1.1　3D打印成形技术

1.1.1　3D打印技术简介

3D打印技术是由三维模型驱动的快速制造三维实体的技术总称。它是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成形系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成形，制造出实体产品。与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产成品不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床及众多的人力，直接从计算机图形数据便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印机可以打印计算机设计的平面物品，普通打印机的打印材料是墨粉和纸张。而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料（属于实实在在的原材料）。3D打印机与计算机连接后，通过计算机控制可以把打印材料一层层叠加起来，最终把计算机上显示的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，如打印出机器人、玩具车、各种模型，甚至食物等。

3D打印技术将是新的工业革命的核心，是产品创新和制造技术创新的共性使能技术，并深刻改革制造业的生产模式和产业形态。有学者提出3D打印将带来第三次工业革命，将形成多品种、小批量、定制式的新型生产模式。3D打印既是制造工艺的原理创新，也是应用数字化技术的产品创新，将可能改变整个制造业的面貌。3D打印是增材制造方法的新发展，能大大提高新材料的成形能力。3D打印机是制造业数字化的典型代表，特别适用于个性化定制生产；3D打印机是产品创新的一种高效共性使能装备；3D打印机可能成为生命科学最有效的装备之一。在第三次工业革命中，生命科学的发展占有十分重要的位置，例如制造人体活器官的组织工程研究，在此项研究中如何构成所需的复杂多孔3D支架，以及如何注入人体种子细胞是组织工程的关键所在。目前出现的3D生物打印机，可以进行细胞/器官打印工艺，期待成为未来人体器官制造的重要装备。

1.1.2　3D打印技术分类

3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing，AM）的主要实现形式。“增材制造”的理念区别于传统的“减材制造”（Subtractive Manufacturing，SM）。传统制造一般是在原材料基础上，使用切削、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品。而“增材制造”与之截然不同，无需原坯和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过增加材料的方法生成任何形状的物体，简化了产品的制造程序，缩短了产品的研制周期，提高了效率并降低成本。

3D打印是增材制造的统称，可以概括为几种不同的成形工艺，如表1-1所示。其中前五种是根据增材制造初期出现的子技术（快速成形）产生和发展的工艺；后两种是根据增材制造当今发展的子技术（3D打印）产生的工艺。

按照采用材料形式和工艺实现方法，可将3D打印技术分为如图1-1所示的五大类。

1.1.3　三维建模与3D打印成形技术

3D打印技术是产品数字化设计技术的典型应用。没有数字化设计技术的发展，不可能实现3D打印技术。三维CAD模型是3D打印的基础和前提，3D打印所需的CAD造型有两种设计方法：一种是实体造型设计；另一种是曲面造型设计。建模只是设计从概念或想法到实体的中间过程，它把概念或想法赋予可视化的形体，在此过程中离不开人的思考或抽象，创意或创新的形成需要设计者完成。

3D打印机成形工件的全过程包括：用CAD软件设计产品的数学模型，或通过3D数字扫描机和反求软件建立产品的数学模型；将产品的数字模型输入3D打印机，在计算机的控制下，实现产品的无模自由成形。