随着科技的日新月异，3D打印技术作为一项颠覆性的创新，正以前所未有的速度蓬勃发展。这项技术通过逐层堆积材料的方式，将数字模型直接转化为实体物品，极大地拓宽了制造业的边界。它不仅简化了生产流程，降低了复杂零部件的制造成本与时间，还使得个性化定制与快速原型制作成为可能。在医疗、航空航天、汽车制造、建筑设计、教育艺术等多个领域，3D打印技术正引领着一场深刻的工业革命，推动着社会生产力与创造力的双重飞跃。
1. 什么是3D打印技术
3D打印（3DP）即快速成型技术的一种，又称增材制造 ，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。
2. 3D打印技术的发展历程
2.1 早期探索与概念萌芽
在19世纪末至20世纪初，3D打印技术的雏形开始显现。1859年，法国雕塑家弗朗索瓦·威廉姆提出了多照相机实体雕塑的专利，为3D扫描技术奠定了基础。而1892年，法国人Joseph Blanther首次提出使用层叠成型方法制作地形图的构想，这标志着增材制造技术的基本原理初现端倪。
2.2 技术突破与专利涌现
在1980年代，3D打印技术开始进入人们的视野。其中，1986年是一个标志性年份，查尔斯·赫尔（Charles Hull）成功研发了立体光刻技术（SLA），并获得了相关专利。这一技术奠定了3D打印的基础，他也因此成立了3D Systems公司，这是世界上第一家生产3D打印设备的公司。同年，他还创造了如今广泛应用的STL文件格式。1987年和1988年，其他研究者也分别开发了选择性激光烧结（SLS）和熔融沉积成型（FDM）技术，这些技术都为3D打印的多样化应用提供了可能。
2.3 技术发展与商业化应用
进入1990年代，3D打印技术得到了进一步的发展。1993年，麻省理工学院（MIT）的伊曼纽尔·萨克斯（Emanual Sachs）教授发明了粉材喷液技术（3DP），该技术通过胶粘剂将金属、陶瓷等粉末粘合成型，进一步拓宽了3D打印的应用领域。与此同时，多家公司开始推出商业化的3D打印设备，如ZCorp公司在1995年从MIT获得3D打印技术的唯一授权，并开始开发3D打印机。
2.4 广泛应用与创新突破
进入21世纪，3D打印技术得到了更广泛的应用。除了工业设计、模型制作、原型制造等传统领域，它开始涉足医疗、航空、汽车、建筑等多个领域。例如，2010年世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世，展示了3D打印在交通领域的潜力。同时，随着消费级3D打印机的出现，普通用户也可以通过购买3D打印机来制造出自己想要的物品。
3. 3D打印技术的工作原理及工作流程
3.1基本原理
3D打印技术的核心在于“添加制造”，即逐层添加材料来构建物体，而非传统制造中的切削或刻蚀方式。这种技术允许设计师和工程师以极高的自由度创建形状复杂、结构独特的零件和产品。
3.2 工作流程
①建模：
使用计算机辅助设计（CAD）软件创建数字模型。这些模型可以是任何形状和大小的物体，代表了最终想要制造的产品的三维形态；另一种方式是通过3D扫描仪扫描现实物体，获取其三维数据并生成数字模型。
②切片：
将数字模型导入到切片软件中，软件会自动将模型切割成多个非常薄的二维截面（称为“层”）。这些层的厚度可以根据需要进行调整，通常是数十到数百微米的范围。切片软件还会为每一层生成打印路径，指导打印机如何逐层构建物体。
③打印：
将切片后的文件传输给3D打印机。打印机根据文件中的信息，逐层添加材料来构建物体。不同的3D打印技术使用不同的材料和打印方式。例如，熔融沉积成型（FDM）技术使用加热的塑料丝作为材料，通过喷嘴逐层堆积熔化的塑料；光固化成型（SLA/DLP）技术则使用紫外线光束逐层固化光敏树脂；而粉末烧结成型（SLS/SLM）技术则是通过激光烧结粉末材料来制造物体。
④后处理：
打印完成后，通常需要对物体进行后处理。这可能包括去除支撑结构（用于在打印过程中支撑悬空部分的临时结构）、清理打印表面、进行表面处理（如打磨、抛光）等步骤，以获得最终的成品。
4. 3D打印技术的特点
4.1 设计自由度高
3D打印技术几乎可以制造任何形状的三维物体，无需考虑传统制造中的模具、切削工具或组装限制。这种设计自由度极大地拓宽了设计师的创意空间，使得能够创造出更为复杂、个性化的产品。
4.2 材料多样性
3D打印可用的材料种类非常广泛，包括但不限于塑料、金属、陶瓷、复合材料以及生物材料等。这种材料多样性使得3D打印技术能够应用于不同领域，满足各种特定的性能要求。
4.3 快速原型制作
相比传统制造方式，3D打印技术能够更快速地制作产品原型。这对于产品设计和开发过程至关重要，因为它允许设计师在短时间内验证设计概念，并根据反馈进行快速迭代。
4.4 定制化生产
3D打印技术能够实现小批量甚至单件定制化生产，这对于满足消费者对个性化产品的需求具有重要意义。通过调整数字模型，可以轻松制作出具有独特外观或功能的产品。
4.5 节约材料和成本
在某些情况下，3D打印技术可以通过减少材料浪费和简化生产流程来降低成本。特别是在生产复杂形状或内部结构的产品时，传统制造方式可能需要更多的材料和加工步骤，而3D打印则可以通过直接打印所需形状来减少浪费。
4.6 高精度和高质量
现代3D打印技术能够实现高精度的打印效果，确保产品的尺寸精度和表面质量。这对于需要高精度部件的领域（如航空航天、医疗等）尤为重要。
4.7 环境友好
尽管在材料处理和后处理过程中仍需注意环保问题，但相比传统制造方式，3D打印在某些方面可能更加环保。例如，它减少了废弃物的产生和能源的消耗（特别是在小批量或定制化生产中）。
4.8 多学科交叉融合
3D打印技术的发展涉及多个学科领域的知识和技术，包括机械工程、材料科学、计算机科学、电子工程等。这种多学科交叉融合的特点促进了技术的不断创新和进步。
5. 3D打印技术在航空航天领域的应用
2023年3月，全球首枚“全3D打印火箭”发射，虽没能进入轨道，但首次向全世界展示了全3D打印的火箭可以承受最恶劣的轨道发射条件。对于增材制造行业以及对3D打印技术的应用来说，它无疑是一个重要的里程碑。
2023年，我国自主研发的国产大型客机C919顺利完成首次商业载客飞行。这架国产C919飞机中，应用了大量3D打印技术制造的零部件。同年，武汉天昱制造出3D打印的飞机起落架主体，其只需用到传统制造工艺的10%的材料。
2024年7月23日，嫦娥六号着陆过程中使用的发动机零件继续使用了3D打印技术制造。官方介绍在我国新研制的火箭发动机中，60%以上的零部件都可以通过3D打印来生产。
除此之外，我国3D打印技术的领军企业铂力特，成功助力了东方空间、星际荣耀、蓝箭航天等众多商业航天先锋企业的发射与飞行试验任务，实现了显著的技术突破与项目成功；华曙高科也凭借其出色的产品和服务，在包括航空航天国家队在内的多个重要项目中，以及深蓝航天等民营航天企业的系列关键任务中，实现了3D打印技术的批量应用。
