3D打印权威指南：从基础到进阶技术

3D打印是一种数字化原型和生产技术，逐层制造塑料或金属零件。也称为增材制造，因为材料逐渐添加构建零件，区别于减材制造工艺——如CNC加工、激光切割、等离子切割、水刀、冲压等——通过移除材料成型原材料。

虽发明于1980年代，3D打印在21世纪地位大幅提升，塑料3D打印成为重要原型方法，高质量金属增材制造现普及于航空航天和医疗等行业。

不同类型3D打印机工作原理不同，但通常共享某些基本特征。所有3D打印机由计算机指令(G代码)控制，通过将原材料——如金属粉末、液态树脂、热塑性丝材——逐层转化为新形状，直至构建完整3D物体。

尽管生产级增材制造在增长，3D打印机仍主要用作原型工具。因其启动成本极低、无需工装、打印单件极快。

本指南涵盖3D打印基础，包括主要3D打印技术和材料、3D打印相较可比工艺的优势、常见应用。

3D打印技术

FDM熔融沉积建模

熔融沉积建模(FDM)，有时称熔丝制造(FFF)，是一种3D打印技术，将热塑性丝材加热至熔融状态，经移动打印头喷嘴挤出。

FDM通过打印头按两轴移动(按计算机指令)挤出稳定热塑性材料流；挤出材料在打印平台形成2D形状、冷却并最终固化。打印头再逐层抬高进入下一2D层，在第一层上打印，重复直至完整3D形状打印完成。

因材料范围广、价格亲民、可在非工业环境使用，FDM是消费级主导3D打印技术，也广泛用于专业环境作为原型工具。

领先FDM 3D打印机制造商包括Stratasys、Ultimaker、MakerBot、FlashForge、Zortrax、LulzBot。

SLA光固化

立体光刻(SLA)是一种槽光聚合形式，使用激光束在感光液态树脂槽中制造3D形状。

SLA工艺通过在树脂槽中按精确图案移动高聚焦激光束工作。因树脂感光，激光束能固化树脂，但仅限聚焦区域。这使SLA 3D打印机能在液态树脂中形成固体2D形状，再逐步移动构建平台进入下一层。(相关光聚合技术数字光处理(DLP)用投影仪代替激光束。)

SLA是精准3D打印工艺，生产表面光滑的脆性塑料零件。用于原型制作及牙科、珠宝生产等领域。

领先SLA 3D打印机制造商包括Formlabs、Creality、XYZprinting、DWS Systems。

SLS选择性激光烧结

选择性激光烧结(SLS)是使用激光束烧结粉末材料颗粒(通常尼龙或聚酰胺)的3D打印技术。

SLS过程中，打印床覆盖薄层粉末。计算机控制激光在粉末中绘制2D形状，熔融颗粒形成实体形状。一层完成后，打印床增量移动以打印后续层。因打印件始终被未烧结粉末包围，无需支撑结构(如FDM用于保持零件完整的打印脚手架)。

SLS用于原型和小批量生产。优势包括几何自由度和单次打印任务中密集打印多个零件。

SLS 3D打印机制造商包括EOS、3D Systems、Prodways(工业级)，以及Sinterit、Sintratec、Formlabs(桌面级)。

多喷嘴融合 (MJF)

多喷嘴融合(MJF)，由打印巨头HP开发，是另一种用于制造聚合物零件的粉末床熔融3D打印工艺。

它类似SLS，但不使用激光烧结粉末颗粒，而是在粉末上沉积特殊墨水帮助吸收红外光；随后红外光照射粉末，使颗粒熔融。

MJF可视为SLS和粘结剂喷射——通常用于制造金属零件的工艺——的结合。

材料喷射

勿与粘结剂喷射混淆，材料喷射是独特3D打印工艺家族，喷墨打印头逐层沉积材料。

材料喷射工艺通过选择性喷射光反应材料到打印平台再用紫外光固化工作——有点像SLA但无液态槽。过程逐层重复直至零件完成。部分打印机用连续喷射，其他用按需滴射。

材料喷射3D打印机典型使用液态热固性光聚合物，可呈现不同材料性能。

领先材料喷射3D打印机制造商包括3D Systems、Stratasys(PolyJet)、Xjet。

SLM选择性激光熔融

选择性激光熔融(SLM)是金属增材制造工艺，也是终端用途零件生产最重要的3D打印形式之一。

SLM属粉末床熔融，类似SLS使用激光照射金属粉末床。但颗粒可完全熔融而非仅烧结，且用于处理各种金属粉末而非尼龙和聚酰胺。另一区别：SLM典型需含惰性气体的密封打印腔。SLM技术改进使其成为机加工和铸造的真正替代方案。

SLM用途广泛，从快速金属原型到终端用途航空航天组件和钛医疗植入体。

领先SLM 3D打印机制造商包括SLM Solutions、Renishaw。

DMLS直接金属激光烧结

直接金属激光烧结(DMLS)是另一种用于金属零件的粉末床熔融增材制造。

DMLS类似SLS使用激光烧结颗粒；但用于金属而非尼龙。DMLS在许多方面类似SLM，但激光不完全熔融原料如SLM。因此DMLS通常限于金属合金。

DMLS 3D打印由EOS主导，该公司在1990年代开发了该工艺(和DMLS名称)。

粘结剂喷射

粘结剂喷射是独特3D打印工艺，使用粘结剂从金属、砂或陶瓷粉末制造零件。

粘结剂喷射工艺通过在打印床铺粉末，再选择性喷射粘结剂(一种胶水)制造2D形状。胶水状粘结剂将粉末颗粒粘合而非烧结。构建平台移动允许打印机粘结下一层，以此类推。

粘结剂喷射零件通常打印后需热处理或渗透(用另种材料)以去除粘结剂材料并增强零件。

领先粘结剂喷射3D打印机公司包括3D Systems、ExOne、Desktop Metal、Markforged、HP。

3D打印材料

热塑性丝材 (FDM)

FDM 3D打印使用的绝大多数材料是各种尺寸线轴的热塑性丝材。热塑性材料加热熔融、冷却固化不改变化学成分；这使其非常适合挤出式3D打印。

常用通用FDM热塑性丝材是聚乳酸(PLA)，熔点低且环保。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)熔点较高但挤出更容易，是另一热门选择。其他常用FDM材料包括PETG和PC。

虽然大多数可打印热塑性材料刚性，但也有TPE和TPU等FDM柔性丝材适合橡胶状零件。

复合丝材 (FDM)

许多FDM 3D打印机可打印玻璃或碳纤维增强热塑性材料。这些材料强度远超普通热塑性材料(虽然玻璃颗粒或切碎纤维随机取向，材料通常弱于连续纤维打印，后者需专用昂贵打印技术)。

液态树脂 (SLA, DLP)

槽光聚合3D打印工艺如SLA和DLP的材料为液态感光树脂，含单体、低聚物、光引发剂。这些树脂经光源固化制造实体打印件。

存在不同树脂适应不同需求——如完全透明、较高抗冲击性——但无像热塑性材料那样的通用名称。不同3D打印树脂生产商生产不同树脂配方，常有简单标签如“标准树脂”或“透明树脂”。

尼龙/聚酰胺粉末 (SLS)

SLS 3D打印最广泛使用材料是尼龙，一种生产坚固、刚性、耐用3D打印零件的工程热塑性材料。

SLS 3D打印机烧结粉末状尼龙，有几种不同类型尼龙粉末(及其他粉末)可打印。尼龙12是零件和原型的优秀通用材料，尼龙11特别坚固延展。铝填充尼龙和TPU是其他SLS粉末选项。

金属粉末 (SLM, DMLS)

SLM等金属增材制造工艺兼容可被打印机激光熔融的金属粉末。这些粉末常由气体雾化制造，产生易流动的球形颗粒。

SLM等粉末床熔融工艺可用多种金属3D打印粉末。包括高强高温钛合金、铝合金、不锈钢、钴铬合金、镍合金。

3D打印软件

3D打印机是数字化机器，软件在3D打印过程中起重要作用。虽然不同类型3D打印软件有重叠(一些软件套件包含多种工具)，但主要有四类：3D建模、STL修复、切片、打印管理。

3D建模软件

计算机辅助设计(CAD)软件，有时称3D建模软件，用于在电脑屏幕设计最终可转化为物理3D打印物体的3D模型。

此类软件可允许通过选择参数或编写代码可视化建模3D形状。功能可能包括自动建模工具、CAM集成、仿真工具。

常见3D打印3D建模软件有TinkerCAD、Fusion 360(均为Autodesk)、SolidWorks(Dassault Systèmes)、Rhino、Blender。

STL修复软件

STL修复或网格修复软件——有时打包在CAD或切片软件中——旨在分析修复3D可打印文件以促进顺利打印。

流行独立STL修复包包括Materialise Magics、Autodesk Netfabb/Meshmixer，前述Fusion 360和Blender自带STL修复工具。

切片软件

3D建模软件创建包含3D模型信息的网格文件，但3D打印机无法计算这些文件。这就是3D打印机切片软件的作用。

切片软件将3D网格切割成可按序3D打印的单个层，并将这些层数据导出为G代码，3D打印机可读取执行。

Slic3r、Cura、Repetier是常见3D打印切片软件应用。

打印管理软件

部分3D打印机用户——特别是同时运行多台打印机者——可能需要3D打印管理软件管理打印任务、监控机器性能状态、监控材料供应。

打印管理工具包括用户友好的Web工具如OctoPrint，到专业增材制造执行系统(MES)如Materialise Streamics、Oqton FactoryOS。

3D打印优势

使用3D打印相较CNC加工和注塑成型等替代工艺有诸多优势。包括：

速度： 特别是单件零件快速原型，3D打印是最快制造方法之一。数字文件可极少准备发送至3D打印机。这可给公司竞争优势，缩短研发周期和上市时间。

成本： 因无昂贵工装，3D打印制造单件或小批量极便宜。因工艺为增材非减材，材料浪费极少。

几何自由度： 3D打印设计约束少于注塑成型等工艺，允许复杂图案甚至复杂内部结构。粉末床工艺如SLS尤甚，因粉末从各面支撑打印结构。

一致性： 虽3D打印常用于单件和原型，实则产出极一致的复制品，因零件质量不依赖模具寿命或刀具磨损等因素。

3D打印局限包括大批量慢、零件强度低于减材和成型工艺、材料成本高(FDM丝材比同体积注塑颗粒贵)、材料范围有限、着色选项有限。

3D打印应用

3D打印跨多行业用于快速原型和小批量生产。

快速原型

跨行业，3D打印关键应用是研发期间新零件快速原型。无其他技术像其这样装备完善，可即时制造塑料或金属零件——甚至在非工厂环境。

公司可内部使用3D打印机，部分企业偏好通过服务局订购3D打印原型。

医疗

3D打印可制造患者专用钛植入体、手术导板(SLM)、3D打印假肢(SLS、FDM)、甚至3D生物打印人体组织。医疗设备机械组件——X光机、MRI设备等——也可3D打印。

SLA和SLS等技术在牙科行业广泛用于模型、假体、修复体。

航空航天

航空航天业是3D打印技术主要采用者，因可制造极轻量且强重比优异的零件。示例部件包括简单舱内隔断(SLS)、到突破性发动机组件(SLM)如GE开发生产的3D打印燃油喷嘴尖端。

汽车

汽车公司定期用3D打印机制造一次性备件维修、快速原型。常见3D打印汽车零件包括支架、仪表盘组件、天线组件(FDM)。

更极端例子包括大型金属3D打印结构组件汽车，如初创公司Divergent早期车型。

珠宝与艺术

SLA等3D打印技术在珠宝生产和修复中广泛用作间接制造工艺，而几乎所有类型3D打印机均可用于创作艺术品和雕塑。

建筑

生产级增材制造进步拓宽建筑和建筑学应用范围。混凝土3D打印有点像FDM但用超宽喷嘴挤出机，在该行业发挥作用，但更常见SLM等3D打印技术可制造桥梁结构等物品。

3D打印文件格式

3D打印零件可用标准CAD软件设计，但3D打印机仅能读取特定文件格式。有四种主要机器可读3D打印文件格式。

STL： 迄今最常见3D打印机文件格式，STL以镶嵌三角形形式包含零件几何信息。不含颜色、材料、纹理信息。文件大小与细节成正比，可能成问题。

OBJ： OBJ文件格式不如STL普及，编码3D模型几何且可含自由曲线、自由曲面除镶嵌外。也可含颜色、材料、纹理信息，适合全彩工艺。

3MF： 微软发明，3MF是基于XML格式，文件小且错误预防好。虽未广泛采用，但获Stratasys、3D Systems、Siemens、HP、GE等支持。

AMF： STL继任者，AMF精简得多，允许曲面三角形镶嵌而非仅平面——使详细零件在各种形状下编码更容易。自推出以来采用缓慢。

3D打印设置与规格

3D打印使用一些工艺特定术语，对新手困惑。这些术语指影响3D打印零件成型的打印机设置和/或规格。

填充率

制作3D打印零件时，您可能需要指定填充百分比，指零件内部密度。低填充率导致零件大部分中空、仅最少材料维持形状；高填充率产生坚固、致密、较重零件。

层高

层高，有时称Z轴分辨率，是零件一2D层与下一层间距离。较小层高意味着Z轴(自上而下)更精细分辨率(更高可能细节级别)。小层高表明高质量打印机，但用户可指定较大层高以更快更经济打印。

打印速度

打印机打印速度(毫米/秒)指机器处理原材料速率。像层高一样，此值可为打印机最大速度指示或用户决定值：较慢打印速度典型产生更精准打印。

打印温度

适用于FDM等工艺，打印温度通常指热端温度，即加热热塑性丝材的打印头部分。部分FDM打印机也有加热打印平台，温度由制造商指定。两种情况温度通常用户可控。

分辨率

3D打印中分辨率几乎总指X、Y轴(宽、深)最小可能移动，无论激光束(SLA、SLM等)还是打印头(FDM)。此值比层高难测量且不总与其成正比。

外壳层数

类似注塑成型壁厚，外壳(或壳厚)指3D打印零件外部壁厚。3D打印时用户典型选择外壳层数：1层=喷嘴厚度外壁；2层=双倍厚度，以此类推。

3D打印彩色

鉴于3D打印多用作原型工具，单色打印足够大多数应用。但有几种3D打印彩色选项，包括高端材料喷射打印机、多喷头FDM打印机、后处理选项。

喷射技术

Stratasys、3D Systems、Mimaki等主要3D打印公司开发材料喷射和粘结剂喷射3D打印机，可像2D喷墨打印机全彩打印3D模型。但这些机器昂贵，零件力学性能不总优异。

多重挤出

多款FDM 3D打印机配双(或更多)打印头，允许两卷不同颜色甚至不同材料丝材同一打印任务同时打印。简单亲民但通常限两色。

换丝

单喷头FDM 3D打印机也可制作多色打印。涉及在特定点暂停打印、更换不同颜色丝材。这是极慢的上色方法，对各颜色位置控制不精准。

打印后上色

许多3D打印零件可打印后染色、着色、喷漆。虽增加工序，但常提供质量与成本效益最佳平衡。

3D打印件后处理

许多3D打印零件下打印床后至少需一定程度后处理。包括支撑移除等必要工序、喷漆等可选美观工序。一些工序适用所有或大多数3D打印技术，一些技术特定。

支撑移除

FDM和SLA等3D打印技术需打印支撑结构(打印平台与零件间垂直支柱)，防止打印物体制造时坍塌。

零件完成时需移除支撑。部分打印机如双喷头FDM机器可用可溶材料打印支撑，液体化学品可轻松将支撑与实体零件分离。非可溶支撑需手动切除，留下可能需打磨的痕迹。

清洗与除粉

部分3D打印技术(如SLA)留下粘性残留，其他(SLM、SLS)留下粉末痕迹。此时零件需清洗——手动或专用机器——或用压缩气除粉。

热处理

许多关键3D打印技术打印材料离开打印床时尚未处于最终化学状态。这些有时称“绿色件”。

许多3D打印金属零件打印后需热处理以增加层融合、去除污染物。粘结剂喷射3D打印机产生零件需脱粘和烧结去除金属零件内聚合物粘结剂。

部分树脂3D打印零件打印后需后固化以增加硬度使其可用。

表面精加工

3D打印零件可接受大量表面精加工技术，从砂光抛光等纹理工序到喷漆着色等视觉工序。部分技术如FDM产生较粗糙表面需打磨，其他如SLA产生更光滑表面。查看我们完整表面精加工服务列表了解更多。

3D打印与其他技术结合

3D打印不必作为独立工艺使用。与其视为CNC加工和注塑成型竞争对手，实则可互补。示例组合包括：

• 3D打印零件主体，再CNC铣削精细特征至更严公差
• 3D打印熔模铸造或真空铸造主模
• 3D打印组件，再嵌件注塑成型包覆结构

混合制造系统存在，结合3D打印与其他技术。Mazak INTEGREX i-400 AM和DMG MORI Lasertec DED等可同时执行3D打印和CNC铣削。

3D打印会取代其他制造工艺吗？

分析师长期推测3D打印是否会使其他制造工艺多余，包括：机加工、成型、铸造。

然而，尽管AM硬件制造商推动将3D打印定位为端到端生产技术(见EOS Industry 4.0倡议)，实践中3D打印仍限于特定制造工作，特别是特定材料小批量制造。

3D打印确实在某些领域超越其他工艺。例如，ABS等低成本塑料快速原型现由3D打印主导，因打印ABS比机加工便宜。3D打印似乎也巩固了作为患者专用钛医疗植入体理想制造工具的地位：这种特定情况下3D打印的速度和几何灵活性难以匹敌。

尽管如此，CNC加工目前在POM、PEI、PPS、PEEK等工程材料高质量零件原型制作上仍更优，表面光洁度远超3D打印。此外，注塑成型等工艺对简单塑料组件大批量生产仍无限快。

此外，虽然增材制造在制造业内见证最重大技术进步——使其在整体制造中占据更大立足点——但CNC和注塑成型等成熟工艺也在改进以生产更高质量零件。

3D打印将继续承担更大制造份额，但不会完全取代其他技术。

10年前3D打印何种面貌？

十年前，新兴3D打印行业正准备迎接其认为的3D打印革命：每家一台3D打印机，让家庭打印所需新物体，如冰箱替换零件、儿童新玩具、甚至组件构建第二台3D打印机。

2012-2014年前后，MakerBot等FDM 3D打印机制造商激进营销消费级市场，试图说服普通人3D打印能改善家庭和工作生活。但显然这些公司试图利用3D打印新奇因素，产品实用性极低；2012年MakerBot新闻稿似乎证明：“按下按钮制作整套国际象棋。朋友、同学、同事、家人将看到您制作的东西并说‘哇！’”

几年后，所谓3D打印革命显然失败，许多3D打印机制造商开始调整目标，从消费领域转向专业和工业市场，那里有更具体(和有利可图)的增材技术应用。

此外，已在专业工业领域的公司——如3D Systems和Stratasys——开始打破3D打印作为原型技术的观念，将其定位为可行大规模生产工具(显然对3D打印行业更有利可图，因制造商预期填满整个工厂3D打印机、购买管理软件、雇佣3D打印顾问)。

10年后3D打印将何种面貌？

3D打印公司放弃每家一台打印机前景。但10年后他们可能期待在更多工厂看到某种形式增材制造。

虽然3D打印在普通人谈资中不如2012年热门，技术在专业工业界持续加速。

据近期报告，市场研究公司3DPBM Research预期金属增材制造价值从2020年16亿美元增至2030年300亿美元，主要归因于AM重新定位为生产工具和更多高性能工程材料开发。(话虽如此，3D打印将跨许多行业保持宝贵原型工具，原型应用同等受益技术改进。)

不仅金属AM在增长。HP多喷嘴融合开启塑料打印新可能，Carbon等创新者开发光聚合类新型高速工艺。生物打印、微纳3D打印等利基领域不断突破，复合3D打印(如连续碳纤维3D打印)也在兴起：IDTechEX预期复合3D打印市场2030年达17亿美元。

简而言之，3D打印将逐渐成为跨多学科其他制造工艺的有力竞争者。

中国3D打印发展如何？

虽然中国仅有少数知名3D打印机制造商——联泰科技(SLA)、远铸智能(DMLS、SLS)、闪铸科技(FDM、DLP、SLA)、创想三维(FDM、DLP、SLA)等知名名字——但中国和亚太地区是增长最快3D打印市场之一，显示广泛采用(部分归功政府激励)。

目前，中国AM活动集中在上海、西安、广东(3ERP总部所在地)、环渤海经济圈(含天津、河北、辽宁、山东)。一些主要西方AM公司如3D Systems、Stratasys、EOS在上海设办事处。

虽然中国3D打印机生产以FDM和树脂技术为主，但中国售出打印机约半数用于工业用途(而非个人或小规模专业用途)。

2020年10月，市场研究公司CONTEXT发现中国3D打印市场面对疫情远比其他市场有韧性，在全球3D打印市场复苏中发挥主要作用。

如何外包3D打印服务？

投资3D打印硬软件不适合所有企业，许多成功公司将3D打印需求外包给第三方，如在线3D打印服务局(单次项目)或像3ERP这样的原型制造合作伙伴(单次或重复订单)。

外包3D打印服务时，重要的是考虑您的企业需要设计和生产服务，还是仅生产服务。(请注意，执行不佳的3D模型可能无法成功3D打印。)

通常，从第三方订购3D打印零件比以往更简单。许多制造商仅凭数字3D模型即可开始3D打印，但更重要项目可能还需技术图纸传达材料、颜色、公差等额外信息。部分3D打印服务商(含3ERP)将就适合您项目的3D打印技术和材料提供建议。

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