什么是3D打印(增材制造)？

3D打印(3D Printing)，又称作Additive Manufacturing (增材制造)，是一种用digital file (数字文件) 生成一个三维物体的过程。

在3D打印的过程中，一层层的材料被逐次叠加起来，直到形成最终的物体形态。每一层可以看作这个物体的一个很薄的横截面，而每层的厚度则决定了打印的精度，层的厚度越小，打印的精度越高，打印出来的实体与digital model (数字模型)本身越接近。

3D打印在创建物体形态上有极大的自由度，几乎不受形态复杂度限制，这也是3D打印相比于传统制造方法（主要是Subtractive Manufacturing即减材制造）的一个重要优势。使用传统减材制造方法时，部件的复杂度直接影响流程的复杂度，复杂的形态会使开模难度加大、使用工具更加复杂、成本大幅上涨。然而对于3D打印技术来说，由于其独特的分层成形原理，简单的形态和复杂的形态几乎可以一视同仁。

譬如，外表闭合一体而内部镂空的形态，或者无接缝的链接结构 (interlocking structures)，无法通过传统制造工艺获得，只能通过Additive Manufacturing建造。

(3D打印的一体化链接结构)

这里需要简单介绍一下增材制造 (Additive Manufacturing) 和减材制造 (Subtractive Manufacturing) 的不同。传统制造业中普遍应用减材制造技术，从一块原材料开始，通过切割(cutting)、钻(drilling)、铣削(milling)等机械工艺方式去除部分材料，从而获得一个三维物体形态，可想而知，这个过程中去除的材料全部变成废料，对材料的利用率低。而增材制造通过极小单位的原材料的叠加产生三维物体形态，虽然后期也可能通过再加工产生废料，但总体来说对材料的浪费是很少的。这就好比用橡皮泥做一个苹果，用Additive(增材)的方式，可以用很多很小块的橡皮泥粘合在一起，组成一个苹果的形态；而用Subtractive(减材)的方式，则是从一大块橡皮泥开始，用工具慢慢剔除不需要的部分，最后剩下一个苹果的形态。当然，我们不能仅仅通过对材料的利用这一点来判断两种制造方式的优劣。由于传统减材技术已经非常成熟，在工艺精细度、自动化和效率上都具有很大优势，量产的成本也能有效控制，因此在多数领域3D打印技术还不具备取代它的优势。但3D打印技术在原型制作以及小批量生产上明显优于传统减材技术，而且基于3D打印技术的发展速度和工艺独特性，3D打印技术必将日趋成熟，在制造业中占据重要的位置。

3D打印的发展历史悠久，早在1981年的时候，3D打印这个新概念已经面世，不过打印的产品价格不菲，人们开始尝试用这个方式生产制造。但是三十年后，到了今天，3D打印才算是真正的迎来了春天。现在3D打印的精度、速度以及材料应用才实现突破。

3D打印的多领域应用

3D打印的应用越来越广泛，涵盖教育、文化、医疗、机械、电子、航天航空、军事等等。

3D打印的技术实现

3D打印技术应用到工业化生产。3D打印需要用到的其实不是实物，而是数字模型。假如你想把眼前的实物用3D打印出来，那么，你必须通电脑建模，或者用3D扫描仪，将实物数字化，即3D模型，最快十五分钟就可以打印出东西。目前3D打印技术分为FDM、SLS和SLA。

FDM 熔融堆积成型工艺

FDM 技术相比DLP和SLS技术来说比较简单，因此受众群体多，也比较容易走进家庭。利用热塑性材料受到挤压成为半熔融状态的细丝，由沉积在层层堆栈基础上的方式，从3D CAD资料直接建构原型。FDM技术的优势在于机械结构简单，设计容易，制造成本、维护成本和材料成本低，对环境无污染，因此FDM也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术。是相对传统的打印方式，不用激光，成本较低，不过精度不高，打印速度非常慢。这是大家最容易接触到的方式，一般用在教育市场。

 
SLS立激光烧结成型工艺

SLS 是用相对高科技的粉末，在激光照射高温条件下粉末融化。在工作台上铺上一层薄粉，激光束在该层截面上扫描，使温度升至融化点，从而实现烧结粘合，不断重复铺粉、烧结，并打磨、烘干处理，直至模型成型。其实3D打印就是一遍又一遍的2D打印，如果你把一个物体切得很薄，你会发现每一片都是一个形状，如果把所有形状合在一起，得到了一个三维结构物体。所以我们用激光的方式画出图形。SLS成型件对环境(温度、湿度和化学腐蚀)的抵抗能力类似于热塑性材料;而SLA 成型件的抵抗能力则比较差，例如，用环氧基树脂成型的SLA工件易被湿气和化学品侵蚀，在38℃以上的环境中会软化而翘曲变形，但成型精度较高。

SLA立体光固化成型工艺

SLA是一种光固化的技术，目前在中国相对比较发达。“立体光固化成型”，是激光束在液态树脂表面勾画出物体的第一层形状，然后制作平台下降一定的距离（0.05-0.025mm之间），再让固化层浸入液态树脂中，如此反复。使用的树脂是光敏树脂，激光束照射后会形成固态，成型模型速度快，精度高。

3D打印对制造业和传统工艺的影响

3D打印能释放无穷想象力，将很多以往的虚拟构想变成现实，包括如下：

（1）定制化

以牙科为例，每个人的牙齿是不一样的，但3D打印能解决定制化生产与批量生产之间的矛盾，批量生产定制化的种植牙、牙套等等。

（2）实时

因为3D打印的速度快，设计师上午设计一版产品，中午就能让领导看到成品，下午六点再设计一版，第二天早晨又能看到成品，极大地加速了新产品的开发速度。如果不是特别复杂，3D打印3小时可以出成品，而传统打样每次都要4-6周的时间，所以也提升了工业设计的整体速度。

（3）无污染

由于生产的原材料都是环保的，所以整个生产流程也就是无污染生产。既无废气废水污染，也没有边角料浪费。

（4）数据化

当数字化牙科发展成熟后，对医生的技术要求就大大降低。病人在医院里只需要用仪器扫描两分钟，就能知道牙齿所有问题的原因以及解决方案。

另外，3D打印还能做牙齿矫形，打印个性化定制的透明牙套。究竟整形的时候，牙齿的移动方向是往左还是往前？移动多少毫米？以往的牙科手术单纯依靠医生的个人经验，而数字化牙科增加了手术的稳定性，并降低了医生的技术门槛。

（5）快速

与传统工业工艺相比，3D打印不需要人力、运输等前期准备，仅需要机器和原料，就能快速投入生产。

（6）自动化

可以说虚拟想象与实物之间只差了一台3D打印机。3D打印的一键生产省去了很多人力成本和人为失误。

不管3D打印是颠覆制造业还是取代传统工艺，总之,3D打印对我们的影响非常大，也让更多的人变得更有意义，我们期待未来3D打印变得越来越好。