3D打印是如何工作的？ _3D打印

撰稿 | 关耳（季华实验室）
还记得于2012年上映，成龙主演的电影《十二生肖》吗？其中一个片段以非常形象的手法展现了一种对三维兽首进行扫描并复制重现的未来技术概念——3D打印。而在现实世界，科技前进的步伐是不可阻挡的。
我国在去年成功完成首次太空3D打印，对空间站在轨扩建和长期运行具有重要意义。近期，某太空公司也宣称将利用这项技术来制造火箭的所有零部件并计划于2022年进行全3D打印火箭的发射。3D打印技术正展现出非凡的发展潜力与活力。

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图1：3D打印技术
3D打印技术又称增材制造（Additive manufacturing），是一种以数字模型文件为基础，将可粘合材料逐层叠加以构建现实三维物体的技术。作为“决定未来经济的12大颠覆技术”之一和第三次工业革命的引擎，3D打印标志着从传统制造迈向智能制造的巨大产业变革，引发了新的技术革命浪潮。
与传统制造技术相比，3D打印技术具有“去模具、减废料和降库存”等特点，在生产上可以优化结构、节约材料和节省能源，极大提高制造效率，实现“设计引导制造”的创新理念。

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图2：通用3D打印流程
图源：Zhang et al. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun. Appl. 2015, 12, 2
发展历程
纵观3D打印技术的发展史，最早可追溯至1984年由美国科学家Charles Hull发明的立体光固化成型技术（Stereolithography appearance，SLA）。随后又逐步发展出选择性激光烧结（Selective laser sintering, SLS）、选择性激光熔化（Selective laser melting, SLM）、微喷射粘结成型（Three dimensional printing and gluing, 3DP）等技术。
进入21世纪以来，3D打印技术有了全新的突破，全球正式进入3D打印的高速发展阶段，并在大类技术的细分下逐步涌现出了各式各样的革新式小类工艺，以满足特定行业需求，与传统制造业形成有效互补。
3D打印方法分类
根据国际标准化组织辖下增材制造技术委员会发布的ISO/ASTM 52900: 2015标准，3D打印工艺方案主要分为七大类。
一、材料挤出型
Material extrusion
通过喷嘴或孔口等有选择地沉积材料。如熔融沉积成型（Fused deposition modelling, FDM），是一种最为直观也最常见的打印方式。在打印时，设备将丝状热熔性材料加热熔化，通过带有微细喷嘴的喷头将材料挤出并选择性地沉积在平台上，冷却后形成一层截面，这样逐层打印直至形成整个实体。打印材料主要为聚合物和塑料，包括聚乳酸PLA、热塑性聚氨酯弹性体TPU和丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS等。

优点：设备和耗材的价格低廉、材料范围广、打印产品强度高。
缺点：打印精度较低、打印样件表面粗糙度大。

二、光聚合成型
Vat photopolymerization
使用特定波长的光对液态聚合物进行选择性光固化。这类技术使用的材料是光敏树脂，在光照下树脂发生从液态到固态的形态转变，从而实现打印过程。根据光源类型、照射方式和成型方式的不同，可分为立体光刻成型（Stereolithography appearance, SLA）和数字光处理（Digital light processing, DLP）等，其原理及打印过程均不同。其中，SLA使用激光逐点扫描液态树脂面，点-线-面顺序固化以完成一个层面的成型，再配合成型平台的移动层层叠加构成三维实体。DLP则采用整面曝光进行一个层面的成型，光源多为LED紫外光源，每层曝光图形由数字动态掩模芯片等空间光调制器生成。

优点：加工精度高、打印成品表面光滑、整面曝光成型效率高。
缺点：材料范围受限、材料性能较弱。

三、定向能量沉积型
Directed energy deposition
利用聚焦热能熔化材料的即熔即沉积工艺。主要包括激光同步送粉（LENS，LBMD，LSF）和电子束熔丝沉积（Electron beam direct manufacturing, EBDM）等，多用于构建或修复现有结构。其过程为，激光束等能量源在沉积区域产生熔池并高速移动，喷嘴将丝状或粉末状材料（如钛和钴铬合金）送入高温区被加热至熔点，熔化后逐层沉积。喷嘴或工作台安装在高度可移动的臂上，从而能够高度灵活地移动。