什么是3D打印?它是如何工作的?

三维(3D)打印有望广泛应用，从生物医学植入到太空探索。但当一个朋友问我它是如何工作的，我不知道。这是一个学习新东西的完美借口。现在，亲爱的读者，我可以向你解释了。

3D打印就像它听起来的那样——用一台机器在稀薄的空气中创造一个三维物体。嗯，不完全是稀薄的空气。从金属到陶瓷粉末，他们什么都用。但是这个过程做看起来像魔法。(在我继续之前，值得注意的是，3D打印有许多不同的名称，包括:快速原型，直接制造，固体自由曲面制造和增材制造。我选择使用术语3D打印，但它们的意思几乎是一样的。)

3D打印过程从计算机开始。第一步是使用计算机辅助设计(CAD)程序创建一个物体的三维模型——规划出你想制造的物体的精确高度、宽度和深度。这可以是外科植入物，汽车部件，艺术雕塑，任何你能想到的东西。

第二步是将您的模型转换为STL文件(STL代表立体光刻，无论您是否使用立体光刻技术都可以使用)。这个转换过程使用您在CAD中制作的3D模型，并使用一系列连接的三角形映射其表面。

然后STL文件通过一个程序运行，该程序将模型“切片”成极薄的层。该程序还绘制了每一层的平面与各种三角形的“腿”相交的位置。每个交点用一个点表示。通过连接这些点，您可以看到3D模型的特定层的轮廓。这个配置文件告诉3D打印机如何“绘制”每一层。一层一层地堆积起来，然后——瞬间!-你已经有成品了。这个(非常短的)动画很好地说明了这个过程。

但是如何机器工作吗?这取决于你使用的机器(有很多选择)。

立体平版印刷是最古老的方法，可以追溯到20世纪80年代末。立体光刻机包含一个放置在树脂浴中的工作台。当暴露在特定波长的光下(通常是紫外线)时，树脂就会固化(或“固化”)。激光，使用相关波长的光，在树脂中绘制模型第一层的轮廓，然后来回扫描，填充轮廓。就像一个全神贯注的小学生在给图画上色。被激光填充的区域对光线做出反应并固化。然后，桌子再往树脂槽里放一点(大概0.1毫米)，然后用刀片扫过顶部，使树脂均匀。这一过程不断重复，直到你有一个成品，由坚硬的塑料类环氧树脂制成。这个视频(也很短-在最后有一个头骨!)显示了立体平版印刷过程中的行动。

其他机器使用不同的技术，但运行在相同的基本原理上，即在另一层之上构建一层。有些机器操作起来像喷墨打印机，但打印的是紫外线固化树脂而不是墨水。当机器打印每一层树脂时，它被紫外线扫描，固化。其他机器打印使用粘合剂代替墨水，并打印到陶瓷粉末床上。在使用粘结剂的地方，陶瓷粉末粘在一起。粉末放在桌子上，桌子随着每一层而降低，允许粘合剂添加额外的层。这里的成品是一种类似石膏的陶瓷。

还有一些机器使用挤出喷嘴将塑料层(或其他任何可以挤出的东西)直接沉积在盘子上。

但是,真的很酷的机器使用金属。电子束熔化机(EBM)使用电子束将金属粉末熔化成一层又一层合适的形状(其他机器也做同样的事情，使用激光)。这些机器可用于制造从髋关节植入物到航空航天设备的各种功能性金属部件。根据零件的不同，可能需要做一些精加工工作(如光滑或抛光粗糙的表面)，但用金属粉末制造定制金属零件的能力具有很大的潜力。

首先，当你不知道你需要什么替换部件，而且空间和有效载荷都有限时，这项技术就会派上用场。例如:在海上的航空母舰上;在南极洲的一个远程研究设施;或者乘坐宇宙飞船前往火星。在任何一种情况下，你都不太可能把你可能需要的所有备件都打包好。但是，从理论上讲，你可以包括所有这些部件的电子3D原理图，一台EBM机器和一大桶金属粉末。弄坏齿轮、齿轮或小部件?没有问题。打印一份新的。

3D打印技术还为创造全新的产品打开了大门，因为它可以创造出传统制造技术无法制造的形状——比如轻质但坚固的3D点阵结构(见下图)。

研究人员正在继续探索这些潜在的新设计，以及EBM机器等3D打印机如何能够使用不同的材料(例如，月球尘埃)来制造物体。

注意:非常感谢博士生蒂姆·霍恩和奥拉·哈里森博士北卡罗来纳州立大学工业与系统工程系的Edward P. Fitts教授，感谢他抽出时间和我谈论3D打印。他们耐心地解释，友好地回答了我所有的问题(甚至是那些无聊的问题)。以上帖子中的任何错误都是我的，仅是我的。