1.1　3D打印成形技術(shù)

1.1.1　3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介

3D打印技術(shù)是由三維模型驅(qū)動(dòng)的快速制造三維實(shí)體的技術(shù)總稱。它是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成形系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成形，制造出實(shí)體產(chǎn)品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機(jī)械加工方式對(duì)原材料進(jìn)行定型、切削以最終生產(chǎn)成品不同，3D打印將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，通過對(duì)材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)，大大降低了制造的復(fù)雜度。這種數(shù)字化制造模式不需要復(fù)雜的工藝、龐大的機(jī)床及眾多的人力，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)便可生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。

3D打印機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印機(jī)可以打印計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的平面物品，普通打印機(jī)的打印材料是墨粉和紙張。而3D打印機(jī)內(nèi)裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料（屬于實(shí)實(shí)在在的原材料）。3D打印機(jī)與計(jì)算機(jī)連接后，通過計(jì)算機(jī)控制可以把打印材料一層層疊加起來，最終把計(jì)算機(jī)上顯示的藍(lán)圖變成實(shí)物。通俗地說，3D打印機(jī)是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備，如打印出機(jī)器人、玩具車、各種模型，甚至食物等。

3D打印技術(shù)將是新的工業(yè)革命的核心，是產(chǎn)品創(chuàng)新和制造技術(shù)創(chuàng)新的共性使能技術(shù)，并深刻改革制造業(yè)的生產(chǎn)模式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)。有學(xué)者提出3D打印將帶來第三次工業(yè)革命，將形成多品種、小批量、定制式的新型生產(chǎn)模式。3D打印既是制造工藝的原理創(chuàng)新，也是應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)的產(chǎn)品創(chuàng)新，將可能改變整個(gè)制造業(yè)的面貌。3D打印是增材制造方法的新發(fā)展，能大大提高新材料的成形能力。3D打印機(jī)是制造業(yè)數(shù)字化的典型代表，特別適用于個(gè)性化定制生產(chǎn)；3D打印機(jī)是產(chǎn)品創(chuàng)新的一種高效共性使能裝備；3D打印機(jī)可能成為生命科學(xué)最有效的裝備之一。在第三次工業(yè)革命中，生命科學(xué)的發(fā)展占有十分重要的位置，例如制造人體活器官的組織工程研究，在此項(xiàng)研究中如何構(gòu)成所需的復(fù)雜多孔3D支架，以及如何注入人體種子細(xì)胞是組織工程的關(guān)鍵所在。目前出現(xiàn)的3D生物打印機(jī)，可以進(jìn)行細(xì)胞/器官打印工藝，期待成為未來人體器官制造的重要裝備。

1.1.2　3D打印技術(shù)分類

3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing，AM）的主要實(shí)現(xiàn)形式。“增材制造”的理念區(qū)別于傳統(tǒng)的“減材制造”（Subtractive Manufacturing，SM）。傳統(tǒng)制造一般是在原材料基礎(chǔ)上，使用切削、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品。而“增材制造”與之截然不同，無需原坯和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的制造程序，縮短了產(chǎn)品的研制周期，提高了效率并降低成本。

3D打印是增材制造的統(tǒng)稱，可以概括為幾種不同的成形工藝，如表1-1所示。其中前五種是根據(jù)增材制造初期出現(xiàn)的子技術(shù)（快速成形）產(chǎn)生和發(fā)展的工藝；后兩種是根據(jù)增材制造當(dāng)今發(fā)展的子技術(shù)（3D打印）產(chǎn)生的工藝。

按照采用材料形式和工藝實(shí)現(xiàn)方法，可將3D打印技術(shù)分為如圖1-1所示的五大類。

1.1.3　三維建模與3D打印成形技術(shù)

3D打印技術(shù)是產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的典型應(yīng)用。沒有數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，不可能實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)。三維CAD模型是3D打印的基礎(chǔ)和前提，3D打印所需的CAD造型有兩種設(shè)計(jì)方法：一種是實(shí)體造型設(shè)計(jì)；另一種是曲面造型設(shè)計(jì)。建模只是設(shè)計(jì)從概念或想法到實(shí)體的中間過程，它把概念或想法賦予可視化的形體，在此過程中離不開人的思考或抽象，創(chuàng)意或創(chuàng)新的形成需要設(shè)計(jì)者完成。

3D打印機(jī)成形工件的全過程包括：用CAD軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型，或通過3D數(shù)字掃描機(jī)和反求軟件建立產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型；將產(chǎn)品的數(shù)字模型輸入3D打印機(jī)，在計(jì)算機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的無模自由成形。