简介
3D打印机（3D Printers，简称 3DP）是一种以数字模型文件为基础、通过逐层堆积材料来构造三维物体的快速成型设备。它由意大利发明家恩里科·迪尼（Enrico Dini）提出构想，能够“打印”从建筑构件到航天零部件的各种实体模型。需要明确的是，3D打印产出的是物体的几何模型，而非具备完整功能的成品。
近年来该技术持续突破：2016年2月，中国科学院福建物质结构研究所林文雄团队在国内首次攻克可连续打印的三维物体快速成型关键技术，开发出基于数字投影（DLP）的连续打印 3D 打印机，打印速度达到 600 mm/s，仅用约 6 分钟即可从树脂槽中“拉”出高 60 mm 的物体，而传统立体光固化（SLA）工艺需要约 10 小时，速度提升约 100 倍。
发展年表
- 19 世纪末：美国出现照相雕塑与地貌成形技术，孕育了“分层制造”的核心思想。
- 20 世纪 80 年代前：三维打印机数量极少，主要掌握在电子爱好者和极客手中，多用于打印珠宝、玩具、工具等小物件。
- 1979 年：美国科学家 R.F. Housholder 获得类似“快速成型”技术的专利，但未商业化。
- 20 世纪 80 年代：技术雏形确立，学名“快速成型”（Rapid Prototyping）；得克萨斯大学奥斯汀分校的 Carl Deckard 博士在 DARPA 赞助下开发并申请了选择性激光烧结（SLS）专利。
- 20 世纪 80 年代后期：可打印三维效果的打印机被发明并推向市场，3D 打印走向成熟与普及。
- 1995 年：麻省理工学院（MIT）毕业生 Jim Bredt 与 Tim Anderson 改造喷墨打印机方案，创造出“三维打印”（3D Printing）一词。
- 2003 年以来：三维打印机销量逐步扩大，价格开始下降，逐步进入设计与制造部门。
技术原理
3D打印机属于累积制造技术（Additive Manufacturing），本质是一种快速成型设备：以数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过把材料一层层粘接来制造三维物体。与传统打印机用墨水在纸上成像不同，3D 打印机的“墨水”是实实在在的原材料，机器依据程序将产品逐层“造”出来。
常见的成型工艺包括：
- 熔融沉积成型（FDM）：将丝状热塑性材料加热融化后逐层挤出堆叠。
- 立体光固化（SLA）：用激光固化液态光敏树脂，逐层成型。
- 数字光处理（DLP）：以投影方式整层固化树脂，速度更快。
- 选择性激光烧结（SLS）：以粉末为介质，用激光将粉末微粒熔铸成指定形状，未烧结粉末可循环使用。
- 三维粉末粘接（3DP）：向粉末层喷洒液态粘合剂，使截面固化黏结，松散粉末扫除后即可“刨”出模型。
- 电子束熔化（EBM）：在真空中用电子流熔化金属粉末，遇悬臂、孔洞等复杂结构时加入凝胶剂作临时支撑，打印后冲洗去除。
主要特点
3D打印带来了制造思路的根本转变：过去零部件设计受制于工艺能否实现，而 3D 打印机让任意复杂形状的设计都能被直接制造出来，无需机械加工或开模，从而大幅缩短产品周期、提升生产效率。
尽管技术仍有待完善，但其市场潜力巨大，被视为未来制造业的重要突破方向之一。它对航天探索尤为关键——国际空间站三成以上的备用部件可由在轨 3D 打印机制造，既能增强任务可靠性与安全性，又避免了从地球运输部件的高昂成本。
工作步骤
软件建模
先用计算机建模软件建立完整的三维立体模型（也可使用现成的动物、人物或建筑等模型），再通过 SD 卡或 USB 拷贝到打印机中，完成打印设置后即可输出。
三维设计
设计过程将三维模型“切片”为逐层截面，以指导打印机逐层打印。建模软件与打印机协作的标准文件格式是 STL（用三角面近似物体表面，三角面越小分辨率越高）；全彩打印常用 PLY 或 VRML 等扫描生成的文件。
打印过程
打印机读取截面信息，用液体、粉末或片状材料逐层打印，再将各层以不同方式粘合形成实体。截面厚度（Z 方向）常见为 100 微米（0.1 mm），部分设备可达 16 微米；平面（X-Y）分辨率接近激光打印机。传统制造一个模型常需数小时到数天，3D 打印可缩短至数小时，具体取决于设备性能与模型尺寸、复杂度。
制作完成
对大多数应用分辨率已足够，但弯曲表面可能略显粗糙（类似图像锯齿），可通过先打印稍大物体再表面打磨获得高分辨率效果。部分技术可同时使用多种材料，并在打印倒挂结构时用可溶支撑物临时支撑，打印后去除。
应用案例
航天与军工
GE 中国研发中心用 3D 打印“打印”出航空发动机重要零部件，使该零件成本降低约 30%、制造周期缩短约 40%。爱好者 Jim Smith 用自制大型 3D 打印机耗时 42 天造出世界首艘 3D 打印皮划艇（长 5 米，28 块 ABS 塑料组装，总造价约 500 美元）。俄罗斯技术集团公司以 3D 打印制造出无人机样机（重 3.8 kg，翼展 2.4 m，实际生产仅 31 小时，成本不到 20 万卢布）。
医疗
骨骼替代材料（主要成分为磷酸钙，添加硅、锌增强）可被打印成支架，支持人体骨骼细胞生长，已在老鼠和兔子身上验证，有望用于骨骼损伤修复与牙科。3D 打印还用于手术规划——如南方医科大学珠江医院借助 3D 打印肝脏模型指导完成复杂肝脏肿瘤切除（国内首例）。
建筑
工程师与设计师已普遍接受用 3D 打印制作建筑模型，快速、低成本且环保。荷兰 DUS 公司用高 6 米的 KamerMaker 打印机筹备打印全球最大的 3D 打印房屋；国内亦有团队用 3D 模块在 3 小时内搭建出可入住的精装别墅。
汽车与制造
微软设有 3D 模型打印车间，在产品设计阶段快速制作模型以改进产品；汽车行业在安全性测试中以 3D 打印非关键部件替代，兼顾效率与成本。2014 年，世界首款 3D 打印汽车“斯特拉迪”（Strati）问世，制作周期 44 小时，最高时速约 80 km/h，全车仅 40 个零件、依靠电动能源。
食品
NASA 投资研发能为宇航员制造“营养可口”食品的 3D 打印机；西班牙自然机器公司推出首款 3D 食物打印机 Foodini，可制作甜品、汉堡、面包、巧克力与意大利面。
在轨制造
美国“太空制造”（Made In Space）公司自 2010 年成立后，在微重力环境下完成数百次抛物线飞行试验；2014 年为国际空间站送去 3D 打印机，空间站三成以上零部件可由其制造，同年 11 月打印出首把“太空扳手”。