3D打印原理及科技创新进展情况

一、3D打印机的概念

3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种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，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造，意味着这项技术正在普及。

3D打印主要分为桌面级和工业级两种。桌面级是3D打印技术的初级阶段和入门阶段，能够很直观地阐述3D打印技术的工艺原理。工业级的3D打印机主要分为快速原型制造和直接产品制造两种。

二、3D打印的原理

（一）工作原理

3D打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长，其价格也正逐年下降。

使用打印机就像打印一封信：轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如，一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质

喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。

还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分。当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。如今可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另一头柔软。

（二）工作步骤（打印过程）

3D打印机工作步骤是这样的：先通过计算机建模软件建模，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等。然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机就可以把它们打印出来，其工作结构分解图如下。3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的。3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。

3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、叠加成型来完成3D实体打印。每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散。然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态。这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。

1、三维设计阶段

三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即

切片，从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

2、打印阶段

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。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems" ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。

用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

3、制作完成阶段

目前三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时8

就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

三、3D打印的应用及市场趋势

（一）应用领域

3D打印机的应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。以色列的Objet公司（已更名为Stratasys，2012年)认为，3D打印机需求量较大的行业包括政府、航天和国防、医疗设备、高科技、教育业以及制造业。

1、医疗行业——骨骼打印

据国外媒体报道，在不久的将来外科医生们或许就将可以在手术中现场利用打印设备打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用。这种神奇的3D打印机已经被制造出来了，而用于替代真实人体骨骼的打印材料则正在紧锣密鼓地测试之中。

一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。

在实验室测试中，这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长，并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证。未来数年内，打印出的质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复，用于牙医诊所，甚9

至帮助骨质疏松症患者恢复健康。

3D打印技术迅速兴起，成为炙手可热的新型产业，它可以打印的立体产品种类正迅速增加。为了打印骨骼材料，研究人员使用了一台商业销售的ProMetal 3D打印机进行测试。这种3D打印机最初的设计目的是为了打印金属件。它会逐层喷洒塑料胶粒在一层粉末基底之上并逐层成型。每一层的厚度仅相当于人的头发丝宽度的一半。

这种骨骼支架的主要材料成分是磷酸钙，其中还额外添加了硅和锌以便增强其强度。当它被植入人体内之后可以暂时起到骨骼的支撑作用，并在此过程中帮助正常骨骼细胞生长发育并由此修复之前的损伤，随后这种材料可以在人体内自然溶解。科学家们花费4年时间才找出这种材料的合适配方，其中涉及化学，材料学，生物学和工艺科学的诸多学科。

2、科学研究

美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究。

3、产品原型

比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，10

打造出更出色的产品。

4、文物保护

博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响传递给更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。

5、建筑设计

在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。

5、制造业

制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。

6、食品产业

研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来11

的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍。

2013年5月22日，NASA已选中总部位于得克萨斯州的系统和材料研究公司，向其投资12.5万美元，研发能为宇航员制造“营养可口”食品的3D打印机。

7、汽车制造业

不是说你的车是3D打印机打印出来的（当然或许有一天这也有可能），而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代，在追求效率的同时降低成本。

8、配件、饰品

这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来，就可以实现。

9、美容护肤

3D打印技术未来也可能会帮助爱美人士进行整容，说不定未来最有效果的青春痘的治疗方法就是通过3D打印技术来实现呢！不仅青春痘,包括祛斑、美白等领域都有希望使用到3D打印技术。

（二）市场趋势

目前3D打印技术在航空器和医学及牙科领域的应用增速最快，2009至2011年的3年间，应用于航空器制造领域的设备市场份额由9.9%上升到了12.1%，医学和牙科的市场份额由13.6%上升到了15.1%。

此外，在个人消费领域，3D打印技术让消费者在家里就能直接制作出想要的衣服、首饰、装饰品、玩具、乐器、自行车甚至食品。如同电脑从学院、实验室进入到家庭一样，3D打印技术也逐步改变所有人的生活。和任何其他技术类似，3D打印机迅速地变得越来越便宜，功能却越来越强大。三维打印技术，现在已经处在了人人都用得起的临界点。在美国，5年前一台标准的3D打印机的价格是25000-50000美元，而近期3D Systems和Autodesk推出了1500美元左右的个人用产品，最简单的3D打印机的价格甚至已经达到了800美元。

当前以美国为代表的发达国家高度重视3D打印技术的发展。近年来奥巴马政府视人工智能、3D 打印、机器人为重振美国制造业的三大支柱，其中3D 打印是第一个得到政府扶持的产业。2012年8月美国国防部、能源部和商务部等5 家政府部门宣布共同出资4500 万美元，首笔资金为3000 万美元，由俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体出资4000 万美元，在俄亥俄州建立一所由政府部门和私营部门共同出资的制造业创新研究所，加强研发3D 打印技术。目前全球有两家3D 打印机制造巨头，分别Stratasys 和13

3D Systems，均在美国纳斯达克上市，2011 年营业收入分别为1.7亿美元和2.9亿美元。

四、3D打印技术过去十年取得的重大进展

3D打印技术在过去数十年里取得了重大进展，但有关材料、设备和应用的技术挑战依然存在，具体有以下几个方面：材料特性。在3D打印技术能够完全过渡到提供切实可行的制造解决方案之前，需要为材料提供力学性能数据的规范性标准，也需要更详细的由这些材料性能制成零部件的规范信息。在没有充分认识材料属性之前，是无法进行相应零部件设计的。目前，世界各国已经研发了很多3D打印技术材料，因此，建立全面的规范标准需要整合研究机构以及系统与材料制造商。

材料开发。虽然已有大量的同质与异质材料混合物应用于3D打印技术，但仍然需要开发更多的材料。其中包括更好地理解已经使用的材料的加工-结构-属性之间关系，从而了解这些材料的局限性和优点。此外，还需要开发质量测试程序和方法，以帮助扩展可用材料的种类。

工艺控制。为提高机器之间的连贯性、重复性和统一性，需要有内部过程监控和闭环反馈的方法。应认真审查原位传感器，以此来提供无损性评估，并使之能够进行早期缺陷检测，特别是与热能控制有关的缺陷检测。较好的流程控制也将减少设备故障时间，而这是目前许多机器和工艺面临的主要问题。

工艺理解与建模。要了解和预测材料性能（如表面粗糙度和疲劳性能），就需要有3D打印技术的新物理模型。更好地理解基础物理学将有助于创建预测性模型，使设计师、工程师、科学家和用户能够估计零部件在设计过程中的功能特性，并调整设计以达到预期的结果。

设备认证。备认证标准可以帮助实现机器到机器以及部件到部件的可重复性。政府的资格审查程序使得行业规范更加严格。因此，尽可能简化这些必要的程序可以帮助获取更多的3D打印技术。依靠标准化的材料性能数据库，对设备或工艺水平的认证可以帮助减少认证时间和精力消耗。

设备模块化。许多应用3D打印技术的控制器与设备模块有封闭式的架构，使用户难以测试新铸造程序、材料等。开放式架构控制器和可重构设备模块将使制造和研究更灵活，这类似计算15 机数控（CNC）加工系统的模式。

设计工具和软件。3D打印要求开发和广泛运用计算机辅助设计（CAD）工具。对于直接零部件制造，需要新的工具来优化形状和材料性能，同时设计复杂的点阵结构，以最大化地减少材料使用和重量。对于非专业性市场，基于网络的新设计工具可能允许非专业人员创造性地设计满足其需求的产品。新的支持Web的协同设计环境会带动专业设计师连同初级用户一起进行个性化设计。

（一）我国3D打印技术发展概述

中国3D打印技术及设备开发已取得较大进展。我国3D打印技术，过去称为快速成型技术（Rapid Prototype，简称“RP ”）的研究始于1991年。近几年来，我国 3D打印技术飞速发展，已研制出与国外SLA、LOM、SLS、FDM等工艺方法相似的设备，并逐步实现了商品化，其性能达到了国际水平。

我国3D打印技术应用初见成效。目前，我国3D打印技术主要应用于产品设计、快速模具制造、铸造、医学等领域。在产品设计领域，3D打印技术使CAD产生的概念模型实物化；利用3D打印技术产生的实物模型做设计评价，可以将产品的设计缺陷消灭在设计阶段，最终提高产品的整体设计质量；此外，还可以利用3D打印模型做性能和功能测试，如机构运动分析、流动分析、应力分析、流体和空气动力学分析等。3D打印技术在快速模具制造领域的应用，可以分为直接和间接两大类：可以直接制造模具的快速成型工艺主要有SLS、LOM、FDM等；间接制造模具的方法主要是用快速成型模型作为母模，翻制快速经济模具，如硅橡胶模具、聚氨酯模具、金属喷涂模具、环氧树脂模具等。在铸造领域，3D打印技术在的应用主要包括直接浇注铸件、用原型翻制母模后再浇注铸件、选用适当的树脂制造原型等等。在医学领域，3D打印技术设计制造具有相当准确度和适配度的可植入的假体，能够提高美观度、缩短手术时间、减少术后并发症等。

（二）3D打印国外最新研究进展

1、美国

——美国弗吉尼亚大学工程系的研究人员采用最新的3D打印技术制造了一架无人飞机，机翼宽6.5英尺（约合1.9米），巡航时速达到45英里（约合72千米）。

——美国研究人员利用3D打印机开发骨骼打印技术，造出17

类似骨骼的材料。研究人员说，它可被用于骨科、牙科治疗或开发治疗骨质疏松症药物。

——国康奈尔大学和威尔·康奈尔医学院的研究人员合作，利用三维（3D）打印技术和含有牛耳活细胞的凝胶造出一种新型人工耳，无论在外观还是功能上，均可与真耳相媲美。

2、荷兰

——荷兰阿姆斯特丹建筑大学的建筑设计师JanjaapRuijssenaars最近设计了全球第一座3D打印建筑物“Landscape House”，而且特别模拟了奇特的莫比乌斯环。

3、英国

——英国研究人员首次用3D打印机打印出胚胎干细胞，干细胞鲜活且保有发展为其他类型细胞能力。研究人员说，这种技术或可制造人体组织以测试药物，制造器官，乃至直接在人体内打印细胞。

——科学家研制了一款神奇的3D打印机，可用于未来行星登陆时建造基地的任务中。比如，未来在月球基地中生活的宇航员可以使用这款3D打印机，将月球上岩石或者特殊材料“打印”成所需要的工具。目前，研究人员演示了如何将月球岩石土壤作为3D打印机的原材料，其应用范围几乎可以将任何固体材料制造成所需的工具，可以允许未来的探险家建设外星球基地。

五、3D打印机发展存在问题

（一）价格因素

大多数桌面级3D打印机的售价在2万元人民币左右，一些国内的仿制品价格可以低到6000元。但是据3D打印机代理商透露，国产的3D打印机虽然价格低，但质量很难保障。

对于桌面级3D打印机来说，由于仅能打印塑料产品，因此使用范围非常有限，而且对于家庭用户来说，3D打印机的使用成本仍然很高。因为在打印一个物品之前，人们必须会懂得3D建模，然后将数据转换成3D打印机能够读取的格式，最后再进行打印。

（二）原材料制约

3D打印不是一项高深艰难的技术。它与普通打印的区别就在于打印材料。

以色列的Object是掌握最多打印材料的公司。它已经可以使用14种基本材料并在此基础上混搭出107种材料，两种材料的混搭使用、上色也已经是现实。但是，这些材料种类与人们生活的大千世界里的材料相比，还相差甚远。不仅如此，这些材料的价格便宜的几百元一公斤，最贵的要四万元左右。

（三）社会风险成本

如同核反应既能发电，又能破坏一样。3D打印技术在初期19

就让人们看到了一系列隐忧，而未来的发展也会令不少人担心。如果什么都能彻底复制，想到什么就能制造出什么，听上去很美的同时，也着实让人恐惧。

（四）著名的3D打印悖论

3d打印是一层层来制作物品，如果想把物品制作的更精细，则需要每层厚度减小；如果想提高打印速度，则需要增加层厚，而这势必影响产品的精度质量。若生产同样精度的产品，同传统的大规模工业生产相比，没有成本上的优势，尤其是考虑到时间成本，规模成本之后。

（五）整个行业没有标准，难以形成产业链

21世纪3d打印机生产商是百花齐放，如战国时代。 3D打印机缺乏标准，同一个3d模型给不同的打印机打印，所得到的结果是大不相同的。此外，打印原材料也缺乏标准，2012-2013年3d打印机厂商都想让消费者买自己提供的打印原料，这样他们能获取稳定的收入。这样做虽然可以理解，毕竟普通打印机也走这一模式，但3d打印机生产商所用的原料一致性太差，从形式到内容千差万别，这让材料生产商很难进入，研发成本和供货风险都很大，难以形成产业链。表面上是3D打印机捆绑了3D打印材料，事实上却是材料捆绑了打印机，非常不利于降低成本和抵抗风险。

（六）打印前准备和打印后处理的技术问题瓶颈

3d打印前所需的准备工序，打印后的处理工序，还有许多技术问题尚未解决。很多人可能以为3d打印就是电脑上设计一个模型，不管多复杂的内面，结构，摁一下按钮，3d打印机就能打印一个成品。这个印象其实不正确。真正设计一个模型，特别是一个复杂的模型，需要大量的工程，结构方面的知识，需要精细的技巧，并根据具体情况进行调整。用塑料熔融打印来举例，如果在一个复杂部件内部没有设计合理的支撑，打印的结果很可能是会变形的。后期的工序也通常避免不了。媒体将3d打印描述成打印完毕就能直接使用的神器。可事实上制作完成后还需要一些后续工艺：或打磨，或烧结，或组装，或切割，这些过程通常需要大量的手工工作。 （七）缺乏杀手锏产品及设计

都说3d打印能给人们巨大的生产自由度，能生产前所未有的东西。可直到2012年，这种“杀手”级别的产品还很少，几乎没有。做些小规模的饰品，艺术品是可以的，做逆向工程也可以的，但要谈到大规模工业生产，3d打印还不能取代传统的生产方式。如果3d打印能生产别的工艺所不能生产的产品，而这种产品又能极大提高某些性能，或能极大改善生活的品质，这样或许能更快的促进3d打印机的普及。可2012-2013年3d打印机这方面并不尽如人意。