你能想象吗？在当下这个科技飞速发展的时代，3D打印正在潜移默化中润色着我们的生活。像人造骨这种个性化定制要求高的产品制造，3D打印功不可没。此外，从建筑行业的创意十足设计与施工，到消费级市场中千变万化的产品定制，3D打印都展现出了惊人的潜力。它就像一把神奇的钥匙，开启了一扇通往无限可能的大门，为我们带来了更加高效、个性化和环保的制造方式，快来一起探索 3D打印的奇妙世界吧！

图1 3D打印机

3D打印，又称增材制造技术，其核心原理是“离散+堆积”，将三维结构化整为零、逐层制备，可实现复杂结构的加工，解决了传统的减材和等材工艺难以加工或无法加工的复杂结构加工问题，而且极大的提高了原料的利用效率。

图2 与传统制造原理对比

如此神奇的3D打印，究竟是怎样施展它那巧夺天工之技的呢？其关键步骤如下：

①设计：借助计算机辅助设计软件，依据所需构建物体的精确参数与独特形态，精心雕琢出与之对应的三维模型。

②切片：通过特定的算法与软件功能，把设计好的三维模型巧妙地分解转换为一系列二维层，就如同将一个立体的建筑架构拆解成一张张平面图纸，为后续精准的逐层构建做好准备。

③打印：依据切片所生成的详细打印路径，打印设备有条不紊地按照既定路径，将材料逐层均匀地叠加起来，最终让原本虚拟的三维模型逐步转化为实实在在的物体。

④后处理：打印完成后，有些零部件需要进行一些后处理工作，如进一步对零件进行热处理、抛光和打磨等，以获得零件所要求的硬度、精度和表面质量等。

3D打印至关重要的一步莫过于打印。但是并不是所有材料都像橡皮泥一样，“将材料逐层均匀地叠加起来”也绝非易事。对于不同的材料，科学家们研究出了不同的应对策略。

最先进入人们视野的是熔融沉积成型（FDM）技术。简单来说，这种技术就是把要打印的材料先在高温下熔化，再按照要打印的形状将液体一层一层地挤出来。这种方式像是把材料一点一点焊上去的，所以精度比较高，也比较结实。但是问题也很明显，这种技术只适用于像塑料这种熔点较低的材料，耗时也很长，如果想要快速打印玻璃、钢铁，那就无能为力了。

图3 3D打印原理图

不到一年，人们就提供了另一种3D打印的思路。之前利用了材料不同相随温度的转变，我们只要找到一种方式让液态的材料能按照想要的方式凝固就可以了。于是立体光刻成型（SLA）技术横空出世。这种技术使用光敏树脂，通过激光逐点扫描固化树脂薄层。激光就像一双可以穿透材料的手，可以将光敏树脂雕刻出想要的形状。光敏树脂对光的反应还是比较快的，所以它适用于复杂、高精度的精细工件快速成型。但是这种方法把材料限制在了光敏树脂一族，价格也比较昂贵，依旧不能实现“3D打印万物”的理想。

终于，选择性激光烧结（SLS）技术?出现了。既然大部分材料都会有固液态的转变，既然激光可以作为一双无形的手，我们就可以利用激光的能量帮我们加热，将材料变成粉末，加热的速度可以很快，激光的移动也可以做到非常精确。无论是金属粉末还是非金属粉末，我们都可以通过激光烧结粉末材料层层堆积成型打印出需要的物件。

图4 激光烧结金属零件

无论使用什么方式，3D打印出个性化的产品这一技术可以在各个领域得到应用。

在医疗领域，定制化的假肢、植入物等医疗器械，能够依据患者的独特身体结构和需求进行精准设计与制造，不仅大幅提升了治疗效果，还显著改善了患者的生活质量。3D打印技术拥有极高的加工自由度, 对于人造骨的3D打印, 利用CT、MRI等医学影像, 通过计算机重建患者失效骨模型, 制造出生物学性能与力学性能更与骨匹配的植入物产品，针对每位患者制定独特的治疗方案, 实现为骨植入患者“量体裁衣”。

图5 3D打印钛合金骨骼

在航空航天领域，3D打印更是展现出其无可比拟的轻量化和高强度优势，助力制造出结构复杂、性能卓越的航空航天零部件。

2024年3月，长征八号遥三运载火箭携带“鹊桥二号”卫星，成功将其送入预定轨道。在此次发射任务中，卫星贮箱结构的制造就采用了前沿的3D打印技术。该技术通过精准的逐层扫描和精密的成形工艺，巧妙地构建出了复杂的结构。这种创新性的制造方式，相较于传统制造工艺，显著减少了材料的浪费，同时极大地提高了制造效率。此次发射是国内航天领域的一个重要里程碑，它实现了3D打印贮箱的首次在轨应用。

图6 3D打印的贮箱结构示意图

3D打印技术正随着时代发展日新月异，随着我国市场规模逐渐向好发展、国家大力支持，以及市场需求的增加，个性化定制激增，将在我国制造业转型升级中发挥重要作用。

3D打印技术虽具潜力，但材料种类和设备受限，成本高昂，缺乏标准化和质量控制，应用领域有限。尤其是设备和材料成本高，需要大量的资金投入，难以大规模生产。尽管在医疗等领域有进展，但尚未广泛应用于大规模工业生产。

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