探索3D打印：如何重塑未来制造？
撰稿 | 关耳（季华实验室）
你是否曾想象，电影中的神奇技术竟能走进现实？回想《十二生肖》里，成龙扫描并复制兽首的炫酷场景——那正是3D打印的雏形！如今，这项未来科技正以雷霆之势颠覆传统。
中国已成功实现首次太空3D打印，为空间站在轨扩建奠定基石。而美国某太空公司更宣称，将用3D打印制造整枚火箭，计划2022年发射。这一切，都彰显着3D打印的无限潜力与活力。
图1：3D打印技术
3D打印，又称增材制造，是一种以数字模型为基础，通过逐层叠加材料构建三维实体的技术。作为“未来12大颠覆技术”之一，它正推动传统制造向智能制造的巨变，掀起新一轮产业革命。
相比传统工艺，3D打印具备“去模具、减废料、降库存”优势，能优化结构、节约能源，实现“设计即制造”的创新理念。
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
3D打印的起源可追溯至1984年，美国科学家Charles Hull发明了立体光固化成型技术（SLA）。随后，选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）等技术相继涌现，推动制造进入全新维度。
进入21世纪，3D打印迎来爆发式增长，各类细分工艺层出不穷，与传统制造形成完美互补，满足行业特定需求。
3D打印方法分类
根据ISO/ASTM标准，3D打印主要分为七大类，每种技术都闪耀着独特的智慧火花。
一、材料挤出型
Material extrusion
想象一下，像挤牙膏一样精准堆积材料！熔融沉积成型（FDM）便是典型代表：热熔材料通过喷嘴挤出，逐层沉积成型。它常用聚合物如PLA、TPU，成本低廉且强度高，但精度稍逊。
优点：设备耗材便宜、材料广泛、成品坚固。
缺点：表面粗糙、精度有限。
二、光聚合成型
Vat photopolymerization
利用光固化液态树脂，从点到面构建精密物体。立体光刻（SLA）用激光逐点扫描，而数字光处理（DLP）则整面曝光，效率更高。成品表面光滑，但材料受限、性能偏弱。
优点：精度极高、表面细腻、效率出众。
缺点：材料范围窄、强度较低。
三、定向能量沉积型
Directed energy deposition
如同微雕艺术，用高能光束熔化材料并即时沉积。激光同步送粉和电子束熔丝沉积（EBDM）多用于修复或构建金属部件，灵活高效，但表面需再加工。
优点：无需支撑、灵活性高、适合修复。
缺点：精度受限、需后处理、难做复杂结构。
四、材料喷射型
Material jetting
2D喷墨打印的三维升级版！通过喷射光敏液滴并紫外固化，实现全彩精准打印。连续材料喷射（CMJ）、纳米颗粒喷射（NPJ）等技术，让原型兼具美学与速度，但成本高昂且需后处理。
优点：高精度全彩打印、速度快、外观美。
缺点：材料有限、价格昂贵、需去除多余材料。
五、粘合剂喷射成型
Binder Jetting
也称微喷射粘结成型（3DP），用粘合剂“胶合”粉末成型。像沙堡筑造，层层粘合陶瓷或聚合物粉末，效率高且无需支撑，但成品粗糙，金属陶瓷需烧结强化。
优点：效率极高、可多色打印、无支撑结构。
缺点：表面粗糙、致密度低、后处理复杂。
六、粉末床熔融成型
Powder bed fusion
在粉末床上用激光或电子束熔化烧结，直接制造金属部件。选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）等技术，精度高超，适用钛、铝等材料，但成本高、速度慢。
优点：精度高、材料多样、适合金属打印。
缺点：成本昂贵、易翘曲、速度较慢。
七、片材层压型
Sheet lamination
将材料切割后粘合，从纸到金属皆可成型。分层实体制造（LOM）用胶水和刀切割纸张，而超声波增材制造（UAM）低温焊接金属片，速度快、变形小，但强度各向异性。
优点：速度快、精度高、翘曲小。
缺点：粘接差、强度不均、材料利用率低。
应用实例
3D打印正为各行业赋能，覆盖航天、汽车、医疗、文创等领域，催生无限创意。
图3：深蓝火箭试验飞行
在航空能源领域，美国Arris与空客合作，批量3D打印碳纤维支架；索尔维与9T Labs联手，推动碳纤维部件量产。国内，重庆壹零空间用3D打印姿控系统飞行，深蓝航天实现液体火箭回收试验，彰显中国速度。
在医疗假体方面，从骨科假肢到眼部仿生，3D打印不断突破。德国Fraunhofer研究所的3D打印假眼，已迈向临床商业化，为患者带来新生。
随着需求挖掘和政策引导，3D打印应用将更深更广。
图4：3D打印仿生眼球
诞生仅三十余年，3D打印已引领制造革命。作为“互联网+智能制造”的核心，它完美融合定制与量产，创造力无限。产业正值成长期，全球产值预计2026年达372亿美元。实现精密化、智能化、通用化仍是关键课题。这场变革浪潮中，你是否已准备好？关注我们，探索3D打印前沿动态，共同塑造智能制造未来！
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
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