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3D打印概述与七大类型介绍
发布时间：
2025-06-20 00:00
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概述
近年来，3D打印技术发展迅速，逐渐成为现代制造业不可或缺的一部分。根据Protolabs发布的《2024年3D打印趋势报告》最新数据，2023年全球3D打印市场规模已达到221.4亿美元，预计到2028年将增至571亿美元。
中国的3D打印行业同样呈现出强劲的发展势头，展现出巨大的市场潜力和广阔的应用前景。根据中研普华产业院发布的《2024-2029年中国3D打印行业市场竞争分析与发展前景预测报告》，预计2024年中国3D打印市场规模将达到415亿元。
那么什么是3D打印呢？
3D打印又称增材制造技术，是一种依据三维CAD数据通过逐层材料累加的方法制造实体零件的技术。3D打印是一个总称，其包括各种各样的3D打印工艺，这些工艺虽然有着天壤之别，但关键过程是相同的。这些3D打印都是先通过计算机建模软件建立数字模型开始，因此该技术在本质上来说是数字化的；然后再将建成的三维模型通过切片软件分解成切片，从而指导打印机逐层打印。
3D打印的类型可以根据它们生产的产品或使用的材料类型来划分，根据国际标准化组织 ISO/TC261 增材制造技术委员会 2015 年发布的国际标准 ISO/ASTM52900:2015，3D 打印工艺原理可分为 7 大类：材料挤出，粘结剂喷射，粉末床熔融，材料喷射，片材层压，定向能沉积，立体光固化 。
3D打印技术已经在多个领域得到了广泛应用，包括珠宝、鞋类、工业设计、建筑、汽车、航空航天、牙科和医疗产业、教育等。特别是在医疗领域，3D打印技术用于定制化义齿、骨骼和关节等医疗器械的制造，展现了巨大的潜力。随着技术的不断成熟和应用场景的拓展，3D打印有望在更多领域实现应用。
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七大类型
下面我们就对这7大类进行详细的介绍。
一、材料挤出
材料挤出的原理是将材料加热融化，通过喷嘴挤出并沿着预设的路径在构建平台上堆积，从而逐层构建出实体物体。虽然最常见的材料是塑料细丝，但挤出材料的范围非常广泛，包括金属，陶瓷，聚合物，混凝土，生物凝胶，甚至是食品。
这种技术看似简单，但实际操作中需要考虑材料的特性，挤出速度，冷却和凝固过程等，以确保打印物体的形状和性能符合预期。这种灵活性使材料挤出成为3D打印领域中最为普遍和多样化的方式之一。
二、粉末床熔融
粉末床熔融是通过热能源选择性熔化粉末颗粒，如塑料、金属或陶瓷，逐层构建出固体物体。其过程包括在打印床上铺一层薄薄的粉末材料，然后用激光将该层上特定点的粉末熔化并融合。接着再铺上一层新粉末，并使其与前一层结合。如此重复，直到整个物体被打印完成。最终产品会被未融合的粉末包裹并支撑，以避免使用额外的支撑结构。
三、材料喷射
材料喷射是通过在构建板上沉积微小的材料液滴，并将其固化来逐层构建物体。该工艺通常使用光敏聚合物或蜡，这些材料在暴露于光线后会迅速固化。材料喷射的一个显著特点是可以在同一物体上打印不同的材料，实现多种颜色和纹理的混合。这种特性使材料喷射工艺非常适合制作复杂的多材料零件和逼真的模型。
四、粘结剂喷射
粘结剂喷射是通过将液体粘合剂选择性地喷射到一层粉末材料上，将其粘合在一起。它结合了粉末床熔融和材料喷射的特点。与粉末床熔融类似，粘结剂喷射使用各种粉末材料，如金属、塑料、陶瓷、木材或糖；与材料喷射相似，它通过喷墨头将液体粘合剂精确地沉积到粉末层中。无论使用哪种粉末材料，粘合剂喷射的过程基本相同，逐层将粉末粘合，直到构建出完整的三维物体。
五、片材层压
片材层压工艺的核心是将非常薄的材料片逐层堆叠和层压在一起，以构建3D物体。然后通过机械或激光切割将叠层加工成所需的形状。材料层可以使用多种方法融合在一起，包括加热、超声波或粘合剂，具体取决于材料，材料范围从纸张、聚合物到金属。当零件被层压然后激光切割或加工成所需的形状时，会产生比其他3D打印技术更多的浪费。
六、定向能沉积
定向能沉积是利用高能量源（如激光、电子束、电弧等）将金属材料熔化并沉积在基材上，逐层构建出所需的形状。通常使用金属粉末或金属线材作为原材料，并且因为其类似于焊接工艺，可以用于修复、改造或制造金属部件。
定向能沉积工艺的一个显著优势是可以与CNC加工相结合，利用CNC精密加工后的产品可以达到更严格的公差要求。这一特性在混合3D打印技术中表现尤为突出，其中定向能沉积和CNC加工单元被集成到一台设备中。这种混合技术不仅可以实现复杂形状的制造，还可以对现有零件进行修复和改造。
七、立体光固化
立体光固化是一种利用光源进行选择性固化光敏树脂的3D打印工艺。它的原理是通过光线精准地照射液态树脂的特定点或区域，使其硬化成固体。每一层固化后，构建平台会向上或向下移动少量距离（通常在0.01到0.05毫米之间），接着固化下一层，并与之前的层连接。如此逐层重复，最终形成完整的3D部件。打印完成后，通常需要清洁物体以去除多余的液态树脂，并通过阳光或紫外线照射进行后固化处理，以增强物体的机械性能。
最常见的三种立体光固化形式是立体光刻 (SLA)、数字光处理 (DLP)和液晶显示器 (LCD)。这些类型的3D打印技术之间的根本区别在于光源及其用于固化树脂的方式。
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材料挤出
在这七种类型中，材料挤出式3D打印涉及将材料加热至熔化状态，并通过喷嘴挤出，按照预定路径在构建平台上逐层堆积，形成实体结构。尽管塑料细丝是最常用的材料，但挤出式打印技术也适用于金属、陶瓷、聚合物、混凝土、生物凝胶甚至食品等多种材料。
尽管该技术原理简单，但在实际操作中需考虑材料特性、挤出速率、冷却和固化过程等因素，以确保打印出的物体在形状和性能上达到预期效果。这种技术的多样性使其成为3D打印领域中应用最广泛的方法之一。
最早的材料挤出技术是熔融沉积成型，简称FDM。从公司数量和市场占有率上来看，FDM技术至今仍然是材料挤出式3D打印的主要形态。FDM通过加热熔化丝状热塑性材料（如蜡、ABS、尼龙等）来成型。打印过程中，材料保持在略高于固化温度的状态，而成型部分则略低于固化温度。材料挤出后立即与前一层熔合，每层完成后，构建平台下降一定厚度，然后继续下一层的打印，直至完成整个物体。
FDM技术常用的材料包括ABS、PLA、PETG和TPU等。
1. ABS塑料：具有优异的综合性能，包括强度、柔韧性和机械加工性，以及较高的耐温性，适合用于工程机械零部件。然而在打印时可能会释放气味，且由于其冷缩性，模型可能会从打印平台上脱落。
2. PLA塑料：作为FDM打印的入门材料，易于打印，不需要热床，对温度要求不高，层间不易翘曲，适合新手使用。PLA是生物可降解的，由玉米淀粉等可再生资源制成，对环境友好。其强度高，甚至超过ABS。但PLA不耐热，容易在高温下软化变形。
3. PETG：常用于制作塑料容器，安全无毒。强度略低于PLA，但耐热性更好，适合打印靠近热源的零件。PETG的透明效果也很受欢迎，但如果室温较低，可能需要调整打印参数以防止层间翘曲。
4. TPU：一种柔性材料，适用于打印需要柔性的模型，手机外壳大多使用TPU生产。打印参数设置要求较高，但许多软件提供了推荐设置，可以在此基础上进行微调。
FDM作为3D打印领域中应用最广泛的方法之一，FDM技术有哪些优势呢？
FDM技术的优势包括成本效益、材料选择多样性、设计灵活性、环保可持续性和易于操作维护。然而，其精度和表面质量有限，打印速度较慢，支撑结构难以去除，且材料性能有限，限制了其在某些特殊环境下的应用。
这种技术为设计师提供了极大的灵活性，可以轻松修改3D模型并重新打印，实现快速迭代和测试。此外，FDM技术能够打印出具有复杂内部结构的零件，如中空或嵌套结构，进一步增强了其设计灵活性。
尽管FDM技术在精度和表面质量方面存在局限，但其在成本、材料选择和设计灵活性方面的优势使其成为许多小型企业和个人用户的选择。
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粉末床熔融
粉末床熔融技术也是目前应用最广泛的金属3D打印技术之一。它使用高能激光束或电子束等热能源，按照预定的路径，在铺有金属粉末的床层上进行扫描，使粉末熔化并凝固成形状。每完成一层，床层会下降一定的高度，然后再次铺粉，重复上述过程，直到整个零件完成，最终的产品由未融合的粉末包裹和支撑。
在熔融过程中，需要控制炉体温度、浸润角、熔点等物理参数，以确保所制造的金属块密度均匀、表面质量良好。
粉末床熔融技术具有很高的构造自由度。因为激光束或电子束的高精度控制能够使这种技术制造非常复杂的三维几何形态。此外由于材料在熔融时处于高能量状态，凝固后具有高度的密度和强度，因此制造的金属块硬度高、强度大，可以用于制造航空发动机、旋转部件、医疗器械等复杂零部件。
粉末床熔融技术能够制造高精度、高密度的金属零件，具有良好的机械性能和表面质量。然而，由于需要逐层铺粉和熔化，打印速度相对较慢，且设备成本较高。
总之，粉末床熔融技术是一项非常有前途的金属加工技术，可以用于制造复杂的三维几何形态、高密度、高强度的各种零部件。随着技术的不断进步，其应用领域也将越来越广泛。
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材料喷射
材料喷射3D打印技术使用类似于喷墨打印机的技术，通过喷射微小的光敏聚合物或蜡滴到构建平台上。这些材料在紫外光的照射下固化，逐层构建三维物体。这种技术允许快速、连续线条的物料沉积，因此可以在单次打印中制造多个物体，并且能够在同一物体中打印不同的材料。
让我们来总结一下材料喷射技术的优点。
一、快速打印速度
材料喷射技术在打印速度上的表现，通常能够达到比其他3D打印技术更高的速度，尤其是在一次打印多个部件时。
二、极高的精度
材料喷射技术以其精细的工艺，将微小的树脂液滴分散得恰到好处，实现了薄至13微米的层高。这不仅意味着能够精确再现最细微的细节，还能创造出与注塑成型相媲美的光滑表面，每一次打印都是对精度的极致追求。
三、彩色打印
由于每个打印头配备多个喷嘴，能够实现全彩彩色3D打印，将染料精确喷射到基材上，在整个CMYK光谱中再现数以万计的颜色。这一技术甚至能在透明的、玻璃状的透明部件内产生颜色
四、多材料打印
多个喷嘴的设计使得一次打印中可以分配多达八种不同的材料。通过在不同部分加入不同的材料，材料喷射能够生产出既具有优秀机械性能又拥有光滑表面特性的零件。这一系统能够在一项工作中构建出既清晰又灵活的彩色零件，展现了材料组合的无限可能。
五、可溶性支撑
尽管材料喷射不是一种无支撑技术，但它确实使后处理中的移除支撑变得简单。大多数材料喷射打印机使用可溶性材料作为支撑，这些材料可以很容易地溶解在超声波机中，表面遗留的痕迹很少甚至没有。
虽然材料喷射打印机既快速又准确，但其打印机和使用的材料价格昂贵，限制了其在预算有限的项目或个人爱好者中的普及。
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粘合剂喷射
粘合剂喷射是一种3D打印工艺，它使用液体粘合剂来一层一层地粘合粉末金属材料，以创建固体的复杂形状。该技术类型兼有粉末床熔融和材料喷射的特点。在粘合剂喷射中，粘合剂沉积在粉末层上，将各个区域粘合在一起形成一个固体部分，一次粘合一层。在粘合剂喷射中最常用的材料包括粒状金属、砂和陶瓷。
在粘合剂喷射工艺中，重涂刀片在构建平台上摊铺一层薄薄的粉末。带有喷墨打印机喷嘴的托架经过粉末层，选择性地沉积将粉末颗粒粘合在一起的粘合剂液滴。一层完成后，构建平台向下移动，刀片重涂部件的表面， 持续此过程直至完成整个部件。打印后，将部件密封在粉末中，然后等待部件固化和增加强度。最后将部件从粉末层取下，并清理任何松散粉末。因为部件从粘合剂喷射打印机中取出时是易碎的， 因此使用粘合剂喷射技术制造的部件在后处理步骤中进行烧结以增加强度。
与传统的金属注射成型和其他形式的金属3D打印相比，粘合剂喷射有以下几个优点。
一、大量的材料选择。
粘合剂喷射与目前可用的多种粉末材料兼容，并且因为粉末金属在许多其他传统制造工艺中被烧结到全密度，所以粘合剂喷射的支持者说它具有潜在的在应用上超越粉末床熔融，在所有增材制造工艺中有最广泛的材料选择。
二、节省材料。
粘合剂喷射打印过程在室温下进行，避免了与热残余应力有关的问题，并使构建盒中零件周围的粉末可回收，从而节省了材料成本。
三、没有支撑。
对于通过粘合剂喷射产生的任何零件几何形状，对支撑结构的需求显著降低，因为粉末床通常提供足够的支撑，这意味着更大的设计自由度、更少的材料浪费、更少的移除支撑的时间和劳动，以及在一个构建体积中嵌套许多零件的更多空间。
四、生产效率快。
粘合剂喷射速度快，生产率高，因此可以经济高效地生产大量零件。
五、多功能输出。
基于烧结温度和时间，粘合剂喷射可以产生具有受控孔隙率的各种密度，这导致了广泛的用途。
虽然粘合剂喷射机可以一次沉积许多粘合剂液滴，从而减少制造时间并提高生产率。但是后处理是粘合剂喷射的最终限制之一，特别是在使用金属和陶瓷粉末时，必须经历脱脂和烧结步骤，这不仅会增加时间，也会影响最终部件的成型效果。
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片材层压
片材层压3D打印是一种通过将非常薄的材料片（如纸张、塑料薄膜、金属箔或复合材料）堆叠和层压在一起以生成3D物体的技术。这种技术通过机械切割或激光切割形成最终形状，不同材料的层可以通过多种方法融合在一起，包括加热或超声波，具体取决于材料特性。
这种技术具有以下优点：
1、材料成本低：常用材料如纸张或塑料片相对便宜，降低了制造成本。
2、打印速度快：由于材料易于加工，生产过程快速高效。
3、材料多样性和设计灵活性：在打印过程中，可以根据需求更换材料，适应多种设计需求。
然而，该技术也存在以下缺点：
1、精度较低：层与层之间的粘合和切割过程可能导致边缘粗糙，影响表面光滑度和细节表现。
2、材料浪费较多：由于需要将材料层压并切割成所需形状，这一过程会产生比其他3D打印技术更多的材料浪费。
3、力学性能有限：制成品的抗拉强度和弹性较差，且难以制造中空件。
尽管存在上述局限性，片材层压3D打印技术凭借其快速生产能力和材料多样性，在工业设计和原型制造领域占有一席之地。在特定的应用场景中，它仍然具有重要价值，尤其是需要快速低成本制造的情况下。
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定向能沉积
定向能沉积3D打印技术是一种增材制造工艺，它通过将粉末或金属丝形式的原料输送到基板上，并使用聚焦的激光束、电子束或等离子/电弧等能量源来熔化原料，逐层连续沉积材料，形成小熔池。与其他增材制造工艺相比，定向能沉积3D打印技术具有以下独特优势：
1.特定位置的沉积和修复：定向能沉积技术可以在特定位置进行材料的沉积和修复，这对于修复损坏的部件尤其有用。
2.合金设计：定向能沉积技术允许设计和制造合金，这在传统的制造工艺中可能难以实现。
3.复杂形状的三维打印：定向能沉积技术能够打印出复杂形状的三维结构，这对于航空航天、汽车和能源等行业尤其重要。
4.原料范围广泛：定向能沉积技术可以使用多种材料，包括多种金属、复合材料和功能梯度材料。
5.高沉积速率：定向能沉积技术具有高沉积速率，可以快速制造大型部件。
6.设计自由度高：与传统制造工艺相比，定向能沉积技术提供了更高的设计自由度。
7.可以在非水平表面上进行增材制造：定向能沉积技术可以在非水平表面上进行增材制造，这增加了制造的灵活性。
8.适用于零重力环境：使用带有送丝、电子束能量源和真空室的定向能沉积系统，可以在零重力环境下进行空间打印。
定向能沉积技术在高端应用中具有重要前景，尤其是在航空航天、汽车和能源行业中的应用。
总的来说，定向能沉积3D打印技术是一种具有广泛应用前景的先进制造技术，它通过精确控制材料的沉积和熔化过程，能够制造出高性能、复杂形状的金属部件。
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还原光聚合
还原光聚合3D打印是一种基于光固化技术的3D打印工艺，它通过光源如激光或紫外线将液态光敏树脂逐层固化，从而生成三维物体。
以下是光聚合3D打印的还原过程关键点
1.原理
还原光聚合3D打印技术通过使用光敏树脂材料在紫外线照射下发生光聚合反应，将液态树脂转变为固态，这种光敏树脂材料一般是透明的以便让紫外线光源，能够穿透并照射到每一层要打印的物体上；
2.打印过程
利用切片软件将模型分层生成每一层的打印路径，打印机将第一层切片的轮廓投射到装有光敏树脂的建造平台上，紫外线光源照射到装有树脂的平台上使树脂在光的作用下发生光聚合反应，固化成一层固态的物体，完成第一层后建造平台会逐渐上升或下降一个固定的距离，以便打印下一层如此重复上述过程，直到整个物体打印完成。
3.打印后的处理
去除未固化树脂将打印件浸泡在乙醇或特定清洗液中，用超声波清洗设备去除多余树脂二次固化，使用UV灯进行进一步光固化以增强材料强度和稳定性；后期处理，可能需要打磨涂装或染色，以改善外观或功能。
4.技术类型
还原光聚合3D打印包括立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）、和液晶显示器（LCD）打印技术，这些技术之间的根本区别在于光源及其用于固化树脂的方式。
5.应用领域
这种技术广泛应用于注塑模状聚合物原型和最终用途部件，如珠宝铸造、牙模、手办等领域。
6.优势与缺点
还原光聚合3D打印技术的优势在于能够制造出具有精细细节和光滑表面的部件，但缺点是高成本材料、打印速度较慢。
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