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

近期，美國(guó)通用電氣正在將通過(guò)3D打印制作的部件集成到噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)中，某太空公司也宣稱將利用這項(xiàng)技術(shù)來(lái)制造火箭的所有零部件并計(jì)劃于2022年進(jìn)行全3D打印火箭的發(fā)射。我國(guó)也在去年成功完成首次太空3D打印，對(duì)空間站在軌擴(kuò)建和長(zhǎng)期運(yùn)行具有重要意義。3D打印技術(shù)正展現(xiàn)出非凡的發(fā)展?jié)摿εc活力。

3D打印技術(shù)又稱增材制造（Additive manufacturing），是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，將可粘合材料逐層疊加以構(gòu)建現(xiàn)實(shí)三維物體的技術(shù)。作為“決定未來(lái)經(jīng)濟(jì)的12大顛覆技術(shù)”之一和第三次工業(yè)革命的引擎，3D打印標(biāo)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(shù)革命浪潮。

與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)具有“去模具、減廢料和降庫(kù)存”等特點(diǎn)，在生產(chǎn)上可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)約材料和節(jié)省能源，極大提高制造效率，實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)引導(dǎo)制造”的創(chuàng)新理念。

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

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，3D打印技術(shù)有了全新的突破，全球正式進(jìn)入3D打印的高速發(fā)展階段，并在大類技術(shù)的細(xì)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(bǔ)。

3D打印方法分類

一、材料擠出型

Material extrusion

通過(guò)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(jiàn)的打印方式。在打印時(shí)，設(shè)備將絲狀熱熔性材料加熱熔化，通過(guò)帶有微細(xì)噴嘴的噴頭將材料擠出并選擇性地沉積在平臺(tái)上，冷卻后形成一層截面，這樣逐層打印直至形成整個(gè)實(shí)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(diǎn)：設(shè)備和耗材的價(jià)格低廉、材料范圍廣、打印產(chǎn)品強(qiáng)度高。

• 缺點(diǎn)：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(zhǎng)的光對(duì)液態(tài)聚合物進(jìn)行選擇性光固化。這類技術(shù)使用的材料是光敏樹(shù)脂，在光照下樹(shù)脂發(fā)生從液態(tài)到固態(tài)的形態(tài)轉(zhuǎn)變，從而實(shí)現(xiàn)打印過(guò)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(guò)程均不同。其中，SLA使用激光逐點(diǎn)掃描液態(tài)樹(shù)脂面，點(diǎn)-線-面順序固化以完成一個(gè)層面的成型，再配合成型平臺(tái)的移動(dòng)層層疊加構(gòu)成三維實(shí)體。DLP則采用整面曝光進(jìn)行一個(gè)層面的成型，光源多為L(zhǎng)ED紫外光源，每層曝光圖形由數(shù)字動(dòng)態(tài)掩模芯片等空間光調(diào)制器生成。

• 優(yōu)點(diǎn)：加工精度高、打印成品表面光滑、整面曝光成型效率高。
• 缺點(diǎn)：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(gòu)建或修復(fù)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)。其過(guò)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(dòng)，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(diǎn)，熔化后逐層沉積。噴嘴或工作臺(tái)安裝在高度可移動(dòng)的臂上，從而能夠高度靈活地移動(dòng)。

• 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需支撐、加工靈活性高、可以實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的高效率制備和修復(fù)。

• 缺點(diǎn)：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(fù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。

激光同步送粉

四、材料噴射型

2D噴墨打印機(jī)的三維進(jìn)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(chǎng)，將噴射出的材料精確地定位在打印平臺(tái)上，并利用紫外光源進(jìn)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(gè)微小液滴，而SLA則是在整桶樹(shù)脂中，通過(guò)激光選擇性地逐點(diǎn)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(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)高度精準(zhǔn)的全彩快速打印，增加原型和最終部件美學(xué)質(zhì)量。

• 缺點(diǎn)：材料范圍有限、價(jià)格昂貴、需要后處理以去除多余的材料。