1.2　3D打印技术原理

3D打印技术出现在20世纪90年代中期，是利用光固化和层叠等技术的最新快速成形技术。它与普通打印工作原理基本相同，打印机内装有液体或粉末状“打印材料”，与电脑连接后，通过电脑控制把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。说简单一点，3D打印就是断层扫描的逆过程。断层扫描是把某个物体假想切成无数叠加在一起的片，3D打印就是将这一片一片打印出来，同时叠加在一起，最终形成一个立体物体。3D打印时，软件通过计算机辅助设计（CAD）完成一系列数字“切片”，并将这些切片的信息传递给3D打印机，由它将薄型层面堆叠在一起，直至所要打印的固态物体成形。3D打印机与传统打印机的区别就在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。

传统的“去材加工”机床是在做减材成形，即通过切削方式，如车、铣、磨等工艺方式将原材料上不需要的地方去掉，但在这个过程中会存在“伸不进、够不着”的问题。3D打印这种一层一层堆积起来做“加法”（增材制造）的工艺具有如下优势：不需要刀具、模具，所需要的工装、夹具大幅度减少；生产周期大幅度缩短；可制造出传统工艺方法难以加工，甚至无法加工的结构；材料利用率也大幅度提高。因此，3D打印特别适合复杂结构的快速制造、个性化定制、高附加值的产品制造。同时，由于可以生成任意复杂结构、形状的产品，在零部件设计上可以采用最优结构设计，而不需考虑加工问题，解决了复杂精细零部件的设计和制造难题。

3D打印有许多不同的技术。3D打印的主流技术包括FDM、SLA、SLS、3DP、LOM等。FDM是把塑料熔化成半融状态拉成丝，用线构建面，一层一层堆积起来；而光固化SLA是把本来液态的光敏树脂，用紫外线照射，照到什么位置，什么位置就从液态变成固态。SLS和SLA理论上是一样，不同之处就是SLS用激光烧结粉末，如尼龙粉、金属粉等。3D打印常用材料有尼龙玻璃纤维、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、橡胶类材料。表1.1是3D打印技术与材料对照表

表1.1　3D打印技术与材料对照表

1.2.1　三维建模设计

3D打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即切片，从而指导打印机逐层打印。

设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

1.2.2　切片处理

打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式黏合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以制造出任何形状的物品。

打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般厚度为100m，即0.1mm，也有部分打印机如Objet Connex 系列还有3D Systems' ProJet 系列可以打印出16m薄的一层。而平面方向则可以打印出与激光打印机相近的分辨率，打印出来的“墨水滴”的直径通常为50～100m。用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸及复杂程度而定。而用3D打印技术则可以将时间缩短为数小时，具体时间由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定。

传统的制造技术如注塑法可以较低的成本大量制造聚合物产品，而3D打印技术则可以更快、更有弹性、以更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的3D打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

1.2.3　完成打印

3D打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再进行表面打磨，即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。

有些技术可以同时使用多种材料进行打印。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。