近日，全球首例借助3D打印技术的人耳移植手术取得成功，让人们再一次领略了3D打印技术的无穷潜力。虽然距离3D打印技术在医疗行业完全普及还有很长的路要走，但该技术已在制造业中拥有很高的渗透率，应用成本日趋降低，应用范围显著扩大，成为当下推动制造方式革新、提升产业竞争力的前沿手段。

与智能机器人、人工智能并称为实现数字化制造三大关键技术的3D打印技术属于新一代绿色高端制造业，这项技术及其产业构成了新一轮数字化制造浪潮的重要基础。大力发展增材制造是我国多年来在制造业领域的政策布局，增材制造业的发展是促进高端装备与新材料产业发展突破、引领中国制造在“十四五”期间实现新跨越的重要举措。

3D打印因其固有的“去模具、减废料、降库存”等特点，已经逐渐成为当前制造方式的重要补充。加快3D打印产业发展，符合我国发力增材制造产业的目标，有利于国家在全球科技创新和产业竞争中占领高地，进一步推动我国由“工业大国”向“工业强国”转变，促进创新型国家建设，加快创造性人才培养。

一、3D打印

3D 打印，也称为增材制造，是一种从三维数字模型或 CAD 模型制作物理对象的过程。它涉及各种计算机控制技术，其中材料被连接或固化以构建实际对象。

通常，材料（例如融合在一起的粉末颗粒或液体分子）以毫米级逐层添加。这就是为什么 3D 打印也被称为增材制造工艺的原因。

在 1990 年代，3D 打印技术被称为快速原型制作。它们仅适用于制造美学或功能原型。从那时起，我们已经走了很长一段路。

今天的 3D 打印技术已经足够先进，可以创建复杂的结构和几何形状，否则手动构建是不可能的。

3D 打印的精度、材料范围和可重复性已经提高到我们几乎可以构建任何东西的程度——从简单的原型到复杂的最终产品，如环保建筑、飞机零件、医疗器械，甚至是使用多层材料的人造器官。

二、3d打印技术过程原理

3D打印机在设计文件指令的引导下，先喷出固体粉末或熔融的液态材料，使其固化为一体特殊的平面薄层。第一层固化后，3D打印机打印头返回，在第一层外部形成另一薄层。第二层固化后，打印头再次返回，并在第二层外部形成另一薄层。

如此往复，最终薄层累积成为三维物体。与传统制造机器那样通过切割或模具塑造制造物品的方法不同，3D打印机通过层层堆积形成实体物品的方法从物理的角度扩大了数字概念的范围。

对于要求具有精确对内部凹陷或互锁部分的形状设计，3D打印机是首选的加工设备，它可以将这样的设计在实体世界中实现。

由于打印精度高，打印出的模型品质自然不错。除了可以表现出外形曲线上的设计，结构以及运动部件也不在话下。

3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。3D打印无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体， 从而极大地所缩短了产品的生产周期，提高了生产率。尽管仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多突破技术之一。

三、3D 打印的类型/工艺

根据 ISO/ASTM 52900 标准，所有 3D 打印过程可分为七组。每种方法都有利有弊，通常涉及成本、速度、材料特性和几何限制等方面。

1. 还原光聚合

图示：激光 (a) 选择性地照亮填充有液体光聚合树脂的罐 (b) 的透明底部 (c)。升降平台 (e) 逐渐将固化的树脂 (d) 向上拖起。

基于 Vat 光聚合的3D打印机有一个装有光聚合物树脂的容器，该树脂用紫外线光源硬化以制造物体。还原聚合的三种最常见的形式是

1a) 立体光刻 (SLA)：SLA 于1984年发明，它使用紫外激光使化学单体和低聚物交联，形成构成三维立体主体的聚合物。虽然这个过程很快并且可以构建几乎任何结构，但它可能很昂贵。

1b) 数字光处理 (DLP)：它利用传统光源，例如弧光灯（而不是激光器）。物体的每一层都被投影到液态树脂桶上，然后随着升降平台的上下移动，树脂会一层一层地固化。

1c) 连续液体界面生产 (CLIP)：它类似于立体光刻，但是是连续的，速度最高可达 100 倍。 CLIP 可以生产具有光滑侧面的橡胶状和柔性物体，这是其他技术无法创建的。

2. 材料挤压

插图材料挤出：喷嘴 (1) 将材料 (2) 沉积在构建平台 (3) 上

在此过程中，将一根固体热塑性材料的细丝推过加热的喷嘴，该喷嘴将材料熔化并沿预定路径将其沉积在构建平台上。这种材料最终冷却并凝固，形成一个三维物体。在这个过程中最常用的技术如下所示：

2a) 熔融沉积成型 (FDM)：它使用热塑性材料的连续长丝，例如尼龙、热塑性聚氨酯或聚乳酸。

2b) Robocasting：它涉及从小喷嘴中挤出糊状材料，同时喷嘴在构建平台上移动。该过程与 FDM 不同，因为它不依赖于材料的干燥或固化来在挤出后保持其形状。

3. 片材层压

一些打印机使用纸和塑料作为构建材料来降低打印成本。在这种技术中，多层粘性塑料、纸或金属层压板依次连接在一起，并使用激光切割机或刀具切割成形。

层分辨率可以由材料原料定义。通常它的范围在一张到几张复印纸之间。该工艺可用于制造大型零件，但最终产品的尺寸精度将远低于立体光刻技术。

4. 定向能量沉积

定向能量沉积技术常用于高科技金属工业和快速制造应用。打印设备包含固定在多轴机械臂上的喷嘴。喷嘴将金属粉末沉积在构建平台上，然后被激光、等离子体或电子束熔化，形成固体物体。

这种类型的 3D 打印支持各种金属、功能梯度材料和复合材料，包括铝、不锈钢和钛。它不仅可以构建全新的金属部件，还可以将材料附加到现有部件上，从而实现混合制造应用。

5. 材料喷射

材料喷射的操作方式与喷墨纸打印机类似。在这个过程中，感光材料通过一个小直径的喷嘴被涂成液滴，然后用紫外线硬化，一层一层地构建一个部分。

该技术中使用的材料是热固性光聚合物（丙烯酸树脂）。还提供多种材料印刷和多种材料（包括类橡胶和透明材料）。

由于材料喷射 3D 打印可以构建具有光滑表面光洁度的高尺寸精度部件，因此它是制造视觉原型和商业工具的一个有吸引力的选择。

6. 粘合剂喷射

粘合剂喷射使用两种材料：粉末基材和液体粘合剂。粉末均匀分布在构建室中，粘合剂通过喷嘴施加，将粉末颗粒“粘合”以构建所需的物体。

蜡或热固性聚合物通常与粘合粉末混合以增加其强度。 3D打印完成后，剩余的粉末被收集起来用于打印另一个结构。

由于该技术与类似喷墨的过程非常相似，因此也称为注入 3D 打印。它主要用于打印弹性体零件、悬垂和彩色原型。

7. 粉床融合

粉末床融合是增材制造的一个子集，其中使用热源（例如热打印头或激光）将粉末形式的材料固化以构建物理对象。该技术的五种最常见形式是

7a) 选择性激光烧结 (SLS)：它使用激光作为电源来烧结聚酰胺或尼龙等粉末材料。这里的术语烧结是指通过施加压力或热量而不将其熔化到液化点来压实和形成固体材料块的过程。

7b) 选择性激光熔化 (SLM)：与 SLS 不同，该技术旨在将金属粉末完全熔化并融合在一起。它可以创建完全致密的材料（逐层），其机械特性类似于传统制造金属的机械特性。这是正在工业和研究中实施的快速发展过程之一。

7c) 电子束熔化 (EBM)：在此过程中，原材料（金属丝或金属粉末）被放置在真空中并使用电子束熔化在一起。虽然 EBM 只能与导电材料一起使用，但由于其更高的能量密度，它具有卓越的构建速度。

7d) 选择性热烧结 (SHS)：它使用热敏打印头向粉末状热塑性塑料层加热。一层完成后，粉床向下移动，并添加新的一层材料，即然后烧结形成模型的下一个横截面。这种技术最适合制造用于功能测试的廉价原型和零件。

7e) 直接金属激光烧结 (DMLS)：它类似于 SLS，但使用金属功率代替。剩余的能量成为物体的支撑结构，可以重新用于下一次 3D 打印。 DMLS 零件主要由粉末材料制成，如钛、不锈钢、铝和几种特殊合金。这是定制医疗部件、石油和天然气部件以及坚固的功能原型的理想工艺。

四、应用场景

工程制造。在工程类制造方面，一方面是应用于国防军工、航空航天等高端制造的重要零部件生产，这些部件生产要求高，传统工艺往往无法达到或者即使达到但成本过高；另一方面是用于工程制造的小批量或者单件产品生产。

民用发展。在民用发展方面，带来制造工艺的深刻变革同时减少劳动力的成本，3D打印技术被誉为“第三次工业革命”的核心技术。

医疗方面。同时3D打印技术在医疗方面也有着显著的成效，可以用来打印假肢，帮助更多因为意外失去双腿的人重新站起来，和正常人一样生活。“3D打印心脏”是应用3D打印技术实施人类器官仿制的又一成果。该3D打印心脏可用于心脏解剖的副本，对于练习复杂的心脏手术大有裨益。同时还可以打印“肾脏器官”，但目前这些技术还尚不成熟。

建筑行业。在建筑业也成绩显著，3D打印的潜力远不止可以生产DIY的家居物品这么简单。实际上，这项技术甚至可以彻底颠覆传统的建筑行业。与传统建筑行业相比，3D打印的建筑不但建材质量可靠，还可节约建筑材料30%-60%、缩短工期50%-70%、减少人工50%-80%……根据测算，打印至少能使建筑成本降低50%以上，让更多人住得起房子。不过，新型“油墨”打印的建筑，其刚度、强度和耐久性等综合性能还待进一步验证。

3D打印使得人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机，工厂也在进行直接销售。科学家们表示，三维打印机的使用范围还很有限，不过在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出更实用的物品。

五、3D 打印的未来

3D 打印的远大梦想是“每个人都有一个工厂”。这听起来可能很奇怪，但不可否认，拥有一台可以立即生产出无限可定制事物的机器是很吸引人的。

就像计算机和智能手机赋予了数十亿人权力一样，3D 打印机也可能为制造业做同样的事情。

据 GrandViewResearch 称，2019 年全球 3D 打印市场价值为 115.8 亿美元，预计到 2027 年将超过 330 亿美元（每年增长 14%）。

预计推动市场增长的因素包括积极的研发和来自各个垂直行业（尤其是汽车、航空航天、国防和医疗保健）的原型应用需求不断增长。

文章来源：产业新风向，似水流年Ln，世界先进制造技术论坛