文章来源：上海硅酸盐研究所
3D打印技术是一种与传统的材料去除加工方法相反的，基于三维数字模型的，通常采用逐层制造方式将材料结合起来的工艺。因此，3D打印技术的特点是“分层制造、逐层叠加”，类似于积分过程。实际上，3D打印是一种快速成型技术，是一种较为成熟的工业制造方法。上世纪80年代，3D打印的概念已经出现，随后开始在实验室萌芽。近年来，随着社会的发展，人们对个性化的要求越来越高，都希望能够使用限量版、独一无二的产品。而3D打印在不增加制造成本的情况下，非常适合满足这类需求。因此，3D打印技术受到了包括《经济学人》杂志等的广泛追捧和看好。3D打印的潜能和应用领域也在快速扩大，从模型、生活用品到艺术品，甚至到航空航天零部件、医用生命体等都能发挥3D打印技术的创造性和独特性。
根据零件的形状，3D打印软件通过计算机辅助设计完成数字切片，每层切片截面类似于一张医学CT像片，软件将零件的切片信息传递给3D打印机，然后在计算机的控制下3D打印机按照接收到的信息逐层制造极薄厚度和特定形状的切片截面，再依次将截面粘结叠加，直到形成一个立体的固态零件。3D打印的过程（如图1所示），在XYZ三个方向同时实现增材制造，最终制备三维零部件。由此可见，3D打印技术与传统喷墨打印机最大的区别在于使用的“墨水”是组成零部件的真实原材料。
图1 3D打印的工作过程
目前，影响3D打印技术发展的因素主要有两方面：打印材料和设备。与设备的开发相比，新型打印材料的研发更具有难度。3D打印耗材与普通材料并不相同，需要经过特殊处理，能够满足固化反应速度高、快速精确成型、使用简便等要求，此外，不同的3D打印技术对耗材的要求也不尽相同。按照材料的化学性能不同，3D打印耗材可分为树脂类材料、工程塑料、陶瓷材料、金属材料、人造橡胶和石蜡材料等。3D打印材料目前的价格从几百块至四万块每千克不等，国内大部分耗材依赖进口。3D打印耗材一般为液态、粉状、丝状、片层状等，固化的方式有加热、降温、紫外线和激光烧结四种。目前，比较成熟的3D打印技术主要是熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结技术（SLS）、光固化成型（SLA）和分层实体制造（LOM）。
3D打印不仅能够按需定制、节省原材料，还可以在艺术领域发挥其独特的个性化魅力。3D打印技术在复杂结构、镂空花纹等领域的制造能力独一无二，能够将艺术家天马行空的想象变为现实。3D打印技术可以创造出以前在形状和尺寸上难以实现的雕塑作品，在数字建模的基础上，通过成千上万的逐层打印制造出三维实体（图2是利用3D打印技术制造的三维维纳斯雕塑）。对于复杂的镂空设计，3D打印实现了传统工业技术无法达到的境界，为艺术创造提供了广阔的想象空间（图3是利用3D打印技术实现的镂空花纹艺术作品的制造）。
图2 3D打印的雕塑维纳斯
图3 3D打印的镂空艺术品
3D打印的个性化日常用品不仅可以丰富人们的生活，还可以根据个人的习惯、爱好和身体特征制造生活用品。这就极大地提高了人们的生活质量和便利，为社会的发展和多样化提供了可靠保障。在不远的将来，人们可能不用再外出购物，只需要在家里打印日常生活用品。这不仅可以节约时间和金钱，还可以根据当时的需求和条件，打印一些创新性的居家用品，服务于一个特定的目的。比如，为了充分利用好最后一滴牙膏，可以利用3D打印机量身定制合适的牙膏推（具体如图4所示）。3D打印或将是一场潜在的变革，将会彻底改变人们的生活方式。在将来，人们可能不用去超市或者网店购买衣架、灯罩等生活用品，只需要购买设计即可，然后在家中或指定的机器中打印出来。3D打印在生活中的应用将会体现科学、实用和艺术的完美结合（图5是一台简易3D打印机正在利用塑料丝制造水杯）。此外，3D打印技术甚至可用于制造美食。美国康奈尔大学创新机械实验室一直处于3D打印食物的技术前沿，他们目前可以利用3D打印机制造任意美食（图6是利用3D打印技术制造的部分美食产品）。
图4 3D打印的牙膏推
图5 台式3D打印机正在逐层制造水杯
图6 3D打印的航天飞机奶酪、雀巢拖拉机巧克力、彩色糖果和鹰嘴豆糕
3D打印是材料、机械和信息技术集成发展的产物，在航空航天、汽车和生物医学等领域具有广泛的应用前景。3D打印技术目前在航空航天领域应用比较广泛，主要是由于三方面原因造成：第一，航空航天装备的外形和内部结构较为复杂，传统制造工艺难以精准加工；第二，3D打印可以轻松加工高熔点、高硬度的材料；第三，3D打印的产品十分接近使用要求，不需或者仅需少量的后续加工，能够缩短生产周期。因此，3D打印技术被用于开发复杂形状的航空航天零部件，或用于修复破损零部件。美国NASA于2014年向国际空间站发射了首套3D打印机，用以研究微重力环境下的3D打印技术，这对在外太空下实现3D打印具有重要意义（图7是太空3D打印机及其作品）。随着空间技术的发展，利用3D打印机可望实现在太空制造航天器整机，甚至利用太空垃圾制造空间探索装备的零部件。在将来的深空探测中，利用小行星，3D打印机可就地取材，制造宇宙飞船的零部件，并与机器人配合，建造太空中转站和人类定居点。毫不夸张地说，3D打印将开启太空时代，意义类似于18世纪的大航海时代（图8是利用3D打印机在月球上建立探测基地的效果图）。3D打印技术在医疗领域也具有十分广泛的应用前景， 3D打印技术能够实现因人制宜、就地制作、不限数量、节约成本，能够满足个性化、精准化的医疗需求。目前，3D打印主要用于医学领域的三个方面：第一，诊疗器械、医疗模型、假肢、助听器等无需留在体内的医疗器械；第二，各类合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材质的骨骼、软骨、牙齿等个性化永久植入体；第三，利用细胞等活性物质，经3D打印和培育，形成具有生理功能的组织器官（图9是3D打印的耳朵模型）。
图7 3D打印机在国际空间站及其打印的作品
图8 3D打印的探月基地效果图
图9 3D打印的人耳模型
3D打印技术是高端设计、特殊打印材料、专业设备和信息通讯技术等产业共同支撑融合的结果，将带来新的产品技术、制造技术和管理技术，实现远程定制、异地设计、就地生产和销售的市场模式，对经济、贸易、商业产生根本性的影响，从而最终成为第三次工业革命的核心力量。未来的社会，必将是多样化、个性化的组织结构，而3D打印能够推动这种潮流的发展，最终满足人们的个性化需求并提供社会进步的动力。