3D打印技術(shù)可以追溯到1976年噴墨打印機(jī)的發(fā)明。1984年，查爾斯·赫爾將光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于快速原型制造，拉開了3D打印的帷幕。20世紀(jì)80年代以來，3D打印技術(shù)引起了全世界的關(guān)注，開始進(jìn)入人們的視野和生活。如今，3D打印技術(shù)已經(jīng)在制造、醫(yī)療、學(xué)術(shù)、航空航天和軍事等多個領(lǐng)域得到了很好的發(fā)展和應(yīng)用。

3D打印技術(shù)的工作原理是利用計算機(jī)建模軟件(如3Dmax等。)在計算機(jī)上創(chuàng)建一個虛擬的3D模型，將模型文件轉(zhuǎn)換成與3D打印機(jī)匹配的格式，然后3D打印機(jī)根據(jù)切片程序?qū)M截面堆疊成3D模型來完成打印。

3D打印技術(shù)與計算機(jī)建模技術(shù)的結(jié)合，大大加速了信息制造技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化定制和數(shù)字化方向發(fā)展，逐漸成為我國國民經(jīng)濟(jì)不可或缺的一部分。復(fù)合材料、金屬材料等現(xiàn)有材料的打印技術(shù)是3D打印發(fā)展的重要方向，也是其他許多制造領(lǐng)域定制產(chǎn)品的主要工作形式。

3D打印技術(shù)避免了傳統(tǒng)制造業(yè)的切割工藝，不需要模具制造。加工速度快，生產(chǎn)周期相對較短。更重要的是，3D打印在制造體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體方面有很大的優(yōu)勢。通過集成印刷技術(shù)，不需要二次加工，通過計算機(jī)在線操作實現(xiàn)批量生產(chǎn)和遠(yuǎn)程控制。

3D打印技術(shù)最具代表性的是熔積成型技術(shù)。其工作原理是通過送絲裝置將熱熔長絲材料送入噴嘴。在計算機(jī)軟件的控制下，加熱噴嘴擠出軟化的材料，并開始沿著物體的輪廓移動，直到半流動材料的填充和固化完成，從而形成3D打印產(chǎn)品。例如，對于塑料制品的三維打印，通過加熱三維打印機(jī)的噴嘴使塑料熔化，擠出后塑料迅速冷卻，并與周圍材料粘合和覆蓋。目前，F(xiàn)DM可以印刷金屬、石蠟、ABS、PLA、人造橡膠等,同時生產(chǎn)3D模型、機(jī)械零件、日用品等。廣泛應(yīng)用于建筑、汽車、航空航天和醫(yī)療領(lǐng)域。與傳統(tǒng)機(jī)械加工生產(chǎn)相比，F(xiàn)DM技術(shù)具有成本低、材料廣泛、原材料利用率高、污染少等優(yōu)點。

到目前為止，根據(jù)3D打印制造方法的原理已經(jīng)產(chǎn)生了許多制造技術(shù)，并且根據(jù)實際情況對許多材料進(jìn)行了劃分。3D打印常用的材料有PLA、不銹鋼、鈦合金、鋁、石膏、橡膠、耐用尼龍等。實現(xiàn)3D打印的技術(shù)主要有光聚合成型技術(shù)、顆粒材料成型技術(shù)、擠出成型技術(shù)、線材成型技術(shù)、層壓成型技術(shù)和粉末層噴嘴技術(shù)。

以建筑行業(yè)為例，從設(shè)計角度來說:蓋房子不需要復(fù)雜的設(shè)計過程，每個專業(yè)設(shè)計師都是在3D模型中完成自己的設(shè)計。也許有一天，每個人都可以直接從網(wǎng)上下載想要的建筑模型。對于建筑造型來說，傳統(tǒng)建筑中難以實現(xiàn)的曲面造型在3D打印中變得更加簡單，這對追求自由造型的建筑師來說絕對是個好消息。新的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法必須出現(xiàn)。比如利用有限元分析，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可能不再適合打印建筑，需要制定適合3D打印在建筑中應(yīng)用的行業(yè)規(guī)范。新的施工工藝要求新的驗收標(biāo)準(zhǔn)，同時應(yīng)開發(fā)新的建筑檢測技術(shù)。

在材料方面，我們已經(jīng)開始探索使用陶瓷和粘土等材料。為了滿足3D打印建筑的需求，未來會出現(xiàn)許多特殊材料，如纖維材料、復(fù)合材料、化學(xué)材料和智能材料。材料性能要求將不斷提高，材料科學(xué)研究將向微觀方向發(fā)展，新材料將更加符合建筑材料標(biāo)準(zhǔn)。以混凝土為例，首先，混凝土的原材料將變得更加廣泛。例如特種水泥、樹脂、鎂粘結(jié)材料等?？捎米髂z凝材料。粗細(xì)骨料的質(zhì)量要求會更高，以滿足3D打印的需求?；炷帘仨氂休^好的流動性，能在空氣中快速凝結(jié)，并能自撐。外加劑可能會發(fā)生根本性的變化，它們在特定系統(tǒng)中的作用和機(jī)理完全不同。其次，在縱橫比設(shè)計中，可能需要新的理論來支持它?；炷恋男阅馨l(fā)生了很大的變化，硬化和收縮性能發(fā)生了根本性的變化。

目前3D打印行業(yè)的主要材料有很多，如工程塑料、光敏樹脂、橡膠材料、金屬材料等。工程塑料是應(yīng)用最廣泛的3D打印材料，如ABS、PC材料、PLA、尼龍材料等。工程塑料是指用作工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)塑料，具有優(yōu)異的強(qiáng)度、抗沖擊性、耐熱性、硬度和耐老化性。此外，橡膠材料和金屬材料也憑借各自的優(yōu)勢在自行車、醫(yī)療和金屬制造行業(yè)發(fā)揮著無限的作用。

3D打印建筑技術(shù)融合了數(shù)字建模技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、信息技術(shù)、建筑技術(shù)、建筑設(shè)計、材料科學(xué)與化學(xué)等。一體化需要協(xié)調(diào)發(fā)展。3D打印建筑非常適合應(yīng)急住房和貧困群體，未來開發(fā)的打印機(jī)真的可以創(chuàng)造出適合人們居住的房子。自然災(zāi)害發(fā)生后，建筑機(jī)械可以快速打印出房屋并自動安裝各種設(shè)施，無論是功能還是強(qiáng)度都優(yōu)于救災(zāi)帳篷和活動。未來的3D打印建筑也可以滿足客戶的定制需求，尤其是對于外觀復(fù)雜不規(guī)則的建筑和結(jié)構(gòu)，3D打印具有獨特的優(yōu)勢。

3D打印能夠以極低的成本和更快的制作速度輕松滿足人們的創(chuàng)作思路和需求，能夠為藝術(shù)創(chuàng)作道路上的人們提供更多的思路和更有力的幫助。此外，在教育方面，3D打印可以讓學(xué)生更直觀地觀察事物從無到有的生產(chǎn)過程，激發(fā)孩子的創(chuàng)造力。3D打印將是引領(lǐng)時代進(jìn)步和社會新變化的主要技術(shù)力量。

3D打印技術(shù)在制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛。從3D打印船舶和汽車、3D打印機(jī)器人和打印家具，到小型3D打印螺絲和螺母、工業(yè)零件和手機(jī)外殼，這些都可以通過3D打印堆疊起來。2014年，美國康奈爾大學(xué)的創(chuàng)意機(jī)器人實驗室HodLipson制造了微處理器、電池和機(jī)器人連接器等部件，能夠完全組裝輕型機(jī)器人。

3D打印模具在控制精密零件的制造成本方面也有一定的優(yōu)勢。對于一些尺寸小、形狀復(fù)雜的零件，3D打印可以充分利用材料，合理控制零件的制造成本，對優(yōu)化精密零件的制造工藝，提高企業(yè)利潤將產(chǎn)生積極的影響。除了以上幾個方面，3D打印模具在提高精密零件的性能，實現(xiàn)精密零部件的個性化制造方面也很突出。

對于一些尺寸小、形狀復(fù)雜的零件，3D打印可以充分利用材料，合理控制零件的制造成本，對企業(yè)優(yōu)化精密零件的制造工藝，提高利潤將產(chǎn)生積極的影響。除了以上幾個方面，3D打印模具在提高精密零件的性能，實現(xiàn)精密零部件的個性化制造方面也很突出。企業(yè)可以借助3D打印優(yōu)化精密零件的制造工具，使相應(yīng)的工具在設(shè)計時考慮到人機(jī)工程學(xué)，從而提高其操作的舒適性和實用性，如精密零件模具。通過優(yōu)化模具等制造工具的設(shè)計，將進(jìn)一步降低精密零件的廢品率。

最初的3D打印機(jī)大多功能單一，主要用于工程建設(shè)和醫(yī)學(xué)科學(xué)。由于其價格高、體積大，在家庭消費中的應(yīng)用受到嚴(yán)重影響。然而，隨著用于家庭和個人應(yīng)用的臺式3D打印機(jī)的出現(xiàn)，3D打印機(jī)在家庭消費市場的銷量日益增長。隨著家用3D打印機(jī)價格的不斷下降，打印機(jī)的功能也變得更加多樣化，3D打印機(jī)在家庭消費領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將迅速擴(kuò)大。例如，在食品行業(yè)，2012年，賓夕法尼亞大學(xué)的科學(xué)家在實驗室使用3D打印機(jī)技術(shù)打印人造肉。人們實際上可以在碳水化合物的生長框架上種植新鮮的肉組織，吃起來和真正的肉非常相似。最近的研究結(jié)果表明，3D打印技術(shù)在食品制造領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，盡管它還處于初步的實驗階段。

此外，一些家用小玩意，如花盆、筆筒、收納盒等,可以根據(jù)自己的意愿設(shè)計模型的形狀和大小，然后在電腦上建模后通過3D打印技術(shù)創(chuàng)建實體，從而為生活增添了不一樣的樂趣。如果家里有孩子，也可以利用3D打印為他們制作玩具，既培養(yǎng)了孩子動手動腦的能力，又節(jié)省了購買玩具的成本。

3D打印技術(shù)可用于快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建人體器官模型。借助器官模型，醫(yī)生可以診斷病人的病情。同時，人體器官模型可以幫助醫(yī)生術(shù)前充分討論，找到最佳的手術(shù)治療方案，從而有效縮短手術(shù)時間，降低手術(shù)風(fēng)險。由于醫(yī)療模式的易用性，發(fā)達(dá)國家的市場正在迅速擴(kuò)大。除了醫(yī)學(xué)模型，還可以利用3D打印制造高效藥物。由于藥物在大小和形狀上高度相似，且在成型過程中易于移植，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。美國科學(xué)家成功利用3D打印快速成型技術(shù)生產(chǎn)口服控釋片。

人造骨骼也可以通過3D打印來打印。采用可分解的工程材料作為打印材料，通過3D打印機(jī)可以打印出具有活性因子和疏松孔隙的人工骨骼。而人工骨植入活體后，經(jīng)過一段時間的分解，鈣化物質(zhì)可以被活體完全吸收，形成新的骨骼，這在動物實驗中得到了充分的驗證。一個英國女孩戴著3D手掌，一個農(nóng)民工戴著3D打印頭骨。即使是澳大利亞的CSIRO公司，也可以為患者量身定制鈦胸骨和肋骨，從而為他們打造一個3D胸腔。美國生物技術(shù)公司Organovo利用細(xì)胞3D打印技術(shù)，在細(xì)胞培養(yǎng)基中打印出肝臟所需的細(xì)胞組織。在血管中培養(yǎng)后，肝臟可以生長成正常的形狀，移植到人體。

3D打印技術(shù)具有結(jié)構(gòu)精密、整體性好、成本低的特點。生產(chǎn)出了一系列具有良好經(jīng)濟(jì)價值的產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、建筑、醫(yī)藥、航空航天等諸多領(lǐng)域。在現(xiàn)代社會，各行各業(yè)一直堅持著顧客就是上帝服務(wù)的原則和宗旨。因此，3D打印需要根據(jù)不同客戶的多樣化需求制作3D打印產(chǎn)品，為客戶提供外觀最好的作品。這不僅可以大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和市場競爭風(fēng)險，還可以在一定程度上提高很多普通用戶的消費和生活水平。

限制3D打印技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要因素是3D打印材料的特殊性和打印設(shè)備的適用性。目前3D打印技術(shù)中可用的快速成型材料主要包括高分子材料、金屬材料和無機(jī)非金屬。雖然高分子材料在商用3D打印機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，但其他材料的應(yīng)用還處于探索的初級階段(例如限于特定的塑料、樹脂和金屬材料，精度只能達(dá)到微米級)，因此打印材料數(shù)量有限,極大地限制了3D打印技術(shù)的推廣。好在隨著科技的不斷發(fā)展和進(jìn)步，未來會出現(xiàn)更多的成型材料和綜合性能良好的材料，這將為3D打印技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和普及提供很好的支撐。另一方面，隨著3D打印技術(shù)可用材料的不斷增加和3D打印機(jī)工作能力的不斷提高，3D打印機(jī)可打印的實體模型類型將呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，3D打印技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷拓展。最重要的是，隨著設(shè)備的完善和新興技術(shù)的不斷發(fā)展，3D打印產(chǎn)品的尺寸精度和材料性能將進(jìn)一步提高，對傳統(tǒng)機(jī)械和手工制造行業(yè)的影響將逐步顯現(xiàn)。在個人應(yīng)用領(lǐng)域，面對不同消費群體的個性化需求，會有更緊湊、便捷、經(jīng)濟(jì)實用的模式，適合辦公環(huán)境。

雖然3D打印技術(shù)在全球制造業(yè)中的比重可以忽略不計，但3D打印技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用也受到各種因素的影響。但隨著研究的不斷深入和技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)大，打印材料將更加多樣化，打印設(shè)備的功能也將更加完善，這將很快對傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式帶來深遠(yuǎn)的影響，引領(lǐng)全球制造業(yè)新一輪的革命浪潮。