1.1　3D打印成形技術

1.1.1　3D打印技術簡介

3D打印技術是由三維模型驅動的快速制造三維實體的技術總稱。它是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成形系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成形，制造出實體產品。與傳統制造業通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產成品不同，3D打印將三維實體變為若干個二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產，大大降低了制造的復雜度。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝、龐大的機床及眾多的人力，直接從計算機圖形數據便可生成任何形狀的零件，使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。

3D打印機與普通打印機工作原理基本相同，只是打印材料有些不同。普通打印機可以打印計算機設計的平面物品，普通打印機的打印材料是墨粉和紙張。而3D打印機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料（屬于實實在在的原材料）。3D打印機與計算機連接后，通過計算機控制可以把打印材料一層層疊加起來，最終把計算機上顯示的藍圖變成實物。通俗地說，3D打印機是可以“打印”出真實的3D物體的一種設備，如打印出機器人、玩具車、各種模型，甚至食物等。

3D打印技術將是新的工業革命的核心，是產品創新和制造技術創新的共性使能技術，并深刻改革制造業的生產模式和產業形態。有學者提出3D打印將帶來第三次工業革命，將形成多品種、小批量、定制式的新型生產模式。3D打印既是制造工藝的原理創新，也是應用數字化技術的產品創新，將可能改變整個制造業的面貌。3D打印是增材制造方法的新發展，能大大提高新材料的成形能力。3D打印機是制造業數字化的典型代表，特別適用于個性化定制生產；3D打印機是產品創新的一種高效共性使能裝備；3D打印機可能成為生命科學最有效的裝備之一。在第三次工業革命中，生命科學的發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，在此項研究中如何構成所需的復雜多孔3D支架，以及如何注入人體種子細胞是組織工程的關鍵所在。目前出現的3D生物打印機，可以進行細胞/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打印技術分類

3D打印是“增材制造”（Additive Manufacturing，AM）的主要實現形式。“增材制造”的理念區別于傳統的“減材制造”（Subtractive Manufacturing，SM）。傳統制造一般是在原材料基礎上，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，就能直接根據計算機圖形數據，通過增加材料的方法生成任何形狀的物體，簡化了產品的制造程序，縮短了產品的研制周期，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。其中前五種是根據增材制造初期出現的子技術（快速成形）產生和發展的工藝；后兩種是根據增材制造當今發展的子技術（3D打印）產生的工藝。

按照采用材料形式和工藝實現方法，可將3D打印技術分為如圖1-1所示的五大類。

1.1.3　三維建模與3D打印成形技術

3D打印技術是產品數字化設計技術的典型應用。沒有數字化設計技術的發展，不可能實現3D打印技術。三維CAD模型是3D打印的基礎和前提，3D打印所需的CAD造型有兩種設計方法：一種是實體造型設計；另一種是曲面造型設計。建模只是設計從概念或想法到實體的中間過程，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，創意或創新的形成需要設計者完成。

3D打印機成形工件的全過程包括：用CAD軟件設計產品的數學模型，或通過3D數字掃描機和反求軟件建立產品的數學模型；將產品的數字模型輸入3D打印機，在計算機的控制下，實現產品的無模自由成形。