3D打印机如何工作？

3D打印已经风靡全球，事实证明在促进定制制造方面具有难以置信的影响力。轻而易举成为了我们这个时代最具革命性的创新之一，所以让我们首先了解一下原因。究竟是什么原因让3D打印似乎无处不在？

凭借众多用途和无尽潜能——随着技术专利到期，这些可能性还将不断增加——3D打印在过去几年里取得了突破性增长。如今广受欢迎的原因之一（除了科技感之外）是现代3D打印机入门上手更加简单。因此，居家办公的建模者或教职人员可以像大型制造商一样使用该技术。

不仅打印在生产越来越多的定制产品方面变得越来越快，而且科学家们不断想出巧妙的打印方法，并且结合多种材料。3D打印的开发必将具有商业潜力，可以在制造时节约成本，例如让假肢更便宜，量身定做的产品更舒适，以及加快备件的生产。

在本文中，我们将探讨什么是3D打印机以及它们的工作原理，同时还将讨论3D打印技术和应用，在介绍3D打印过程的关键步骤时为您提供一些背景知识。

虽然这一概念的开发——利用设备、工具、材料，以及用塑料丝或粉末生成几乎任何东西的想法——对许多人来说仍然是未来主义的天方夜谭，但3D打印不仅是令人兴奋的探索，而且容易掌握。

简而言之，该技术使用3D模型通过一系列技术，物理生成完整的3D物体，也被称为增材制造。用来解释3D打印的常见比喻是反向烘焙一条切片面包：想象一下，您正在单独烘焙每片面包，然后将它们粘在一起形成一整条面包，而不是常规做法：先烘焙一整条面包然后再切片。

现在您了解了基本概念，让我们深入了解细节！

这需要结合高质量的软件、适合的材料和工业级的工具才能凭空创建3D对象。为了了解这种组合究竟是如何运行的，让我们仔细看看3D打印过程的三个基本步骤：首先，您需要一个3D文件，可以通过下载、3D扫描或自行设计。接着，选择所需的3D打印技术。最后，将您的设计发送到3D打印机生成所需的物体。

让我们仔细了解一下这些步骤的细节。

3D建模和3D扫描

如何制作3D模型？至少有两种方案：使用3D建模软件，或通过3D扫描将现实世界的对象数字化。虽然这两种方案各有优缺点，但您的选择在很大程度上取决于项目的需要。如果您想更深入地研究该主题，请查看我们关于如何制作3D模型的指南。

顶尖的3D建模软件一大优势是其丰富的功能。作为一名专业人士，它可以帮助您创建可以想到的任何模型，从钟表的微型部件到围绕它的整个钟楼。这正是您凭空设计对象、对模型进行创意或获得无法扫描的对象模型所需要的。

在3D建模软件中设计自己的模型，最大优势是逼真的可视化、艺术表现力以及能够利用各个平台提供的3D素材库。这种方案也存在劣势，创建3D模型非常耗时，而且最终结果往往不准确。

不必担心——最近有另一种方案十分流行，尤其针对专业项目。这种替代方案就是3D扫描，能够将您现实世界中的物体、人，甚至整个建筑物、场景或环境精确地数字化。您可以轻松使用任何建模软件完善3D扫描：这种综合的工作形式大多涉及在CAD或雕刻软件中编辑3D扫描数据。作为一种独立方案，3D扫描广泛用于逆向工程、质量检测、医疗健康、文物保护等领域。

无论何种领域，在复制现有物体时，3D扫描将为您节省大量的时间和精力，更不用说如果使用专业的3D扫描仪替代传统的3D建模工具，将能达到更高的精度水平。

3D打印软件

当您的3D模型准备就绪，就可以开始打印了。这是3D打印软件大显身手的时候。软件通过对模型切片并将其发送到打印机，帮助您执行3D打印。

切片软件是3D模型和3D打印机之间需要的媒介。概括来说，“切片器”将您的文件翻译成3D打印机可以理解的格式和控制语言（对于大多数打印机来说，是G代码，而其他一些则以自有格式运行）。大量免费切片工具可满足家庭用户的需求。

这些程序被形象地称为切片器：导入模型并将其切成3D打印机工作所需的多个平面层。此类软件还能计算出最佳的打印机设置，例如层高、温度、打印速度，以及主要用于FDM的打印机最佳路径。

不同品牌的3D打印软件提供多样化的功能，包括切片、提供3D打印机的远程访问等等，以监测、控制和管理您的3D打印机并简化设备之间的通信。无论您喜欢哪一种，所有类型的3D打印软件都是整个生态系统必不可少的一部分。

对于有经验的用户和新手，无论是开源还是付费，都有许多选择。在过去几年，3D打印软件一直提供大量开发特性和新功能，因此您可以轻松找到适合无缝工作流程的合适工具。

3D打印技术

谈到实际的打印，有大量技术可供选择，令人眼花缭乱。这是一个有助于您快速理解的概述：

• 光聚合固化

1. 立体光固化成型
2. 数字光处理
3. 连续液面成型

• 材料喷射
• 粘合剂喷射
• 材料挤出

1. 熔融长丝制造
2. 熔融沉积成型

• 粉床融合

1. 选择性激光烧结
2. 直接金属激光烧结和选择性激光熔化
3. 多射流熔融
4. 电子束熔化

• 片材层压
• 定向能量沉积

光聚合固化

这种3D打印技术有多种工作流程，这些工作流程都有同样的核心概念：将液体光聚合物放置在液槽中，并通过光源选择性地固化，直到逐层构建固体3D对象。

基于立体光刻的Vat光聚合的衍生是数字光处理和连续液面成型。

立体光固化成型(SLA): 最早的3D打印技术至今仍是最广为人知的技术。SLA也称为光固化或树脂打印。是将液态树脂放入液槽中，由紫外线激光通过液槽的透明底部聚焦在树脂上。光束逐层固化树脂，固体物体逐渐呈现出所需的形状，并被升降平台拖上来。

数字光处理(DLP) 是一种液槽聚合物改动版。它与上述SLA相似，因为同样是将液体聚合物固化为3D结构；使用的光源是主要区别。DLP是使用数字光投影仪将光背投在整个平台上的图像，以层状的形式同时固化所有点。由于投影仪是数字屏幕，每一层图像都由像素组成，因此3D层状结构由称为体素的矩形立方体组成。

连续液面成型(CLIP) 是专利的3D打印方法，最初由EiPi Systems拥有，目前由Carbon3D开发。由于CLIP是从SLA发展而来的，有许多相似之处：液槽底部由能照射到紫外线的液体聚合物，然后将液槽中固化的3D物体慢慢升起。不同之处在于打印过程是连续的。通过液槽底部一个薄膜无聚合区域，即所谓的“盲区”的特殊透氧膜。这个含氧区有助于未固化的聚合物在生产部分和投影之间保持液态，同时也能够流入固化的区域。

材料喷射(MJ)

材料喷射是一种新生的3D打印技术，它使用紫外线固化液体光聚合物液滴来制造实体物体。这种方法可以很容易地与二维喷墨过程中的进程进行比较：在液体固化之前，它以非常小的液滴的形式喷射。MJ 3D打印机一次喷洒数百个聚合物液滴，一层又一层，直到零件完成。

粘合剂喷射(BJ)

粘合剂喷射是一种3D打印工艺，其中液体粘合剂被选择性地放置在一层金属、沙子、陶瓷或复合粉末颗粒上。为了形成一个固体零件，粘合剂喷射将打印头移到粉末床上，沉积粘合剂（简单地说就是胶水）的液滴，使粉末颗粒粘合在一起。每一滴粘结剂的直径约为80微米，因此分辨率很高。当该层完成后，粉末床向下移动，新的粉末层重新覆盖在之前打印层的表面。粘合剂的液滴再次沉积，这个过程重复进行，直到形成完整的零件。

材料挤出

这种方法使用热塑性材料的长丝，通过移动加热的打印机挤出机送入。材料被推过挤出机的喷嘴的过程中融化。挤出机按照预设的路径，将长丝沉积在构建的平台上，该平台也可以被加热以获得更好的附着力。当第一层完成后，下一层在它之上重复此过程，继续增长工件。当细丝冷却凝固时，物体就形成了。

熔融长丝制造(FFF)和熔融沉积成型(FDM): 材料挤出被广泛称为熔融长丝制造(FFF)，在3D打印爱好者中广受欢迎。相对的，熔融沉积建模是同一工艺的专利术语，由S. Scott Crum在1980年代发明，并在十年后由Stratasys商业化。随着该技术的专利到期，FDM已成为最便宜的——也是最可用和最容易获得的——3D技术。开源研发社区RepRap的出现，让FDM成为全球DIY人士们最喜爱的技术。材料挤压在工业上也用于制造具有复杂几何形状的零件。

粉床融合(PBF)

在3D打印过程中，热源有选择地将粉末颗粒在构建的区域内融合，形成固体部件，称为粉末床融合(PBF)。让我们了解一下不同种类的PBF。

选择性激光烧结(SLS): 使用的主要材料是聚合物粉末，它被加热并沉积在一个构建平台上。在这一步之后，一束二氧化碳激光扫描表面，选择性地烧结粉末。激光使整个横截面凝固，然后构建平台向下移动一层，为新的粉末层腾出空间。然后，物体的下一个横截面被再次烧结，并在最近的凝固层上再次烧结——这个过程重复进行，直到物体制造完成。作为收尾工作，该物体用加压空气进行清洗，并进行刷洗。

直接金属激光烧结(DMLS)和选择性激光熔化 (SLM): 基于几乎相同的原理，直接金属激光烧结（DMLS）和选择性激光熔化（SLM）专门用于生产金属零件。SLM被用来完全熔化金属粉末，如铝、不锈钢或钴铬，以形成固体物体，而DMLS不熔化粉末——相反，加热并在分子水平融合它们。DMLS对合金进行烧结，包括钛基合金。

多射流熔融(MJF): 多射流熔融(MJF)技术与上述方法略有不同：它不是在固体层上放置一个新的层，而是在前一层仍然处于熔化情况时添加新的制剂。从技术上讲，它使用喷墨阵列来涂抹助熔剂和细化剂，然后通过加热元件将它们融合成固体层。无需激光，因为细化剂是沿着特定轮廓喷射的。当物体完成后，粉末床被移到加工台，在那里大部分松散的粉末被集成的真空吸尘去除。与借助SLS制造的物体相比，这种技术提供了更高的密度和更低的孔隙率，从而为最终部件创造了一个更光滑的表面。

电子束熔化(EBM): 这项技术是另一种粉床融合方法。电子束熔化使用电子，即高能束，来熔化金属粉末的颗粒。SLM使用激光束作为能量来源，而EBM则使用电子束，其余过程非常相似。由于能量密度较高，EBM的速度要快得多，但其使用仅限于导电材料，如锆或钛。

片材层压(SL)

下一类3D打印技术是片材层压(SL)，也称为层压物体制造(LOM)。是由Helisys Inc.开发的快速原型制作系统，涉及通过热量和压力融合材料层（涂有粘合剂的纸、金属或塑料层压板）。该技术由总部位于以色列的Solido 3D推广，公司打印了由聚氯乙烯(PVC)和特殊粘合剂制成的部件。然后用激光或刀将融合层切割成所需的形状。基于纸张的Sheet Lamination技术尚未广泛应用，开发者正不断尝试以完善此方法。

定向能量沉积(DED)

一项较为复杂的3D打印工艺——定向能量沉积（DED），由于DED 3D打印机是需要更多空间、技术和控制的大型工业设备。通常用于修复现有的工业部件，如螺旋桨或涡轮叶片，或添加一种不同的材料，而不是从头开始制造新的部件。

这种方法涉及直接用激光或电子束熔化材料（主要是金属粉末或线源材料），同时通过可以在多个方向移动的喷嘴将其沉积到增长部件上。该部件通常在连续几层沉积之间的过程中进行3D扫描。

其中一些流行术语包括直接金属沉积(DMD)、激光工程净成形(LENS)、激光沉积焊接(LDW)、电子束增材制造(EBAM)和3D激光熔覆。

3D打印材料

现在您已经充分了解了3D打印机创建实体对象的过程，接下来可能您想知道常见的3D打印材料有哪些。简单来说，就是在3D打印机中作为“墨水”使用的材料。这些材料种类繁多，因此在为您的项目选择合适的材料时，需要考虑该对象的应用和设计。

下面是不同的3D打印技术中最常采用的打印材料的快速简介。值得注意的是，这些材料中有许多不仅仅局限于特定的3D打印技术。

立体平版印刷技术（SLA）:树脂

SLA、DLP、Multijet或CLIP等技术采用不同形式坚硬而精致的树脂。树脂或光聚合物本质上是可用于3D打印的液体，具有高强度耐化学性和低收缩性。与其他适用3D打印的材料相比，树脂有时在强度和柔韧性方面仍有局限，但仍有诸多的应用形式，具有多种光学、机械和热性能。由于树脂的高光反应性，通常需要更繁琐的存储，这也成为其中一个限制。

标准树脂作为最经济的SLA材料，能生产具有精细特征和光滑表面的高分辨率打印。广泛用于原型设计应用，这种半透明的材料提供了良好的细节水平，但在设计方面受限，因为在打印过程中需要为模型提供支撑架构。

工程树脂为工程专家提供适用于不同领域更广泛的材料选择。是具有坚固、快速、耐用和耐热等类型的树脂。这里众多的类型就不展开介绍了，但所有这些树脂都需要紫外线光照后固化才能充分发挥其机械性能。

熔融层积成型技术（FDM）: ABS，HIPS，HDPE，PLA，复合材料等等

丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）:一种常见的热塑性聚合物，用于制造乐高积木而闻名。“热塑性”这种材料在受热时会变成液态且柔韧（具有“玻璃转化”）。也就是说：ABS可以加热到熔点、易于成型并快速固化。应用广泛，相当坚韧（曾经踩过乐高积木？），并且完美地保留了色彩。作为一种无毒材料，同时防水和耐化学腐蚀。然而它也有一个缺陷，就是需要规避紫外线照射——这就是为什么不适合长时间在户外使用。

高抗冲聚苯乙烯（HIPS）:经常与ABS一起使用的易溶解的支撑材料，具有与其它3D打印材料搭档使用的特性。不过，它还是稍轻一些，更耐冲击，而且成本低。当用于支撑结构时，HIPS会瞬间溶解在d-Limonene中，从而可以准确去除支撑。这种材料易于打印，对于评估快速预生产原型大有裨益。

高密度聚乙烯（HDPE）:由乙烯单体制成的热塑性聚合物，名为高密度聚乙烯（HDPE），用于生产管道、土工膜、可回收塑料瓶和包装（回收标记2号），甚至是塑料木材。HDPE的熔点约为230摄氏度（446华氏度），有相当大的强度、密度比，有时可以取代ABS，用于制造更轻、更坚固、更灵活的部件。然而，这需要可控制的高温、加热的打印床和耐高温的挤出机。

聚乳酸（PLA）是一种高分子塑料，由甘蔗或玉米等农作物制成，是市场上最环保和最受欢迎的长丝之一：与ABS相比，这种材料价格低廉，可生物降解，更易于进行打印，且温度较低。缺点是，PLA的耐热性能较差，且易脆。PLA被称为桌面3D打印的首选材料，也被用于制造许多专业领域的部件。

复合材料通常将PLA、尼龙或PET基体与不同的颗粒或纤维结合在一起。简单来说，将这些材料结合起来利用其原有特性。例如，在经过一些精加工后，最终的3D模型可以拥有实木或金属的美感，而细丝仅包含约30%的木质或金属颗粒。添加颜色和调节试验温度也可以改变3D打印部件的最终外观。

复合材料的另一种类型是带有增强纤维的材料。这一类最常见的三种是碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉纤维。由于纤维又脆又薄，也被看作烹饪前的意大利面——不易于单独使用。然而，当与之称为基体的塑料混合时，却是在创造强大、轻量级的3D部件中必不可少的。

陶瓷:尽管3D打印通常与塑料、树脂和复合材料联系在一起，但陶瓷在3D打印材料中已经占据了一个特殊的位置。由于其耐用性、耐化学性、美观和质感特别吸引人，还具有喜人的成本效益了，陶瓷材料可用于3D打印任何东西，从工业零件到牙科植入物，再到餐具及艺术项目。陶瓷通常被分为传统陶瓷（由粘土制成——炻器、陶器和瓷器）和技术或工程陶瓷（常见的包括氮化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅和氧化铝）。通常，用陶瓷3D打印的物体就像传统的制陶工艺一样进行烧制和上釉。

选择性激光烧结（SLS）:尼龙和TPU

尼龙:是原型设计和终端生产的理想材料，是SLS的常用材料。由于坚固耐用，这种工程热塑性塑料适用于复杂的组装部件。当受到紫外线、高温、水和化学溶剂的作用时，也具有很高的抗性。尼龙是聚酰胺家族的一部分，与铝化物、碳或玻璃等材料组成的复合材料用途非常广泛，经常用于多种3D打印技术。

热塑性聚氨酯（TPU）:被称为热塑性弹性体（TPE）的塑料和橡胶的组合是制造柔性丝的材料。天然的弹性使这种材料能够轻松弯曲。热塑性聚氨酯（TPU）是最广泛使用的TPE类型，因此该术语通常指代整个类别。其橡胶特性使TPE成为许多项目的理想选择，从家用电器和医疗设备到印花服饰、玩具和手机壳。柔性长丝在冷却和凝固之前，几乎可以被塑造成任何形状，但它们也有一些缺陷。例如，这类材料可能很难打印，会出现拉丝或斑点。

选择性激光熔化（SLM）与直接金属激光烧结（DMLS）:金属粉末

极其细的金属粉末，如黄铜、青铜、钢或铜被注入金属丝中。金属粉末、聚乳酸和粘结聚合物的比例可能会有所不同，但这些长丝仍然比塑料重得多，尽管不如纯金属重。用这种材料打印的最终物品，尤其是在抛光后，会具有金属般逼真的外观和触感。例如，金属丝非常适合打印比实际青铜件轻巧许多的小雕像或雕塑。然而，这种材料往往比较粗糙，也就是说，在打印时需要使用耐磨喷嘴并且随时清理可能发生的堵塞。

近年来，为了将围绕3D打印的下一个大事件的兴奋点变为实用的现实生活，已经进行了大量研究和实践。从新兴技术发展到今天的制造工艺的过程中，该行业已然成熟了。在现代世界的实际应用似乎是无限的——从小工具和艺术品到飞机部件和移植器官。

除了作为企业简化原型技术的好方法之外，随着3D打印机的应用更加广泛，3D软件更加易于上手，增材制造现在与非专业用户的关系也更加紧密。3D打印深受设计师和DIY爱好者、教师和学生的欢迎，无需昂贵或复杂的工业级基础设备就可以创建定制产品。

那么，您可能想知道，为什么3D打印现在还没有像网上购物那样普及。尽管它深受欢迎，但该行业仍然面临一些障碍，包括预处理和后处理的成本，以及有限的材料选择。也就是说，设备和材料成本或缺乏内部专业知识等许多其他挑战在过去几年中已经产生了变化，突显了进一步发展的机遇。

3D打印已经为制造业、供应链和设计者带来的创新成绩是毋庸置疑的：在短时间内，该技术在多个行业取得了巨大飞跃，企业正朝着更智能、更快速、更高效和更环保的方向发展。

经济实用、提高生产力、为您打造完美产品——都是3D打印将持续发展的优势。随着其关联性的提高，3D打印可能会成为全球经济的驱动力。

待到那时，我们会说：我们早已预见。