還記得于2012年上映，成龍主演的電影《十二生肖》嗎？其中一個片段以非常形象的手法展現(xiàn)了一種對三維獸首進行掃描并復制重現(xiàn)的未來技術概念——3D打印。而在現(xiàn)實世界，科技前進的步伐是不可阻擋的。

近期，美國通用電氣正在將通過3D打印制作的部件集成到噴氣發(fā)動機中，某太空公司也宣稱將利用這項技術來制造火箭的所有零部件并計劃于2022年進行全3D打印火箭的發(fā)射。我國也在去年成功完成首次太空3D打印，對空間站在軌擴建和長期運行具有重要意義。3D打印技術正展現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿εc活力。

3D打印技術又稱增材制造（Additive manufacturing），是一種以數(shù)字模型文件為基礎，將可粘合材料逐層疊加以構建現(xiàn)實三維物體的技術。作為“決定未來經(jīng)濟的12大顛覆技術”之一和第三次工業(yè)革命的引擎，3D打印標志著從傳統(tǒng)制造邁向智能制造的巨大產(chǎn)業(yè)變革，引發(fā)了新的技術革命浪潮。

與傳統(tǒng)制造技術相比，3D打印技術具有“去模具、減廢料和降庫存”等特點，在生產(chǎn)上可以優(yōu)化結構、節(jié)約材料和節(jié)省能源，極大提高制造效率，實現(xiàn)“設計引導制造”的創(chuàng)新理念。

縱觀3D打印技術的發(fā)展史，最早可追溯至1984年由美國科學家Charles Hull發(fā)明的立體光固化成型技術（Stereolithography appearance，SLA）。隨后又逐步發(fā)展出選擇性激光燒結（Selective laser sintering, SLS）、選擇性激光熔化（Selective laser melting, SLM）、微噴射粘結成型（Three dimensional printing and gluing, 3DP）等技術。

進入21世紀以來，3D打印技術有了全新的突破，全球正式進入3D打印的高速發(fā)展階段，并在大類技術的細分下逐步涌現(xiàn)出了各式各樣的革新式小類工藝，以滿足特定行業(yè)需求，與傳統(tǒng)制造業(yè)形成有效互補。

3D打印方法分類

一、材料擠出型

Material extrusion

通過噴嘴或孔口等有選擇地沉積材料。如熔融沉積成型（Fused deposition modelling, FDM），是一種最為直觀也最常見的打印方式。在打印時，設備將絲狀熱熔性材料加熱熔化，通過帶有微細噴嘴的噴頭將材料擠出并選擇性地沉積在平臺上，冷卻后形成一層截面，這樣逐層打印直至形成整個實體。打印材料主要為聚合物和塑料，包括聚乳酸PLA、熱塑性聚氨酯彈性體TPU和丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS等。

• 優(yōu)點：設備和耗材的價格低廉、材料范圍廣、打印產(chǎn)品強度高。

• 缺點：打印精度較低、打印樣件表面粗糙度大。

二、光聚合成型

使用特定波長的光對液態(tài)聚合物進行選擇性光固化。這類技術使用的材料是光敏樹脂，在光照下樹脂發(fā)生從液態(tài)到固態(tài)的形態(tài)轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)打印過程。根據(jù)光源類型、照射方式和成型方式的不同，可分為立體光刻成型（Stereolithography appearance, SLA）和數(shù)字光處理（Digital light processing, DLP）等，其原理及打印過程均不同。其中，SLA使用激光逐點掃描液態(tài)樹脂面，點-線-面順序固化以完成一個層面的成型，再配合成型平臺的移動層層疊加構成三維實體。DLP則采用整面曝光進行一個層面的成型，光源多為LED紫外光源，每層曝光圖形由數(shù)字動態(tài)掩模芯片等空間光調(diào)制器生成。

• 優(yōu)點：加工精度高、打印成品表面光滑、整面曝光成型效率高。
• 缺點：材料范圍受限、材料性能較弱。

三、定向能量沉積型

利用聚焦熱能熔化材料的即熔即沉積工藝。主要包括激光同步送粉（LENS，LBMD，LSF）和電子束熔絲沉積（Electron beam direct manufacturing, EBDM）等，多用于構建或修復現(xiàn)有結構。其過程為，激光束等能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動，噴嘴將絲狀或粉末狀材料（如鈦和鈷鉻合金）送入高溫區(qū)被加熱至熔點，熔化后逐層沉積。噴嘴或工作臺安裝在高度可移動的臂上，從而能夠高度靈活地移動。

• 優(yōu)點：無需支撐、加工靈活性高、可以實現(xiàn)構件的高效率制備和修復。

• 缺點：加工表面精度受限、成型樣件需再加工（如配合銑床等）、難以修復結構復雜的零件。

激光同步送粉

四、材料噴射型

2D噴墨打印機的三維進化版。材料噴射可分為連續(xù)材料噴射（Continuous material jetting, CMJ）、納米顆粒噴射（Nanoparticles jetting, NPJ）和按需滴落（Drop on-demand, DOD）。其基本原理是使用帶電偏轉(zhuǎn)板和電磁場，將噴射出的材料精確地定位在打印平臺上，并利用紫外光源進行固化成型。材料噴射與上文中的立體光刻成型（SLA）非常相似，不同在于前者可以一次噴射出數(shù)百個微小液滴，而SLA則是在整桶樹脂中，通過激光選擇性地逐點固化。噴射的光敏液滴材料則包含聚合物和塑料，如丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS和聚丙烯PP等。

• 優(yōu)點：可實現(xiàn)高度精準的全彩快速打印，增加原型和最終部件美學質(zhì)量。

• 缺點：材料范圍有限、價格昂貴、需要后處理以去除多余的材料。