3D打印机的技术原理、主要特点、操作流程、工作步骤、应用范围

3D打印机是一位名为恩里科•迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种神奇的打印机，它不仅可以“打印”出一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品。什么是3D打印机，3D打印机（3DPrinters）简称（3DP），2016年2月3日讯，中国科学院福建物质结构研究所3D打印工程技术研发中心林文雄课题组在国内首次突破了可连续打印的三维物体快速成型关键技术，并开发出了一款超级快速的连续打印的数字投影（DLP）3D打印机。对于3D打印机，你了解多少呢？下面贤小编为大家讲解一下关于3D打印机的知识，包括：3D打印机的技术原理、主要特点、操作流程、工作步骤、应用范围。

3D打印机原理图

3D打印机的技术原理

3D打印机又称三维打印机（3DP），是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体，现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术，3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。

1、有些3D打印机使用“喷墨”的方式，即使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质 喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理，之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆迭上来；

2、还有的使用一种叫做“熔积成型”的技术，整个流程是在喷头内熔化塑料，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层；

3、还有一些系统使用一种叫做“激光烧结”的技术，以粉末微粒作为打印介质，粉末微粒被喷撒在铸模托盘上形成一层极薄的粉末层，熔铸成指定形状，然后由喷出的液态粘合剂进行固化；

4、有的则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒，当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支撑物便可形成孔隙。

3D打印机的主要特点

1、3D打印带来了世界性制造业革命，以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现，而3D打印机的出现，将会颠覆这一生产思路，这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现；

2、3D打印无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体， 从而极大地缩短了产品的生产周期，提高了生产率，尽管仍有待完善，但3D打印技术市场潜力巨大，势必成为未来制造业的众多突破技术之一；

3、3D打印使得人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机，工厂也在进行直接销售，科学家们表示，三维打印机的使用范围还很有限，不过在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出更实用的物品；

4、3D打印技术对美国太空总署的太空探索任务来说至关重要，国际空间站现有的三成以上的备用部件都可由这台3D打印机制造，这台设备将使用聚合物和其他材料，利用挤压增量制造技术逐层制造物品，3D打印实验是美国太空总署未来重点研究项目之一，3D打印零部件和工具将增强太空任务的可靠性和安全性，同时由于不必从地球运输，可降低太空任务成本。

3D打印机的操作流程

三维打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，使用3D打印机的流程是：

1、轻点电脑屏幕上的“打印”按钮，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像；

2、而在3D打印时，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆迭起来，直到一个固态物体成型。

3D打印机的工作步骤

一、软件建模

1、先通过计算机建模软件建模，如果你有现成的模型也可以，比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等；

2、然后通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中，进行打印设置后，打印机就可以把它们打印出来；

3、3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样，都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等架构组成的，打印原理是一样的，3D打印机主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行打印输出；

4、3D打印与激光成型技术一样，采用了分层加工、迭加成型来完成3D实体打印，每一层的打印过程分为两步，首先在需要成型的区域喷洒一层特殊胶水，胶水液滴本身很小，且不易扩散，然后是喷洒一层均匀的粉末，粉末遇到胶水会迅速固化黏结，而没有胶水的区域仍保持松散状态，这样在一层胶水一层粉末的交替下，实体模型将会被“打印”成型，打印完毕后只要扫除松散的粉末即可“刨”出模型，而剩余粉末还可循环利用。

二、三维设计

1、三维打印的设计过程是：先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，即 切片，从而指导打印机逐层打印；

2、设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式，一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。

三、打印过程

1、打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体，这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品；

2、打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的，一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems’ ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层，而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率，打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米，用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定，而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。

3、传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。

四、制作完成

1、三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品；

2、有些技术可以同时使用多种材料进行打印，有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物。

3D打印机的应用范围

1、航天科技

GE中国研发中心的工程师们仍在埋头研究3D打印技术，就在这之前，他们刚刚用3D打印机成功“打印”出了航空发动机的重要零部件，与传统制造相比，这一技术将使该零件成本缩减30%、制造周期缩短40%。来不及庆祝这一喜人成果，他们就又匆匆踏上了新的征程。鲜为人知的是，他们已经“秘密”研发3D打印技术十年之久了。

2、音乐行业

为了探索3D打印机更多的应用，Rickard Dahlstrand使用Lulzbot 3D打印机创造出独特的艺术，在2013斯德哥尔摩艺术黑客节上，Lulzbot 3D打印机不仅为参加的艺术家和黑客们打印出艺术节的LOGO，而且作为一个表演项目，它还一边播放古典音乐一边相应地打印出可视化的音乐作品，Lulzbot 3D打印机打印可视化音乐的原理是：该步进电机的运动进行控制可以以不同的速度运行，声音的音调决定速度，从而音乐控制了打印过程，三台电机分别代表一个音轨，它们使用独特的模式运动，两个马达控制Z轴移动。

3、医疗行业

将来外科医生们或许就将可以在手术中现场利用打印设备打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用。这种神奇的3D打印机已经被制造出来了，而用于替代真实人体骨骼的打印材料则正在紧锣密鼓地测试之中。

4、文物行业

博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害，同时复制品也能将艺术或文物的影响传递给更多更远的人，史密森尼博物馆就因为原始的托马斯•杰弗逊像要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。

5、建筑领域

在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。

6、制造业

制造业也需要很多3D打印产品，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多，而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题，比如微软的3D模型打印车间，在产品设计出来之后，通过3D打印机打印出来模型，能够让设计制造部门更好的改良产品，打造出更出色的产品。

7、食品产业

西班牙巴塞罗那的自然机器公司向市场推出首款3D食物打印机Foodini，像是将食物打印出来一样制作出甜品、汉堡、面包、巧克力或意大利面，自然机器公司对于这款特殊“打印机”的销售前景十分乐观。

8、生活用品

①配件、饰品

这是最广阔的一个市场，在未来不管是你的个性笔筒，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指，都有可能是通过3D打印机打印出来的，甚至不用等到未来，就可以实现。

②美容护肤

3D打印技术未来也可能会帮助爱美人士进行整容，说不定未来最有效果的青春痘的治疗方法就是通过3D打印技术来实现呢！不仅青春痘，包括祛斑、美白等领域都有希望使用到3D打印技术的！

以上是小编为大家讲解的关于3D打印机的知识，包括：3D打印机的技术原理、主要特点、操作流程、工作步骤、应用范围。随着科技的发展，在当前社会中，很多全新的资源及技术都得到了越来越广泛的应用。其中，3D打印技术是一项较为新兴的快速成型技术，3D打印技术也叫做增材制造技术，具有较高的先进性，因此，在社会各个领域中，3D打印机的运用和发展，都取得了十分良好的效果，极大的提高了各个领域中的工作效率，对社会经济的发展水平也有着重要的促进作用。

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