一、3D打印简介
1. 3D打印概念
3D打印（3D），三维打印，与传统的减材制造技术相比，3D打印是增材制造，一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，利用粉末状金属或塑料粘合材料，构建的技术通过逐层打印对象。
3D打印技术的起源可以追溯到19世纪末的美国。越来越多的爱好者积极参与到3D打印技术的开发和推广中。
传统喷墨打印机的工作过程是通过计算机发出打印控制指令。喷墨打印机拿着电脑传来的文件，在纸张表面喷上一层墨水，形成二维图像。3D打印也是如此。通过点击控制软件中的“打印”按钮，控制软件通过切片引擎完成一系列的数字切片，然后将这些切片的信息传输到3D打印机，由3D打印机逐层打印，然后堆叠起来. 直到形成一个固体物体。
二、发展历程
19世纪末，由于两次工业革命的刺激，欧美国家的商品经济在18、19世纪迅速发展。为满足科学研究和产品设计的需要，快速成型技术从这一时期开始萌芽。2012年4月，英国著名经济学杂志The Third 的封面文章全面掀起了3D打印新浪潮，并以编年史的形式简要描述了3D打印技术的发展：
1892年，首次提出用分层成型法制作地形图的设想。
1940年，有人提出可以沿等高线的轮廓切割纸板，然后层压制成3D地形图。
1972年，在纸板层压技术的基础上，首次提出使用光固化材料。将光敏聚合物树脂涂在耐火颗粒上，然后将这些颗粒填充到层压板中。加热后会生成相应的板层。光有选择地投射到这一层上，使指定部分硬化，而没有被扫描的部分会用化学溶剂溶解，这样层层不断堆积，直到最终形成三维模型。这种方法适用于制作表面难以加工的传统工艺品。
1989年，得克萨斯大学奥斯汀分校的CR发明了选择性激光烧结工艺（Laser，SLS）。SLS技术应用广泛，支持尼龙、蜡、陶瓷、甚至金属等多种材料的成型。
1993年，麻省理工学院萨克斯教授发明了3D打印技术（Three-，3DP）。3DP 技术使用粘合剂将金属、陶瓷和其他粉末粘合成一定形状。
2005年，Z公司推出全球第一台高精度彩色3D打印机Z510，将3D打印带入彩色时代。
2007年正式成立3D打印服务初创公司，建立3D打印设计在线交易平台，为用户提供3D打印服务。2008年，第一台开源桌面3D打印机发布。
2013年，中文版《科学美国人》( )评选出2012年最令人难忘、对人类社会影响最深远的十大新闻，其中3D打印位列第九。
2. 3D打印原理与技术
一、3D打印的原理
3D打印技术采用分层加工和叠加成型的方式完成3D实体打印。每层的打印过程分为两个步骤。第一步是在需要成型的地方喷上一层专用胶水。第二步是喷涂一层均匀的粉末。粉末遇到胶水会很快凝固，没有胶水的地方还是松散的。物理模型由胶水和粉末层交替打印而成。打印完成后用三d打印机造轮胎，可以去除松散的粉末来规划模型，剩余的粉末可以回收利用。
3D打印按材料可分为块状材料、液体材料和粉末材料。根据美国材料与试验协会（ASTM）和3D打印技术委员会（F42委员会）的标准，7种3D打印工艺及所用材料如表1所示。
二、3D打印技术的分类
1）光固化成型
光固化成型技术（SLA），以光敏树脂为材料，通过紫外光固化，逐层固化，最终得到完整的产品，如图1所示。
图1 SLA工作原理图
光固化树脂材料主要包括低聚物、活性稀释剂和光引发剂。该技术的优点是原材料利用率接近100%，成型过程自动化程度高，尺寸精度高，表面质量优良，可制作结构复杂的模型；缺点是价格高，零件容易变形，能用的材料和液态树脂都有。气味和毒性，使物品更脆等。
2）熔融沉积制造
熔融沉积（fused，FDM）又称熔丝沉积，是将丝状热熔材料加热熔化，通过带有细喷嘴的喷嘴挤出。熔化后，热熔材料从喷嘴喷出，沉积在面板或上一层固化材料上。温度低于凝固温度后开始凝固，通过材料层层堆积形成最终产品，如图2所示。
图2 FDM工作原理图
所用材料一般为热塑性材料，如ABS、PC、蜡、尼龙等。优点是系统结构原理和操作简单、成本低、材料利用率高、易于支撑等；缺点是成型件表面有明显的条纹，沿成型轴线垂直方向的强度较弱，需要设计制造支撑结构，打印速度慢。还有多喷头FDM和气压FDM，实现多种材料的混合打印。
3）选择性激光烧结
选择性激光烧结（laser，SLS）利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制，形成堆叠层。步骤是：先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔点，然后用激光扫描该层的横截面，将粉末的温度升高到熔点，然后烧结到形成结合，然后重复铺粉和烧结过程，直至整个模型成型，如图3所示。
图3 SLS工作原理图
该工艺可生产塑料、陶瓷、石蜡、金属等材质的零件。
技术优势在于可使用尼龙、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氯乙烯等多种材料，生产工艺简单，无需支撑结构用三d打印机造轮胎，材料利用率高，打印件具有机械性能好，强度高。缺点是表面粗糙，烧结时有挥发性气味，辅助工艺复杂，料粉松散，烧结后成型精度低。
4）聚合物注射技术
聚合物注射技术的原理()如图4所示。
图4 聚合物注入技术示意图
喷印头沿X轴作前后运动，其工作原理与喷墨打印机相似，只是喷头喷射的是光敏聚合物。将光敏高分子材料喷涂到工作台上后，UV紫外灯会沿喷嘴的工作方向发射UV紫外光，使光敏高分子材料固化。
完成一层的喷印固化后，设备内置的工作台会准确下降到成型层的厚度，喷嘴继续喷射光敏高分子材料进行下一层的打印固化。整个工件的印刷是逐层平面印刷完成的。
使用的激光光斑为0.06~0.10mm，打印精度高于SLA。可以使用多个喷嘴，打印光敏树脂时可以使用水溶性或热熔支撑材料。但是SLA/DLP的打印材料和支撑材料来自同一种光敏树脂，去除支撑时很容易损坏打印件。
由于可以使用多个喷头，可以实现不同颜色、不同材质的打印。
主要优点如下：
(1)印刷精度高。高达 16μm 的层分辨率和 0.1mm 的精度可确保平滑、精确的零件和模型。
(2)清洁。非常适合办公环境，具有非接触式树脂装载/卸载和轻松去除支撑材料的功能。
(3)印刷速度快。在整个宽度上进行高速光栅堆积，无需后固化即可快速打印。
(1)用途广泛。由于打印材料的多样性，它可以适用于不同几何形状、机械性能和颜色的零件。此外，所有类型的模型都使用相同的支撑材料，因此更换材料既快捷又容易。
缺点主要有以下几点：
需要支撑结构，耗材成本较高，成型件强度较低。
5）电子束选区熔化技术
电子束选区熔化技术（beam，EBSM）以高能电子束作为加工热源，通过操纵磁偏转线圈进行扫描成形，电子束的真空环境可以防止金属粉末在加工过程中被氧化液相烧结或熔化。
利用电子束轰击下金属粉末熔化的原理，先在铺粉面上铺一层粉末并压实；然后电子束根据截面轮廓的信息，在计算机的控制下，逐层选择性地熔化和烧结，直至整个零件完全熔化和烧结。
该技术无需扫描机械运动部件，电子束移动方便快捷，可实现快速偏转扫描功能。由于电子束能量利用率高、熔透能力强、加工材料范围广等特点，EBSM在人体植入、航空航天小批量零件、野外零件快速制造等方面具有得天独厚的优势。
EBSM技术的优点如下：
(1)成型过程不消耗保护气体。完全隔离外界环境干扰，无金属氧化问题。
(2) 无需预热。由于成型过程是在真空状态下进行的，热量的散失只能靠辐射来完成，没有对流，成型过程中热量保持得很好，不需要预热装置。
(3) 良好的力学性能。模制件非常致密，相对密度高达 100%。由于成形过程是在真空下进行的，成形件内部一般不存在气孔，成形件内部组织呈快速凝固形式，力学性能甚至优于锻造试件.
(4)纯度好。真空环境中没有其他杂质，这是其他快速成型技术难以做到的。
(5) 不需要支持。成型工艺采用粉体作为支撑，无需额外添加支撑，省去成型前加支撑，成型后去除支撑，节省成型时间。
EBSM技术的缺点如下：
(1) 受限于电子束不能非常精细地聚焦，精度有待提高。
(2)成型前需要长时间抽真空，占了配电盘的大部分电能消耗。
(3)成型后，热量只能通过辐射散失，冷却时间长。
(4) 真空室的四壁必须具有很高的耐压性。
(5)为保证电子束发射的稳定性，成型室要求洁净度高，工艺要求高。
(6) 使用的高压会产生强烈的X射线，必须采取防护措施。
6) 层压实体的制造
层压实体制造（LOM）由计算机、储料送料机构、热粘合机构、激光切割系统、可升降工作台、数控系统及机架等组成。
LOM的原理是在工作台上做承印物，工作台下降，送纸辊进纸一步，工作台上升，热压辊将背面涂有热熔胶的纸卷起，将当前层叠与原层叠或基板粘贴在一起，切片软件控制激光根据模型当前层的轮廓进行层层切割，逐层制作。完成所有堆叠后，去除多余的废物，如图 5 所示。
图5 LOM工作原理示意图
所用材料主要是应用纸、塑料薄膜、金属箔等薄层材料。技术优点是原材料便宜，生产尺寸大，不需要支撑结构，操作方便等。缺点是工件表面有台阶，抗拉强度和弹性工件的硬度差，容易吸潮膨胀。
三、3D打印的特点和优势
一、3D打印的特点
1）数字化制造
借助建模软件，将产品结构数字化，驱动机械设备加工制造成装置。还可以通过网络传输数字文件，实现异地分散制造的生产模式。
2）降维制造（分层制造）
即把3D结构物体分解成二维的分层结构，逐层累加形成3D物体。3D打印技术可以制作任何复杂的结构，制造过程更加灵活。
3）堆叠制造
“自下而上”的堆叠方法对于实现具有不均匀材料和功能梯度的器件具有优势。
4）直接制造
任何高性能和难以成型的零件都可以通过打印直接制造，无需组装和拼接等复杂过程。
5）快速制造
3D打印制造流程短、全自动，可实现现场制造，让制造更快、更高效。
二、3D打印的优势
1) 制造复杂的物品不会增加成本
就传统制造而言，物体的形状越复杂，制造成本就越高。对于 3D 打印机来说，制造具有复杂形状的物体的成本不会增加。
2）产品多元化不增加成本
3D打印可以打印出很多形状，像工匠一样每次都能做出不同形状的物品。3D打印只需要不同的数字设计蓝图和一批新的原材料。
3) 无需组装
3D打印可以使零件一体成型。通过分层制造，可以同时打印出一扇门及其配套的铰链，无需组装，节省人工和运输成本。
4) 零时间交货
3D打印机可以按需打印，减少企业的实物库存，可以实现按需就近生产，零时间交货，可能形成一种新的商业模式。
5) 无限的设计空间
传统制造技术和工匠创造形状的能力受到所用工具的限制。3D打印可以突破这些局限，开辟出巨大的设计空间。
6) 零技能制造
大规模生产和计算机控制的制造机器降低了技能要求，并消除了对专门机器调整和校准的需要。非技能制造带来新的商业模式，可以为人们在偏远环境或极端情况下提供新的生产方式，并可以与物联网结合形成新的模式。
7) 材料无限组合
利用多材料3D打印技术比较容易实现不同材料的融合，实现多材料器件及其功能。
8) 精确的实体复制
使用 3D 打印技术可以通过扫描、编辑和复制物理对象、创建精确副本或优化原件，将数字精度扩展到物理世界。
4. 3D打印应用
3D打印技术可应用于模具制造、工业设计、航天国防、医疗行业、文物保护、建筑设计、制造业、食品行业等众多行业。
1、医疗行业
3D 打印现在已经在制造人体器官、活组织、骨骼等方面找到了实际应用。
1）打印机构
3D打印技术可以通过制作半透明的器官模型，帮助外科医生了解器官的内部结构。它可以准确复制人体心脏模型，帮助医生在手术前研究疑难并发症患者的心脏结构。3D 打印还可用于使用添加到细胞混合物凝胶中的可生物降解支架逐层构建器官。
2）打印外骨骼
3D打印的骨骼可以支撑残疾人和肌肉萎缩者，辅助站立和行走，提高行动能力。它还可以帮助正常骨细胞的生长发育。人体骨骼修复后，原料可以自然溶解在人体中。
3）打印单元格
研究人员开发了一种基于阀的细胞印刷工艺，可以以特定图案印刷细胞。在细胞打印过程中，喷嘴应施加适当的力，以保护细胞和组织的活力。
4) 打印活体组织
研究人员模仿生物组织中的一些细胞特性，将小水滴组装成胶状物质，可以像肌肉一样弯曲，像神经细胞一样传递电信号，可用于修复或缓解器官衰竭。
5）打印血管
结合3D打印技术和多光子聚合技术，可以打印出人造血管。
6) 治疗癫痫
日本科研团队开发出一种光固化3D打印材料，它是一种新型的高导电树脂。它可用于制作连接大脑的生物传感器和 3D 微电极的接口。大脑中的神经可以通过 3D 微电极的接口相互连接。，从而发送或接收来自神经元的电信号，可用于深部脑刺激和相关疾病，如癫痫、抑郁症、帕金森病的干预和治疗。
7) 胎象诊治
利用超声波检测子宫内的胎儿并记录各种数据；然后利用3D扫描技术对这些数据进行处理，模拟出胎儿的胚胎形态；最后用黄铜铸造模型，有助于胎儿先天性缺陷的检测。
3D打印对整个医疗行业有着深远的影响。3D打印技术与克隆技术的结合有望解决器官排异问题。医疗机构从3D打印的人体活组织中提取大量数据，有利于加快新药研发。
2. 航天与国防
航空航天制造商使用 3D 打印来创建新的可定制部件。NASA已经利用3D打印技术为用于执行载人火星任务的太空探索飞行器（SEV）生产零部件，并正在探索在飞行器上搭载小型3D打印设备以实现“太空制造气体”的可能性。
在某航空公司设计的直升机发动机中，采用了GE的3D打印技术，实现了40%的零部件由3D打印制造，零部件数量从400个减少到16个。另一台发动机从855个零部件减少到12个，重量减轻 5 磅，成本降低 80%。3D打印技术通过提高飞机和航天器的定制化设计和制造能力，颠覆性地改变了整个航空航天和国防工业。
3、建筑业
3D打印技术在建筑领域的应用包括建筑设计阶段和工程施工阶段。在建筑设计阶段，可以制作建筑模型，设计师使用3D打印机将虚拟的3D设计模型直接打印成建筑模型。这种方法快速、环保、成本低。在建造阶段，直接采用3D打印建造技术建造建筑物。3D打印建筑技术有利于减少资源浪费和能源消耗。
4、食品行业
人们对定制食品的需求正在逐渐增加。3D打印可以帮助定制食品的快速实现。利用3D打印技术，可以轻松调整食物的某些营养成分，可以根据具体需要自由制作不同糖分的食物。，对控制肥胖、糖尿病等问题有很大好处。
5、能源行业
GE 将 3D 打印集成到生产过程的许多阶段。例如，通过3D打印技术，可以实现更坚固的钻头，现场打印可更换部件。金属 3D 打印也被用于制造风力涡轮机和采矿设备。
3D 打印也可以使用石墨烯来完成。在电气设备的设计中获得一些自由，为能源系统开辟新的可能性。这种新方法使储存可再生能源变得更加容易和可行。
6.制造
3D打印技术的出现，给制造业带来了无限可能。3D打印降低了制造业的生产成本，制造效率也不断提升。
1) 废物预防
3D打印几乎没有资源浪费。3D打印采用增材制造代替减材制造。不需要清除边角料，提高了材料的利用率，没有任何损失。
2）样机制作简单
与传统制造相比，3D打印在原型制作中的运用更加灵活。它不需要传统的工具、夹具、机床或任何模具，可以直接在计算机上将任意形状的3D图形生成实物产品。
3）无缝生产
3D打印的制造过程更加自动化。选择材料后，按下打印按钮，项目将以无缝方式实现。
4) 大规模定制
借助 3D 打印，可以大量打印定制设计。
七、文物保护
文物作为一种不可再生资源，一旦遭到破坏或毁坏，将给考古工作者对历史的考察和探索造成极大的困扰，从而抹杀人类的历史记忆。利用3D打印和3D扫描技术，让古代文物“起死回生”，让古老的文化得以传承。
5、3D打印与物联网的结合
3D打印行业正朝着速度更快、精度更高、成本更低、应用更广、操作更简便的方向发展。材料多元化发展：建立相应的材料供应体系将拓宽3D打印技术的应用场合。3D打印技术发展的未来将是4D打印。在3D打印的基础上，加上一个时间轴，就可以完成一个任务。在偏远环境或极端情况下，如飞船舱外螺母松动，可现场打印驱动。具有拧紧螺母功能的强力机械扳手。
3D打印产业链潜在发展空间巨大，尤其是上游打印材料和个人3D打印设备制造商将拥有巨大的商机。
3D打印技术将从工业应用逐渐渗透到日常生活中。比如车里有3D打印机，如果车的某个部件坏了，可以及时打印出来重新安装。
3D/4D打印因为无所不能，会让“异想天开”成为现实。
3D/4D打印与物联网相结合，未来将深度融合。3D/4D打印将成为物联网的终端执行设备。结合云端控制，实现物联网机器人，实现超远程感知、远程控制、远程执行。物联网机器人。
- 结尾 -
需要弱电资料可以私信我
我叫老梁。12年经验的弱电爱好者。