§3D打印技术解密
3D打印的学术名称是增材制造（Additive Manufacturing, AM），或者快速成型技术（RP Rapid Prototyping）。考虑到本节主要介绍技术，后续文字将主要采用学术名称。现有的制造技术主要包括四种，分别是：受压成型、减材成型、生长成型和增材制造。受压成型，是指基于材料的可塑性原理，通过模具控型转换材料形态，使其变为某种零件或者产品，例如粉末冶金、铸造和锻压等。减材成型，是指利用电化学或者刀具等办法，剔除毛胚材料中不需要的部分，则剩下的部分就是想要加工的产品或者零件，如车、磨、铣、刨、激光切割和电火花等。生长成型，指的是利用各种材料的活性，成型为需要的产品或者零件，比如动植物的个体发育等。增材制造，是指通过化学、物理、机械等方法，有序添加材料，从而像搭积木一样，使其堆积成型。
增材制造技术，可以迅速、精确地制造零件或者产品，却不使用传统的加工方法或者加工设备，从而能够有效减少研发周期，降低开发成本，提高产品质量。它改变了过去的流水线生产模式，降低了企业对劳动力和生产空间的依赖，对零件或产品的加工模型产生革命性的影响。下文将逐一介绍增材制造技术的原理、典型技术并进行比较分析。
3D打印的技术原理
1.增材制造技术的原理和分类
（1）增材制造技术原理
增材制造技术由CAD数据模型驱动，从而快速制造出各种形状的三维实体。该技术集成了机械工程技术、激光技术、数控技术、材料科学和计算机技术等，将三维几何CAD模型分层离散化，采用粘结、烧结或熔融等特殊加工技术，逐层堆积材料，从而形成各种实体零件或者产品。
该技术的成型过程是：①通过计算机绘图软件设计数字模型。②对模型进行分层切割，得到每一层的二维轮廓。③对每一层的二维轮廓进行处理，形成二维平面轮廓形状。这里涉及的技术有很多，例如：采用激光束，固化每一层的液态光敏树脂，烧结每一层的粉末材料，或者用喷射源处理每一层的热溶性或者粘结剂等材料。④将所有层叠加在一起，最终得到三维实体。
（2）增材制造成型材料
快速成型技术的研发基础是成型材料。成型材料一方面影响成型速度，形状精度，另一方面还影响着成型实体的应用领域和设备选用。可以说，成型材料既推动成型技术的发展，又制约着成型技术的研究。在各种成型技术涌现的背后，其实质是成型材料的不断被发现。
成型材料按照技术目标来分，主要分为模具型、功能测试型、概念型等。模具型指的是成型材料可以使用具体的模型进行制造。以消失模铸造用到的原型材料为例，其要求加工成型之后，能够便捷地取出零件之外的废弃部分。功能测试型，要求成型材料具有一定的刚度、强度、抗腐蚀性、耐热性等。当用于装配测试时，还要求成型材料具有更高的精度。概念型对成型材料的主要要求是，成型速度快，但对物理、化学、精度等要求并不高。以光固化树脂材料为例，其要求具有粘度较低、穿透深度较大、临界曝光功率较低等特点。表2-4列出了一些常用的成型材料。
（3）增材制造基本工艺步骤
增材制造的基本工艺流程如图2-6所示，主要包括四个步骤，分别是CAD模型的建立、前处理、原型制作以及后处理。
CAD模型的建立：三维CAD数据模型直接驱动着增材制造系统，因此，增材制造工艺的第一个流程应该是设计产品的三维CAD数据模型。现在常用的建模方法有两大类。第一类是正向建模法，用三维设计软件直接构建，比如用UG、Solidworks、I-DEAS、Pro/E等。第二类是用逆向建模法，首先用激光或者CT断层扫描已有的三维实体，获取三维点云数据，再用具有逆向工程功能的一些软件，构造出三维实体的三维数据模型。目前各软件广泛接受的数据文件格式为STL，因此，首先要用大量的小三角形平面，逼近原实体模型，对原三维数据模型进行近似处理。
前处理：选择适宜的成型方向，沿着成型高度的方向，用一系列间隔相同的平面切割三维模型，从而得到切割层的二维轮廓信息。常用的间隔高度为0.05-0.5mm，现有技术得到的最小间隔高度为0.016mm。间隔高度和成型精度、成型时间、成型效率等有直接关系。越小的间隔高度，代表了越高的成型精度和越长的成型时间，以及越低的成型效率。
原型制作：采用成型头，在计算机的控制下，按照各层截面的轮廓信息，进行二维扫面运动，将各层材料进行堆积和粘结，得到最终的三维实体。成型头可以采用激光头或者喷头等。
后处理：后处理的目的包括提高产品强度、降低产品表面粗糙度等，其工艺包括修补、打磨、后固化、剥离、抛光及涂刮等。
（4）增材制造技术的分类
增材制造技术涉及当今很多高科技，比如材料技术、激光加工技术、数控加工技术、计算机辅助设计与制造等。伴随着各种技术的飞速发展，从1986年增材制造技术的诞生到现在，已经涌现了三十余种增材制造加工方法，未来可能还会有更多的加工方法陆续出现。增材制造技术的分类有很多标准，如按照成型技术的能源，可分为激光和非激光加工两种方法；如按照成型材料的形态，可分为金属、非金属粉末、丝材、液态和薄材这五种。
按成型材料的形态、特征和性能分类：
①液态聚合固化技术：原材料为液态聚合物，固化方式为采用光能、热能等。
②烧结与粘结技术：原材料为固态粉末物，通过激光烧结或者粘结剂粘结等方式形成实体。
③丝材、线材融化粘结技术：原材料为丝材或线材，粘结技术是升温熔融，按照事先制定好的路线将各层堆积起来，形成三维实体。
④板材层合技术：原材料是固态板材或膜，通过塑料膜光聚合作用将各个薄层进行粘结，或者直接粘结。
按加工制造原理分类：
①光固化成型技术（Stereo Lithography Apparatus, SLA）：原材料为光敏树脂。通过计算机的控制，紫外激光束逐点扫描各分层截面轮廓的轨迹，使得被扫描区内的树脂薄层因为发生光聚合反应而固化，成为薄层截面。完成一个薄层的固化后，工作台再向下一个薄层移动，通过循环扫描和固化，在新固化的树脂表面，又粘结了一层新的树脂表面。各层堆积在一起后，整个产品原型就形成了。
②分层实体成型技术（Laminated Object Manufact-uring, LOM）：依据二维分层模型的数据结果，采用激光束将成型材料按照产品模型的内部和外部轮廓进行切割，并同时进行加热，使得刚刚完成切割的薄层和其下方已经被切割的薄层粘结起来。不断循环如此，最终形成三维产品原型。
③熔融沉积成型技术（Fused Deposition Modeling, FDM）：通过热熔喷头，按照模型分层数据的控制路径，从喷头挤出熔融状态的ABS丝，在特定的位置进行沉积、凝固、成型。通过层层的沉积和凝固，最终得到整个三维产品。
④选择性激光烧结技术（Selected Laser Sintering, SLS）：首先由计算机对产品模型进行分层并输出分层的轮廓，再按照指定的路径，采用激光束对工作台上选择区域内已经均匀铺层的材料粉末进行扫描和熔融，致使粉末材料形成烧结层，待各个层都进行烧结后，去除掉剩余粉末，得到产品原型。
⑤三维打印技术（Three Dimensions Printing，3DP）：和喷墨打印机相似，三维打印技术首先在工作台上铺上粉末，根据特定的路径，采用喷头在分层制定区域喷涂液态粘结剂，当粘结剂固化以后，剔除多余的材料就可以得到三维产品原型。
2.光固化成型（SLA）技术
SLA技术是目前应用比较广泛的一种增材制造技术，其发展已经比较成熟。模型的厚度范围是0.05～0.15mm，其成型的产品精度高，尺寸精度高达0.2%。SLA技术最初由美国专家Charles.W.Hull提出，在1984年申请到了美国专利，两年后，他成立3D Systems公司，再过两年后，该公司研发了世界上首台商用的3D打印机，其名称为SLA-250。
（1）技术原理
该工艺的原材料是光敏树脂，通过计算机的控制，采用紫外激光扫描液态光敏树脂，并使其逐层凝固，最终成型。SLA工艺过程简洁、且全程自动化，制造出的模型精度非常高。图2-7为SLA技术的基本原理。
具体流程为：
第一步，将液态的光敏树脂盛满于液槽中，利用氩离子激光器或氦—镉激光器，将其发射出的紫外激光束，按照计算机的指令，根据三维实体分层截面后的二维数据，逐行逐点进行扫描，使得扫描区域的树脂薄层发生聚合反应，并固化为一个薄层。
第二步，完成一个薄层的固化后，工作台根据层厚移动到下一个薄层，在上一次固化好的树脂薄层上再叠加一个新的树脂薄层，用刮板刮平粘度较大的树脂液面，并对本层进行固化。由于液态树脂具有较高的粘性，使得其流动性不强，因此每个薄层固化以后的液面抚平需要的时间较长，影响了三维实体的成型精度。采用刮板刮平这一个环节，使得液态树脂均匀涂在叠层上，提高了成型精度和表面光滑度。
第三步，每个新固化的薄层，都将粘合在前一个薄层上。如此循环，直到所有叠层粘合完毕，最终得到完整的三维实体模型。
最后，当初步完成成型后，取出工件，清理掉多余的树脂和支撑结构，并采用紫外灯对工件进行二次固化。
（2）技术特点
SLA技术的主要优点有：①尺寸精度高，可以达到0.1mm以内，甚至0.05mm。②表面质量较好，尽管有时在固化阶段薄层的侧面或者曲面可能产生台阶，但是最终得到的实体模型的表面仍然类似玻璃状。③系统分辨率高，可以构建具有复杂结构的各种工件。④可以制作具有空中结构的消失模，该消失模可以用于熔模的精密铸造。
SLA技术的主要缺点有：①成型模件的尺寸稳定性不高，其原因是成型期间会有一些物理或者化学的变化，使得成型模件的硬度较低，薄弱部位甚至产生变形，严重影响了尺寸精度。②还需要具备支撑结构，在成型模件没有完全固化以前，需要手工取出支撑结构，这很容易造成对表面精度的损坏。③设备运营成本高，由于需要定期对激光器等元件进行维护和校对，且激光器和液态树脂材料的价格也比较高，因此设备运营成本高。④能够使用的材料种类不多，当前使用的材料主要是感光性液态树脂，因此，SLA模件在多数情况下不能够进行热量、抗力等测试。⑤液态树脂材料有毒性，有气味，因此需要将其放在避光位置，避免聚合反应提前发生。⑥需要对成型制件进行二次固化，通常情况下，SLA成型制件还需要二次固化，这是因为首次固化后的树脂制件并没有被激光完全固化。⑦不方便对SLA成型模件进行机械加工，由于液态树脂材料较脆，并且容易断裂，因此难以对其进行机械加工。
（3）技术现状
SLA技术主要用于小型和中型制件的加工，可以直接得到与塑料类似的产品。当前，该技术现状主要存在以下问题：①费用。费用昂贵是SLA技术的最大问题，严重限制了技术的广泛应用。在国外，一套SLA成型设备的价格约为30万～80万美元。同时，氖离子激光器、氦-镉激光器的价格约为2万～4万美元。设备的运行费用最低为每小时200美元。所以，降低SLA技术设备的成本，是当前最紧迫的问题。②材料。湿气的侵蚀使得SLA制件很容易产生膨胀，并且抗腐蚀能力也有限。③工艺原理与数据处理。SLA增材制造技术的关键是三维CAD数据模型。改进CAD系统的数据分析和造型性能，是提高制模精度的重点问题。SLA成型技术的原型文件为STL文件，该文件的三维CAD模型表面用很多小三角形来近似处理，很容易造成数据丢失现象，应该深入研究如何优化STL模型分层，使得模型的截面轮廓更加精确。另外，设计精确、合理的支撑结构，也能够改善制模精度。
（4）技术应用
SLA技术的应用范围体现在艺术、生物医学、航空航天、大众消费、工业制造等方面，用于实现高精度、高复杂度结构零件的快速制造，其精度能够达到±0.05mm，基本接近传统的模具水平，但是比机械加工的精度略低。图2-8为西安交通大学的光固化成型设备和利用该技术打印的建筑模型。
3.分层实体成型（LOM）技术
1991年，分层实体成型工艺技术问世。其使用材料主要是廉价且具有高成型精度的纸材、PVC薄膜等，因此被广泛关注。该技术在熔模铸造、造型设计评估、产品概念设计可视化、装配检验等领域被广泛应用。
（1）技术原理
如图2-9所示，分层实体成型系统主要由原材料存储与运送部件、计算机、激光切系统、可升降工作台、热粘压部件等组成。
原材料存储与运送部件主要用来把底部涂有粘合剂的原材料输送到工作台的上方。计算机主要用来接收并且存储来自沿着成型工件的高度方向提取的很多个截面轮廓组成的三维模型数据。激光切割器对薄膜进行切割。升降工作台可以支撑成型之后的工件，在每层成型之后，可升降工作台将其降低一个材料厚度，这样就可以接受新一层的材料。热粘压部件把各层成型区域的薄膜进行粘合，不断重复以上步骤，最终完成工件的成型。
（2）技术特点
该技术的优点比较明显：首先是制件精度高，在薄型材料的切割成型中，纸材一直都是固态，仅有一层薄薄的胶从固态变化为熔融态。所以，LOM制件没有内应力，而且翘曲变形小。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。其次是制件硬度高，力学性能良好，该技术的制件可以进行多种切削加工，并承受高达200度的温度。第三是成型速度较快，该技术不需要对整个断面进行扫描，而是沿着工件的轮廓由激光束进行切割，使得其具有较快的成型速度，因此可以用于结构复杂度较低的大型零件的加工。第四是支撑结构不需要额外设计和加工。第五是成型过程中的废料、余料很容易去掉。第六是不需要进行后固化处理。
该技术的主要缺点有：第一，材料利用率低，无用的空间均成为废料，丧失了增材制造的最大优越性；第二，制件原型的抗拉强度和弹性都比较差，且无法直接制作塑料原型；第三，需要对制件原型进行防潮后处理，这是因为其原材料为纸材，在潮湿环境下容易膨胀，所以可以考虑用树脂对制件进行喷涂，防止制件遇潮膨胀；第四，制件原型还需要进行一些后处理，该技术制作出的原型具有像台阶一样的纹路，因此只能制作一些结构比较简单的零件，如果需要用该技术制作复杂的造型，那么需要在成型后，对制件的表面进行打磨、抛光等。
（3）技术现状
当前，从事该项技术研究的主要单位包括清华大学、华中科技大学、汉能清源（Hinergy）公司等。清华大学的S**系列成型设备，与国产CO2激光器配合，加工的制件具有较高的精度。华中科技大学的HBP-Ⅲ、AHRP-ⅡB等产品具有不错的性价比，其叠层的厚度是0.08-0.15mm, HBP-Ⅲ的成型空间是600mm×400mm×500mm, AHRP-ⅡB的成型空间是450mm×350mm×350mm。Helisys公司不仅具有纸材设备，还拥有处理复合材料和塑料的设备，其纸材设备包括LPH、LPS和LPF三个系列。
（4）技术应用
该技术的主要原型材料是纸材，同时还可以处理陶瓷片、金属和塑料薄膜等。其制作出的复杂结构可以验证新产品的外形，或者与图层结合在一起，制作快速模具。其制作出的纸质模具，和木模的性能比较接近，经过表面处理以后，精度可以达到±0.5mm，甚至接近精密铸造的水平，比一般的模具工艺和机加工的精度要低，可以用于砂型铸造。图2-10为华中科技大学利用分层实体成型技术打印的复杂零件。
4、熔融沉积成型（FDM）技术
在SLA和LOM工艺之后，于1988年诞生的熔融沉积成型工艺成为第三种增材制造技术。这项技术是由Scott Crump发明的，他随后就创建了Stratasys公司，并于1992年推出了“3D造型者（3D Modeler）”——全球首台基于熔融沉积成型工艺的3D打印机。由此，FDM技术开始进入商业化的阶段。FDM技术的成型材料价格低廉、且不需要激光系统，因此性价比较高，成为多数开源桌面3D打印机采用的主要技术方案。
在我国，清华大学和北京大学等高校、北京殷华公司和中科院广州电子技术有限公司等企业，都率先引进并研究FDM技术。
（1）技术原理
熔融沉积还可以被命名为熔丝沉积。其原材料为丝状的热熔性材料，采用喷嘴微细的挤出机沿着X轴挤出材料，工作台沿着Y轴和Z轴移动，当熔融的丝材被挤出来以后，就会和上一层的材料粘结起来。在一层材料沉积之后，工作台会按照预先设定好的增量值，下降一个层厚，不断重复以上步骤，由此完成制件的成型。图2-11为FDM的详细技术原理。
热熔性丝材的主要材料是PLA或ABS材料，先把材料缠绕在供料辊的上面，再由步进电机来驱动辊子，在主动辊和从动辊制件的摩擦力下，丝材从挤出机的喷头被送出。同时，在喷头和供料辊制件之外，还有一个由低摩擦力制成的导向套，使得丝材可以成功到达喷头内腔。
在喷头的上方，还有电阻丝式加热器，将丝材加热到熔融状态之后，再从挤出机挤压到工作台，等冷却之后，形成制模工件的截面轮廓。
当工件原型具有悬空结构时，需要支撑结构作为支撑。为提高工作效率，降低成本，新开发的FDM设备，拥有两个喷头，分别负责挤出支撑材料和成型材料。
（2）技术特点
FDM技术的优点是：①成型材料广泛。FDM技术所用材料多种多样，主要有ABS、石蜡、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等低熔点材料，以及低熔点金属、陶瓷等丝材，可用于直接制作金属或其他材料的模型制件或制造ABS塑料、蜡、尼龙等零部件。②成本相对较低。由于FDM技术的熔融加热装置代替了激光器，因此相比其他使用激光器的快速成型技术，其制作费用大大降低。此外，原材料的利用率较高且无污染，成型过程无化学变化，使其成型成本大大降低。③后处理简单，支撑结构容易剥离，特别是模型制件的翘曲变形较小，原型经简单的支撑剥离后即可使用。
该技术的主要缺点是：①只能制作小型或中型的模型制件，并且制件的表面具有明显的条纹。②纵向强度较低，这是因为丝束在一层一层铺覆时处于熔融状态，导致截面轮廓的粘结力较低。③成型速度较慢，由于需要扫描和铺覆整个轮廓截面，同时还需要设计和制作支撑结构，导致需要较长的成型时间。为此，可以设计出双喷头设备，同时铺覆成型材料和支撑材料，或者增加层厚。
（3）技术现状
FDM技术的一个研究重点是材料性能，这几年研制出来的PPSF、PC/ABS、PC等材料，具有良好的强度，甚至超过普通塑料零件的强度，被用于一些特定场所的零件试用、维修、替换等。近年金属材料已经成为FDM技术原型材料的一个新的研究领域，被很多公司所重视。图2-12为清华大学采用熔融沉积成型技术打印的塑料零件。
（4）技术应用
该技术有较高的强度，精度约为0.13mm，可以制作成型的塑料零件，可用于教学、动漫、医学、建筑、仿古、工艺品、汽车等领域，也可以用于产品的设计、评估等多个环节。国内的FDM技术研发及制造风起云涌，已经有企业从事此项技术的研发与制造。这种情况虽然有利于该项技术的普及使用，但是也有过度竞争、重复投资的趋势和苗头。
5、选择性激光烧结成型（SLS）技术
1989年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard提出选择性激光烧结工艺（SLS, Selective Laser Sintering），他之后创建了DTM公司。1992年，该公司发布了Sinterstation——一台基于SLS技术的商用3D打印机。DTM公司在SLS的研究领域投入大量精力，在材料开发、制作工艺、设备研制等方面都有出色的成果。德国EOS公司也开展SLS工艺的研究，已经推出一系列SLS技术的快速成型设备，并在2012年举办的欧洲模具展上吸引了众人的眼球。在中国，华中科技大学、中北大学、南京航空航天大学、北京隆源自动成型有限公司、武汉滨湖机电产业有限公司、湖南华曙高科等单位均对SLS工艺展开研究。
（1）技术原理
该工艺使用粉末状材料，在计算机的控制下，激光器扫描粉末，实现材料的烧结和粘合，从而使得多层材料堆积成型。如图2-13所示为SLS的成型原理。
该技术的工艺过程是，首先用压辊把粉末平铺到工件的表面，使用数控系统来控制激光束，沿着截面的轮廓，在薄层上扫描和照射，直到粉末融化、烧结和粘合。完成一层截面烧结之后，工作台下降一个层的厚度，重新开始新一轮的循环，直到工件完全成型。
（2）技术特点
SLS技术的优点是：①原材料种类多，包括聚碳酸酯、石蜡、纤细尼龙、尼龙、陶瓷、合成尼龙、金属等。只要粉末材料在加热时的粘度较低，就都可以作为SLS技术的原材料。SLS技术制造出的产品或者模型可以满足多种需求。和其他的技术相比，SLS技术可以制做金属原型或者模具，因此具有广阔的应用前景。②工艺简单。由于该技术可以选用粉末材料作为原材料，通过激光烧结，能够快速生产出具有复杂结构的产品原型或者模具，因此在工业产品的设计中应用比较广泛。③精度较高。精度受到粉末材料的种类、粉末颗粒的大小、模型的几何结构等影响。一般而言，其精度可以达到0.05mm～2.5mm之间。④不需要支撑结构。在层层叠加的过程中，没有烧制的粉末可以支撑悬空层面。⑤材料利用率高。SLS技术的材料利用率可以接近100%，这是因为其不需要支撑结构，也不需要基底支撑，而且粉末材料价格较低，所以制模成本低。⑥变形小。SLS技术制作出的工件翘曲变形较小，甚至不需要校正原型。
SLS技术的缺点是：①工作时间长。在加工之前，需要大约2小时，把粉末材料加热到粘结熔点的附近，在加工之后，需要大约5～10小时，等到工件冷却之后，才能从粉末缸里面取出原型制件。②后处理较复杂。SLS技术原型制件在加工过程中，是通过加热并融化粉末材料，实现逐层的粘结，因此制件的表面呈现出颗粒状，需要进行一定的后处理。③烧结过程会产生异味。高分子粉末材料在加热、融化等过程中，一般都会发出异味。④设备价格较高。为了保障工艺过程的安全性，在加工室里面充满了氮气，所以提高了设备成本。
（3）技术现状
当前，国际上的主流研究机构有：3D Systems公司、EOS公司、DTM公司等，国内的主要研究机构有南京航空航天大学、华北工学院、华中科技大学和北京隆源公司等。
3D Systems公司的Sinterstation HiQ设备，采用智能方法控制温度，缩短了后处理的时间，提高了制件的质量以及材料利用率。DTM公司是SLS技术原型材料的主要研发公司，每年都能推出很多新型粉末材料，使得制件具有更高的精度和表面光滑度。华中科技大学推出的HRPS-Ⅲ型成型机可以用于高分子粉末成型、HRPS-Ι型设备可以铸造中砂型，最近又推出一些新的机型，特点是拥有双送料桶，缩短了烧结时间。
（4）技术应用
材料的多样性使得SLS工艺能够制作多种零件，可以满足多种用途。例如：制作具有复杂结构的陶瓷零件，可以当成功能零件来使用；制作结构复杂的铸造用砂型或者熔模，可以辅助快速制造复杂的铸件；制作塑料的手机外壳，能够直接作为零件来使用，也可以用来验证结构或者进行功能测试。制件的精度可以达到±0.1mm，接近精密铸造的工艺水平，比模具和机加工的精度要低一些。图2-14为华中科技大学采用激光选区烧结成型技术打印的复杂零件。
6.三维打印成型（3DP）技术
1993年，美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授发明了三维印刷工艺（3DP）。该技术的工作原理和喷墨打印机的比较接近，与SLS工艺也比较相似，都是采用塑料、金属、陶瓷等粉末状材料。独特之处在于，3DP在处理粉末材料时，没有采用激光烧结的粘合方式，而是采用喷头喷射粘合剂，将工件的截面打印出来，再把一层层薄层堆积成型。如图2-15所示为3DP的技术原理。
（1）技术原理
在工作槽中，设备铺平粉末，按照指定的路径，喷头在指定区域中喷射液态粘合剂，不断循环以上步骤，直到工件成型，再去除多余的粉末材料。该技术具有非常快的成型速度，可以制造具有复杂结构的工件，也可以制造非均匀材质或复合材料的零件。
（2）技术特点
该技术具有较多的优点，首先是操作简单，过程清洁，可以作为计算机的外围设备，在办公环境中使用；其次是能使用很多种的粉末材料，以及各种颜色的粘结剂，从而制作出彩色的原型制件，使得该技术具有优越的竞争性；第三是不需要支撑结构，由于可以用多余粉末担当支撑作用，且多余粉末的清理也很方便，因此该技术适合做具有复杂的内部结构的原型制件；第四是成型速度快，半个小时左右就可以加工一个原型制件；第五是不需要使用激光器，所以设备价格较低。但是，该技术具有如下缺点，首先是表面粗糙、精度较低，因此不适合制作细节繁多或者结构复杂的制件，可用于制作一些概念模型；其次是因为采用喷射的方法，粘结剂的粘结能力受到限制，使得原型的强度不高，只能用于制作一些概念模型；最后是原材料比较贵。
（3）典型设备
目前，3DP打印技术方面的典型设备如表2-5所示。
（4）技术应用
该技术主要应用于工艺模型或者原型验证模型的快速制造，模型的颜色比其他技术要丰富，因此模型的可观性比较高，如图2-16所示。同时，因为整体的成本偏低，3DP技术在教学方面的应用比较广泛，制模精度约为±0.5mm，喷头的喷印精度影响着制模的精度。
7.其他新型的增材制造技术
这几年以来，国际国内在增材制造技术的理论和工艺方面，又有了一些新的突破，因此不断涌现出新型的材料、工艺和相关应用。以下举出一些新型的增材制造工艺。
（1）微纳尺度增材制造
图2-17为日本大阪大学制作的“纳米牛”，长10μm，高7μm。采用激光超短脉冲，在非常小的空间区域内，产生很高密度的光子，形成了双光子的吸收条件，使得材料发生了固化。这项技术有可能会在增材制造技术的加工尺度方面突破极限，促进增材制造技术的高端发展。
（2）低温沉积制造技术
清华大学在冰点以下挤出溶液进行沉积，制作出了具有400μm孔隙尺寸的微孔，由此开发了低温沉积制造技术。在低温的环境下，挤出溶液，使其发生热致相分离，之后溶剂和成型材料分离，冷冻，凝结，最终形成外观结构。在经过后续的冷冻和干燥，再把溶剂抽干，就可以制成微孔，制作孔隙尺寸约10μm。该技术为增材制造技术在制作多级分孔结构方面提供了参考，解决了结构强度和高孔隙率之间的矛盾。
（3）细胞三维结构增材制造
细胞立体喷印技术，是人们把制造科学的对象，从无生命的材料，转化为有生命的材料。清华大学提出的细胞三维受控组装技术，构建了分级结构明确的细胞三维结构体，基于纤维蛋白原和海藻酸钠水凝胶这两种基质材料体系，开发了分布复合交联工艺，实现了三维开放结构的成形制造。该技术已经成功受控组装了多种细胞，包括脂肪干细胞、心肌细胞、滋养细胞、内皮细胞、纤维细胞、软骨细胞和肝细胞等。部分示例如图2-18所示。
（4）高效增材制造的复合沉积
增材制造为了获得较高的成形精度，往往需要牺牲成形效率。成形效率较高的激光近净成形技术，也只能达到几千克/小时的制造速度。喷射成形是20世纪60年代末提出的，是一种将液态金属雾化与熔滴沉积结合起来的近净成形技术，成形效率可达1t/h。但是，喷射成形的组织容易产生孔隙，导致密度不足，性能不稳定，极大限制了该项技术的发展与应用。最近，清华大学提出了一种将喷射成形和激光近净成形相结合的复合沉积成形（HDF, Hybrid Deposition Forming）新设想，如图2-19所示。利用喷射成形的高效沉积，利用激光扫描重熔沉积层，可以消除孔隙，用以保证零件的高性能。
（5）金属微滴3D打印成形
如图2-20所示，西北工业大学将熔滴按需喷射、增材制造和快速凝固三大技术集成起来，研发了一种金属微滴3D打印技术。首先，金属微滴喷射器将金属微滴喷射出来，然后，精确地控制金属微滴，逐点、逐层堆积在运动平台上，与此同时，控制运动平台的轨迹，从而形成复杂的金属零件。这项技术的设备成本和制造成本都比较低。目前，西安交通大学、北京航空航天大学、中航工业北京航空制造工程研究所（625所）等均可以实现此项技术。
（6）微电子元件3D打印新技术
在微电子工业领域，立体喷印可用于电介质、有机材料、金属焊料、封装胶、电胶等多种材料的喷射成形。德国使用卷对卷方式的接触印刷工艺，制造柔性电子标签，提高了生产速度。美国使用同样的方式，制造出薄膜式太阳能光伏电池，将单位功率的成本，从原来的每瓦3美元，降低到30美分，成本减少了90%。韩国的LG和三星公司通过使用微滴喷射立体喷印技术，生产出第八代液晶发光显示屏。图2-21是典型的微电子立体喷印器件。
（7）扩散焊叠层实体制造技术
扩散焊叠层实体制造技术，改善了传统分层实体制造技术使用纸材容易潮湿的问题，以金属作为原材料，制作模型制件。该技术可用于化学激光武器、微小卫星以及飞行器等军用领域，或者平板热管、涉流MEMS、微流道冷却器及反应器等民用领域的零件快速制造。西北工业大学等单位在我国率先开展了该技术的研究，并在航天航空领域的相关应用中进行了尝试。
8.增材制造技术的对比和选用
前文所述的几种增材制造技术各有其优缺点。从安全的角度出发，SLA技术的紫外激光器，通过采用原材料的紫外光敏凝固特性，实现快速成型，因此其过程中不会有过高的温度，比较安全。另外，FDM的成型材料的熔点高于热熔喷头的温度，3DP技术的成型材料和粘结剂通过喷头喷出，二者的安全性也较好。从环境的角度考虑，SLA、LOM和SLS技术都涉及到激光，因此具有一定程度的限制，不适合在室内使用。具体请看表2-6。
增材制造技术在很多领域已经得到广泛应用，例如航天、航空、电子信息、医疗器械、机械、汽车、家用电器、玩具、首饰等行业。在这些领域的应用中，各种产品的尺寸、结构都存在差异，有些结构很复杂，有些对表面光滑度要求很高，有些对材料的硬度要求很高，有些需要控制成本。根据不同的需求，需要选择不同的制造技术。以下为几个实例：
（1）电子及通讯类产品
通常情况下，通讯类或者电子类产品一般多采用塑料薄壳结构，尺寸比较小，但是对表面粗糙度和尺寸的精度要求很高。多数情况下，还要考虑后续的小批量快速制造，因此需要将制件作为后续制模工艺的母模。
考虑到以上需求，当制造手机等壳体类产品时，综合考虑材料的性能、装配效果、表面的精度和质量等，SLA技术值得考虑。虽然其成本有点高，但是因为产品本身的尺寸和质量较小，相对成本比较低，因此建议采用SLA技术，加工壳体类产品。
（2）机械、交通类结构部件
一般而言，机械、交通类产品对精度和质量要求较低，但尺寸比较大，制作出的制件主要用来验证产品的结构、外观和性能等。由于尺寸比较大，应该控制生产成本。通过比较几种技术，采用SLS和SLA技术应该可以满足以上的应用需求。但是考虑到成本问题，建议采用SLS技术，使得性价比最优。
3D打印技术采用加法式的整体制造方案，颠覆了过去的减法式加工方式。与传统经典的技术相比，3D打印在产品功能、生产效率、制造成本等方面具有显著优势，值得进行大力的产业化推广，促使新一轮产业革命的发生。
1.3D打印的技术突破
美国一个名为The Next Web的网站，采访了9位企业创始人，总结性的结论是，3D打印将会形成8个方面的技术创新，并可能实现历史性的突破。
（1）再无制造产品的概念
当3D打印技术普及后，消费者再也不用亲自跑去商店被动选择商品，而是可以根据个人的意愿自行设计商品，再通过网络打印店，把个人想法转为现实。这样的设计和打印环节，成本比直接购买还要低，而商品的涉及领域也更繁多，从机器设备到建筑物、从玩具娃娃到人体器官等等。
（2）测试想法
对中小型企业而言，摸清市场规律，了解消费者的个人需求，是其发展企业规模的关键因素。受到企业规模的限制，中小型企业本身不可能通过扩大产品数量来降低生产成本，因此面临成本过高的生存问题。有了3D打印技术，这些企业可以根据消费者的偏好，自行打印产品，降低生产成本。
（3）在家创业
传统的商品生产都是在大型的车间或者厂房里，总之是有专门的生产地点。当3D打印技术普及后，设计者不再受到地点的约束，可以在自己家里自行设计产品，通过电脑扫描以后，再交给专业的3D打印企业进行规模化生产。研发与生产实现完美脱离，提高工作效率，增加创业机会。
（4）工具百宝箱
小零件和小工具是我们日常生活中不可缺少的一部分，但是因为其体积较小，不易存储，因此我们有时需要寻找小零件或者小工具。有了3D打印技术，我们可以自行设计出一些常用的但是又很难找到的小零件。例如：水泥钉、螺母、工具刀等等。由此可见，3D打印机将在我们的日常生活中担当工具百宝箱的角色。
（5）设计样品
有些高端产品，由于设计和制作成本高，因此价格比较昂贵，一个样品的制造成本接近400美元。当3D打印技术出现后，能够采用低成本，设计出个性化的产品，激发产品设计师的无限创造潜力。因此，3D打印技术由于降低了制造成本，而提高了产品设计创意的水平，给设计制造领域带来前所未有的改革。
（6）打印必需品
以前，我们使用的一些复杂产品，由于部件繁多，组装麻烦，不仅生产效率低，而且价格昂贵。有了3D打印机，成本得到控制，我们可以便捷地制造出自己需要的产品，比如：房子、汽车、机器、生活用品、食品等。
（7）增加效率
（8）打印零部件
有些机械设备的零部件特别贵，3D打印技术可以解决这个问题。通过3D打印机，直接打印出机械设备需要的零部件，显著降低了生产成本。这一点对制造商来说，显得特别重要，有效解决了设备设计和生产环节的很多问题。
2.3D打印的技术优势
3D打印与传统的制造技术比较而言，在多样化、效率、成本、空间、便捷、材料、精度、环保等多个方面具有优越的先进性，对各种背景、各种专业、各种行业的生产和制造活动产生非常重大的影响，可以称之为传统制造方法的一个重大突破和传统制造业的一场技术革新。
（1）制造复杂物品不增加成本
传统技术中，生产成本和商品的结构紧密联系，结构越复杂，成本就越高。对3D打印技术而言，以上二者之间的关系不大，复杂程度对材料的种类和数量有影响，对成本的影响不大。只要有三维模型，制造形状复杂和形状简单的商品，所需要的成本、技能、时间基本一样。因此，3D打印的这个相对低成本的特点，对传统制造模式带来较大冲击。
（2）产品多样化不增加成本
传统制造技术中，一个机器能够生产的产品种类很有限，并且需要额外的工作人员来负责维护，使得机器具有很强的资产专用性。但是，只要拥有产品的三维数据和原材料，3D打印设备不仅可以打印各种尺寸、形状和种类的产品，而且还不需要工作人员进行额外的维护工作，因此降低了商品的制造成本。
（3）无须组装
3D打印技术不仅在成本方面对传统制造模式造成巨大冲击，而且在制造模式方面也具有明显的优势。传统的制造模式都是在一个成熟的流水线上进行大批量的生产和加工，当产品结构复杂时，流水线需要的设备成本和制造时间都会增加。在3D打印领域，3D打印可以先打印出各个零部件，再由专门的人员负责后续的组装工作，甚至3D打印技术可以直接实现一体化打印，省略掉组装环节。由此缩短了产品加工的供应链，节约了运输和劳动花费。
（4）即时交付
对企业来说，没有库存积累，降低囤货风险，就能够降低生产成本。3D打印技术的即时生产手段，帮助企业实现这一梦想。3D打印技术能够根据消费者的需求进行个性化生产，既满足了客户的需求，又减少了企业的库存，实现了按需分配市场、零库存、低成本、快速交付的新型交易模式。
传统的制造模式用的是减法，并且在产品形状和尺寸等方面，受到原材料和生产设备的多重限制。以铸造或锻造为例，其生产出的产品尺寸比原材料要小。3D打印技术用的是加法，不受原材料外形和空间的限制，根据三维数据图案，随心所欲的打印出各种形状和尺寸的产品。
（6）零技能制造
传统的制造模式专业性较强，例如汽车生产线上的工程师，需要进行专业化的培训之后，才能进入生产线，明显的专业分工导致教育培训成本较高。3D打印技术突破了专业化的局限，工作人员只需要掌握3D打印机的使用方法就可以了。因此，3D打印技术实现了零技能制造的全新模式。
（7）便携制造
传统的制造模式需要在特定的车间或者厂房进行，但在经济高速发展的当今社会，土地资源非常珍贵，节约土地资源，能够明显降低生产成本，提升企业的核心竞争力。3D打印技术的设备集成化较高，便携性也较高，对生产地点和空间的要求较低，缓解了传统制造模式对土地资源的需求问题。
（8）更加环保
传统的制造模式做的是减法，经过在大尺寸的原材料上，进行冲压、切削、钻孔等多个环节后，得到符合要求的零件或者产品。而产品之外的部分，则成为大量的余料，不仅造成资源浪费，而且容易引起环境污染问题。3D打印的加法制造，从无到有逐层堆积原材料，直到得到满意的产品，该过程中，基本没有工业垃圾。因此，3D打印技术更加环保。
（9）材料无限组合
传统制造的主要模式是切削、模具等成型方式，很难将多种原材料融合起来。而3D打印技术能够自如地将多种材料堆积在一起，增大了产品种类和功能的多样性。随着材料技术的发展和粘结技术的进步，3D打印技术还将挑战各种材料的组合模式，增加产品的独特性。
（10）精确的实体复制
3D打印技术将数字文件的精确程度妥善保存到现实世界，从而精确地复制了实物原型。通过配合3D打印技术和三维扫描技术，提升实体世界和数字世界二者之间的分辨率，从而制造出更加精确的副本、或者对原件进行优化。
（11）强大的连接功能
传统制造模式主要依靠焊接实现零件的粘合，但是焊接技术很难在零件之间实现完全对接。以火电、核电、飞机等行业使用的重型机械或者高端机械为例，焊接技术难以保障部件之间的牢固连接。3D打印的产品在生产过程中已经使用了粘结技术，因此无需再次焊接，就实现了零件之间的无缝对接问题，并且具有很好的稳固性。所以，3D打印技术已经优先在以上领域得到认可和快速发展。
以上所述的几大优势，很多都已经得到现实世界的证实，并且很有希望被大力推广。所以说，3D打印技术在制造成本、产品精确度、空间约束、便携性、环保性能、多样化制造等很多方面，比传统模式有显著的优势，为新型工业制造带来希望。
3D打印由三维实体计算机辅助，直接生产出产品，不仅省略或者减少了毛胚的准备、零件加工、工件组装等流水线缓解，而且避免使用各种模具或者刀具，以低成本生产出丰富的产品，具有很好的产业化前景。
（1）时间突破
3D打印技术已经在数码产品、工业设计等方面被广泛应用，逐渐成为设计的潮流。其采用的成型头拥有多个喷嘴，具有快速的成型速度，节省了传统制造过程的一系列流水线环节，提升了产品开发效率。一般情况下，3D打印的效率是传统制造的3～4倍，因此具有明显的竞争优势。
（2）适应性强
该技术的强适应性主要体现在两个方面。第一，环境适应性强。不需要流水线作业涉及的生产设备，且自身具有高集成化结构，使得3D打印机可以在很多场所使用。第二，生产过程适应性强。主要体现在不受原材料尺寸的约束，可以通过做加法而打印出各种形状复杂，种类繁多的产品。该技术改变了传统制造技术受到原材料制约的困境。
（3）订单突破
传统的订单生产模式，难以高效地满足客户的个性化需求。客户提出的需求越复杂，传统订单生产模式的周期就越长，甚至不能满足客户的需求。3D打印技术在这方面具有明显的优势。第一，3D打印只需要三维数据模型，就可以生产出形状和尺寸多样化的产品，符合客户的喜好；第二，3D打印可以提供上门服务。将便携式3D打印设备带到客户家里，直接打印，由客户监督整个流程，既能满足客户随时可能更改的个性化需求，也提高了客户对产品的满意度；第三，无需等待，无需库存。需要生产产品时，从计算机里面调出产品的三维数据模型，直接进行打印。
（4）价格突破
3D打印的设备简单、所需材料少、设备运行费用低，运输费用低，因此从多个环节降低了生产成本。一方面，采用分层加工的加法方式，很少产生废弃物，节约了材料的使用；另一方面，生产环节一体化，降低了开发成本。生产成本的降低，是3D打印最具有吸引力的地方。
以上世纪初期美国福特为例，其开发的汽车生产流水线，使得福特T型车的价格仅为950美元，让汽车走进平民家庭成为可能，开启了流水线生产的序幕。如今，一台售价为5000元的私人电脑，可能比30年前很多先进计算机的性能要高出很多，因此，计算机也进入平民家庭。所以说，当成本降低，产品的大范围普及就成为可能。
再来分析3D打印机的价格。10年前，一台3D打印机可以卖到十几万美元。现在，一台家用3D打印机（以图2-22为例）的价格大约为2000美元，可以打印出各种家庭用品、摆设、装饰品、玩具等。未来5年，3D打印机的价格将降低到400美元左右，从而可以真正实现3D打印的大众化和产业化。
以往的3D打印机，受到原材料的限制，只能打印塑料或者树脂产品。现在，随着原材料的不断发现和3D打印技术的快速发展，3D打印的产品已经扩展到金属、陶瓷、混凝土、玻璃、细胞、食品等。2013年6月，“新工业革命与增材制造国际研讨会”暨“3D打印国际展示会”在北京展览馆举办。会议上展出的飞机构件，是由中航工业公司采用3D打印技术制造的，并且已经应用到战斗机中，显示了良好的经济效益。
（6）种类突破
与传统制造模式的区别之一，就是3D打印突破了行业限制。3D打印的产品，涉及到制造业、休闲、教育等民生领域，也涉及到医疗设备、国防军事、航空航天等高科技领域。无论产品多么复杂，只要拥有三维模型数据和相应的原材料，3D打印就不会让使用者失望。