第1章　3D打印概述

1.1　3D打印技术发展历史

人们将3D打印技术称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。因为其起源可以追溯到19世纪末的美国，在业内的学名为“快速成型技术”。一直只在业内小众群体中传播，直到20世纪80年代才出现成熟的技术方案，在当时，撇开其非常昂贵的价格不说，能打印出的数量也极少，几乎没有面向个人的打印机产品，都是面向企业级的用户。但随着时间的推移，在技术逐渐走向成熟的今天，尤其是MakerBot系列以及REPRAP开源项目的出现，使得越来越多的爱好者积极参与到3D打印技术的发展和推广之中。与日俱增的新技术、新创意、新应用，以及呈指数暴增的市场份额，都让人感受到3D打印技术的春天。

很多人都认为3D打印技术只是某一项单一技术，就像传统的复印机复印技术一样。其实并非如此，3D打印技术是一系列快速成型技术的统称，其基本原理都是叠层制造，即由快速原型机在X/Y轴坐标方向生成目标物体的截面形状，然后在Z轴坐标间断地作层面厚度的位移，最终形成三维制件。但撇开技术原理上的差异，单纯从硬件结构上来看，3D打印又和传统打印设备非常相似。都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成，并且打印过程也很接近。对于设备用户而言，3D打印和传统打印的最主要的区别是在电脑上要设计出的是一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出。

由于堆叠薄层的形式不同，3D打印机在打印机理以及打印材料上都有所差异，也因此将3D打印的各项技术划分为多种流派。

（1）基于光敏树脂的3D打印机。使用打印机喷头将一层极薄的液态树脂材料喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行固化处理，接着铸模托盘下降极小的距离，以供下一个图层堆叠上来。

（2）采用熔融挤压技术的3D打印机。核心流程是在喷头内熔化原材料，接着喷出后通过降温沉积固化的方式形成薄层，然后逐层叠加。

（3）采用喷墨黏粉技术的打印机。使用粉末微粒作为打印介质，先将粉末微粒涂撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，然后由喷出的液态黏合剂进行固化。

（4）使用“激光烧结”来熔铸原材料粉末形成指定模型的技术。这项技术被德国EOS公司在其一系列3D打印机上所采用。类似的技术还有许多，例如瑞士的Arcam公司，其主要原理则是利用真空中的电子流来熔化粉末微粒以形成模型。

以上提到的这些也不过仅仅是许多成熟技术中的一些核心部分，当遇到包含孔洞及悬挂等复杂结构时，打印原料中就需要加入凝胶剂或其他辅助材料，以提供支撑或用来填充空间。这部分辅助材料不会在打印完成后自动去除，需要进行后处理——用水或气流冲洗掉支撑物才可形成孔隙。

现如今可用于打印的材料也种类繁多，从各式各样的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。甚至有些打印机还能结合不同材料和工艺进行打印，如图1-1所示的混合材料打印的物品，便是由多种不同的材料直接打印生成。

让我们先抛开各项繁杂的技术不谈，从一个终端用户的角度来看待3D打印技术，会惊喜地发现它是如此的熟悉，使用的过程和使用普通打印机几乎是完全一样的。通常来说，人们使用传统技术的打印机进行打印，过程是这样的：轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，接着打印机将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而使用3D打印也是一样，只需要点击控制软件中的“打印”按钮，控制软件通过切片引擎完成一系列数字切片，然后将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会逐层进行打印，然后堆叠起来，直到一个固态物体成型。

就用户实际感受而言，往往是感觉不到3D和传统打印机在制作流程上的不同，能感受到的最大区别在于使用的“墨水”是实实在在的原材料，正是因为这样的相似，快速成型技术才会被形象地称为3D打印技术。但3D打印技术能形成现今如此繁多的种类、机型，以及良好的用户体验，也是在众多科研人员前赴后继的努力之下，经过了漫长的发展而来的。

业界公认的3D打印技术最早始于1984年，当时数字文件打印成三维立体模型的技术被美国发明家Charles Hull所率先提出。并且在1986年，他又进一步发明了立体光刻工艺——即利用紫外线照射光敏树脂凝固成型来制造物体，并将这项发明申请了专利，这项技术后来被称为光固化成型（SLA）。随后他继续不懈地努力奋斗，离开了原来工作的Ultra Violet Products公司，开始自立门户，并把新创办的公司命名为3D Systems（现今全球最大的两家3D打印设备生产商之一）。并在不久后的1988年，3D Systems公司便生产出了第一台其自主研发的3D打印机SLA-250（图1-2）。SLA-250的面世成为了3D打印技术发展历史上的一个里程碑事件，其设计思想和风格几乎影响了后续所有的3D打印设备。但受限于当时的工艺条件，其体型十分庞大，有效打印空间却非常狭窄。

1988年，一位来自于美国康涅狄格州叫Scott Crump的年轻人发明了另外一种3D打印技术——熔融挤压成形（FDM）。这项3D打印技术利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料来制作物体，他在成功发明了这项技术之后也成立了一家公司，并将其命名为Stratasys。目前3D Systems和Stratasys已成为3D打印领域最大的两家公司，合计占据着全球专业3D打印机销量的74％（2010年数据）。

仅仅一年后的1989年，美国德克萨斯大学的C.R.Dechard博士发明了第三种3D打印技术——选择性激光烧结技术（SLS），这项技术是利用高强度激光将尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷等材料粉来烤结，直至成形。

在1993年，麻省理工大学教授EmanuaI Sachs也加入了进来，创造了三维喷墨黏粉打印技术（3DP），将金属、陶瓷的粉末通过黏结剂粘在一起成形。并在1995年，由麻省理工大学的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案，实现了将约束溶剂挤压到粉末床上，而不必局限于把墨水挤压在纸张上，随后创立了现代的三维打印企业Z Corporation。

1996年在一定程度上可以算是3D打印机商业化的元年，在这一年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation分别推出了型号为Actua 2100、Genisys和2402的三款3D打印机产品，并第一次使用了“3D打印机”的名称。

另一个重要的时刻是2005年，由Z Corporation推出了世界上第一台高精度彩色3D打印机——Spectrum 2510（图1-3）。

同一年，开源3D打印机项目REPRAR由英国巴恩大学的Adrian Bowyer发起，他的目标是通过3D打印机本身，来打印制造出另一台3D打印机，从而实现机器的自我复制和快速传播。经过三年的努力，在2008年，第一代基于REPRAP的3D打印机正式发布，代号为“Darwin”，这款打印机可以打印它自身元件的40％，但体积却只有一个箱子的大小。

进入2010年，3D打印行业的发展速度明显加快。在2010年11月，一辆完整身躯的轿车由一台巨型3D打印机打印而出，这辆车的所有外部件，包括玻璃面板都是由3D打印机制造完成的。使用到的设备主要是Dimension 3D打印机，以及由Stratasys公司数字生产服务项目RedEye on Demand提供的Fortus 3D成型系统。

2011年8月诞生了世界上第一架3D打印飞机，这架飞机由英国南安营敦大学的工程师建造完成。同年的9月，维也纳科技大学也开发了更小、更轻、更便宜的3D打印机，这个超小3D打印机仅重1.5千克（图1-4），价格预计约1200欧元。

2012年3月，3D打印的最小极限再一次被维也纳大学的研究人员刷新，他们利用二光子平版印刷技术，制作了一辆长度不足0.3毫米的赛车模型（图1-5）。并且在同年7月，比利时国际大学鲁汶学院的一个研究组测试了一辆几乎完全由3D打印所制作的小型赛车，其车速达到了惊人的140千米/小时。紧接着在12月，3D打印机的枪支弹夹也由美国分布式防御组织测试成功。

纵观整个3D打印机的发展历史，我们可以看到，随着3D打印技术的多元化以及种类逐渐变多，3D打印机可打印的物品也更加多元、更加丰富。而且，3D打印机的打印价格也在随着技术的发展打印成本逐渐降低。在1999年3D Systems发布的SLA7000要价80万美元，而到了2013年推出的Cube仅需1299美元。另外，虽然对于普通用户和制造企业来说，3D打印的大规模产业化时间还没有成熟，但我们从中可以看出3D打印机开始向两极逐渐分化，除了百万元级的大型3D打印机之外，国内目前也出现了面向个人用户价格为几千元的3D打印机（图1-6）。

虽然目前的3D打印技术还受到许多限制，例如缺乏稳定廉价的原材料、高效精确的设备以及成熟的商业应用等。但人们已经在珠宝、制鞋、工业设计、建筑、土木工程、汽车、航空航天、医疗、教育、地理信息系统，以及其他许多领域看到了它巨大的潜力和价值。所以，我们有理由相信，随着3D打印技术不断地发展和大量资源的不断投入，以及不同背景专业人员的积极参与，将很快可以看到3D打印机一次次为我们呈现更加精细和更加实用的物品，以此来造福整个人类社会。