第1章 3D打印简介

1.1 3D打印的定义和特点

“3D打印”词条一度成为网络上的热门词汇，超过1000万条搜索结果。3D打印行业被美国《时代》周刊列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为“它将与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。3D打印作为工业4.0的重要组成部分，除了在工业上用途广泛之外，也越来越多地走向民用。3D打印的话题在媒体上也非常火爆，打印枪支、房屋、人体器官等爆炸性新闻频频刷新着我们的想象力，如图1-1所示。

下面我们就来了解什么是3D打印以及3D打印的特点。

1.1.1 3D打印的定义

3D打印（3D Printing）是快速成型技术（Rapid Prototyping，RP）中的一种，是将CAD数据通过成型设备以材料堆积累加的方式制成实物模型的技术。

简单来说，3D打印采用分层加工、叠加成型、逐层增加材料的方式来“打印”，其打印原理如图1-2所示。

由于3D打印的整个流程是打印机通过对计算机中三维软件的识别，进行STL（三角网格格式，3D打印机常用的格式）转换，再结合切层软件确定摆放方位和切层路径，并进行切层工作和相关支撑材料的构造，可以直接制作出三维立体模型，也被形象地称为三维打印，在我国的台湾地区还被称为三维列印。

1.1.2 3D打印的特点

3D打印又被称为增材制造（区别于传统的减材加工）和积层制造（Additive Manufacturing，AM），是目前最具有生命力的快速成型技术之一，具有以下特点：

1）3D打印运用可黏合的材料，通过一层层打印的方式来构造物体，这一成型过程不再需要传统的刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状。3D打印改变了通过对原材料进行切削、组装进行生产的加工模式，它可以自动、快速、直接和精确地将计算机中的设计转化为模型，实现了随时、随地、按不同需要进行生产制造。

2）与传统的金属制造技术相比，3D打印技术采用的是增料的加工方式，相对于数控机床的减料加工就避免了对原材料的浪费，制造时产生较少的副产品。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。同样的一个东西，它的用料只有原来的1/3～1/2，这就降低了加工材料成本。3D打印机的制造速度相对较快，比数控机床快了3～4倍，不需要工人值守，节省了人力，尤其是在打印复杂造型的时候，这种优势更加明显。

3）3D打印技术综合应用了CAD/CAM技术、激光技术、光化学以及材料科学等诸多方面的技术和知识，让产品设计、建筑设计、工业设计、医疗用品设计等领域的设计者第一时间方便、轻松地获得实物模型，便于重新修订CAD设计模型，从而有效地缩短产品研发周期、提高产品质量并缩减生产成本。

4）3D打印能加工制作现有的加工工艺及技术无法实现的结构。很多从事三维设计的设计师发现，在设计完图样进入开模具制作阶段时，部分设计结构无法进行模具制作，而对于3D打印，只要能画得出三维零件，3D打印机就能打印实现。比如有些产品的实心部分，因为工艺及技术所限无法掏空。而3D打印机就可以通过打印参数设计，实现对这部分结构的空心化处理。有些奇怪的结构，常规工艺需要多零件拼接成型，而3D打印机可以一体打印成型。如图1-3所示的哨子，打印机可以一次性打印出哨子外壳和内部的球体，里面的球体是活动的。理论上只要是计算机可以设计出来的造型，3D打印机都可以打印出来，消费者只需下载设计图，就可以在数小时内打印出自己想要的任何东西，满足了人们的个性化需求。

5）3D打印机打印精度高，除了可以表现出外形曲线上的设计以外，结构以及运动部件也不在话下。如果用来打印机械装配图，齿轮、轴承、拉杆等都可以正常活动，而腔体、沟槽等形态特征位置准确，甚至可以满足装配要求，打印出的实体还可通过打磨、钻孔、电镀等方式进一步加工，如图1-4所示。

6）对当今的制造机器而言，在切割或模具成型过程中将多种原材料融合在一起，结合成单一产品是很困难的。随着多材料3D打印技术的发展，我们有能力将不同原材料融合在一起。以前无法混合的原料混合后将形成新的材料，这些材料色调种类繁多，具有独特的属性或功能。不限于砂型材料，还有弹性伸缩、高性能复合、熔模铸造等其他材料可供选择。

7）3D打印的数据文件可以远程传输，就像数字音乐文件一样，可以被无限复制，音频质量并不会下降。未来，3D打印将数字精度扩展到实体世界，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。将数字文件通过网络远程传送的方式传送给世界上的任何一个角落，可以将大型的打印任务以众包的形式分散给各个拥有3D打印机的工厂或者个人，打印后再统一组装起来，比如我国的一个3D打印行业网站发起的打印马云头像的众包任务和美国发起的一项全球协作打印富兰克林头像的任务（在1.4节“3D打印未来所带来的变革”中，将详细介绍这种众包形式）。