3D打印概述
3D打印是一种增材制造技术，相对于传统的等材制造（注塑等）和减材制造（车、铣、磨等），增材制造是一种自下而上的材料累加的制造工艺。3D打印的工作原理与喷墨打印类似，区别仅限于材料和数量，3D打印使用的不是墨水，而是成品所需的材料，3D打印过程包含若干甚至成千上万个喷墨打印过程。事实上，3D打印是从1976喷墨打印机诞生之后，一直到了1984年，随着喷墨打印技术的发展和进步，才促使3D打印技术从使用墨水阶段演变到使用各种材料阶段。此后又经数十年，3D打印技术依托信息技术、精密机械、材料科学等多学科领域的顶尖技术，不断发展和完善，在不同行业中的各种应用不断发展，成为了当今最热门的前沿技术之一。

3D打印技术本质上是一种数字化的新兴制造技术，它是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料树脂、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。由于这种技术加工过程不需要模具，理论上可制造形状近似无限复杂的零件。更为重要的是，3D打印也让设计师从传统加工方法的束缚中解放出来，设计出更多新奇、功能更强、更优化的产品，实现设计思路的转变。这将给医疗、消费品、工业、航空航天、汽车、模具等行业带来变革。3D打印技术免除了传统工艺需要多道加工程序的繁琐工程，增材制造的加工方式可以迅速、精确地制造出产品，更使得产品具有更精密的物理属性，它可以改变过去的流水线生产模式，降低企业对劳动力和生产空间的依赖，对产品的加工模式产生了强烈的冲击和革命性的影响。2012年美国奥巴马将增材制造技术列为国家15个制造业创新中心之一，英国著名杂志《经济学人》也发表专题报告《3D打印推动第三次工业革命》，推动3D打印发展的政治、经济力量正式形成。

3D打印的主要类型和原理
目前，已经有了很多种类的3D打印技术，形成了丰富的打印工艺及打印设备，在此主要介绍熔融沉积快速成型、光固化成型、选择性激光烧结、分层实体制造的技术原理。

3D打印核心技术研究进展
3D打印的材料多为高分子材料。用于熔融沉积成型的高分子材料多为热塑性高分子材料，主要有聚乳酸（PLA）、聚碳酸酯（PC）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）等，这类聚合物一般具有优良的加工性能，将材料改性后可以有效提高其力学性能、尺寸稳定性等。用于立体光固化成型的材料主要是光敏树脂。用于选择性激光烧结技术的主要是金属和高分子粉末材料。

PLA材料来源广泛、成本低、易加工，具有优良的生物相容性，可降解性和低生物毒性，但直接用于3D打印具有质脆和复合强度低的缺点，提高PLA的性能重点是提高材料本身的韧性。张向南将PLA和不同的刚性添加粒子、增韧剂及协同增韧剂进行熔融共混，大大提高PLA的韧性。汤一文在PLA中分别添加了无机增韧剂和有机增韧剂，不仅可以提高PLA的刚性，还可以一定程度上提高PLA的韧性。改性后的PLA用于3D打印，可保证产品的尺寸稳定性，不易发生尺寸收缩和翘曲变形。

PC在3D打印时受到高温容易释放出双酚A，应用于医疗和食品等行业会对人体产生危害。2014年，我国傲趣电子科技有限公司利用德国拜耳集团生产的食品级PC制备了线材，在255-280℃下熔融压延，在120-150℃的打印平台上进行成型，所得的3D打印模型尺寸稳定性高，并且这种食品级的PC不含双酚A，可用于医疗和食品行业。

ABS树脂的尺寸稳定性低，在打印过程中容易发生翘曲变形和尺寸收缩，且不能生物降解。为提高ABS树脂的尺寸稳定性，方禄辉将苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段聚合物（SBS）与ABS树脂进行掺杂，当SBS质量分数为10%时可制备出满足3D打印的ABS树脂，并且弯曲强度和拉伸强度均可保持在纯ABS树脂的80%-85%，进一步加入增塑剂和共混增容剂，还可以提高其韧性，从而成功应用于熔融沉积3D打印。Weng Zixiang制备出了纳米有机蒙脱石复合ABS材料，并将其应用于熔融沉积成型3D打印技术，与传统的ABS树脂相比，该ABS纳米复合材料的力学强度提高了约43%。

光敏树脂用于光固化3D打印中，主要由单体、预聚物和光引发剂组成，在光照条件下聚合单体或预聚物发生进一步聚合或固化，从而实现立体成型。光敏树脂改性后需要使打印工件具有较高的力学性能和尺寸稳定性能。刘甜通过对温度、催化剂浓度及种类的优化，利用丙烯酸和二缩水甘油醚制备了低粘度的预聚物，并将其应用于立体光固化3D打印，所得物件尺寸误差可控制在5%以内。唐富兰利用自由基和阳离子制备了混杂型光敏树脂，并利用纳米二氧化硅对其进行改性，改性后的光敏树脂用于立体光固化后所得物件的力学强度和尺寸稳定性都得到了提高。Carbon公司的CEO Joe Desimone的同门师弟海伦在美国弗吉尼亚理工大学博士毕业后，2016年回北京创办了塑成科技。塑成科技针对光固化3D打印市场材料普遍存在的包括硬度、抗拉伸强度、耐磨程度、耐温性等方面的问题，研发具备功能性的新型材料。

应用于3D打印的高分子粉末主要由尼龙、PC、聚烯烃等粉末材料，为满足打印构件强度和尺寸精度，一般要求高分子粉末具有烧结温度低、强度高、尺寸稳定性高、流动性好、内应力小等特点。徐林利用碳纤维素增强尼龙12粉末材料，在3D打印过程中，产品的强度和弹性模量都得到了提高。另外，通过不同方法得到聚乙烯和聚丙烯粉末材料以及与其它粉末材料共混的材料均具有良好的烧结性能，并且具有优异的力学性能和尺寸稳定性，可广泛应用于高精度产品的3D打印。

(节选自：《2016-2017感光影像学学科发展报告》）