3D 打印即快速成型技术的一种，又称增材制造。它是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D 打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。

3D 打印概念可追溯到 1970 年代。1859 年，法国雕塑家 Franois Willème 以自己为中心，用多台照相机拍摄不同角度的影像，绘制出轮廓后得到自己的三维图像，并取名为照相雕刻，这一概念为后续 3D 打印技术提供了理论架构参考。此后，人们不断探索三维数据的获取和空间技术构想。1977 年，Swainson 提出通过激光选择性照射光敏聚合物的方法直接制造立体模型；1979 年中川威雄发明叠层模型造型法；1981 年，名古屋市工业研究所的 Hideo Kodama 发明了利用光固化聚合物的三维模型增材制造方法，同年，Ross F.Housholder 注册了类似于激光烧结的专利。1986 年，美国 Charles Hull 提交了 SLA（光固化）的第一项专利，并于 1988 年发布了第一个商业产品 SLA - 1。1988 年，卡尔・德卡德在德克萨斯大学获得了 SLS 技术的专利，同年，Stratasys 公司的联合创始人 Scott Crump 申请了熔融沉积建模（FDM）专利。在不到十年的时间里，3D 打印的三项主要技术获得了专利，3D 打印由此诞生。此后，3D 打印技术不断发展，2008 年第一个 3D 打印的假肢出现，2009 年 FDM 专利进入大众消费领域，2013 年美国总统奥巴马在国情咨文中提到 3D 打印是未来的主要生产方式。如今，3D 打印在汽车、建筑、医疗等领域的应用越来越广泛，未来还有更多令人惊叹的项目在研发当中。

三维建模是 3D 打印的第一步，通常可以使用计算机辅助设计（CAD）软件或扫描仪来生成三维模型。在设计过程中，需要考虑物体的大小、形状、结构、表面质量等因素。例如，在设计一个机械零件时，要确保尺寸精确，以保证与其他部件的配合。如果是设计一个艺术摆件，则要注重其造型的独特性和美观性。

面向 3D 打印建模有一些注意事项，比如物体模型必须为封闭的，也被称为 “水密”，可使用一些软件如 3ds Max STL 测试功能、Meshmixer 自动检测边界函数或一些模型修复软件进行检查。物体需要有厚度，不能以表面切片的形式存在，因为在实际中不存在零厚度。对象模型必须歧管流形，即如果网格数据中有多个共享边缘的面，就是非流形的。同时，模型中的所有面法线都需要指向正确的方向，否则打印机将无法分辨模型是内部的还是外部的。此外，模型的最大尺寸由 3D 打印机可打印的最大尺寸决定，最小厚度要考虑打印机的喷嘴直径和能打印的最小壁厚，一般最小厚度为 2mm。还要记住 45 度法则，任何 45 度以上的投影都需要额外的支撑材料或复杂的建模技术来完成模型打印。设计打印底座时，最好是平的，以提高模型稳定性，减少加支撑的几率。预留容差度对于需要组合的模型也很重要，一般在需要紧密连接的地方保留 0.8mm 的宽度，在较松的地方保留 1.5mm 的宽度，但具体还得了解打印机的性能。

在进行 3D 打印前，需要将三维模型分割成多层薄片，这个过程叫做切片处理。切片软件根据打印机和材料的特性，确定每层的厚度和其他打印参数，以便于最终打印物体的构建和品质。例如，对于 FDM 打印机，切片软件会根据耗材的特性和打印机的精度来确定层厚。切片软件就像是一个翻译器，将三维模型的信息转化为打印机能够理解的指令，为打印过程做好准备。

在将切片数据传输到 3D 打印机前，需要进行一些准备工作，如清洁打印床、预热打印头等。然后，需要设置打印参数，如温度、速度、填充密度等。这些参数将影响打印物体的外观、强度和精度等方面。3D 打印机根据打印参数逐层打印，并将熔融的材料沉积到打印床上，逐渐建立起物体的形状。在打印过程中，需要监控打印机的状态，确保打印过程中没有异常发生，例如打印头堵塞、打印床移动不良等。如果出现问题，需要及时采取措施，以保证打印的顺利进行。

打印完成后，可以对打印出来的零件进行后处理，如去除支撑结构、打磨等，以满足具体的需求和使用要求。对于一些复杂的模型，可能需要进行应力消除、镶嵌铜螺母或攻丝等操作。后处理可以使打印出来的零件更加美观、实用，提高其性能和质量。例如，通过打磨抛光可以使零件表面更加光滑，喷漆可以改变零件的颜色和外观，表面封闭可以提高零件的水密性和气密性。

光敏树脂是对光敏感的树脂材料，光照射后会快速固化成型。其特性如下：

黏度低，易于在打印机中流动。

固化收缩小，能保证打印成品的尺寸精度。

固化速率快，提高打印效率。

溶胀小，保证打印成品的稳定性。

高的光敏感性，能快速响应光照进行固化。

固化程度高，打印成品强度较好。

湿态强度高，在一定湿度环境下仍能保持较好的性能。

光敏树脂在 3D 打印中的应用广泛：

打印手板模型，如外观设计的模型，以及对功能有特殊要求的模型，如耐高温或韧性高的模型。

打印对模型精度和表面质量要求较高的精细模型、复杂的设计模型，如手板、手办，首饰或者精密装配件等。一般不适合打印大件的模型，如需打印大件需拆件打印或使用大尺寸设备，但大尺寸设备价格昂贵。

3D 打印的成品细节很好，表面质量高，可通过喷漆等工艺上色。但长时间曝露在光照条件下，会逐渐变脆、变黄。

ABS 材料：

优点：采用丙烯三烯、丁二烯和苯乙烯的首字母缩写，非常适合有外观要求的部件，具有出色的表面光泽和着色，相对强度高，有黏性，拉伸强度 40MPa 左右。同其它材料的结合性比较好，易于表面印刷，涂层和镀层处理。ABS 打印时会产生强烈的气味，可回收不可降解，强度高，韧性都比较好，尺寸稳定性高，是目前市面上最常用的 3D 打印材料。

缺点：遇冷收缩，打印的路基板必须要加热，不然底部容易卷起。

适用场景：有外观和强度要求的零部件，几乎涵盖了所有日用品、工程用品和部分机械用品。

PC 材料：

优点：硬度及强度都比 ABS 要高（约 60%），是真正的热塑性材料，满足工程塑料的所有性能：高强度，耐高温，耐冲击，扛弯曲性能，可作最终零件，直接装配使用。打印出来的颜色一般是半透明，材料本身具有单一的颜色，白色。

缺点：韧性相对低一些，3D 打印出来的表面精度一般。

适用场景：对强度和耐高温要求较高的产品。

PLA 树脂：

优点：由植物源性成分制成，打印时不会发出难闻气味。对高温敏感，具有弹性和硬性等特征。聚乳酸是一种对环境影响较低的热敏性硬塑料，可再生资源衍生物，具有非常好的打印特性，无刺激性气味，打印出来的硬度和强度都不错，可降解。成本低廉，自然状态下一般是透明的，加入色彩后打印效果色彩明亮，光泽度良好，几乎不会收缩。

缺点：表面精度一般，后期表面加工处理比 ABS 难。

适用场景：对环保要求较高的大型产品制造。

目前国内外金属 3D 打印机采用的金属粉末有：工具钢、不锈钢、马氏体钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等。

钛：坚固、轻巧耐热和耐化学腐蚀，加工具挑战性导致成本高昂。常见的 3D 打印钛是 Ti-6Al-4V，可用于强度、重量比非常高的零件加工，如航天航空领域。

镍：在手机电池及电子功能方面起关键作用，形状记忆性、电化学特性和磁学特性促进科技发展，能兼容其他元素和材料。

不锈钢：机械强度高，耐腐蚀性强，广泛用于各行各业。3D 打印不锈钢材料主要包括可热处理的 17-4 PH 不锈钢和极耐腐蚀的 316L 不锈钢，工具钢用于制造各种工具。

钛合金：基于优异的强度和韧性，结合低比重、耐腐蚀、生物相容性，在航空航天和汽车制造中有广阔应用空间。目前应用于市场的纯钛分为 1 级和 2 级粉体，2 级强于 1 级。应用于金属 3D 打印的钛合金主要是钛合金 5 级和钛合金 23 级。

铝合金：应用于金属 3D 打印的主要有铝硅 AlSi12、AlSi10Mg 两种。铝硅 12 是具有良好热性能的轻质增材制造金属粉末，可应用于薄壁零件，如换热器或其他汽车零部件，以及航空工业级的原型及零部件制造。

贵金属：可 3D 打印的贵金属包括银、金和铂，柔软、光泽度高、化学活泼性低，传导能力好，主要用于珠宝和工艺品。

难熔金属：包括钨、铼、铌、钼、钽，以较高的耐热性能出名，熔点一般都超过 2000℃，化学反应不活泼、密度大、硬度高。钽有高耐腐蚀性、传导能力好，在电子行业应用前景广阔，60% 用于真空炉零件和电解电容器。

陶瓷材料具有硬度高、耐高温、物理化学性能稳定等优点，在航天航空、汽车、生物医疗等行业有广泛的应用前景。

佳能中国副总裁表示，目前佳能的 3D 陶瓷打印业务处于试营销阶段，3D 陶瓷打印的厚度做到了 25 毫米，这一技术目前世界上只有一两家企业能做到。陶瓷具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、绝缘等优点，陶瓷部件已广泛应用于航空、汽车、医疗等领域，未来可能会更多替代现有的耐热性耐磨损性不足的金属配件。

奥地利制造商 Lithoz 专注于陶瓷 3D 打印技术，通过光刻陶瓷制造（LCM）技术满足工业和航空航天应用对复杂零件的高要求。2022 年实现了陶瓷 3D 打印解决方案收入翻倍，医疗和航空航天等多个行业市场对该技术表现出兴趣。陶瓷基材料具有耐高温的特性，在航空航天应用中，可制造超高温陶瓷，如使用氮化硅制造的 3D 打印气动塞式发动机喷嘴，能承受显著的热冲击，即使在超过 1200°C 的高温环境下也能保持稳定。将陶瓷的特性与 3D 打印的灵活性相结合，可以精确定制设计、修改结构以及添加特定功能，满足复杂零件的需求，如为航空航天创建 RF 滤波器，优化性能、可靠性和耐久性。

生物材料：可用于医疗领域，如打印人体器官模型用于手术规划，或打印生物可降解材料用于组织工程。

橡胶材料：可以利用光成型方法进行打印，采用光固化橡胶树脂，能够像橡胶似的柔软弯曲，是橡胶制品的合适材料，如应用于橡胶制品原型。

石墨烯材料：具有优异的导电性、导热性和机械强度，可用于打印电子器件、高性能复合材料等。例如，在电子领域，可以打印出具有高导电性的石墨烯电极，用于柔性电子设备。