什么是3D打印？

如果你用google搜索3D打印或增材制造（additive manufacturing (AM)），就能发现这样的定义：“它是从数码设计到制成物品的过程。”如果您停下思考几秒钟，便能发现现在有太多物品都是从数码设计制造而来的。你的毛衣是3D打印出来的吗？商店里那些精妙绝伦的蛋糕呢？答案似乎在于细节 

3D打印工作原理？  

现在有许多不同的3D打印技术，但有一个共同点就是，它们按照接收到的代码，一层层构建物品。这个代码是物品的蓝图，包含了一系列设备行动的坐标，把材料构建在一起而制成物品——和纸上玩“连点成线”最终画成一幅画类似。但是，在获得代码之前，你会有一个数码文件或计算机辅助设计（ Computer-Aided Design (CAD)）文件。设备让切割器分析文件，将物品切割成薄层并生成代码，供3D打印过程使用。 

为什么是3D打印？ 

在1980年3D打印机问世以前，我们已经使用其他设备和工艺制造出许多物品。因此你可能会问为什么会发明出3D打印？许多制造方法以减材制造为基础——“以移除材料为相同主题的最大的机加工族。”相反的，3D打印从零开始构建物品。通过最小化耗损和耗时，提高了资源的有效利用，同时为传统制造方法无法制造的领域打开了一扇门。秘诀在于了解自己什么时候需要哪项技术。 

有哪些3D打印方法？  

 尽管3D打印机包含的概念是一致的，但不同技术和可用材料对制造的可能性和最终制成的结果有巨大的影响。 

熔融沉积成型／熔丝制造(FDM/FFF)  

FDM是市面上最有名的3D打印技术。 和胶枪或奶油喷瓶（取决于哪个你使用得更多）原理相似。FDM设备 固体材料在内置加热头中熔化成的流体构建物品。从物品底部开始，FDM打印机根据代码提供的坐标一层层沉积熔化了的材料。挤出的塑料冷却并快速形成固体，从而不耽误设备继续工作并在先前固定的层上形成新层。 

优点：桌面FDM打印机和它们的材料丝非常便宜；可选大量材料和颜色；简单的工作原理；一些3D打印机可供买主自行多重升级。 

缺点：多数便宜的FDM打印机有不精确的问题；万有引力使得打印机不能在没有支撑结构的情况下打印出有大型悬挂结构的物品；一开始就没有平整表面的物品更难打印；在表面上能清楚看到层次。 

有趣的事：FDM打印机的范围非常大，桌面打印机最低售价可达$100，而工业等级的售价可达$14,000。 

工业FDM打印机 

区分桌面和工业FDM打印机，尤其是在混合打印机方面，是十分困难的。最大的区别在于它们能够制造的质量或分辨率。另外还有尺寸、硬件、软件、框架材料、传感器和其他功能。 

升级FDM打印机 

因为FDM打印机简单的工作原理，许多升级和再加工可以将技术带入新的层次。你知道有可以使用水泥、金属、复合木材制造物品和使用巧克力、奶酪、肉和蔬菜制作食物的FDM打印机吗？ 

双头和多种材料FDM打印机打印机 

一般来说，FDM打印机只有一份挤出材料丝的打印头。但是，有些可以添加多个打印头同时打印多种不同流体。最终它们可以在同次使用时使用不同材料——例如，添加易于移除的可溶性支撑结构。这就是为什么双头FDM打印机解决了几何限制例如悬挂和制作中空物品，原素易于打印和清除。也有不同类型的多材料升级，能够做到同时使用许多颜色制造彩色物品。 

还原聚合技术 

一些3D打印技术使用聚合技术使用光敏液体材料制造物品。聚合已经被用于其他制造和个人程序——例如，制造邮票、假牙、电路板、甚至光疗美甲"。重点在于光敏抗蚀剂材料(光聚合物)，本质上它是在例如LED、激光、UV灯等光源下反应固化的液体树脂。

数字光处理 (DLP) 

这些3D打印机将打印平台沉浸在树脂槽体，并从下方照亮区域，一层层固化材料，上下颠倒制造物品。它们使用代码协调光源并仅固化需要制作物品的区域。在首层制成之后，平台上升并使未硬化的树脂充满槽体，此程序重复至物品整体制作完成。至于光源， DLP打印机 使用投影或LED固化树脂。槽体下的数码显示屏用老式计算机游戏里的方形像素显示每一层的图像。因此每层物品由名叫三维像素的小型矩形砖制成。DLP设备可被变色玻璃／塑料覆盖，防止例如阳光或台灯光等外来光源和树脂发生作用。在完成物品厚，需要清理多余液体并在UV光下固化或自然光下加固。 

立体光刻(SLA) 

SLA打印机 和DLP设备几乎是同样的工作原理，但光源为激光。一般来说，设备内部激光传送一束光到行动的电流计或偏光镜中。它们的作用在于让激光束和打印板上需固化的特定区域编码聚焦一致。激光可以制作顺滑的圆形线条并能够更精确照明材料，所以好的SLA设备（甚至是桌面打印机）比DLP打印机具有更高的分辨率和更光滑的表面。但是LED可以同时照亮树脂上几个点，而激光束需要在这个那个物品表面游走。SLA打印机可以像DLP一样通过半透明的槽体底部固化树脂，也可以从上部淋下材料。后一种情况下，构建平台不会抬起，而是在滚轮从构建室移来时稍稍下降，顺利移除固化的层并将更多未固化的树脂移入打印区域。 

连续液面打印 (CLIP) 

这是另一种改进的、加快了工作速度的DLP打印。CLIP打印机同样使用投影作为光源，但不是在制成每层后升起平台，而是连续照射光敏材料。为完成这样的生产， 设备在树脂下需有富氧膜，并为未固化的光敏材料制造“死亡区域”。因此CLIP打印在比SLA速度更快的同时保持了精密零件具有高分辨率。 

桌面和工业聚合打印机 

不同于FDM技术，聚合物是需求更大的花销的更复杂的过程，主要因为强大和精确的光源以及光敏材料花费比塑料和加热工具更多。 

好消息：一些公司和爱好者成功发明了物美价廉的桌面DLP打印机模型——有些价格不高于$400。 

坏消息：光敏材料仍旧很贵——每升$70-80相比较于高达每升$200的高端设备树脂，可以说很便宜了。 

尽管聚合技术可以制造高精细，一些带有微弱光源或低质量光敏材料的低端DLP设备也会制造出坏结果——不良的细节、裂缝和脆弱的零件。这也造成区分专业和业余设备十分困难，特别是对SLA和DLP打印的兴趣日益增强时。一些桌面设备，比如Formlabs的产品被专家广泛用于牙科和首饰，尽管它们的尺寸和合理的$3,499的售价。是的，相比较于Carbon M2 (CLIP)每年$50,000 (最短3年) 加上$10,000安装和培训费和超过$14,000的附件包的价格，这是相当便宜的。 

SLA/DLP/CLIP打印的优点：更精细；高分辨率；无需平整表面开始；更平滑的表面；一些树脂类型帮助制造金属铸造模型，ISO认证制造医用工具和器材。 

缺点：打印机和材料昂贵；比FDM选择更少的材料和颜色；一些SLA打印机十分缓慢；因为重力，如果构建平台升起，复杂物品依旧需要“支撑”结构。 

粉床融合技术 (SLS, DMLS, SLM, EBM, CJP, MJP, MJF)  

如果你喜欢在沙滩上建造沙堡，你也会喜欢下一组3D打印机。分床融合是使用粉末材料例如石膏、砂岩、金属合金、尼龙和其他的3D打印技术组。原理也很简单：这些粉末材料被一层层熔化或烧结在物品需要的位置上。熔化或烧结的粉末变得坚固，所以在完成一层后，平台下降，滚轮在区域内铺满新粉末。 

选择性激光烧结 (SLS) 

SLS技术是粉床融合法的最佳示例。使用单色粉末材料例如尼龙(锦纶)、陶瓷、玻璃及其许多变体。现在有大量具有不同属性的材料，包括耐用、结实和生物相容性。尽管SLS打印机 有桌面版本，这项技术更广泛适用于大型构建体积的工业制造。这些打印机使用高能量激光烧结粉末。在所有层打印完成后，需专人移除未使用的粉末并清理零件，就像考古学姐清理有恐龙化石的现场一样。 

优点：SLS打印机可以制造非常复杂的零件且完全不需要支撑；强大的打印机械性能；良好的耐化学性能 

缺点：打印成品多孔且需要密封；不能打印中空但全封闭的零件因为未使用的粉末将留在零件中；在完成制作后需要热处理 

直接金属激光烧结 (DMLS) 

尽管这项技术是SLS的另一种形式，但工作原理是一样的。主要区别在于DMLS打印机使用可以制作金属零件产品的不锈钢、马氏体时效钢、钴铬、镍、铝和钛金属合金粉末。当然，金属更难熔化，因此使用 DMLS设备打印的物品表面可能粗糙。这些零件往往需要后期处理：加工或激光抛光以改善最终外观。然而，形状的可能性和制造速度让DMLS在航空、医疗、原型和球体模具领域具有强大的竞争力。 

选区激光熔化(SLM) 

SLM技术是DMLS 和SLS的近亲，但用熔化取代了激光烧结和金属粉末。因此当DMLS打印机加热粉末至颗粒都融合在一起时，SLM设备熔化它们成为液体并完全固化。这样制造的零件更坚固并少孔。 

优点：制成更结实的零件，更光滑的外表 

缺点：只能使用一种金属粉末 

电子束熔化 (EBM) 

另一个可以使用金属粉末的技术是EBM。和SLM一样， EBM打印机 熔化粉末到一块固体。但不同之处是内部的激光改为电子束（电脑控制）加热和熔化材料。EBM打印适合真空，并能达到1832华氏度或1000摄氏度！电子书是更强大的能量来源（因为更高的密度），因此往往它具有更好的建筑率和并能使用反应性和更结实的材料打印。一些研究者已改进制作方法并使用铜、铌、块状金属玻璃打印。 

粘结剂喷射和彩色喷墨打印 

当一些制造方聚焦于改进加热源以更好熔化粉末，其他人则选择从别的方面改进SLS。粘合剂喷射技术使用粉末（石膏、砂岩、金属）但不烧结或熔化，这些设备使用媒介将颗粒黏合在一起。就想象把胶水浇在沙子里——设备的原理几乎一样，但是有极薄层并由电脑控制。程序开始是一样的：滚筒在构建区域铺上薄薄一层粉末。3D打印机在区域内提供可以连接的黏合媒介。然后平台将下降到新的粉末层。 

最重要的是，黏着媒介可以和彩色墨水融合——所以你可以从石头打印出具有CMYK色390,000种组合的颜色。这个方法叫做彩色喷墨打印(CJP)，它在艺术家和建筑师中非常流行。 

优点：需要比SLS更少的能量；可以打印彩色；无需支撑并能打印和SLS一样的尺寸 

缺点：物品易碎并需要涂层防止从空气中吸收水分；不能制作中空的封闭零件。 

多喷嘴融合(MJF) 

MJF技术和之前提到的技术相比相对年轻。简单来说，MJF是黏着剂和激光烧结的结合体。和那两种技术一样，MJF使用粉末材料制造物品——PA 12（聚醯胺）。打印开始时先在编码设定的区域喷射融合剂和装饰剂。熔化的粉末颗粒，然后打印继续在每一层制成后由灯泡加热粉末。 

优点：打印速度快几倍；打印品可承受多种后期制作（涂料、喷漆、喷砂、涂画） 

缺点：目前只能打印聚醯胺；独特并昂贵的技术；不能打印中空的封闭物品 

材料喷射 (MJP, MJF和PolyJet) 

材料喷射3D打印技术是最经常与墨水2d打印比较的技术。和FDM类似，这项技术把材料洒在构建平台上。但是，用UV光固化单层液体光敏树脂代替熔化固体材料。另外，区别在于不用于一个喷嘴在打印机内移动，一些材料喷射设备由多个喷嘴，使得工业打印机同时使用多种材料。光敏树脂的可选范围也极佳——可以打印柔软、坚固、彩色和生物相容性的零件。 

优点：高分辨率（达16微米）；光滑表面；可轻松移除的支撑结构的复杂形状 

缺点：零件在光和热中曝光将改变属性 

目标分层制造(LOM或选择沉积复合) 

LOM 3D打印机可以说是最像他们的在纸上打印文件和照片的2d前辈们。因为技术需要胶黏剂涂覆的材料（纸、塑料或金属）。LOM打印开始于将第一张带到构建平台根据编码用刀或激光切割成形状。在制成一层后，新一层材料会铺在平台上。然后平台把各层黏着并按压在一起，并开始切割新形状。这个过程持续到整个零件完成。在打印后打印成品需要从多余的材料中移除。LOM也可以打印具有高超细节的彩色。即使物品只使用普通的复印纸打印，也可以非常坚固，甚至可以被钻孔。 这使LOM技术成为最便宜和环保的选项。纸质打印展现出类似木质的品质并可以在后期制作时加固。 

优点：材料便宜易得且可以循环使用；近100万种不同程度的360°HD全彩打印；可打印大物件； 

缺点：和SLA和SLS相比尺寸性较差；打印完成品远不能成为最终零件。 

Inkjet FDM 

另一个使用CMYK墨水的技术，问世于XYZ公司发布da Vinci Color设备时。Inkjet FDM打印是综合了单喷嘴FDM打印和喷墨。打印机熔化白色塑料流一层层构建物品，但在每层添加墨水。最终Inkjet FDM可以制造和工业设备一样多的颜色，但只有桌面形式。 

优点：可选上百万彩色 

缺点：具有FDM打印机的局限和精度；目前市面上只有一种机器支持。 

其他技术和打印方法 

3D打印在快速发展，每天都有新设备、升级、材料、软件和技术问世。在其他人都在复制先前的技术时，一些方法被证实有用并成为主流。 

在3D打印机指南中了解更多3D打印设备和它们的特点。