什么是 3D 打印？工作原理 |类型 |应用程序

3D 打印的概念由 David E.H. Jones 于 1974 年。然而，直到 1980 年代初才开发出制造模型的方法和材料。

“3D 打印”一词涵盖了多种工艺和技术，为生产不同材料的零件和产品提供了广泛的能力。近年来，这些流程得到了显着发展，现在可以在许多应用中发挥关键作用。

这篇概述文章旨在解释 3D 打印的不同类型和流程、它们的工作原理以及它们在当前市场中的用途和优势。让我们从一个非常基本的问题开始。

什么是 3D 打印？

3D 打印，也称为增材制造，是一种从三维数字模型或 CAD 模型制作物理对象的过程。它涉及各种计算机控制技术，其中材料被连接或固化以构建实际物体。

通常，材料（例如融合在一起的粉末颗粒或液体分子）以毫米级逐层添加。这就是为什么 3D 打印也被称为增材制造工艺。

该图说明了3D打印机如何逐层打印三维物体| 3D逻辑

在 1990 年代，3D 打印技术被称为快速原型制作。它们仅适用于制造美学或功能原型。从那时起，我们已经走了很长一段路。

今天的 3D 打印技术已经足够先进，可以创建复杂的结构和几何形状，否则手动构建是不可能的。

3D 打印的精度、材料范围和可重复性已经提高到我们几乎可以构建任何东西的程度——从简单的原型到复杂的最终产品，如环保建筑、飞机零件、医疗器械，甚至是使用多层材料的人造器官。人体细胞。

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它究竟是如何工作的？

所有3D打印技术都基于相同的原理：3D打印机将数字模型（作为输入）通过逐层添加材料将其变成物理三维物体。

它与使用各种切削工具从实心块构建所需结构的传统制造工艺（例如注塑成型和 CNC 加工）截然不同。然而，3D 打印不需要切割工具：物体直接在构建的平台上制造。

该过程从数字 3D 模型（对象的蓝图）开始。该软件（特定于打印机）将 3D 模型切成薄的二维层。然后将它们转换成一组机器语言指令供打印机执行。

根据打印机的类型和对象的大小，打印需要几个小时才能完成。打印对象通常需要进行后处理（如打磨、上漆、油漆或其他类型的常规整理）以达到最佳表面光洁度，这需要额外的时间和人工。

不同类型的 3D 打印机采用不同的技术，以不同的方式处理不同的材料。也许 3D 打印在材料和应用方面最基本的限制是没有一刀切的解决方案。

3D 打印的类型/工艺

根据 ISO/ASTM 52900 标准，所有 3D 打印过程可分为七组。每种方法都有利有弊，通常涉及成本、速度、材料特性和几何限制等方面。

1.还原光聚合

SLA 图示：激光 (a) 选择性地照亮填充有液体光聚合树脂 (b) 的罐的透明底部 (c)。升降平台 (e) 逐渐将固化的树脂 (d) 向上拖起。

基于 Vat 光聚合的 3D 打印机有一个装有光聚合物树脂的容器，该树脂用紫外线光源硬化以制造物体。三种最常见的还原聚合形式是

1a) 立体光刻 (SLA)： SLA 发明于 1984 年，它使用紫外激光使化学单体和低聚物交联，形成构成三维固体的聚合物。虽然这个过程很快并且几乎可以构建任何结构，但它可能很昂贵。

1b) 数字光处理 (DLP)： 它利用传统的光源，例如弧光灯（而不是激光）。物体的每一层都被投影到液态树脂桶上，然后随着升降平台的上下移动，一层一层地固化。

1c) 连续液体界面生产 (CLIP)： 它类似于立体光刻，但连续且速度最高可达 100 倍。 CLIP 可以制作出橡胶状、柔韧、侧面光滑的物体，这是其他技术无法创造的。

2.材料挤压

材料挤出图示：喷嘴(1) 将材料(2) 沉积在构建平台(3) 上。

在此过程中，将一根固体热塑性材料的细丝推过加热的喷嘴，该喷嘴将材料熔化并沿预定路径将其沉积在构建平台上。这种材料最终冷却并凝固，形成一个三维物体。这个过程中最常用的技术是

2a) 熔融沉积建模 (FDM)： 它使用热塑性材料的连续长丝，例如尼龙、热塑性聚氨酯或聚乳酸。

2b) 机器人广播： 它涉及从小喷嘴中挤出糊状材料，同时喷嘴在构建平台上移动。该工艺与 FDM 不同，它不依赖于材料的干燥或固化以在挤出后保持其形状。

3.片材层压

一些打印机使用纸和塑料作为构建材料来降低打印成本。在这种技术中，多层粘性塑料、纸或金属层压板依次连接在一起，并使用激光切割机或刀具切割成型。

层分辨率可以由材料原料定义。通常它的范围在一张到几张复印纸之间。该工艺可用于制造大型零件，但最终产品的尺寸精度将远低于立体光刻。

4.定向能量沉积

定向能量沉积技术常用于高科技金属工业和快速制造应用。打印设备包含固定在多轴机械臂上的喷嘴。喷嘴将金属粉末沉积在构建平台上，然后被激光、等离子体或电子束熔化，形成固体。

这种类型的 3D 打印支持各种金属、功能梯度材料和复合材料，包括铝、不锈钢和钛。它不仅可以构建全新的金属部件，还可以将材料附加到现有部件上，从而实现混合制造应用。

5.材料喷射

采用材料喷射工艺打印的部件

材料喷射的操作方式与喷墨纸打印机类似。在此过程中，将感光材料通过小直径喷嘴喷成液滴，然后通过紫外线硬化，逐层构建零件。

该技术中使用的材料是热固性光聚合物（丙烯酸树脂）。还提供多材料印刷和多种材料（包括类橡胶和透明材料）。

由于材料喷射 3D 打印可以构建具有光滑表面光洁度的高尺寸精度部件，因此对于制造视觉原型和商业工具来说，它都是一个有吸引力的选择。

6.粘合剂喷射

用粘合剂喷射在砂岩上印刷的全彩印刷品 |图片来源：3D 中心

粘合剂喷射使用两种材料：粉末基材和液体粘合剂。粉末均匀分布在构建室中，粘合剂通过喷嘴施加，将粉末颗粒“粘合”以构建所需的物体。

蜡或热固性聚合物通常与粘合粉末混合以增加其强度。 3D打印完成后，剩余的粉末被收集起来用于打印另一个结构。

由于该技术与类似喷墨的过程非常相似，因此也称为注入 3D 打印。它主要用于打印弹性体零件、悬垂和彩色原型。

7.粉床融合

一个SLS系统| DTM – 2500CI

粉末床融合是增材制造的一个子集，其中使用热源（例如热打印头或激光）将粉末形式的材料固化以构建物理对象。这种技术最常见的五种形式是

7a) 选择性激光烧结 (SLS)： 它使用激光作为电源来烧结聚酰胺或尼龙等粉末材料。这里的术语烧结是指通过施加压力或热量而不将材料熔化到液化点来压实和形成固体材料块的过程。

7b) 选择性激光熔化 (SLM)： 与 SLS 不同的是，该技术旨在将金属粉末完全熔化并融合在一起。它可以创建完全致密的材料（逐层），其机械特性类似于传统制造金属的机械特性。这是工业和研究中正在实施的快速发展过程之一。

7c) 电子束熔化 (EBM)： 在此过程中，原材料（金属丝或金属粉末）被放置在真空中并使用电子束融合在一起。虽然 EBM 只能与导电材料一起使用，但由于其较高的能量密度，它具有优越的构建速度。

7d) 选择性热烧结 (SHS)： 它使用热打印头向粉末状热塑性塑料层加热。一层完成后，粉末床向下移动，并添加一层新材料，然后将其烧结以形成模型的下一个横截面。这种技术最适合制造用于功能测试的廉价原型和零件。

7e) 直接金属激光烧结 (DMLS)： 它类似于 SLS，但使用金属电源代替。剩余的能量成为物体的支撑结构，可以重新用于下一次 3D 打印。 DMLS 零件主要由粉末材料制成，如钛、不锈钢、铝和几种特殊合金。这是定制医疗部件、石油和天然气部件以及坚固的功能原型的理想工艺。

申请

近十年来，3D打印得到了长足的发展。由于它可以以更低的成本快速制造复杂的设计，因此它已成为各个行业的必备工具，从商业制造和医学到建筑和定制设计。

许多增材制造技术可用于制造食品。现代 3D 打印机带有预装的板载食谱，还允许用户在他们的计算机和智能手机上远程创建他们的食物。 3D打印的食物可以在质地、颜色、形状、风味和营养方面进行定制。

该技术在药物制剂中也被证明是有效的。 3D打印制造的第一个配方于2015年生产。同年，FDA批准了第一个3D打印片剂。

2014 年发送给国际空间站的零重力 3D 打印机

2014 年，SpaceX 向国际空间站交付了第一台零重力 3D 打印机。现在被宇航员用来打印套筒扳手等实用工具。

事实上，许多计划在行星或小行星上的组装项目将使用附近地区可用的材料以某种方式启动。 3D 打印是这一引导的主要步骤之一。

如今，科技公司正在将增材制造与云计算相结合，以实现分散和地理独立的分布式生产。一些公司向私人和商业客户提供在线 3D 打印服务（通过网站）。

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3D 打印的未来

3D 打印的远大梦想是“每个人都有一个工厂”。这听起来可能很奇怪，但不可否认，拥有一台可以立即生产出无限可定制的东西的机器是很迷人的。

就像计算机和智能手机为数十亿人赋能一样，3D 打印机也可能为制造业做同样的事情。

根据 GrandViewResearch 的数据，2019 年全球 3D 打印市场价值为 115.8 亿美元，预计到 2027 年将超过 330 亿美元（每年增长 14%）。

预计将推动市场增长的因素包括积极的研发以及来自各个垂直行业（尤其是汽车、航空航天、国防和医疗保健）的原型应用需求不断增长。