揭秘3D打印：从科幻到现实的飞跃
撰稿 | 关耳（季华实验室）
嘿，你是否还记得2012年那部由成龙主演的《十二生肖》？电影中有一个震撼场景：通过扫描并瞬间复制三维兽首，展现了未来技术——3D打印的惊人潜力！而今天，这项技术已不再是科幻，正以雷霆之势改变我们的世界。
就在去年，我国成功完成首次太空3D打印，为空间站扩建注入强大动力；更有先锋企业宣布，将用3D打印制造整枚火箭，计划2022年发射！这一切都证明，3D打印正以爆炸式速度重塑制造业格局。
图1：3D打印技术
3D打印，又名增材制造（Additive manufacturing），是一种以数字模型为蓝图，将材料逐层堆叠成实体的尖端技术。它被誉为“未来经济12大颠覆技术”之一，是第三次工业革命的核心引擎，正推动制造业从传统走向智能，引爆全球技术革新浪潮。
与传统工艺相比，3D打印具备“去模具、减废料、降库存”三大优势，能极致优化结构、节约资源，大幅提升效率，真正实现“设计即制造”的梦想。
图2：通用3D打印流程
图源：Zhang et al. ACM Trans. Multimedia Comput. Commun. Appl. 2015, 12, 2
发展历程
回望历史，3D打印的萌芽可追溯至1984年，美国科学家Charles Hull发明了光固化成型技术（SLA）。随后，选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、微喷射粘结成型（3DP）等技术相继涌现，开启制造新纪元。
进入21世纪，3D打印技术爆发式突破，全球进入高速发展期。各类细分工艺层出不穷，精准对接行业需求，与传统制造形成强力互补。
3D打印方法分类
依据ISO/ASTM 52900:2015标准，3D打印工艺主要分为七大流派，各显神通。
一、材料挤出型
Material extrusion
通过喷嘴精准沉积材料。代表技术熔融沉积成型（FDM），是最亲民的打印方式。加热丝状材料（如PLA、TPU、ABS）至熔融状态，从喷头挤出逐层堆积成型。
优点：成本低、材料广、强度高。
缺点：精度不足、表面粗糙。
二、光聚合成型
Vat photopolymerization
利用特定波长光固化液态树脂。分为立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP）：SLA用激光逐点扫描，DLP整面曝光，效率更高。
优点：精度高、表面光滑、速度快。
缺点：材料受限、性能偏弱。
三、定向能量沉积型
Directed energy deposition
聚焦高温熔化材料并实时沉积。如激光同步送粉（LENS）和电子束熔丝沉积（EBDM），专长于修复或构建大型部件，灵活度极高。
优点：无需支撑、灵活加工、高效修复。
缺点：表面精度低、需后处理、难复复杂结构。
四、材料喷射型
Material jetting
宛如2D打印的立体升级版。通过电场控制微滴喷射（如CMJ、NPJ、DOD），紫外光固化，实现全彩精密打印。
优点：高精度、全彩快速、美学出众。
缺点：材料少、成本高、需后处理。
五、粘合剂喷射成型
Binder Jetting
又称微喷射粘结成型（3DP），通过喷射粘合剂固化粉末。层层粘结，堆叠成体，金属/陶瓷件需烧结增强。
优点：效率高、多色打印、无支撑。
缺点：表面粗糙、密度低、后处理复杂。
六、粉末床熔融成型
Powder bed fusion
高能束（激光/电子束）熔化粉末床，直接成型金属件。代表技术SLS、SLM、EBSM，精度卓越，适用钛、铝等高端材料。
优点：精度高、材料多、强度好。
缺点：成本高、易翘曲、速度慢。
七、片材层压型
Sheet lamination
切割并粘结片材（如金属、纸）成型。分层实体制造（LOM）和超声波增材制造（UAM）为代表，低温工艺保护敏感材料。
优点：速度快、精度高、变形小。
缺点：粘接弱、各向异性、材料利用率低。
应用实例
在研发浪潮推动下，3D打印以创新为核心，全面赋能航天、军工、汽车、医疗、文创、建筑等领域，展现颠覆性价值。
图3：深蓝火箭试验飞行
航空能源领域，美国Arris与空客合作，批量生产轻量碳纤维支架；索尔维携手9T Labs，推动3D打印部件量产化。国内，《中国制造2025》政策加持下，3D打印助力商业火箭腾飞——2021年，重庆壹零空间、深蓝航天相继实现3D打印动力系统飞行试验，开辟火箭制造新赛道。
医疗假体领域，从骨科、假耳到眼部假体，技术不断突破。2021年底，德国弗劳恩霍夫研究所成功临床3D打印假眼，预示商业化浪潮来临。
随着需求深化、政策支持及标准完善，3D打印的应用疆域将持续爆炸式扩张。
图4：3D打印仿生眼球
短短三十余年，3D打印已掀起全球制造革命。作为“互联网+智能制造”的典范，它完美融合定制与量产，创造力无限。行业正值黄金期，2026年全球产值预计冲至372亿美元。面对精密化、智能化、通用化、便捷化的挑战，3D打印正不断进化，必将引领智能制造新纪元！
立即行动，探索3D打印的奥秘，共创制造未来！
参 考 资 料：
1. Jake Port. How does 3D printing work? , cosmosmagazine, 7 December 2021
2. 《3D打印与工业制造》——机械工业出版社
3. 2021年3D打印行业深度研究报告——西部证券
监制 | 赵阳
编辑 | 赵唯
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
来源：先进制造
编辑：Garrett
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