1.1　3D打印简介　

1.1.1　3D打印定义

3D打印，是一种快速成形技术，它以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式，将粉末状金属、塑料、陶瓷粉末、细胞组织等特殊的可粘合材料，进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。通俗地说，就是将液体或粉末等“打印材料”装入打印机，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。

3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，传统制造技术中，单个模具价格很高、加工周期长，但使用模具有助于提高产品的一致性，便于流水线生产，降低批量生产的成本。另一方面，由于研发阶段产品外形常需多次调试，研发阶段所用模具无法应用于随后的生产中，故模具的使用也大大提高研发成本。3D打印技术特别适合此类产品的研发，大大缩短研发周期，降低研发成本。

1.1.2　3D打印所需的关键技术

3D打印需要依托多个学科领域的尖端技术，至少包括以下几方面。

（1）信息技术，要有先进的设计软件及数字化工具，辅助设计人员制作出产品的三维数字模型，并且根据模型自动分析打印的工序，自动控制打印器材的走向；

（2）精密机械，3D打印以“每层的叠加”为加工方式，要生产高精度的产品，必须对打印设备的精准程度、稳定性有较高的要求；

（3）材料科学，用于3D打印的原材料较为特殊，必须能够液化、粉末化，丝化，在打印完成后又能重新结合起来，并具有合格的物理、化学性质。

1.1.3　3D打印的应用领域

3D打印过去常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，现在正逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。与传统铸造技术相比，3D打印技术最大的优势在于不需要模具即可实现各种形状产品的制造。因此，3D打印技术特别适合应用于利用模具铸造困难、形状复杂、个性化强的产品。主要应用于以下领域。

（1）工业制造。在工业领域，工业级 3D打印机可以打印出汽车、航天等需要的零部件，如图1-1所示，以这种有效方式降低成本规避了传统零部件研发和检测高投入和长耗时的弊端。如汽车制造前期的零部件研发测试阶段，只是一个小批量生产过程，3D打印有着缩短开发周期、降低研发成本的快速成型优势，能够及时对关键的零部件进行可行性测验和调整。

3D打印在产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证、制作模具原型或直接打印模具、直接打印产品等方面优势突出。目前3D打印的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世，3D打印的家用器具模型，也被用于企业的宣传、营销活动中。

（2）建筑工程。在建筑领域，工程师和设计师们已经接受了用 3D打印机打印的建筑模型，这种方法速度快、成本低、环境友好，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。打印建筑所使用的原理与一般的 3D打印机基本相同，不过原料却换成了水泥和玻璃纤维的混合物，而这种特殊的建筑材料还可回收利用，大大减轻了建筑废料造成的环境压力，如图1-2所示。另外，各种形状和结构复杂、材料特殊的建筑模型、风动实验和效果展示，建筑工程和施工（AEC）模拟等均可实现。

（3）生物医疗。医疗应用是目前最受关注的下游行业，比较成熟的是骨骼类。牙齿、手臂、下颚骨及关节等都已经在动物身上得到验证并在人体移植上获得成功。

2017年7月，上海长征医院骨肿瘤外科研发团队成功地为一名28岁女患者植入了 3D打印颈椎，如图1-3所示。该院为患有颈椎巨大软骨肉瘤的患者实施了首例6节段颈椎切除术，并为她安装上首个全颈椎的3D打印人工颈椎椎体，令其颈椎“再生”。巨大超长节段肿瘤彻底切除与脊柱稳定性重建，这在全世界范围内，目前尚无先例报道。该手术的成功实施，标志着中国在超长节段颈椎个体化3D打印人工椎体的研究和应用方面迈出了坚实的一步。

此外，3D打印还成功打印出外骨假肢、头盖骨甚至心脏，如图1-4所示为英国某假肢制造企业通过3D打印技术制造的仿生肌电手，相比传统肌电手，3D打印肌电手在价格上具有明显优势，在外观造型上也可以更加灵活地进行定制。至于打印心脏等复杂器官，医生就可以在手术之前完全复制心脏的模型，成功制定一个复杂的矫正手术方案，从而减少病人在手术台上的时间，使手术变得更为安全。

（4）消费品。随着桌面级 3D打印机的销售量持续增长，许多珠宝、服饰、鞋类、玩具、工具、创意作品等都可以由 3D打印机打印出来，如图1-5所示。

（5）航空航天、国防军工。复杂形状、尺寸微细、特殊性能的零部件、机构的直接制造。

（6）文化创意和数码娱乐。形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体，如图1-6所示。科幻类电影《阿凡达》运用3D打印塑造了部分角色和道具，3D打印的小提琴接近了手工制作的水平。

（7）教育。模型验证科学假设，用于不同学科实验、教学。在北美的一些中学、普通高校和军事院校，3D打印机已经被广泛用于教学和科研。

（8）个性化定制。基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

1.1.4　3D打印的主要技术优势

与传统制造相比，3D打印技术的优势主要体现在以下几方面。

（1）产品制造的复杂程度降低。3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，而传统制造业是通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终形成产品，大大降低了制造的复杂度。

（2）生产制造的范围扩大。3D打印对工艺、机床、人力的要求降低，它直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸，可以造出任何形状的物品。

（3）更大程度满足客户个性化需求。企业可以根据用户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求。

（4）生产制造效率提高。3D打印技术可以将制造出一个模型的时间缩短为数个小时，而用传统方法通常需要更长的时间。

（5）提高原材料的利用效率。与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造产品时产生较少的副产品，而随着打印材料的进步，“净成型”制造可能成为更环保的加工方式。