3D 打印机如何工作？

增材制造最早应用于 20 世纪 80 年代末和 90 年代初的快速原型制造 (RP)。原型让制造商有机会在生产最终产品之前更仔细地检查和甚至测试物体设计。RP 使制造商能够比以前更快地生产这些原型，通常在构思设计后的几天或有时几小时内完成。

在 RP 中，设计师使用计算机辅助设计 (CAD) 软件创建模型，然后机器遵循该软件模型来确定如何构建物体。通过逐层“打印”其横截面来构建物体的过程被称为 3D 打印。

3D 打印技术最早的发展发生在麻省理工学院 (MIT) 和一家名为 3D Systems 的公司。在 20 世纪 90 年代初，麻省理工学院开发了一种程序，并将其注册为 3D Printing 商标，官方简称为 3DP。截至 2019 年 9 月，麻省理工学院已授权六家公司在其产品中使用和推广 3DP 工艺 [来源：麻省理工学院]。

3D Systems 公司总部位于南卡罗来纳州罗克希尔，自 1986 年成立以来，一直致力于开创和使用各种 3D 打印方法。它甚至将其一些技术注册了商标，例如立体光刻设备 (SLA) 和选择性激光烧结 (SLS)，本文稍后将对此进行介绍。虽然麻省理工学院和 3D Systems 仍然是 3D 打印领域的领导者，但其他公司也基于这些增材制造技术，将创新的新产品推向了专业市场。

如今，一些曾用于快速原型制造 (RP) 的 3D 打印技术现已被用于制造成品。该技术在多个方面持续改进，从机器能够打印的细节精细度，到打印完成后清洁和完成物体所需的时间。工艺变得更快，材料和设备变得更便宜，并且可以使用更多材料，包括金属和陶瓷。现在的打印机尺寸从小型汽车大小到微波炉大小不等。

增材制造常被拿来与另一种常见的制造工艺——计算机数控 (CNC) 加工进行比较，甚至混淆。然而，CNC 是减材制造的一个例子，这与增材制造 (AM) 相反。在 CNC 加工中，材料从预先存在的块体中被移除，直到最终产品形成，这很像从石头中雕刻雕像，一次一层。

现在您对该领域有了一些背景信息，接下来让我们探索一些 3D 打印技术。

3D 打印的一种方法是直接 3D 打印。直接 3D 打印使用喷墨技术，该技术自 20 世纪 60 年代以来就已用于 2D 打印 [来源：Gibson 等人]。与 2D 喷墨打印机一样，3D 打印机中的喷嘴来回移动以喷射液体。但与 2D 打印不同的是，喷嘴或打印表面会上下移动，以便多层材料可以覆盖同一表面。此外，这些打印机不使用墨水；它们喷射厚的蜡和塑料聚合物，这些材料凝固后形成坚固的 3D 物体的每个新横截面。

我们在文章前面描述的快速原型制造 (RP) 一直是直接 3D 打印发展的主要因素。1994 年，Solidscape 公司生产的 ModelMaker 成为首个成功将喷墨方法应用于 RP 的商业技术 [来源：Gibson 等人]。其他商业 RP 产品也随之出现，它们颠覆了传统的制造方法。例如，当今先进的快速原型制造产品使用多喷射建模 (MJM) 等技术，该技术通过数十个喷嘴同时工作，快速创建蜡质原型 [来源：G.W.P.]。

粘合剂 3D 打印与直接 3D 打印类似，都使用喷墨喷嘴来施加液体并形成每个新层。然而，与直接打印不同的是，粘合剂打印使用两种单独的材料共同形成每个打印层：一种细干粉末加上一种液体胶水，即粘合剂。粘合剂 3D 打印机需要两次通过来形成每个层。第一次通过铺展一层薄薄的粉末涂层，第二次通过则使用喷嘴施加粘合剂。然后构建平台会稍微降低，以容纳新的一层粉末，整个过程重复，直到模型完成。

麻省理工学院前面提到的 3DP 工艺就采用了这种粘合剂方法。麻省理工学院授权公司开发使用 3DP 的产品，但要获得授权，公司必须使用粉末和粘合剂材料的独特组合。粘合剂 3D 打印比直接 3D 打印有一些优势。首先，它往往比直接打印更快，因为通过喷嘴施加的材料较少。另一个优点是，您可以在过程中加入更多种类的颜色和材料，包括金属和陶瓷。

光聚合是一种 3D 打印技术，其中液态塑料滴暴露于紫外激光。在曝光过程中，光将液体转化为固体。该术语来源于词根 photo（意为光）和 polymer（描述固体塑料的化学成分）。

21世纪初，皮埃蒙特三合会先进制造中心 (PTCAM) 是北卡罗来纳州的一个学校与企业合作项目，提供金属加工技能的实践培训。PT CAM 的部分培训内容包含了 3D Systems 公司的立体光刻设备 (SLA)。SLA 使用光聚合技术，将激光照射到一池名为光敏聚合物的液态塑料上。与喷墨 3D 打印一样，SLA 逐层重复此过程，直到打印完成。

烧结是另一种增材制造技术，它涉及将颗粒熔化并融合在一起，以打印物体的每个连续横截面。选择性激光烧结 (SLS) 是 3D 打印中使用的一种烧结形式。SLS 依靠紫外激光束熔化阻燃粉末材料，然后其凝固形成打印层。这与 2D 打印机背后的机制相似：它们熔化碳粉，使其粘附到纸张上并创建图像。

烧结天然适用于金属物体的制造，因为金属制造通常需要某种熔化和重塑。使用金属作为烧结材料的一个例子来自 3D Systems [来源：3D Systems]。使用 LaserForm A6 创建的物体比通过其他方式（如压铸）制造的金属产品具有多项优势。其中最大的优势之一是 SLS 可以达到高水平的精度。

到目前为止，我们已经了解了 3D 打印的发展历程以及四种广泛采用的 3D 打印技术。接下来，让我们探讨打印三维物体的一般过程，无论您使用哪种方法，此过程都适用。

无论 3D 打印机使用哪种方法，整体打印过程通常是相同的。在他们的著作《增材制造技术：从快速原型到直接数字制造》中，伊恩·吉布森 (Ian Gibson)、大卫·W·罗森 (David W. Rosen) 和布伦特·斯图克 (Brent Stucker) 列出了通用增材制造 (AM) 过程的以下八个步骤：

3D 打印解决方案的可用性和可负担性不断提高，使得这项技术对许多行业的人们都具有吸引力。例如，汽车行业多年来一直使用 3D 打印技术进行新汽车零部件的快速原型制作。上图展示了皮埃蒙特三合会先进制造中心 (PTCAM) 创建的一个歧管原型。

医疗应用

医疗行业积极采用 3D 打印，用于多种用途，例如打印假肢。传统的专业制造假肢可能很昂贵，但 3D 打印机可以以低至 50 美元的价格制作一个假肢手 [来源：截肢者联盟]。同样，沃尔特里德陆军医疗中心已使用 3D 打印来制作模型，供外科医生作为面部重建手术的指导 [来源：King]。几家专业的 3D 打印机制造商销售专门为牙科工作设计的机器。

航空航天工程应用

航空航天工程师将 3D 打印融入其中，以帮助测试和改进其设计，并展示其良好的工作性能 [来源：Gordon]。研究公司 EADS 对 3D 打印抱有更宏伟的愿景：自行制造飞机零部件，包括大型飞机的整个机翼。EADS 研究人员认为这是一种绿色技术，相信 3D 打印机翼将减轻飞机的重量，从而减少燃料消耗。这可以在一年内减少二氧化碳排放，并为航空公司节省约 3,000 美元。[来源：《经济学人》]

艺术应用

3D 打印还有一些有趣的审美应用。设计师和艺术家正在以创新的方式使用它来制作艺术品、时尚品和家具。平面艺术家 Torolf Sauermann 已经使用 3D 打印创作了色彩斑斓的几何雕塑 [来源：Jotero GbR]。

荷兰公司 Freedom of Creation (FOC) 销售由激光烧结聚酰胺制成的 3D 打印产品，包括具有复杂几何设计的灯具和由相互连接的塑料环组成的服装设计，这些环类似于锁子甲。FOC 还有许多使用其设计和打印服务的企业客户，包括飞利浦、诺基亚、耐克、亚瑟士和现代 [来源：FOC]。

烹饪应用

3D 打印技术在巧克力行业有了更美味的应用，该行业开发出了能够制作独特糖果的机器。尽管不适合大规模生产，但 3D 打印机可以制作计算机设计的原型物体，或者仅仅是独特、定制的零食 [来源：Ooi]。

想尝点更美味的吗？你可以使用 3D 打印机制作多种食物——必须是你可以捣成泥状才能放入机器的食物——但你可以用 3D 打印制作汉堡。需要注意的是：打印出来的食物与传统食物的质地不同 [来源：Houser]。

从历史上看，3D 打印一直是一项昂贵的技术。文章前面描述的 PTCAM 的 SLA 成本超过 25 万美元；液态塑料每加仑约 800 美元。拥有此类设备的组织可能会向他人出售立体光刻服务，或允许公司购买时段来使用这些设备。

如今，许多大型工业增材制造设备仍然价格不菲，尽管比以前便宜了一些。例如，在 2019 年 9 月，3D Systems 的 ProJet CPX 3000MJP 3600 的售价低于 10 万美元，并且能够以高清晰度制作最大尺寸为 11.75 英寸 x 7.3 英寸 x 8 英寸（298 毫米 x 185 毫米 x 203 毫米）的模型 [来源：BasTech]。

除了价格，3D 打印机还有一些其他缺点。它们耗能巨大，是普通制造的约 100 倍。研究人员还发现，它们会释放大量致癌颗粒和挥发性有机化合物，尤其是在家庭等狭小空间中使用时。

大多数 3D 项目使用的塑料本身也存在问题。3D 项目产生的塑料残余物很可能会进入垃圾填埋场，加剧地球面临的一次性塑料危机。此外，塑料的强度各不相同，可能不适合项目的所有零部件。3D 打印机也速度较慢，一个项目可能需要数天或数小时才能打印完成 [来源：3-D Insider]。

随着技术的进步，这些问题中的许多很可能会随着时间的推移得到解决。但其他问题可能会持续存在。例如，人们已经使用 3D 打印机制造枪支，其中包括一名早先被拒绝枪支许可证的男子。能否采取措施阻止人们使用 3D 打印机制造枪支、刀具和其他武器？

还有人担心版权侵犯问题。人们可能会获得蓝图并打印一个物体，而不是从专利或版权所有者那里购买。对于专利持有人来说，追踪打印了受专利保护物品并声称侵犯版权的人（或数百人）可能很困难。

尽管 3D 打印机仍未普及，但它们正越来越多地出现在家庭、图书馆、学校和创客空间中。随着技术的成熟，这些机器的价格也随之下降。例如，截至 2024 年，一台 MakerBot Replicator Mini+ 的起售价为 1,375 美元。该公司以额外收费的方式销售其 PLA 材料的小卷轴，有 12 种标准色和限量版颜色（有人喜欢夜光色吗？）。

如果你不想为家用机器挥霍一番，你也可以自己制造一台。例如，物理学家兼博主 Windell Oskay 在 2007 年建造了他自己的 3D 打印机，该打印机使用烧结方法从糖中制造物体。这个名为 CandyFab 的项目在 CandyFab.org 有一个专门的网站。尽管该项目已经关闭，但你仍然可以阅读有关它的信息以及他是如何使其工作的。

如果想采取更专业的方法，你可以选择购买 3D 打印服务。这些服务允许你发送自己的 CAD 文件，然后收到由工业级 3D 打印机制作的高质量物体。提供 3D 打印服务的在线公司包括 Shapeways 和 Ponoko。这些网站还允许你设置在线商店，让别人购买你设计的 3D 打印作品时你可以赚取收益。[来源：Shapeways, Ponoko]

尽管低成本版本尚未问世，但 3D 打印仍以更低的价格提供更好的打印质量。也许未来这些机器将成为常用工具，用于解决日常问题，例如打印一把新房门钥匙，而不是开车去五金店配制一把。