3D打印是如何工作的？
撰稿 | 关耳（季华实验室）
嘿，你是否还记得2012年成龙主演的《十二生肖》？电影中那个震撼场景——兽首被瞬间扫描并完美复制，正是3D打印技术的未来预言！如今，它已从银幕走进现实，正以雷霆之势改变世界。
我国去年成功实现首次太空3D打印，为空间站建设注入核心动力。更有先锋企业宣布，将用这项技术制造全火箭零件，计划发射全球首枚全3D打印火箭！它的潜力与活力，已突破想象边界。
图1：3D打印技术
3D打印，即增材制造，是以数字模型为蓝本，将材料逐层堆叠成型的三维物体技术。作为“未来十二大颠覆技术”之一，它正驱动产业从传统制造迈向智能革命，掀起滔天浪潮。
相比传统工艺，3D打印具备“去模具、减废料、降库存”的绝对优势，实现结构优化、材料节约与效率飞跃，真正践行“设计引导制造”的创新哲学。
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
回望历史，3D打印的起点是1984年Charles Hull发明的立体光固化技术。随后，选择性激光烧结、选择性激光熔化、微喷射粘结成型等技术接连涌现，奠定基石。
进入21世纪，3D打印进入爆发期，在主流技术下衍生出无数细分工艺，精准对接行业需求，与传统制造形成强力互补。
3D打印方法分类
根据ISO/ASTM标准，3D打印主要分为七大流派，各展神通。
一、材料挤出型
Material extrusion
通过喷嘴选择性沉积材料。代表技术熔融沉积成型，是最常见的打印方式。设备将丝状材料加热挤出，逐层堆积成型。材料多为聚乳酸PLA、热塑性聚氨酯TPU等聚合物。
优点：设备亲民、材料广泛、制品强度高。
缺点：精度有限、表面粗糙。
二、光聚合成型
Vat photopolymerization
利用光固化液态树脂。分为立体光刻成型与数字光处理。前者激光逐点扫描，后者整面曝光，效率更高。材料为光敏树脂。
优点：精度极高、表面光滑、效率出众。
缺点：材料受限、性能较弱。
三、定向能量沉积型
Directed energy deposition
聚焦热能实现即熔即沉积。包括激光同步送粉和电子束熔丝沉积，专长于构件修复与制造。能量源生成熔池，送入材料熔化沉积，灵活度高。
优点：无需支撑、灵活性强、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、纳米颗粒喷射和按需滴落。原理类似立体光刻，但可喷射数百液滴，精准定位后紫外固化。材料含聚合物如ABS、聚丙烯。
优点：精度超高、支持全彩、美学优异。
缺点：材料有限、成本昂贵、需后处理。
五、粘合剂喷射成型
Binder Jetting
又称微喷射粘结成型，通过粘合剂粘结粉末。将陶瓷或金属粉末铺层，喷射粘合剂选择固化，层层堆叠。金属或陶瓷需烧结增强。
优点：效率极高、可彩色打印、无支撑结构。
缺点：表面粗糙、致密度低、需后处理。
六、粉末床熔融成型
Powder bed fusion
粉末床熔融的金属打印王牌。代表技术选择性激光烧结、选择性激光熔化和电子束选区熔化。铺粉后高能束熔融烧结，真空环境工作。电子束技术可预热降应力。
优点：精度卓越、材料多样（钛、铝、尼龙等）。
缺点：成本高昂、大件易翘曲、速度较慢。
七、片材层压型
Sheet lamination
材料切割后粘结成型。包括分层实体制造和超声波增材制造。可用金属板甚至纸张，通过胶粘或焊接结合。超声波技术低温作业，适用敏感材料。
优点：速度飞快、精度高、变形小。
缺点：粘接弱、强度各向异性、材料利用率低。
应用实例
在研发与产业双轮驱动下，3D打印以创新为刃，为下游行业赋能革命，覆盖航天、汽车、能源、医疗、文创、建筑等全领域。
图3：深蓝火箭试验飞行
在航空和能源领域，美国公司正用3D打印碳纤维批量制造客舱支架；索尔维合作量产零部件，用于航空、石油等行业。国内，《中国制造2025》助推下，3D打印已催生火箭制造新赛道——重庆壹零空间采用3D打印姿控系统飞行，深蓝航天实现液体火箭垂直回收试验。它正成为火箭制造的核心支撑。
在医疗假体方面，从骨科、假耳到眼部假体，3D打印持续突破。德国研究所在3D打印假眼临床应用的进展，预示商业化浪潮已至。
随着需求挖掘、政策引导与标准完善，3D打印的应用疆域将无限拓展。
图4：3D打印仿生眼球
3D打印诞生仅三十多年，却已引领全球制造业革命。作为“互联网+智能制造”典范，它完美融合定制与量产，在各领域迸发创造力。产业正处成长期，2026年全球产值有望达372亿美元。但实现精密化、智能化、通用化、便捷化仍是关键挑战。未来已来，你想亲手触摸这场变革吗？立即关注我们，解锁更多3D打印前沿动态，共同塑造制造新纪元！
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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