3D打印是如何工作的？
撰稿 | 关耳（季华实验室）
你是否还记得2012年成龙主演的《十二生肖》？电影中那个扫描并复制兽首的酷炫场景，正是3D打印技术的雏形！如今，这已不再是科幻，而是触手可及的现实——科技浪潮正以不可阻挡之势席卷全球。
去年，我国成功实现首次太空3D打印，为空间站建设注入新动能。而某太空公司更宣称，将用3D打印制造火箭所有部件，计划2022年发射全打印火箭。这项技术正爆发出惊人的潜力与活力！
图1：3D打印技术
3D打印，又称增材制造，它以数字模型为蓝图，将材料逐层堆叠，直接构建三维物体。作为“未来12大颠覆技术”之一，它正驱动第三次工业革命，引领从传统制造到智能制造的巨变。
相比传统工艺，3D打印能“去模具、减废料、降库存”，优化结构、节约能源，大幅提升效率，真正实现“设计即制造”的创新突破。
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
3D打印的起源可追溯到1984年，美国科学家Charles Hull发明了立体光固化成型（SLA）。随后，选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、微喷射粘结成型（3DP）等技术相继涌现。
进入21世纪，3D打印迎来爆发式增长，全球进入高速发展阶段。各种革新工艺百花齐放，与传统制造互补，满足多元化行业需求。
3D打印方法分类
根据ISO/ASTM标准，3D打印工艺主要分为七大类，每种都像一场精密“战术”，适应不同战场。
一、材料挤出型
Material extrusion
通过喷嘴选择性沉积材料。典型代表是熔融沉积成型（FDM），最直观的打印方式。它像挤牙膏一样，将热熔材料加热挤出，层层堆积成型。材料多为聚合物，如PLA、TPU、ABS等。
优点：设备耗材便宜、材料广、强度高。
缺点：精度较低、表面粗糙。
二、光聚合成型
Vat photopolymerization
用特定光固化液态树脂。材料是光敏树脂，光照下液态变固态。分为立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）。SLA用激光逐点扫描，DLP整面曝光，效率更高。
优点：精度高、表面光滑、效率高。
缺点：材料有限、性能较弱。
三、定向能量沉积型
Directed energy deposition
用聚焦热能熔化材料，即熔即沉积。包括激光同步送粉和电子束熔丝沉积，常用于修复或构建结构。能量源产生熔池，喷嘴送入金属粉末，熔化后逐层沉积，灵活度高。
优点：无需支撑、灵活性高、修复高效。
缺点：表面精度低、需后加工、难修复复杂件。
四、材料喷射型
Material jetting
2D喷墨打印的三维升级版。分为连续材料喷射（CMJ）、纳米颗粒喷射（NPJ）和按需滴落（DOD）。它用电磁场精准定位液滴，紫外光固化，一次可喷数百滴，实现全彩打印。
优点：精度极高、色彩丰富、美学性强。
缺点：材料有限、价格昂贵、需后处理。
五、粘合剂喷射成型
Binder Jetting
也称微喷射粘结成型（3DP），通过粘合剂粘结粉末成型。将粉末铺平，喷头喷射粘合剂，层层粘合，像沙水混合般坚固。金属或陶瓷件需烧结增强强度。
优点：效率高、可多色打印、无需支撑。
缺点：表面粗糙、致密度低、后处理复杂。
六、粉末床熔融成型
Powder bed fusion
专攻金属打印，不靠粘合剂。代表有选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）和电子束选区熔化（EBSM）。铺粉后，高能束熔融粉末，逐层烧结。电子束预热降低应力，SLS需添加粘结剂。
优点：精度高、材料多样（钛、铝、陶瓷等）。
缺点：成本高、易翘曲、速度慢。
七、片材层压型
Sheet lamination
将材料切割后粘结或焊接。材料不限，金属板甚至纸都可。包括分层实体制造（LOM）和超声波增材制造（UAM）。LOM用胶粘合切割，UAM超声波焊接，低温适用敏感材料。
优点：速度快、精度高、变形小。
缺点：粘接差、强度各向异性、材料利用率低。
应用实例
在研发驱动下，3D打印以创新为核心，为制造业赋能，覆盖航天、汽车、能源、医疗、文创、建筑等领域，展现战术多样性。
图3：深蓝火箭试验飞行
在航空和能源领域，美国Arris与空客合作，批量3D打印碳纤维支架；索尔维与9T Labs联手，将打印部件引入量产。国内，在《中国制造2025》引领下，3D打印助推商业火箭崛起：2021年，重庆壹零空间用打印姿控系统飞行，深蓝航天实现液体火箭垂直回收。打印技术已成火箭制造新赛道。
在医疗假体领域，从骨科、假耳到眼部假体，3D打印不断突破。2021年11月，德国Fraunhofer研究所成功临床3D打印假眼，标志着商业化加速。
随着需求挖掘和政策引导，3D打印应用将更深更广。
图4：3D打印仿生眼球
诞生仅三十多年，3D打印已掀起全球制造革命。作为“互联网+智能制造”代表，它完美兼顾定制与量产，创造力无限。产业正处成长期，预计2026年全球产值达372亿美元，竞争序幕拉开。实现精密化、智能化、通用化、便捷化仍是关键课题。但未来已来，3D打印将重塑智能制造，你准备好加入这场变革了吗？分享你的见解，探索更多可能！
参 考 资 料：
1. Jake Port. How does 3D printing work? , cosmosmagazine, 7 December 2021
2. 《3D打印与工业制造》——机械工业出版社
3. 2021年3D打印行业深度研究报告——西部证券
监制 | 赵阳
编辑 | 赵唯
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
来源：先进制造
编辑：Garrett
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