零件尺寸限制。

目前的3D打印机并不能实现大尺寸零件的制造。

5、产业环境面。

3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

四、3D打印技术的发展趋势近年来3D打印技术持续发展，成本的大幅降低使其已经从研发的小众空间向主流市场进军，发展势头不可阻挡，并成为了社会广泛关注、民用市场迅速崛起的新领域。

但Gartner公司2011年发布的最新技术发展展望报告判断：3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D 打印技术也将被推向更高的层面。

因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进为主，重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据优势地位。

未来，3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势，综合起来可以从以下几方面进行改善：1、提升3D打印的速度效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多种材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造。

2、可开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术。

3、3D打印机可以向双色或多色打印机发展，同时进行两种以上颜色的渲染，得到更有层次和立体感的打印模型。

4、3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产，设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求。