3D打印核心原理大
撰稿 | 关耳（季华实验室）
你是否还记得成龙主演的《十二生肖》中，那个扫描并瞬间复制兽首的炫酷镜头？那不只是科幻——这正是3D打印技术的雏形在闪耀！如今，这项科技已冲出银幕，正以雷霆之势重塑现实。
看，中国已在太空成功完成首次在轨3D打印，为空间站长期运行注入强心剂。而美国航天公司更野心勃勃，计划用3D打印打造整枚火箭，2022年就将发射全球首枚全打印火箭！这不再是概念，而是正在发生的制造革命。
图1：3D打印技术
3D打印，学名增材制造，是一种以数字模型为蓝图，将材料逐层堆叠“生长”出三维实体的尖端技术。它被誉为“未来十二大颠覆技术”之一，是第三次工业革命的引擎，正推动制造业从传统走向智能，引爆全新产业浪潮。
对比传统制造，3D打印无需模具、几乎零废料、大幅降低库存，更能优化结构、节约材料、提升效率，真正实现“设计即制造”的梦想。
图2：通用3D打印流程
图源：Zhang et al. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun. Appl. 2015, 12, 2
发展历程
回溯历程，3D打印的种子在1984年萌芽——美国科学家Charles Hull发明了立体光固化成型（SLA）。随后，选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、微喷射粘结成型（3DP）等技术相继爆发。进入21世纪，3D打印进入高速发展期，细分工艺层出不穷，与传统制造完美互补，满足各行业极致需求。
3D打印方法分类
根据国际标准ISO/ASTM 52900: 2015，3D打印主要分为七大流派，各显神通。
一、材料挤出型
Material extrusion
像挤牙膏一样精准堆料。代表技术熔融沉积成型（FDM），最常见也最直观：加热丝状材料，从喷头挤出并逐层沉积成型。材料多为聚乳酸PLA、热塑性聚氨酯TPU等塑料。
优点：设备亲民、材料广泛、成品坚固。
缺点：精度较低、表面粗糙。
二、光聚合成型
Vat photopolymerization
用光“雕刻”液态树脂。利用光敏树脂遇光固化的特性，通过激光逐点扫描（SLA）或整面曝光（DLP）成型，像在液体中瞬间雕塑。
优点：精度极高、表面光滑、效率出众。
缺点：材料受限、性能偏弱。
三、定向能量沉积型
Directed energy deposition
高温“焊接”金属粉末。以激光或电子束为笔，熔化同步送入的金属粉末（如钛合金），逐层沉积，擅长修复或制造大型复杂构件。
优点：无需支撑、灵活度高、修复力强。
缺点：表面需再加工、难修复精密零件。
四、材料喷射型
Material jetting
精密“喷墨”塑造万物。如同高级3D版喷墨打印机，喷射数百颗光敏液滴并瞬间固化，可实现全彩高精度打印，让原型惊艳夺目。
优点：色彩丰富、精度卓越、速度飞快。
缺点：材料昂贵、需后处理。
五、粘合剂喷射成型
Binder Jetting
粘合粉末“沙中筑塔”。在粉末床喷射粘合剂，层层粘结陶瓷或金属粉末，经烧结后成型，效率惊人且可彩色输出。
优点：效率超高、支持多色、无需支撑。
缺点：表面粗糙、需后处理增强。
六、粉末床熔融成型
Powder bed fusion
激光“雕刻”金属粉末。高能激光或电子束精准熔化粉末床中的金属（如钛、铝），逐层烧结，是高端金属部件制造的王者。
优点：精度顶级、材料多样、强度卓越。
缺点：成本高昂、大件易翘曲。
七、片材层压型
Sheet lamination
切割层压“堆叠纸艺”。将金属板或纸等片材切割后粘结，无需加热，快速成型，适合简单结构的大尺寸部件。
优点：速度飞快、变形小、精度高。
缺点：层间结合弱、材料利用率低。
应用实例
在创新驱动下，3D打印正为各行各业注入颠覆性能量，覆盖航天、军工、汽车、医疗、文创、建筑等前沿领域，开启定制化智造新时代。
图3：深蓝火箭试验飞行
在航空和能源领域，空中客车已用3D打印碳纤维批量制造轻量支架；索尔维联手9T Labs量产碳纤维部件，挑战传统供应链。中国商业火箭更借力腾飞——2021年，重庆壹零空间实现3D打印姿控系统首飞，深蓝航天完成液体火箭垂直回收试验，3D打印已成为火箭制造的全新赛道！
在医疗假体领域，从骨骼、假耳到眼部仿生，3D打印正重塑生命。德国弗劳恩霍夫研究所成功临床3D打印假眼，让个性化医疗假体商业化成为现实。
随着需求爆发、政策加码，3D打印的疆域正加速拓展，未来无限可期。
图4：3D打印仿生眼球
诞生仅三十余年，3D打印已掀起全球制造革命。作为“互联网+智能制造”的典范，它完美融合定制与量产，释放无限创造力。产业正处爆发前夜——2026年全球产值预计突破372亿美元。面对精密化、智能化、通用化的挑战，3D打印将持续进化，引领智能制造迈向新纪元。你是否也想拥抱这场变革？立即关注我们，获取最新科技动态，一起探索未来制造的无尽可能！
参 考 资 料：
1. Jake Port. How does 3D printing work? , cosmosmagazine, 7 December 2021
2. 《3D打印与工业制造》——机械工业出版社
3. 2021年3D打印行业深度研究报告——西部证券
监制 | 赵阳
编辑 | 赵唯
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
来源：先进制造
编辑：Garrett
相关问答
什么是3d技术?
3D技术分为主动与被动立体成像，利用双眼视觉差创造立体感。人眼间距约8厘米，左右眼接收不同影像，大脑合成后即呈现逼真3D效果。
3D技术介绍?
3D成像依托双眼视觉差实现。通过让左右眼观看不同图像，叠加形成立体视觉，广泛应用于影视、游戏与虚拟现实领域。
3D属于什么技术?
本质是虚拟三维技术，借助计算机运算模拟立体视觉、听觉效果。从图像学看，3D突破平面，营造沉浸式立体空间，部分应用属“伪3D”渲染。
3d形象技术概况?
3D形象技术基于计算机图形学与视觉技术，通过算法将真实物体或场景三维数字化重建，广泛应用于仿真、设计与互动媒体。
什么是3DMAX技术?
3ds Max是一款三维动画渲染与制作软件，并非单一技术。它深度应用于影视、建筑、工业设计及游戏开发，助力创作立体模型与动画。
三维和3D的区别?
两者常通用。3D是英文“三维”缩写，特指立体空间。日常中双眼自然感知三维世界，3D技术正是模拟该视觉体验。
3d打印技术及原理?
3D打印属快速成型技术，1990年代中期兴起。以数字模型为蓝本，通过光固化、层压等技术逐层堆叠材料，直接构造三维实体。
3D技术的发展?
3D技术已成为多行业基础工具。伴随硬件与软件演进，它正深度融合生产生活，驱动制造、医疗、娱乐等领域迈向三维数字化时代。
什么叫，3d数控应用?
3D打印结合数控技术，实现数字化制造。以模型文件驱动，逐层打印可粘合材料成型物体，是未来柔性制造与个性化生产的核心补充。
什么是3D电影?3D电影有什么发展历史?-红网问答
3D电影即立体电影，1953年5月24日首次亮相。好莱坞为抗衡电视推出该技术，观众佩戴特制眼镜，即可感受扑面而来的立体画面冲击。