一、3d打印技术

1、槽光固化技术

槽光固化技术是3D打印中最常用的技术，包括立体光固化成型技术，数字光处理技术以及薄模光聚合技术。3D systems公司于上世纪80年代发明的立体光固化成型技术（SLA）是当前应用最为广泛的3D打印技术。立体光固化成型技术通过离子激光器发出紫外激光束对液槽中的光敏树脂表面进行逐点扫描，使之发生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层。在一层完成后再进行下一层的逐点扫描，新光固化的一层黏结在上一层上。然后再重复扫描直至整个打印完成。槽光固化技术具有快速成型的优点，同时使用这种技术打印的物品具有最好的表面性能。但是使用该技术在成型过程中可能需要支撑材料，并且材料和设备价格都很昂贵。3Dsystems公司生产的使用立体光固化成型技术的3D打印机售价从2万到80万美元不等。

2、材料挤出技术

材料挤出技术也是目前在3D打印机中应用比较广泛的技术之一。在1991年，Stratasys公司率先将材料挤出技术应用在其熔融沉积快速成型系统（FDM）中，并在之后的二十多年中一直保持了此项技术的业界领先水平。材料挤出技术的工作原理是通过喷嘴将已经加热的打印材料喷出，当完成第一层后再熔融第二层，并使之黏结在第一层之上，然后再逐层打印成型。材料挤出技术是成本最低的3D 打印技术之一，并且它可以采用标准化的耐热聚合物作为打印材料。材料挤出技术的缺点在于打印的产品性能较差并且形状有限、材料浪费严重以及打印速度较慢。运用材料挤出技术的个人打印机售价一般在500到4000美元之间，现在市面上已经出现多款价格在400美元以下的FDM系统，其中价格最低的QB-3D OneUp系统仅售200美元。而工业打印机的售价要高得多，一般在10万美元左右。

3、粉末床熔融技术

粉末床熔融技术又叫选择性激光烧结技术。德州大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年发明了这项技术，并将此技术商业化成立了DTM公司（2001年已被3D Systems收购）。粉末床熔融技术是利用激光或是电子束的能量对薄粉材料进行扫描，

使薄粉熔化，从而实现材料的烧结粘合。该技术无需使用支撑材料，可以打印复杂的结构构型，同时其选择打印材料的范围也较为广泛。但是使用粉末熔融技术的3D打印机具有设备价格昂贵，操作费用高，产品表面粗糙等缺点。3D Systems出售的粉末床熔融系统价格一般在35万到85万美元之间，而金属粉末床熔融系统的售价可以达到百万美元以上。

4、材料喷射技术

材料喷射技术最早是由以色列的objet公司发明（2012年已被statasys公司收购）。此项技术的原理和2D的喷墨打印机很相似。打印材料以液滴的形式通过喷头沉淀下来形成薄层。采用材料喷射技术的3D打印机可以同时拥有多个喷头来加快打印的速度或是改变打印产品的颜色。用此项技术打印出来的物品表面性能良好。但是这种类型的3D打印价格不菲。3D Systems公司出售的单个喷头的3D打印机售价在2万到18万美元之间。而具有多个喷头的打印机价格可以高达60万美元。

5、粘合剂喷射技术

粘合剂喷射技术又被称为三维印刷技术，最早是由麻省理工学院开发出来并申请了专利。Z Corp公司随后获得了麻省理工学院的独家授权，并开始研发基于此项技术的3D打印机。现在3D Systems通过收购Z Corp获得了此项技术的专利授权。粘合剂喷射技术是通过使用液态粘合剂将铺有粉末的各层固化，逐层创建各部件。这项技术具有打印速度快，不需要支撑材料以及可以使用不同的材料等优点。但是和材料喷射系统一样，使用粘合剂喷射技术的3D打印机售价也非常昂贵。在市场上，此类打印机的价格差异非常大，既可以找到16万美元的入门级打印机，也有售价超过百万美元的高端打印机。

6、叠成技术

叠成技术也被称为层片叠加制造术（LOM），最早由爱尔兰的Mcor Technology公司发明。叠成技术制造三维物体的过程和制造胶合板的过程很相似。先把层状的材料粘合在一起，然后再将其切割为最终的产品。这种技术最常用的材料是标准化的纸，其材料价格相当低廉。叠成技术可以用来制造大件物品，但是整个过程材料的浪费相当严重，而且产品的尺寸精度也不高。Mcor Technology出售的此类打印机的价格在5 万美元左右。

7、直接能量固化技术

目前市场上出售直接能量固化体系的厂家并不多，最大的生产商是美国的Optomec公司。直接能量固化打印机一般是用金属或合金作为材料。这种技术的工作原理是使用激光将金属材料熔化，并将其固化到其他材料之上。在这个过程中，可以使用多轴的移动系统来定位固化头。这种技术使得最终的产品不再限于逐层制造，比较灵活，而且可以用来修复现有产品。但是使用这种技术的打印机价格一般都比较昂贵。目前市场上直接能量固化体系的价格一般都在35万美元以上，有些机型的价格甚至可以高达百万美元以上。

（三）主要的3D打印材料

1、工程塑料

工程塑料是目前应用最为广泛的3D打印材料之一，包括热塑性材料和热固性材料两类。这两类材料的最主要区别在于热塑性材料在高温下可以反复的熔融而热固性材料一旦定型后则不可以再次熔融。热塑性材料主要包括ABS工程塑料和聚碳酸酯（PC），而热固性材料的代表则是尼龙(PA)。美国的Stratasys公司在工程塑料的研究上处于行业领先地位。ABS塑料是当前最热门的FDM热塑性塑料之一，通常情况下呈丝状。ABS塑料可以进行多种颜色的选择，甚至可以自定义颜色。比如Stratasys公司的ABSplus材料在FDM技术的辅助下就能提供象牙色、白色、黑色等九种颜色的选择。这种材料的优点在于打印出的部件机械强度好且有很高的稳定性。同时ABS塑料还可以和可溶性支撑材料一起使用，能够比较容易地制造出复杂的产品形状。这些优点使得ABS塑料成为桌面机用户理想的打印耗材。但是通常打印机厂商会将ABS 材料和FDM打印机捆绑销售，所以用户只能从打印机设备原厂购买对应的打印材料。

PC材料是一种白色工程塑料，能够和FDM技术相结合制造出耐用的模型、工具或最终的产品零件。与ABS塑料相比，PC材料具有更好的强度、耐高温性、抗冲击性等优点。PC材料优异的物理性能使得它能够被广泛地应用在电子消费品、汽车、航空航天和医疗器械等领域。

尼龙粉末材料在所有的FDM打印材料中，具有最佳的Z轴层压，最高的冲击强度和出色的化学抗性。但是其缺点就在于使用这种材料打印出来的产品表面比较粗糙，一般还需要后续加工。尼龙材料能够应用在航空、汽车和消费品等多个领域。比如在航空领域可以用尼龙材料来打印定制的工具，在汽车领域可以用来打印汽车电池盒，而在消费品领域则可以用于制造能够重复使用的卡扣。用于3D打印的尼龙材料售价一般为85-100美元/千克。

除了ABS，PC和尼龙材料以外，工程塑料还包括工程塑料合金PC-ABS、PC-ISO等材料。PC-ABS具备了ABS的韧性和PC材料的高强度，使之能够制造出满足工程师和设计师的要求的电动工具和工业设备。而PC－ISO则是一种具有高强度和耐热性的生物相溶性材料，被广泛地应用于药品及医疗器械行业。

2、光敏树脂

光敏树脂是用于光固化成型(SLA)或数字光处理（DLP）系统的重要材料。它能够在紫外光的照射下发生聚合反应而固化，一般呈现液体状态。这种3D材料具有高强度、耐高温和防水的优点。但是通常光敏树脂都具有一定的毒性，需要进行密封保存。光敏树脂主要是由齐聚物、反应稀释剂和光引发剂组成。

齐聚物是含有不饱和键的低分子聚合物，具有许多种类。最常见的种类是各类丙烯酸树脂，比如聚氨酯丙烯酸树脂、环氧丙烯酸树脂、聚丙烯酸树脂、聚醚丙烯酸树脂和碱性光成像树脂等。齐聚物是光敏树脂的基础物质，可以决定光敏树脂的黏度、硬度、断裂延伸率等物理性能。所以对于齐聚物的选择非常重要，其选择标准是无毒、气味小和难挥发。

反应稀释剂是含有双键的小分子溶剂，主要有单官能团丙烯酸酯、双官能团丙烯酸酯、多关能团丙烯酸酯、乙烯基醚、乙烯基类单体等种类。在光固化反应时，反应稀释剂能够将齐聚物分子粘合在一起，使之发生充分固化。因此反应稀释剂也是组成光敏树脂的重要物质之一。它既能调节齐聚物的黏度，也可以影响到聚合反应的分子动力学、聚合程度以及固化物的物理性质。反应稀释剂的选择标准和齐聚物一样，也需要具有无毒、气味小和难挥发的特性。

光引发剂可以根据引发辐射的能量不同而分为紫外线引发剂和可见光引发剂。由于紫外光引发剂具有存储稳定的优点，现在3D打印市场上所用的光引发剂都是紫外光引发剂。光引发剂在固化反应中具有关键的作用，能够决定固化物的质量和固化反应的速度。

光敏树脂体系的组分很多，其配方的设计相对来说比较困难。不同的设计配方将会产生不同的材料性能，所以材料的研发公司通常会把设计配方当作公司的核心机密而不对外公开。3D打印设备厂商对光敏树脂的销售也和ABS塑料一样，采用捆绑销售模式，以此来获得更大的利润。

3、金属材料

金属打印材料近年来成为3D打印的热门话题。金属材料一般呈现粉末状，可以用于选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔炼（EMB）等工业级别的3D打印机。而如果把金属材料加入到某些工程塑料材料（如PLA或ABS）中去，则可以制成适用于FDM机型的具有一定金属属性的线材。比如将磁铁粉末加入到PLA材料中，就会使PLA线材在经过抛光处理以后具备金属的光泽。金属材料的高熔点成为其应用3D打印技术的难点。在3D打印金属材料的过程中，需要考虑金属的固液相变、表面扩散和热传导等物理工程。而且用于3D打印的金属材料在纯净度、球型度、粒径分布和含氧量等方面都有严格的要求。现在市面上常见的金属材料有钛合金、不锈钢、钴铬合金和铝合金等。金、银等贵金属粉末材料也会被用于打印首饰或艺术品。

钛合金材料可以被应用在EMB等高端打印机上制作工业零部件。钛合金材料的强度、耐腐蚀性和耐热性能都非常优异。采用３Ｄ打印技术制造出来的钛合金零部件的强度很高而且其制作的尺寸也非常精确。这些优点使得钛合金被广泛地应用在了航空航天和汽车等领域。但是钛合金的售价较高，一般每千克需要340到880美元。目前在EMB钛合金材料的研究上处于领先地位的是瑞典的ARCAM公司。

钴铬合金材料则是一种由金属钴和铬在高温下熔合而形成的合金。钴铬合金具有良好的抗腐蚀性，而且其机械性能也非常优异，使之在航空航天和医学领域都有很好的应用。2014年中国航天科技集团公司上海航天技术研究院已经用钴铬合金材料通过航天3D打印机打印出了航空发动机叶轮。而钴铬合金材料在牙科中也常被用于假牙的打印。目前用于3D打印的钴铬合金售价为每千克120到545美元。

不锈钢材料可以应用于选择性激光烧结（SLS）打印机上，主要被用来制作模型和打印工艺品。不锈钢具有坚固和耐腐蚀等优点，是一种性价比很高的打印材料。不锈钢材料可以用于打印模型，也可以用于打印大尺寸的工业产品，而且打印出来的产品强度都很高。现在不锈钢的市场售价为每千克78到120美元。

铝合金可以应用在电子束熔炼（EMB）的打印机上，其在医学、建筑和工程领域都有着很好的应用前景。铝合金的密度相对钛合金和不锈钢都低，同时具有熔点低、重量轻、负重强度大的优点。2014年美国普度大学用铝合金材料AlSi12打印出来的晶格结构重量仅有3.9克，但是此晶格结构却能承受高达408公斤的重量。

4、陶瓷材料

陶瓷材料一般呈现粉末状态，通常用于选择性激光烧结（SLS）的打印机。用于3D打印的陶瓷材料一般是由陶瓷粉末和光聚合物（作为粘结剂）混合而成的。在打印的过程中打印喷头先向陶瓷粉床上喷射粘合剂，打完一层以后再往料床上添加陶瓷粉末，然后利用激光烧结将粘合剂熔化后与陶瓷粉末粘合在一起。不断重复这个过程直到最后打印出陶瓷产品。但是用3D打印出来的陶瓷产品还需要进一步的高温烧制才能够形成最后的成品。

对于陶瓷材料，陶瓷粉末和粘结剂粉末的配比非常关键，会直接影响到陶瓷零部件的性能。如果粘结剂粉末的比重过大，会使得烧结过程比较容易，但是将不利于控制陶瓷产品的尺寸精度。而相反如果粘结剂粉末的比重过小，则会使得烧结过程变得十分困难。同时对于陶瓷材料，其颗粒的大小和表面形貌也会对陶瓷层的质量产生重要影响。减小陶瓷颗粒和使表面接近球形都有助于形成高质量的陶瓷打印产品。

陶瓷材料具有高强度、耐高温和耐腐蚀等优点，具有应用于航空航天和汽车等领域的潜能。同时由于陶瓷材料可以选择的颜色很多，能够打印出形态逼真、色彩丰富的产品，所以陶瓷打印材料也是工艺品、建筑和卫浴产品的理想选择。

现在陶瓷材料商业化应用面临的主要技术问题是陶瓷粉末在烧结时液相的表面张力大致使烧结体中存在较高的残余应力。另外其制造速度、产品的稳定性和精度都有待于提高。现在这些问题都正处于积极的探索之中。

在陶瓷打印材料这个方面，走在研究前沿的是奥地利的Lithoz公司。这家公司专注于高性能陶瓷材料的开发，是第一家将陶瓷3D打印技术商业化的公司。Lithoz公司于2014年获得了来自EOS公司（3D 打印设备厂商）创始人Hans J.Langer博士的投资，加速了其对陶瓷打印材料的开发进程。

5、新兴的3D打印材料

导电打印材料是热塑性材料的一种，可以用于制造具有电子或是机械功能的3D打印产品，比如电路板、手电筒以及可穿戴的照明设备等。首先对这种新兴的3D打印材料做出尝试的是美国的Functionalize公司。该公司成立于2014年，是一家专注于导电打印材料研究的公司。其首款导电打印材料F-Electric已经研制成功并且进入市场出售。这款材料的电阻能够低至0.75欧姆/厘米，其导电性能比纯PLA线材还要高。导电打印材料对于个人工业化的发展有着很强的推动作用。

生物打印材料是为了满足人们更健康更环保的生活需求而开发出来的。现在已经用于3D打印的最常见的生物材料是聚乳酸(PLA)。PLA材料来源于玉米淀粉或甘蔗等可再生资源，在用完以后可以实现生物降解，是一种绿色环保的生物材料。PLA线条一般用于熔融沉积制造（FDM）的打印机中，而且它不需要通过热床加热，更容易使用，所以受到桌面打印机用户的青睐。PLA材料打印出来的样品成型好而且表面光滑，可以应用在教育领域，比如进行教具的打印等。还有其他的生物材料比如聚乙烯醇（PVA）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯（PETG）以及聚已内酯（PCL）等也已经陆续地被研发出来。

碳纤维材料是一种新兴的3D打印材料。它的强度是钢的五倍而重量却只有其三分之一，且还具有耐高温和耐腐蚀等优点。目前MarkForged公司已经制造出专门用于打印碳纤维材料的专业打印机。我国3D打印公司华曙高科也成功开发出了可以用来制造工具的碳纤维复合材料。但是目前碳纤维材料还停留在制造模型或工具的阶段，并没有成功的工业产品问世。进一步提高材料的性能和降低其价格是碳纤维材料要想商业化必须解决的问题。

（四）3D打印大事件

时间

事件

2013.1 3D打印飞机钛合金构件

2013.6 专注于3D打印材料的MadSolid公司成立

2013.6 Stratasys和Malerbot合并

2013.11 首支3D打印金属手枪制造成功

2014.7 美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室开发出混合3D打印技术

2014.9 首款零动力3D打印机送往国际空间站

2014.9 3D打印的火箭发动机点火成功

2014.10 惠普推出多射流熔融3D打印技术

2015.1 3D Systems收购botObects 2015.2 3D Systems收购Cimatron 2015.2 中国三部委发《国家增材计划制造产业发展推进计划》

2015.9 惠普分拆后成立3D打印事业部