1.1 3D打印技術的原理及優(yōu)勢

3D打印技術最早稱為快速成型技術或快速原型制造技術，是在現(xiàn)代CAD/CAM技術、機械工程、分層制造技術、激光技術、計算機數(shù)控技術、精密伺服驅(qū)動技術以及新材料技術的基礎上發(fā)展起來的一種先進制造技術，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵?，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等提供了一種高效低成本的實現(xiàn)手段。

不同種類的快速成型系統(tǒng)因所用成型材料不同，成型原理和系統(tǒng)特點也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是“分層制造，逐層疊加”，類似于數(shù)學上的積分過程。形象地講，快速成型系統(tǒng)就像是一臺“立體打印機”。3D打印工作原理是首先將物體的數(shù)據(jù)進行逐層切片，再構建每一層切片，一層一層地進行打?。淮蛴∵^程中，逐層將對象打印出來，層與層之間用不同方式進行粘合，最后逐層疊加形成完整物體。

從廣義上說，3D打印的完整流程主要包括五個步驟：

1）3D模型生成：利用三維計算機輔助設計（CAD）或建模軟件進行建模，或通過激光掃描儀、結(jié)構光掃描儀等三維掃描設備來獲取生成3D模型的數(shù)據(jù)，不同模型生成方法所得到的3D模型數(shù)據(jù)格式也會不同，有的格式可能是掃描所獲得的點云數(shù)據(jù)，有的格式可能是建模生成的NURBS曲面信息等。

2）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換：STL格式為目前3D打印業(yè)內(nèi)所應用的標準數(shù)據(jù)文件類型，需要將上述所得到的3D模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件。STL文件不同于其他一些基于特征的實體模型，它是一種將CAD實體數(shù)據(jù)模型進行三角化處理后的數(shù)據(jù)文件，是用許多空間三角形小平面逼近原始CAD實體模型。

3）切片計算：通過CAD技術對三角網(wǎng)格格式的3D模型進行數(shù)字“切片”，將其切為一片片的薄層，每層對應著將來3D打印的物理薄層。

4）打印路徑規(guī)劃：通過切片得到的每個虛擬薄層都反映著最終打印物體的一個橫截面，在以后3D打印過程中，打印機需要進行類似光柵掃描式填滿內(nèi)部輪廓，所以，具體的打印路徑需要規(guī)劃出來，并對其進行合理的優(yōu)化。

5）逐層打印制造：根據(jù)上述切片及切片路徑信息，3D打印機打印出每一個薄層并逐層疊加，直到最終打印完成整個物體模型。

圖1-1所示為3D打印技術的原理示意圖（以選擇性激光燒結(jié)技術SLS為例）。

與傳統(tǒng)制造技術相比，3D打印具有以下技術特點：

1）成本與產(chǎn)品的復雜度和多樣化無關。采用傳統(tǒng)制造技術，往往產(chǎn)品形狀越復雜，需要的加工工序越多，制造成本也越高。而3D打印技術采用材料逐漸累加的方法來制造實體產(chǎn)品，這一技術不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，在一臺設備上即可快速而精密地制造出任意復雜形狀的產(chǎn)品，因此3D打印的制造成本與產(chǎn)品復雜度無直接關系。

2）適合制造個性化、定制化產(chǎn)品。模具等傳統(tǒng)制造方式的優(yōu)勢是同質(zhì)化產(chǎn)品的批量制造，缺點是難以滿足人們的個性化、定制化產(chǎn)品需求。3D打印技術的出現(xiàn)大大降低了定制化制造門檻，具有任意復雜結(jié)構的產(chǎn)品都能夠用3D打印技術直接制造出來，從而使產(chǎn)品的個性化、定制化設計與生產(chǎn)成為可能。

3）3D打印技術大大降低了對制造人員的技能要求。對于傳統(tǒng)制造技術，制造人員需掌握一定的制造技能后才能夠上崗操作，而3D打印技術并不需要過多的人工干預，設備操作簡便，大大降低了對制造人員的技能要求。