1.2 3D打印定义及其原理

1.2.1 3D打印机和普通打印机的区别

大多数人第一次听到3D打印时，就联想起那些老式的、常见的桌面打印机。对于打印机来说，人们知道喷墨打印机和激光打印机，其实按打印机组件来分析，包括3D打印机在内，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，打印原理相同，而3D打印机打印前在计算机上设计了一个完整的三维立体模型，然后再进行分层打印输出模型。

普通喷墨打印机和3D打印机最大的区别是维度问题，桌面打印机是二维打印的，在平面纸张上喷涂彩色墨水，而3D打印机可以制造拿在手上的三维物体。如图1-3所示，人们对普通打印机打印出立体模型的想象图。

图1-3 普通打印机打印立体模型的想象图

普通打印机和3D打印机的差别就在于耗材不同，普通打印机的耗材是由传统的墨水和纸张组成的，而3D打印机主要是由工程塑料、树脂或石膏粉末甚至可食用的材料组成的。这些成型材料都是经过特殊处理的，但是不同技术与材料各自的成型速度和模型强度以及分辨率、模型可测试性、细节精度都有很大区别，用户按实际用途来选择。图1-4所示为打印食物材料的3D打印机。

图1-4 打印食物材料的3D打印机

1.2.2 3D打印、快速成型、快速制造和增材制造的联系

3D打印被称为桌面制造（Desktop Fabrication），在业内拥有“快速原型制造”“三维打印”“实体自由制造”“直接制造快速成型”“快速成型技术”（Rapid Prototyping，RP）等不同称谓。目前我国传媒界习惯把RP叫作“3D打印”或者“三维打印”，显得比较生动形象，但是实际上，“3D打印”或者“三维打印”只是快速成型的一个分支，只能代表部分快速成型工艺。

RP诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种新型技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。它集机械工程、CAD、逆向工程技术、分层制造技术、数控技术、材料科学和激光技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的实现手段。

快速制造（Rapid Manufacturing，RM）有狭义和广义之分，狭义上是基于激光粉末烧结RP的全新制造理念，实际上属于RP的一个分支，它是指从电子数据直接自动地进行快速的、柔性并具有较低成本的制造方式。RM与一般的RP相比，在于可以直接生产最终产品，能够适应从单件产品制造到批量的个性化产品制造；而广义上，RM包括“快速模具”技术和数控加工技术，因此可以与RP互相配合。

国际上喜欢用“Additive Manufacturing”（AM）来包括RP和RM技术，我国翻译为增量制造、增材制造或添加制造。2009年美国ASTM成立了F42委员会，将AM定义为：“Process of Joining Materials to Make Objects From 3D Model Data, Usually Layer Upon Layer, as Opposed to Subtractive Manufacturing Methodologies”，即一种与传统的材料去除加工方法截然相反的，通过增加材料、基于三维CAD模型数据，通常采用逐层制造方式，直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法，如图1-5所示。

因此，3D打印可以定义为：基于数字模型的RP中的一种，它的关键词是薄层堆叠，让塑料、金属甚至生物组织活性细胞等不同的材料，通过激光束、热熔喷嘴等不同原理的3D打印设备烧结或者粘合在一起，一层层地成型和堆叠，最终使数字模型变成三维的实物。虽然听起来高大上，但3D打印的基本原理就是一个能在XY轴平面上移动的喷头，精确控制原料的位置，打完一层后，平台下移后再打下一层，直至打印出整个成品，如图1-6所示。

图1-5 逐层制造

图1-6 从计算机中的设计图到打印成品