3D打印机：它们是什么，它们如何工作，以及它们在现实生活中的用途

发布时间：2025-09-19 13:19

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3D 打印允许您根据数字设计逐层创建物理对象。技术和材料多种多样，从塑料和金属到树脂和食品。应用范围从工业和医学到教育和建筑。

什么是 3D 打印机

3D 打印机彻底改变了我们制造物体的方式，使得任何数字设计都可以转化为物理的三维物体。 这项技术直到最近才看起来像是科幻小说中的事物，但它越来越多地出现在工业、医学、教育、建筑甚至家庭中。，为所有这些领域开辟了新的可能性。

许多人仍然将印刷与纸张联系在一起，但 3D 打印技术更加先进：它使用塑料、金属、树脂甚至食物等不同材料，逐层构建真实物体。在本文中，我们将深入探讨什么是 3D 打印机、它如何工作、它使用什么技术和材料、它用于什么以及它目前的优势和挑战是什么。

3D 打印机是一种能够 从数字模型创建三维物理对象与在纸上打印图像的传统打印机不同，3D 打印机可以打印具有体积的真实物体， 堆叠连续的材料层 直到完成之前计算机生成的设计。

这项技术的诞生可以追溯到 80 世纪 XNUMX 年代，当时 Chuck Hull 获得了第一套立体光刻系统的专利。从那时起， 这项技术一直在不断发展，并变得民主化如今，3D 打印机有各种尺寸和价格，从大型工业机器到紧凑、经济实惠的家用型号。

3D 打印机是如何工作的？

3D 打印过程总是从 3D数字设计这些模型是使用专门的计算机辅助设计 (CAD) 软件创建的，例如 Blender、Tinkercad、AutoCAD、Catia、FreeCAD 等。 这些程序允许您创建、编辑和准备打印机稍后将转换为物理对象的模型。.

设计完成后，切片软件会进行处理，将模型分解成详细的指令，指导机器如何逐层打印。之后，生成的文件会根据具体型号，通过 USB、SD 卡甚至 Wi-Fi 发送到 3D 打印机。

打印机根据其使用的技术， 它逐层沉积选定的材料按照数字文件的指令，以毫米级的精度进行制作。最终作品就是这样从基底到表面完成的，整个过程可能需要几分钟到几个小时，具体取决于作品的复杂程度和大小。

主要3D打印技术

3D打印有多种方法，每种方法都有其优点和局限性。最常见的是：

熔融沉积成型（FDM）： 这是家用和快速成型领域应用最广泛的技术。它使用 PLA、ABS 或 PETG 等热塑性长丝，通过加热喷嘴将其熔化并逐层沉积。立体光刻（SLA）： 它使用在激光或紫外线作用下固化的感光液体树脂，从而可以打印出具有高细节水平和非常光滑表面的图像。数字光处理 (DLP)： 与 SLA 类似，它使用喷涂机一次性固化整层树脂，从而加快了工艺速度并能生产出高质量的零件。PolyJet： 这种技术将液态树脂层层注入，然后用紫外线固化。它的优势在于能够同时打印多种材料和颜色，从而在一件作品中创造出具有不同纹理和密度的物体。通过压实进行 3D 打印： 它利用压力或粘合剂压制粉末颗粒（金属、陶瓷或其他类型）。工业上常用它来制造坚固耐用、功能齐全的零件。

3D打印中最常用的材料

3D 打印最有趣的方面之一是 可用材料的多样性，可满足从简单原型到复杂工业零件的各种需求。主要材料包括：

聚乳酸（PLA）： 因其成本低廉、易于使用和可生物降解的特性而广受欢迎。非常适合非结构部件、模型和教育用途。丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）： 比 PLA 更坚固、更耐用，但打印起来更复杂一些，因为它需要更高的温度和受控条件。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）： 它结合了 PLA 的易用性和 ABS 的强度，使其常用于需要抗冲击性的部件。热塑性聚氨酯（TPU）： 柔韧且有弹性，非常适合需要弯曲或拉伸的物体，例如盖子、垫圈或某些机械部件。感光树脂： 它们用于 SLA 和 DLP 打印机，可实现出色的细节和光滑的表面，但它们往往很易碎，主要用于原型制作或珠宝制作。金属： 如钢、钛或铝，主要用于航空航天、汽车和医疗行业，这些行业需要高强度的功能部件。复合材料和纤维： 用碳纤维、玻璃或其他成分增强的材料，可增加机械强度并减轻重量。其他材料： 从陶瓷、水泥和石膏到巧克力或意大利面等可食用材料，进一步扩大了可能的应用范围。

完整的 3D 打印流程

设计的创建： 使用 CAD 软件创建三维模型。您可以使用自己的设计，也可以从在线图库下载通用模型。测试和模拟： 通常在打印之前运行虚拟模拟来预测潜在错误并优化设计。层切（切片）： 使用特定的软件，将模型分成几层，并生成打印机需要遵循的指令。打印： 文件被发送到打印机，打印机开始逐层构建过程。根据材料的不同，可能需要特定的温度或特殊的通风条件。后期处理： 一旦打印完成，在许多情况下需要去除支撑、打磨、抛光或固化部件（特别是在树脂打印中）以获得所需的效果。

3D打印机的应用领域

工业和制造业

La 3D 打印改变了整个行业，实现了快速成型、定制部件的创建以及制造其他技术无法实现的元素。从机器零件、工具和固定装置到汽车和航空工业的功能性金属部件。此外，3D打印机还用于模具的生产，从而加快了创新周期。

医药卫生

3D 打印技术的进步对医疗保健领域尤为重要。 制造定制假体、手术导板、用于规划手术的解剖模型，甚至骨或牙植入物。一个非常先进的案例是利用活细胞进行打印，目的是创造出可供移植的功能性器官。

在制药领域，药物打印可以根据每位患者的具体需求调整剂量和配方。此外， 打印类似皮肤的组织或身体部位有助于重建治疗 以及疾病研究。

建筑和施工

在建筑领域，3D 打印机用于创建项目、定制家具甚至 使用能够叠加水泥层的系统建造建筑物该技术将加快房屋建设速度，并可方便在偏远地区或紧急情况下进行建设。

教育教学项目

3D打印机在课堂上的使用越来越流行。 它们让您能够以切实的方式教授数学、科学或技术的抽象概念。有一些设备专门为有视力障碍的学生设计，例如由萨米恩托将军国立大学开发的设备，可以通过 3D 打印材料进行触觉学习。

艺术、时尚和美食

艺术家和设计师利用 3D 打印技术创作雕塑、珠宝、时装原型以及传统方法无法制造的独特作品。另一方面， 食品印刷正在开辟创意美食的新分支，从蛋糕和巧克力人物到个性化披萨。.

航空航天和探索

La 美国国家航空航天局 (NASA)、欧洲航天局 (ESA) 以及 SpaceX 等公司正在投资太空 3D 打印。这项技术允许在空间站上直接制造工具、备件或结构，从而节省发射过程中的空间和重量。此外，回收印刷材料以制造新物体的能力对于长期任务至关重要。

3D打印的优势与挑战

主要好处

完全定制： 可以制造独特的部件，为每个用户量身定制，而不会增加成本。减废： 增材制造仅使用必要的材料，与减材制造方法相比，可减少浪费。灵活性和创新性： 促进快速原型设计和持续迭代，加速创新和产品开发。访问开放设计： 许多项目和设计在互联网上公开，任何人都可以制作有用的物品甚至假肢，例如低成本的社会举措，例如丹尼尔计划.

限制和挑战

成本和技术障碍： 尽管 3D 打印机的价格已经下降，但工业模型和某些材料仍然昂贵，并且需要技术培训才能达到最佳使用效果。打印时间： 制造过程可能需要几分钟到几个小时，具体取决于零件的复杂性和体积。质量和成品： 打印件可能需要后处理以去除支撑物、抛光表面或固化材料，这在使用树脂或金属时尤为重要。监管与风险： 将物体打印成武器的能力带来了法律挑战，并且长期吸入某些材料的蒸汽可能会带来健康风险。