浅谈3D打印技术及发展历程
1.3D打印概述
3D打印技术，是通过材料逐层增加的方式来制作三维实体的一类制造工艺的总称。实际上是早期的快速成型技术发展之后，因其中的一些工艺方法的成型过程类似于打印机的喷头喷射，为了便于对这类技术的理解并与当下流行的“3D”概念相契合而出现的一种俗称。由于该类技术是采用三维数模直接驱动，同时层内材料的分布与层间材料的堆积从原理上以及一些工艺方法的建造方式上都可以进行离散化控制，因此该项技术又被称为数字化成型与制造。与传统的利用刀具机加工去除材料方式相比，基于离散、堆积原理的3D打印技术在产品制造过程中具有高度的柔性，能够轻而易举地“打印”出内部镂空以及其他采用刀具无法加工的复杂或特殊结构。与铸造、锻压、注塑等材料凝固及塑性变形工艺相比，3D打印技术不需要特定的模具及较长的工艺流程，产品制造过程快速、便捷，对于小批量尤其是单件产品的制造，具有显著的时间和成本优势。3D打印技术颠覆了设计者在以往的产品外观和结构设计中受限于加工工艺可行性的思维模式，也弥补了传统的加工制造生产方式在多品种、小批量、快改型生产模式下的不足。
3d打印未来发展方向
3D打印技术的产生来源于20世纪80年代末消费者对制造业产品快速更新的市场需求，20世纪90年代中后期医学领域的应用提高了3D打印技术的精度和质量，21世纪初金属制品3D打印技术的逐渐成熟及其在医疗与航空航天领域的应用，突破了3D打印技术多年来在高性能产品方面的局限。近年来，在文创领域的应用以及政府与传媒的热推，使得3D打印技术广为人知；在生物工程领域的应用，尤其是成功“打印”出人体组织与器官，引起了人们对3D打印技术的无限遐想。
3D打印技术这种采用材料堆积方式制造三维实体的思想可以追溯到100多年前的地形地貌图的制作。早在1892年，J.E.Blanther在其美国专利中曾建议用叠层的方法来制作地图模型。该方法指出将地形图的轮廓线压印在一系列的蜡片上并沿轮廓线切割蜡片，然后堆叠系列蜡片产生三维地貌图。1977年，W.K.Swainson在他的美国专利中提出，通过选择性的激光照射光敏聚合物来直接制造塑料模型。1988年，美国3D Systems公司制造出首台商品化3D打印设备——SLA—250光固化快速成型机。随后几年间，美国Helisys公司和Stratasys公司分别推出纸材粘结成型叠层实体制造设备和丝材熔融沉积成型设备；德国EOS公司和美国DTM公司推出粉末激光烧结设备。这四种3D打印工艺技术（当时被称为快速原型与制造）在20世纪80年代末与90年代初相继推出，在随后的10年间受到工业界广泛的重视并迅速发展。
在上述经典的四种3D打印技术稳步发展之际，其他基于离散、堆积原理的成型方法的研究也一直比较活跃。其中由麻省理工学院Jason Grau等研发的三维打印喷涂粘结工艺发展较为迅速，其成型过程类似于喷墨打印机的工作原理，以喷头作为成型源，所不同的是喷头喷出来的不是传统喷墨打印机的墨水，而是粘结剂，喷出的粘结剂将粉层粘结成型。该工艺方法后来被美国的ZCorp公司商品化，推出了ZPrinter系列设备。与此前的四种3D打印工艺方法相比，三维喷涂粘结工艺由于不需要激光器从而使建造过程相对简单且成本较低，尤其是该方法能够打印出彩模型，引起人们的广泛关注，也将3D打印技术的应用由原来集中在制造业领域而推广到建筑、文创等对彩模型有需求的领域，使3D打印技术走近了人们的日常生活。后来，基于类似的三维打印原理，以列Objet公司采用PolyJet技术，推出采用喷头直接喷射成型材料的系列3D打印设备。上述三维喷涂粘结成型与三维喷射成型被统一称为三维打印工艺，成为继四种典型3D打印工艺之后的第五种得到广泛认可和应用的3D打印技术。
2.3D打印的发展
2000年以来，典型的3D打印工艺方法经历了不同的发展和变迁。
1）光固化成型工艺继续发挥其模型精细的优势，随着不同特性的光敏材料的推出，也逐渐
提高和拓展了光固化模型的性能和应用范围。同时，通过控制光子的发射，该工艺方法还可以实现微米级结构的微光固化成型。
2）粉末激光烧结工艺，因为粉料来源较多，粉状材料制备相对容易，其应用领域也在逐渐发展。通过树脂砂烧结直接成型铸造用砂型，通过PS粉或蜡粉烧结直接成型熔模铸造消失型，通过陶瓷粉烧结直接成型陶瓷壳等方法在铸造领域的应用发挥了独特的优势。同时，该工艺方法的一个突出发展方向是采用金属粉烧结成型金属制品。
3）丝材熔融沉积成型工艺，因为不使用激光器而采用热熔挤出头，成型源的成本大幅降低，丝材熔化、凝固为物理过程，其环境友好，且可以小型化到办公室桌面，因此在发展其工业级设备的同时，随着3D打印技术逐渐广为人知且各行各业以及个体爱好者对3D打印技术需求的增长，基于熔丝成型的个人桌面级3D打印机成为开发和应用的热点。
4）叠层实体制造工艺方法推出时一般选用纸材，因其模型应用范围较窄而逐渐受到冷落，目前由以列Solido公司最先推出的塑料薄膜粘结成型小型打印机仍在应用和发展中。而三维打印成型工艺早期的代表商，美国的ZCorp公司和以列的Objet公司分别被3D打印技术著名制造商美国的3D Systems公司和Stratasys公司收购，继续进行开发。
3.结论
经过多年关于材料—组织结构—性能及成型工艺参数的研究与应用积累，金属制品的3D打印技术也得到了质的飞跃。基于铺粉的粉末激光烧结熔化成型和基于送粉的激光熔覆成型分别在医疗领域和航空航天领域得到了标志性的应用，提高了3D打印技术的显示度。在上述各种3D打印工艺技术发展的同时，结合生物工程材料的开发，3D打印技术在医学植入体及可降解支架的制造方面也取得了成功应用，满足了医学与生物工程领域的个性化制作等需求。尤其是近年来，借助开发的生物打印机及活体细胞的培养，已经“打印”出来了皮肤、血管、耳朵等活体组织与器官，为3D打印技术造福于人类自身打开了一幅美好的远景。可以预见，3D打印技术在未来必将会改变制造业的现有形态，必将会广泛走入我们的日常生活，必然会促进人类思维方式的转变，必将引领社会经济及人文发展的潮流。