§3D打印技術解密
3D打印的學術名稱是增材製造（Additive Manufacturing, AM），或者快速成型技術（RP Rapid Prototyping）。考慮到本節主要介紹技術，後續文字將主要采用學術名稱。現有的製造技術主要包括四種，分別是：受壓成型、減材成型、生長成型和增材製造。受壓成型，是指基於材料的可塑性原理，通過模具控型轉換材料形態，使其變為某種零件或者產品，例如粉末冶金、鑄造和鍛壓等。減材成型，是指利用電化學或者刀具等辦法，剔除毛胚材料中不需要的部分，則剩下的部分就是想要加工的產品或者零件，如車、磨、銑、刨、激光切割和電火花等。生長成型，指的是利用各種材料的活性，成型為需要的產品或者零件，比如動植物的個體發育等。增材製造，是指通過化學、物理、機械等方法，有序添加材料，從而像搭積木一樣，使其堆積成型。
增材製造技術，可以迅速、精確地製造零件或者產品，卻不使用傳統的加工方法或者加工設備，從而能夠有效減少研發周期，降低開發成本，提高產品質量。它改變了過去的流水線生產模式，降低了企業對勞動力和生產空間的依賴，對零件或產品的加工模型產生革命性的影響。下文將逐一介紹增材製造技術的原理、典型技術並進行比較分析。
3D打印的技術原理
1.增材製造技術的原理和分類
（1）增材製造技術原理
增材製造技術由CAD數據模型驅動，從而快速製造出各種形狀的三維實體。該技術集成了機械工程技術、激光技術、數控技術、材料科學和計算機技術等，將三維幾何CAD模型分層離散化，采用粘結、燒結或熔融等特殊加工技術，逐層堆積材料，從而形成各種實體零件或者產品。
該技術的成型過程是：①通過計算機繪圖軟件設計數字模型。②對模型進行分層切割，得到每一層的二維輪廓。③對每一層的二維輪廓進行處理，形成二維平麵輪廓形狀。這裏涉及的技術有很多，例如：采用激光束，固化每一層的液態光敏樹脂，燒結每一層的粉末材料，或者用噴射源處理每一層的熱溶性或者粘結劑等材料。④將所有層疊加在一起，最終得到三維實體。
（2）增材製造成型材料
快速成型技術的研發基礎是成型材料。成型材料一方麵影響成型速度，形狀精度，另一方麵還影響著成型實體的應用領域和設備選用。可以說，成型材料既推動成型技術的發展，又製約著成型技術的研究。在各種成型技術湧現的背後，其實質是成型材料的不斷被發現。
成型材料按照技術目標來分，主要分為模具型、功能測試型、概念型等。模具型指的是成型材料可以使用具體的模型進行製造。以消失模鑄造用到的原型材料為例，其要求加工成型之後，能夠便捷地取出零件之外的廢棄部分。功能測試型，要求成型材料具有一定的剛度、強度、抗腐蝕性、耐熱性等。當用於裝配測試時，還要求成型材料具有更高的精度。概念型對成型材料的主要要求是，成型速度快，但對物理、化學、精度等要求並不高。以光固化樹脂材料為例，其要求具有粘度較低、穿透深度較大、臨界曝光功率較低等特點。表2-4列出了一些常用的成型材料。
（3）增材製造基本工藝步驟
增材製造的基本工藝流程如圖2-6所示，主要包括四個步驟，分別是CAD模型的建立、前處理、原型製作以及後處理。
CAD模型的建立：三維CAD數據模型直接驅動著增材製造係統，因此，增材製造工藝的第一個流程應該是設計產品的三維CAD數據模型。現在常用的建模方法有兩大類。第一類是正向建模法，用三維設計軟件直接構建，比如用UG、Solidworks、I-DEAS、Pro/E等。第二類是用逆向建模法，首先用激光或者CT斷層掃描已有的三維實體，獲取三維點雲數據，再用具有逆向工程功能的一些軟件，構造出三維實體的三維數據模型。目前各軟件廣泛接受的數據文件格式為STL，因此，首先要用大量的小三角形平麵，逼近原實體模型，對原三維數據模型進行近似處理。
前處理：選擇適宜的成型方向，沿著成型高度的方向，用一係列間隔相同的平麵切割三維模型，從而得到切割層的二維輪廓信息。常用的間隔高度為0.05-0.5mm，現有技術得到的最小間隔高度為0.016mm。間隔高度和成型精度、成型時間、成型效率等有直接關係。越小的間隔高度，代表了越高的成型精度和越長的成型時間，以及越低的成型效率。
原型製作：采用成型頭，在計算機的控製下，按照各層截麵的輪廓信息，進行二維掃麵運動，將各層材料進行堆積和粘結，得到最終的三維實體。成型頭可以采用激光頭或者噴頭等。
後處理：後處理的目的包括提高產品強度、降低產品表麵粗糙度等，其工藝包括修補、打磨、後固化、剝離、拋光及塗刮等。
（4）增材製造技術的分類
增材製造技術涉及當今很多高科技，比如材料技術、激光加工技術、數控加工技術、計算機輔助設計與製造等。伴隨著各種技術的飛速發展，從1986年增材製造技術的誕生到現在，已經湧現了三十餘種增材製造加工方法，未來可能還會有更多的加工方法陸續出現。增材製造技術的分類有很多標準，如按照成型技術的能源，可分為激光和非激光加工兩種方法；如按照成型材料的形態，可分為金屬、非金屬粉末、絲材、液態和薄材這五種。
按成型材料的形態、特征和性能分類：
①液態聚合固化技術：原材料為液態聚合物，固化方式為采用光能、熱能等。
②燒結與粘結技術：原材料為固態粉末物，通過激光燒結或者粘結劑粘結等方式形成實體。
③絲材、線材融化粘結技術：原材料為絲材或線材，粘結技術是升溫熔融，按照事先製定好的路線將各層堆積起來，形成三維實體。
④板材層合技術：原材料是固態板材或膜，通過塑料膜光聚合作用將各個薄層進行粘結，或者直接粘結。
按加工製造原理分類：
①光固化成型技術（Stereo Lithography Apparatus, SLA）：原材料為光敏樹脂。通過計算機的控製，紫外激光束逐點掃描各分層截麵輪廓的軌跡，使得被掃描區內的樹脂薄層因為發生光聚合反應而固化，成為薄層截麵。完成一個薄層的固化後，工作台再向下一個薄層移動，通過循環掃描和固化，在新固化的樹脂表麵，又粘結了一層新的樹脂表麵。各層堆積在一起後，整個產品原型就形成了。
②分層實體成型技術（Laminated Object Manufact-uring, LOM）：依據二維分層模型的數據結果，采用激光束將成型材料按照產品模型的內部和外部輪廓進行切割，並同時進行加熱，使得剛剛完成切割的薄層和其下方已經被切割的薄層粘結起來。不斷循環如此，最終形成三維產品原型。
③熔融沉積成型技術（Fused Deposition Modeling, FDM）：通過熱熔噴頭，按照模型分層數據的控製路徑，從噴頭擠出熔融狀態的ABS絲，在特定的位置進行沉積、凝固、成型。通過層層的沉積和凝固，最終得到整個三維產品。
④選擇性激光燒結技術（Selected Laser Sintering, SLS）：首先由計算機對產品模型進行分層並輸出分層的輪廓，再按照指定的路徑，采用激光束對工作台上選擇區域內已經均勻鋪層的材料粉末進行掃描和熔融，致使粉末材料形成燒結層，待各個層都進行燒結後，去除掉剩餘粉末，得到產品原型。
⑤三維打印技術（Three Dimensions Printing，3DP）：和噴墨打印機相似，三維打印技術首先在工作台上鋪上粉末，根據特定的路徑，采用噴頭在分層製定區域噴塗液態粘結劑，當粘結劑固化以後，剔除多餘的材料就可以得到三維產品原型。
2.光固化成型（SLA）技術
SLA技術是目前應用比較廣泛的一種增材製造技術，其發展已經比較成熟。模型的厚度範圍是0.05～0.15mm，其成型的產品精度高，尺寸精度高達0.2%。SLA技術最初由美國專家Charles.W.Hull提出，在1984年申請到了美國專利，兩年後，他成立3D Systems公司，再過兩年後，該公司研發了世界上首台商用的3D打印機，其名稱為SLA-250。
（1）技術原理
該工藝的原材料是光敏樹脂，通過計算機的控製，采用紫外激光掃描液態光敏樹脂，並使其逐層凝固，最終成型。SLA工藝過程簡潔、且全程自動化，製造出的模型精度非常高。圖2-7為SLA技術的基本原理。
具體流程為：
第一步，將液態的光敏樹脂盛滿於液槽中，利用氬離子激光器或氦—鎘激光器，將其發射出的紫外激光束，按照計算機的指令，根據三維實體分層截麵後的二維數據，逐行逐點進行掃描，使得掃描區域的樹脂薄層發生聚合反應，並固化為一個薄層。
第二步，完成一個薄層的固化後，工作台根據層厚移動到下一個薄層，在上一次固化好的樹脂薄層上再疊加一個新的樹脂薄層，用刮板刮平粘度較大的樹脂液麵，並對本層進行固化。由於液態樹脂具有較高的粘性，使得其流動性不強，因此每個薄層固化以後的液麵撫平需要的時間較長，影響了三維實體的成型精度。采用刮板刮平這一個環節，使得液態樹脂均勻塗在疊層上，提高了成型精度和表麵光滑度。
第三步，每個新固化的薄層，都將粘合在前一個薄層上。如此循環，直到所有疊層粘合完畢，最終得到完整的三維實體模型。
最後，當初步完成成型後，取出工件，清理掉多餘的樹脂和支撐結構，並采用紫外燈對工件進行二次固化。
（2）技術特點
SLA技術的主要優點有：①尺寸精度高，可以達到0.1mm以內，甚至0.05mm。②表麵質量較好，盡管有時在固化階段薄層的側麵或者曲麵可能產生台階，但是最終得到的實體模型的表麵仍然類似玻璃狀。③係統分辨率高，可以構建具有複雜結構的各種工件。④可以製作具有空中結構的消失模，該消失模可以用於熔模的精密鑄造。
SLA技術的主要缺點有：①成型模件的尺寸穩定性不高，其原因是成型期間會有一些物理或者化學的變化，使得成型模件的硬度較低，薄弱部位甚至產生變形，嚴重影響了尺寸精度。②還需要具備支撐結構，在成型模件沒有完全固化以前，需要手工取出支撐結構，這很容易造成對表麵精度的損壞。③設備運營成本高，由於需要定期對激光器等元件進行維護和校對，且激光器和液態樹脂材料的價格也比較高，因此設備運營成本高。④能夠使用的材料種類不多，當前使用的材料主要是感光性液態樹脂，因此，SLA模件在多數情況下不能夠進行熱量、抗力等測試。⑤液態樹脂材料有毒性，有氣味，因此需要將其放在避光位置，避免聚合反應提前發生。⑥需要對成型製件進行二次固化，通常情況下，SLA成型製件還需要二次固化，這是因為首次固化後的樹脂製件並沒有被激光完全固化。⑦不方便對SLA成型模件進行機械加工，由於液態樹脂材料較脆，並且容易斷裂，因此難以對其進行機械加工。
（3）技術現狀
SLA技術主要用於小型和中型製件的加工，可以直接得到與塑料類似的產品。當前，該技術現狀主要存在以下問題：①費用。費用昂貴是SLA技術的最大問題，嚴重限製了技術的廣泛應用。在國外，一套SLA成型設備的價格約為30萬～80萬美元。同時，氖離子激光器、氦-鎘激光器的價格約為2萬～4萬美元。設備的運行費用最低為每小時200美元。所以，降低SLA技術設備的成本，是當前最緊迫的問題。②材料。濕氣的侵蝕使得SLA製件很容易產生膨脹，並且抗腐蝕能力也有限。③工藝原理與數據處理。SLA增材製造技術的關鍵是三維CAD數據模型。改進CAD係統的數據分析和造型性能，是提高製模精度的重點問題。SLA成型技術的原型文件為STL文件，該文件的三維CAD模型表麵用很多小三角形來近似處理，很容易造成數據丟失現象，應該深入研究如何優化STL模型分層，使得模型的截麵輪廓更加精確。另外，設計精確、合理的支撐結構，也能夠改善製模精度。
（4）技術應用
SLA技術的應用範圍體現在藝術、生物醫學、航空航天、大眾消費、工業製造等方麵，用於實現高精度、高複雜度結構零件的快速製造，其精度能夠達到±0.05mm，基本接近傳統的模具水平，但是比機械加工的精度略低。圖2-8為西安交通大學的光固化成型設備和利用該技術打印的建築模型。
3.分層實體成型（LOM）技術
1991年，分層實體成型工藝技術問世。其使用材料主要是廉價且具有高成型精度的紙材、PVC薄膜等，因此被廣泛關注。該技術在熔模鑄造、造型設計評估、產品概念設計可視化、裝配檢驗等領域被廣泛應用。
（1）技術原理
如圖2-9所示，分層實體成型係統主要由原材料存儲與運送部件、計算機、激光切係統、可升降工作台、熱粘壓部件等組成。
原材料存儲與運送部件主要用來把底部塗有粘合劑的原材料輸送到工作台的上方。計算機主要用來接收並且存儲來自沿著成型工件的高度方向提取的很多個截麵輪廓組成的三維模型數據。激光切割器對薄膜進行切割。升降工作台可以支撐成型之後的工件，在每層成型之後，可升降工作台將其降低一個材料厚度，這樣就可以接受新一層的材料。熱粘壓部件把各層成型區域的薄膜進行粘合，不斷重複以上步驟，最終完成工件的成型。
（2）技術特點
該技術的優點比較明顯：首先是製件精度高，在薄型材料的切割成型中，紙材一直都是固態，僅有一層薄薄的膠從固態變化為熔融態。所以，LOM製件沒有內應力，而且翹曲變形小。在X方向和Y方向的精度是0.1-0.2mm，在Z方向的精度是0.2-0.3mm。其次是製件硬度高，力學性能良好，該技術的製件可以進行多種切削加工，並承受高達200度的溫度。第三是成型速度較快，該技術不需要對整個斷麵進行掃描，而是沿著工件的輪廓由激光束進行切割，使得其具有較快的成型速度，因此可以用於結構複雜度較低的大型零件的加工。第四是支撐結構不需要額外設計和加工。第五是成型過程中的廢料、餘料很容易去掉。第六是不需要進行後固化處理。
該技術的主要缺點有：第一，材料利用率低，無用的空間均成為廢料，喪失了增材製造的最大優越性；第二，製件原型的抗拉強度和彈性都比較差，且無法直接製作塑料原型；第三，需要對製件原型進行防潮後處理，這是因為其原材料為紙材，在潮濕環境下容易膨脹，所以可以考慮用樹脂對製件進行噴塗，防止製件遇潮膨脹；第四，製件原型還需要進行一些後處理，該技術製作出的原型具有像台階一樣的紋路，因此隻能製作一些結構比較簡單的零件，如果需要用該技術製作複雜的造型，那麽需要在成型後，對製件的表麵進行打磨、拋光等。
（3）技術現狀
當前，從事該項技術研究的主要單位包括清華大學、華中科技大學、漢能清源（Hinergy）公司等。清華大學的S**係列成型設備，與國產CO2激光器配合，加工的製件具有較高的精度。華中科技大學的HBP-Ⅲ、AHRP-ⅡB等產品具有不錯的性價比，其疊層的厚度是0.08-0.15mm, HBP-Ⅲ的成型空間是600mm×400mm×500mm, AHRP-ⅡB的成型空間是450mm×350mm×350mm。Helisys公司不僅具有紙材設備，還擁有處理複合材料和塑料的設備，其紙材設備包括LPH、LPS和LPF三個係列。
（4）技術應用
該技術的主要原型材料是紙材，同時還可以處理陶瓷片、金屬和塑料薄膜等。其製作出的複雜結構可以驗證新產品的外形，或者與圖層結合在一起，製作快速模具。其製作出的紙質模具，和木模的性能比較接近，經過表麵處理以後，精度可以達到±0.5mm，甚至接近精密鑄造的水平，比一般的模具工藝和機加工的精度要低，可以用於砂型鑄造。圖2-10為華中科技大學利用分層實體成型技術打印的複雜零件。
4、熔融沉積成型（FDM）技術
在SLA和LOM工藝之後，於1988年誕生的熔融沉積成型工藝成為第三種增材製造技術。這項技術是由Scott Crump發明的，他隨後就創建了Stratasys公司，並於1992年推出了“3D造型者（3D Modeler）”——全球首台基於熔融沉積成型工藝的3D打印機。由此，FDM技術開始進入商業化的階段。FDM技術的成型材料價格低廉、且不需要激光係統，因此性價比較高，成為多數開源桌麵3D打印機采用的主要技術方案。
在我國，清華大學和北京大學等高校、北京殷華公司和中科院廣州電子技術有限公司等企業，都率先引進並研究FDM技術。
（1）技術原理
熔融沉積還可以被命名為熔絲沉積。其原材料為絲狀的熱熔性材料，采用噴嘴微細的擠出機沿著X軸擠出材料，工作台沿著Y軸和Z軸移動，當熔融的絲材被擠出來以後，就會和上一層的材料粘結起來。在一層材料沉積之後，工作台會按照預先設定好的增量值，下降一個層厚，不斷重複以上步驟，由此完成製件的成型。圖2-11為FDM的詳細技術原理。
熱熔性絲材的主要材料是PLA或ABS材料，先把材料纏繞在供料輥的上麵，再由步進電機來驅動輥子，在主動輥和從動輥製件的摩擦力下，絲材從擠出機的噴頭被送出。同時，在噴頭和供料輥製件之外，還有一個由低摩擦力製成的導向套，使得絲材可以成功到達噴頭內腔。
在噴頭的上方，還有電阻絲式加熱器，將絲材加熱到熔融狀態之後，再從擠出機擠壓到工作台，等冷卻之後，形成製模工件的截麵輪廓。
當工件原型具有懸空結構時，需要支撐結構作為支撐。為提高工作效率，降低成本，新開發的FDM設備，擁有兩個噴頭，分別負責擠出支撐材料和成型材料。
（2）技術特點
FDM技術的優點是：①成型材料廣泛。FDM技術所用材料多種多樣，主要有ABS、石蠟、人造橡膠、鑄蠟和聚酯熱塑性塑料等低熔點材料，以及低熔點金屬、陶瓷等絲材，可用於直接製作金屬或其他材料的模型製件或製造ABS塑料、蠟、尼龍等零部件。②成本相對較低。由於FDM技術的熔融加熱裝置代替了激光器，因此相比其他使用激光器的快速成型技術，其製作費用大大降低。此外，原材料的利用率較高且無汙染，成型過程無化學變化，使其成型成本大大降低。③後處理簡單，支撐結構容易剝離，特別是模型製件的翹曲變形較小，原型經簡單的支撐剝離後即可使用。
該技術的主要缺點是：①隻能製作小型或中型的模型製件，並且製件的表麵具有明顯的條紋。②縱向強度較低，這是因為絲束在一層一層鋪覆時處於熔融狀態，導致截麵輪廓的粘結力較低。③成型速度較慢，由於需要掃描和鋪覆整個輪廓截麵，同時還需要設計和製作支撐結構，導致需要較長的成型時間。為此，可以設計出雙噴頭設備，同時鋪覆成型材料和支撐材料，或者增加層厚。
（3）技術現狀
FDM技術的一個研究重點是材料性能，這幾年研製出來的PPSF、PC/ABS、PC等材料，具有良好的強度，甚至超過普通塑料零件的強度，被用於一些特定場所的零件試用、維修、替換等。近年金屬材料已經成為FDM技術原型材料的一個新的研究領域，被很多公司所重視。圖2-12為清華大學采用熔融沉積成型技術打印的塑料零件。
（4）技術應用
該技術有較高的強度，精度約為0.13mm，可以製作成型的塑料零件，可用於教學、動漫、醫學、建築、仿古、工藝品、汽車等領域，也可以用於產品的設計、評估等多個環節。國內的FDM技術研發及製造風起雲湧，已經有企業從事此項技術的研發與製造。這種情況雖然有利於該項技術的普及使用，但是也有過度競爭、重複投資的趨勢和苗頭。
5、選擇性激光燒結成型（SLS）技術
1989年，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的C.R.Dechard提出選擇性激光燒結工藝（SLS, Selective Laser Sintering），他之後創建了DTM公司。1992年，該公司發布了Sinterstation——一台基於SLS技術的商用3D打印機。DTM公司在SLS的研究領域投入大量精力，在材料開發、製作工藝、設備研製等方麵都有出色的成果。德國EOS公司也開展SLS工藝的研究，已經推出一係列SLS技術的快速成型設備，並在2012年舉辦的歐洲模具展上吸引了眾人的眼球。在中國，華中科技大學、中北大學、南京航空航天大學、北京隆源自動成型有限公司、武漢濱湖機電產業有限公司、湖南華曙高科等單位均對SLS工藝展開研究。
（1）技術原理
該工藝使用粉末狀材料，在計算機的控製下，激光器掃描粉末，實現材料的燒結和粘合，從而使得多層材料堆積成型。如圖2-13所示為SLS的成型原理。
該技術的工藝過程是，首先用壓輥把粉末平鋪到工件的表麵，使用數控係統來控製激光束，沿著截麵的輪廓，在薄層上掃描和照射，直到粉末融化、燒結和粘合。完成一層截麵燒結之後，工作台下降一個層的厚度，重新開始新一輪的循環，直到工件完全成型。
（2）技術特點
SLS技術的優點是：①原材料種類多，包括聚碳酸酯、石蠟、纖細尼龍、尼龍、陶瓷、合成尼龍、金屬等。隻要粉末材料在加熱時的粘度較低，就都可以作為SLS技術的原材料。SLS技術製造出的產品或者模型可以滿足多種需求。和其他的技術相比，SLS技術可以製做金屬原型或者模具，因此具有廣闊的應用前景。②工藝簡單。由於該技術可以選用粉末材料作為原材料，通過激光燒結，能夠快速生產出具有複雜結構的產品原型或者模具，因此在工業產品的設計中應用比較廣泛。③精度較高。精度受到粉末材料的種類、粉末顆粒的大小、模型的幾何結構等影響。一般而言，其精度可以達到0.05mm～2.5mm之間。④不需要支撐結構。在層層疊加的過程中，沒有燒製的粉末可以支撐懸空層麵。⑤材料利用率高。SLS技術的材料利用率可以接近100%，這是因為其不需要支撐結構，也不需要基底支撐，而且粉末材料價格較低，所以製模成本低。⑥變形小。SLS技術製作出的工件翹曲變形較小，甚至不需要校正原型。
SLS技術的缺點是：①工作時間長。在加工之前，需要大約2小時，把粉末材料加熱到粘結熔點的附近，在加工之後，需要大約5～10小時，等到工件冷卻之後，才能從粉末缸裏麵取出原型製件。②後處理較複雜。SLS技術原型製件在加工過程中，是通過加熱並融化粉末材料，實現逐層的粘結，因此製件的表麵呈現出顆粒狀，需要進行一定的後處理。③燒結過程會產生異味。高分子粉末材料在加熱、融化等過程中，一般都會發出異味。④設備價格較高。為了保障工藝過程的安全性，在加工室裏麵充滿了氮氣，所以提高了設備成本。
（3）技術現狀
當前，國際上的主流研究機構有：3D Systems公司、EOS公司、DTM公司等，國內的主要研究機構有南京航空航天大學、華北工學院、華中科技大學和北京隆源公司等。
3D Systems公司的Sinterstation HiQ設備，采用智能方法控製溫度，縮短了後處理的時間，提高了製件的質量以及材料利用率。DTM公司是SLS技術原型材料的主要研發公司，每年都能推出很多新型粉末材料，使得製件具有更高的精度和表麵光滑度。華中科技大學推出的HRPS-Ⅲ型成型機可以用於高分子粉末成型、HRPS-Ι型設備可以鑄造中砂型，最近又推出一些新的機型，特點是擁有雙送料桶，縮短了燒結時間。
（4）技術應用
材料的多樣性使得SLS工藝能夠製作多種零件，可以滿足多種用途。例如：製作具有複雜結構的陶瓷零件，可以當成功能零件來使用；製作結構複雜的鑄造用砂型或者熔模，可以輔助快速製造複雜的鑄件；製作塑料的手機外殼，能夠直接作為零件來使用，也可以用來驗證結構或者進行功能測試。製件的精度可以達到±0.1mm，接近精密鑄造的工藝水平，比模具和機加工的精度要低一些。圖2-14為華中科技大學采用激光選區燒結成型技術打印的複雜零件。
6.三維打印成型（3DP）技術
1993年，美國麻省理工大學的Emanual Sachs教授發明了三維印刷工藝（3DP）。該技術的工作原理和噴墨打印機的比較接近，與SLS工藝也比較相似，都是采用塑料、金屬、陶瓷等粉末狀材料。獨特之處在於，3DP在處理粉末材料時，沒有采用激光燒結的粘合方式，而是采用噴頭噴射粘合劑，將工件的截麵打印出來，再把一層層薄層堆積成型。如圖2-15所示為3DP的技術原理。
（1）技術原理
在工作槽中，設備鋪平粉末，按照指定的路徑，噴頭在指定區域中噴射液態粘合劑，不斷循環以上步驟，直到工件成型，再去除多餘的粉末材料。該技術具有非常快的成型速度，可以製造具有複雜結構的工件，也可以製造非均勻材質或複合材料的零件。
（2）技術特點
該技術具有較多的優點，首先是操作簡單，過程清潔，可以作為計算機的外圍設備，在辦公環境中使用；其次是能使用很多種的粉末材料，以及各種顏色的粘結劑，從而製作出彩色的原型製件，使得該技術具有優越的競爭性；第三是不需要支撐結構，由於可以用多餘粉末擔當支撐作用，且多餘粉末的清理也很方便，因此該技術適合做具有複雜的內部結構的原型製件；第四是成型速度快，半個小時左右就可以加工一個原型製件；第五是不需要使用激光器，所以設備價格較低。但是，該技術具有如下缺點，首先是表麵粗糙、精度較低，因此不適合製作細節繁多或者結構複雜的製件，可用於製作一些概念模型；其次是因為采用噴射的方法，粘結劑的粘結能力受到限製，使得原型的強度不高，隻能用於製作一些概念模型；最後是原材料比較貴。
（3）典型設備
目前，3DP打印技術方麵的典型設備如表2-5所示。
（4）技術應用
該技術主要應用於工藝模型或者原型驗證模型的快速製造，模型的顏色比其他技術要豐富，因此模型的可觀性比較高，如圖2-16所示。同時，因為整體的成本偏低，3DP技術在教學方麵的應用比較廣泛，製模精度約為±0.5mm，噴頭的噴印精度影響著製模的精度。
7.其他新型的增材製造技術
這幾年以來，國際國內在增材製造技術的理論和工藝方麵，又有了一些新的突破，因此不斷湧現出新型的材料、工藝和相關應用。以下舉出一些新型的增材製造工藝。
（1）微納尺度增材製造
圖2-17為日本大阪大學製作的“納米牛”，長10μm，高7μm。采用激光超短脈衝，在非常小的空間區域內，產生很高密度的光子，形成了雙光子的吸收條件，使得材料發生了固化。這項技術有可能會在增材製造技術的加工尺度方麵突破極限，促進增材製造技術的高端發展。
（2）低溫沉積製造技術
清華大學在冰點以下擠出溶液進行沉積，製作出了具有400μm孔隙尺寸的微孔，由此開發了低溫沉積製造技術。在低溫的環境下，擠出溶液，使其發生熱致相分離，之後溶劑和成型材料分離，冷凍，凝結，最終形成外觀結構。在經過後續的冷凍和幹燥，再把溶劑抽幹，就可以製成微孔，製作孔隙尺寸約10μm。該技術為增材製造技術在製作多級分孔結構方麵提供了參考，解決了結構強度和高孔隙率之間的矛盾。
（3）細胞三維結構增材製造
細胞立體噴印技術，是人們把製造科學的對象，從無生命的材料，轉化為有生命的材料。清華大學提出的細胞三維受控組裝技術，構建了分級結構明確的細胞三維結構體，基於纖維蛋白原和海藻酸鈉水凝膠這兩種基質材料體係，開發了分布複合交聯工藝，實現了三維開放結構的成形製造。該技術已經成功受控組裝了多種細胞，包括脂肪幹細胞、心肌細胞、滋養細胞、內皮細胞、纖維細胞、軟骨細胞和肝細胞等。部分示例如圖2-18所示。
（4）高效增材製造的複合沉積
增材製造為了獲得較高的成形精度，往往需要犧牲成形效率。成形效率較高的激光近淨成形技術，也隻能達到幾千克/小時的製造速度。噴射成形是20世紀60年代末提出的，是一種將液態金屬霧化與熔滴沉積結合起來的近淨成形技術，成形效率可達1t/h。但是，噴射成形的組織容易產生孔隙，導致密度不足，性能不穩定，極大限製了該項技術的發展與應用。最近，清華大學提出了一種將噴射成形和激光近淨成形相結合的複合沉積成形（HDF, Hybrid Deposition Forming）新設想，如圖2-19所示。利用噴射成形的高效沉積，利用激光掃描重熔沉積層，可以消除孔隙，用以保證零件的高性能。
（5）金屬微滴3D打印成形
如圖2-20所示，西北工業大學將熔滴按需噴射、增材製造和快速凝固三大技術集成起來，研發了一種金屬微滴3D打印技術。首先，金屬微滴噴射器將金屬微滴噴射出來，然後，精確地控製金屬微滴，逐點、逐層堆積在運動平台上，與此同時，控製運動平台的軌跡，從而形成複雜的金屬零件。這項技術的設備成本和製造成本都比較低。目前，西安交通大學、北京航空航天大學、中航工業北京航空製造工程研究所（625所）等均可以實現此項技術。
（6）微電子元件3D打印新技術
在微電子工業領域，立體噴印可用於電介質、有機材料、金屬焊料、封裝膠、電膠等多種材料的噴射成形。德國使用卷對卷方式的接觸印刷工藝，製造柔性電子標簽，提高了生產速度。美國使用同樣的方式，製造出薄膜式太陽能光伏電池，將單位功率的成本，從原來的每瓦3美元，降低到30美分，成本減少了90%。韓國的LG和三星公司通過使用微滴噴射立體噴印技術，生產出第八代液晶發光顯示屏。圖2-21是典型的微電子立體噴印器件。
（7）擴散焊疊層實體製造技術
擴散焊疊層實體製造技術，改善了傳統分層實體製造技術使用紙材容易潮濕的問題，以金屬作為原材料，製作模型製件。該技術可用於化學激光武器、微小衛星以及飛行器等軍用領域，或者平板熱管、涉流MEMS、微流道冷卻器及反應器等民用領域的零件快速製造。西北工業大學等單位在我國率先開展了該技術的研究，並在航天航空領域的相關應用中進行了嚐試。
8.增材製造技術的對比和選用
前文所述的幾種增材製造技術各有其優缺點。從安全的角度出發，SLA技術的紫外激光器，通過采用原材料的紫外光敏凝固特性，實現快速成型，因此其過程中不會有過高的溫度，比較安全。另外，FDM的成型材料的熔點高於熱熔噴頭的溫度，3DP技術的成型材料和粘結劑通過噴頭噴出，二者的安全性也較好。從環境的角度考慮，SLA、LOM和SLS技術都涉及到激光，因此具有一定程度的限製，不適合在室內使用。具體請看表2-6。
增材製造技術在很多領域已經得到廣泛應用，例如航天、航空、電子信息、醫療器械、機械、汽車、家用電器、玩具、首飾等行業。在這些領域的應用中，各種產品的尺寸、結構都存在差異，有些結構很複雜，有些對表麵光滑度要求很高，有些對材料的硬度要求很高，有些需要控製成本。根據不同的需求，需要選擇不同的製造技術。以下為幾個實例：
（1）電子及通訊類產品
通常情況下，通訊類或者電子類產品一般多采用塑料薄殼結構，尺寸比較小，但是對表麵粗糙度和尺寸的精度要求很高。多數情況下，還要考慮後續的小批量快速製造，因此需要將製件作為後續製模工藝的母模。
考慮到以上需求，當製造手機等殼體類產品時，綜合考慮材料的性能、裝配效果、表麵的精度和質量等，SLA技術值得考慮。雖然其成本有點高，但是因為產品本身的尺寸和質量較小，相對成本比較低，因此建議采用SLA技術，加工殼體類產品。
（2）機械、交通類結構部件
一般而言，機械、交通類產品對精度和質量要求較低，但尺寸比較大，製作出的製件主要用來驗證產品的結構、外觀和性能等。由於尺寸比較大，應該控製生產成本。通過比較幾種技術，采用SLS和SLA技術應該可以滿足以上的應用需求。但是考慮到成本問題，建議采用SLS技術，使得性價比最優。
3D打印技術采用加法式的整體製造方案，顛覆了過去的減法式加工方式。與傳統經典的技術相比，3D打印在產品功能、生產效率、製造成本等方麵具有顯著優勢，值得進行大力的產業化推廣，促使新一輪產業革命的發生。
1.3D打印的技術突破
美國一個名為The Next Web的網站，采訪了9位企業創始人，總結性的結論是，3D打印將會形成8個方麵的技術創新，並可能實現曆史性的突破。
（1）再無製造產品的概念
當3D打印技術普及後，消費者再也不用親自跑去商店被動選擇商品，而是可以根據個人的意願自行設計商品，再通過網絡打印店，把個人想法轉為現實。這樣的設計和打印環節，成本比直接購買還要低，而商品的涉及領域也更繁多，從機器設備到建築物、從玩具娃娃到人體器官等等。
（2）測試想法
對中小型企業而言，摸清市場規律，了解消費者的個人需求，是其發展企業規模的關鍵因素。受到企業規模的限製，中小型企業本身不可能通過擴大產品數量來降低生產成本，因此麵臨成本過高的生存問題。有了3D打印技術，這些企業可以根據消費者的偏好，自行打印產品，降低生產成本。
（3）在家創業
傳統的商品生產都是在大型的車間或者廠房裏，總之是有專門的生產地點。當3D打印技術普及後，設計者不再受到地點的約束，可以在自己家裏自行設計產品，通過電腦掃描以後，再交給專業的3D打印企業進行規模化生產。研發與生產實現完美脫離，提高工作效率，增加創業機會。
（4）工具百寶箱
小零件和小工具是我們日常生活中不可缺少的一部分，但是因為其體積較小，不易存儲，因此我們有時需要尋找小零件或者小工具。有了3D打印技術，我們可以自行設計出一些常用的但是又很難找到的小零件。例如：水泥釘、螺母、工具刀等等。由此可見，3D打印機將在我們的日常生活中擔當工具百寶箱的角色。
（5）設計樣品
有些高端產品，由於設計和製作成本高，因此價格比較昂貴，一個樣品的製造成本接近400美元。當3D打印技術出現後，能夠采用低成本，設計出個性化的產品，激發產品設計師的無限創造潛力。因此，3D打印技術由於降低了製造成本，而提高了產品設計創意的水平，給設計製造領域帶來前所未有的改革。
（6）打印必需品
以前，我們使用的一些複雜產品，由於部件繁多，組裝麻煩，不僅生產效率低，而且價格昂貴。有了3D打印機，成本得到控製，我們可以便捷地製造出自己需要的產品，比如：房子、汽車、機器、生活用品、食品等。
（7）增加效率
（8）打印零部件
有些機械設備的零部件特別貴，3D打印技術可以解決這個問題。通過3D打印機，直接打印出機械設備需要的零部件，顯著降低了生產成本。這一點對製造商來說，顯得特別重要，有效解決了設備設計和生產環節的很多問題。
2.3D打印的技術優勢
3D打印與傳統的製造技術比較而言，在多樣化、效率、成本、空間、便捷、材料、精度、環保等多個方麵具有優越的先進性，對各種背景、各種專業、各種行業的生產和製造活動產生非常重大的影響，可以稱之為傳統製造方法的一個重大突破和傳統製造業的一場技術革新。
（1）製造複雜物品不增加成本
傳統技術中，生產成本和商品的結構緊密聯係，結構越複雜，成本就越高。對3D打印技術而言，以上二者之間的關係不大，複雜程度對材料的種類和數量有影響，對成本的影響不大。隻要有三維模型，製造形狀複雜和形狀簡單的商品，所需要的成本、技能、時間基本一樣。因此，3D打印的這個相對低成本的特點，對傳統製造模式帶來較大衝擊。
（2）產品多樣化不增加成本
傳統製造技術中，一個機器能夠生產的產品種類很有限，並且需要額外的工作人員來負責維護，使得機器具有很強的資產專用性。但是，隻要擁有產品的三維數據和原材料，3D打印設備不僅可以打印各種尺寸、形狀和種類的產品，而且還不需要工作人員進行額外的維護工作，因此降低了商品的製造成本。
（3）無須組裝
3D打印技術不僅在成本方麵對傳統製造模式造成巨大衝擊，而且在製造模式方麵也具有明顯的優勢。傳統的製造模式都是在一個成熟的流水線上進行大批量的生產和加工，當產品結構複雜時，流水線需要的設備成本和製造時間都會增加。在3D打印領域，3D打印可以先打印出各個零部件，再由專門的人員負責後續的組裝工作，甚至3D打印技術可以直接實現一體化打印，省略掉組裝環節。由此縮短了產品加工的供應鏈，節約了運輸和勞動花費。
（4）即時交付
對企業來說，沒有庫存積累，降低囤貨風險，就能夠降低生產成本。3D打印技術的即時生產手段，幫助企業實現這一夢想。3D打印技術能夠根據消費者的需求進行個性化生產，既滿足了客戶的需求，又減少了企業的庫存，實現了按需分配市場、零庫存、低成本、快速交付的新型交易模式。
傳統的製造模式用的是減法，並且在產品形狀和尺寸等方麵，受到原材料和生產設備的多重限製。以鑄造或鍛造為例，其生產出的產品尺寸比原材料要小。3D打印技術用的是加法，不受原材料外形和空間的限製，根據三維數據圖案，隨心所欲的打印出各種形狀和尺寸的產品。
（6）零技能製造
傳統的製造模式專業性較強，例如汽車生產線上的工程師，需要進行專業化的培訓之後，才能進入生產線，明顯的專業分工導致教育培訓成本較高。3D打印技術突破了專業化的局限，工作人員隻需要掌握3D打印機的使用方法就可以了。因此，3D打印技術實現了零技能製造的全新模式。
（7）便攜製造
傳統的製造模式需要在特定的車間或者廠房進行，但在經濟高速發展的當今社會，土地資源非常珍貴，節約土地資源，能夠明顯降低生產成本，提升企業的核心競爭力。3D打印技術的設備集成化較高，便攜性也較高，對生產地點和空間的要求較低，緩解了傳統製造模式對土地資源的需求問題。
（8）更加環保
傳統的製造模式做的是減法，經過在大尺寸的原材料上，進行衝壓、切削、鑽孔等多個環節後，得到符合要求的零件或者產品。而產品之外的部分，則成為大量的餘料，不僅造成資源浪費，而且容易引起環境汙染問題。3D打印的加法製造，從無到有逐層堆積原材料，直到得到滿意的產品，該過程中，基本沒有工業垃圾。因此，3D打印技術更加環保。
（9）材料無限組合
傳統製造的主要模式是切削、模具等成型方式，很難將多種原材料融合起來。而3D打印技術能夠自如地將多種材料堆積在一起，增大了產品種類和功能的多樣性。隨著材料技術的發展和粘結技術的進步，3D打印技術還將挑戰各種材料的組合模式，增加產品的獨特性。
（10）精確的實體複製
3D打印技術將數字文件的精確程度妥善保存到現實世界，從而精確地複製了實物原型。通過配合3D打印技術和三維掃描技術，提升實體世界和數字世界二者之間的分辨率，從而製造出更加精確的副本、或者對原件進行優化。
（11）強大的連接功能
傳統製造模式主要依靠焊接實現零件的粘合，但是焊接技術很難在零件之間實現完全對接。以火電、核電、飛機等行業使用的重型機械或者高端機械為例，焊接技術難以保障部件之間的牢固連接。3D打印的產品在生產過程中已經使用了粘結技術，因此無需再次焊接，就實現了零件之間的無縫對接問題，並且具有很好的穩固性。所以，3D打印技術已經優先在以上領域得到認可和快速發展。
以上所述的幾大優勢，很多都已經得到現實世界的證實，並且很有希望被大力推廣。所以說，3D打印技術在製造成本、產品精確度、空間約束、便攜性、環保性能、多樣化製造等很多方麵，比傳統模式有顯著的優勢，為新型工業製造帶來希望。
3D打印由三維實體計算機輔助，直接生產出產品，不僅省略或者減少了毛胚的準備、零件加工、工件組裝等流水線緩解，而且避免使用各種模具或者刀具，以低成本生產出豐富的產品，具有很好的產業化前景。
（1）時間突破
3D打印技術已經在數碼產品、工業設計等方麵被廣泛應用，逐漸成為設計的潮流。其采用的成型頭擁有多個噴嘴，具有快速的成型速度，節省了傳統製造過程的一係列流水線環節，提升了產品開發效率。一般情況下，3D打印的效率是傳統製造的3～4倍，因此具有明顯的競爭優勢。
（2）適應性強
該技術的強適應性主要體現在兩個方麵。第一，環境適應性強。不需要流水線作業涉及的生產設備，且自身具有高集成化結構，使得3D打印機可以在很多場所使用。第二，生產過程適應性強。主要體現在不受原材料尺寸的約束，可以通過做加法而打印出各種形狀複雜，種類繁多的產品。該技術改變了傳統製造技術受到原材料製約的困境。
（3）訂單突破
傳統的訂單生產模式，難以高效地滿足客戶的個性化需求。客戶提出的需求越複雜，傳統訂單生產模式的周期就越長，甚至不能滿足客戶的需求。3D打印技術在這方麵具有明顯的優勢。第一，3D打印隻需要三維數據模型，就可以生產出形狀和尺寸多樣化的產品，符合客戶的喜好；第二，3D打印可以提供上門服務。將便攜式3D打印設備帶到客戶家裏，直接打印，由客戶監督整個流程，既能滿足客戶隨時可能更改的個性化需求，也提高了客戶對產品的滿意度；第三，無需等待，無需庫存。需要生產產品時，從計算機裏麵調出產品的三維數據模型，直接進行打印。
（4）價格突破
3D打印的設備簡單、所需材料少、設備運行費用低，運輸費用低，因此從多個環節降低了生產成本。一方麵，采用分層加工的加法方式，很少產生廢棄物，節約了材料的使用；另一方麵，生產環節一體化，降低了開發成本。生產成本的降低，是3D打印最具有吸引力的地方。
以上世紀初期美國福特為例，其開發的汽車生產流水線，使得福特T型車的價格僅為950美元，讓汽車走進平民家庭成為可能，開啟了流水線生產的序幕。如今，一台售價為5000元的私人電腦，可能比30年前很多先進計算機的性能要高出很多，因此，計算機也進入平民家庭。所以說，當成本降低，產品的大範圍普及就成為可能。
再來分析3D打印機的價格。10年前，一台3D打印機可以賣到十幾萬美元。現在，一台家用3D打印機（以圖2-22為例）的價格大約為2000美元，可以打印出各種家庭用品、擺設、裝飾品、玩具等。未來5年，3D打印機的價格將降低到400美元左右，從而可以真正實現3D打印的大眾化和產業化。
以往的3D打印機，受到原材料的限製，隻能打印塑料或者樹脂產品。現在，隨著原材料的不斷發現和3D打印技術的快速發展，3D打印的產品已經擴展到金屬、陶瓷、混凝土、玻璃、細胞、食品等。2013年6月，“新工業革命與增材製造國際研討會”暨“3D打印國際展示會”在北京展覽館舉辦。會議上展出的飛機構件，是由中航工業公司采用3D打印技術製造的，並且已經應用到戰鬥機中，顯示了良好的經濟效益。
（6）種類突破
與傳統製造模式的區別之一，就是3D打印突破了行業限製。3D打印的產品，涉及到製造業、休閑、教育等民生領域，也涉及到醫療設備、國防軍事、航空航天等高科技領域。無論產品多麽複雜，隻要擁有三維模型數據和相應的原材料，3D打印就不會讓使用者失望。