本文结合对机械工程领域的3D打印技术的认识，针对3D打印技术所呈现出的一些技术优势，调研分析了3D打印技术的应用现状，并以此为基础重点总结分析了3D打印机的一般结构组成以及3D打印的原理性工作过程，并就SLS激光粉末烧结成型、3DP三维打印、SLA激光固化、FDM熔融沉积造型和LOM层叠法成型五种典型3D打印技术进行了技术与特点分析。

1 3D打印技术应用现状

3D打印技术已经逐渐渗透到生产生活的方方面面，如打印结构复杂的食物造型、高精密机械零部件、人体骨骼器官和进行教育教学示范等。

在日常生活上可以利用3D打印技术来打印日用品，实现节省人力资源降低日用成本，还可以借助3D打印技术给生活增添科技元素，比如3D打印生日蛋糕等其他礼物礼品。在尖端制造业领域，一些尖端科技产品的制造需要精确计算，精准加工，但单纯依靠手工制作难以做到满足要求，而借助3D打印技术则完全可以实现。除此之外，3D打印技术在医学领域也得到了一些应用，骨创伤方面利用3D生物打印技术，可以增进医疗救护成功率，在有些方面还可以帮助病号快速恢复。近些年有些中学也组建了3D打印技术兴趣小组，并获得政府和社会企业的资助，建立起了3D打印技术示范基地，通过兴趣小组和示范教育，以锻炼中学生的想象能力和创新创造能力，为国家培养3D打印和智能制造后备人才奠定基础。

2 3D打印技术原理

3D打印技术的本质首先是通过计算机辅助设计（如CAD）软件设计三维模型，再将三维模型通过计算机转义为由数据组成的三维模型STL文件，在计算机辅助制造（CAM）系统的数据处理下，控制3D打印机进行喷涂原料等系列操作，便可进行三维成品的打印，最后通过进一步处理得到最终成品。

2.1 3D打印机的结构

3D打印机又称快速成型机，采用液体或粉末状的材料来加工出预期产品，是集传统制造加工技术、计算机辅助设计、数控技术、激光加工和材料成型等技术于一体的机电一体化设备。经过近些年的发展，市场上有十分丰富的产品，本文选取一种典型的3D打印机进行结构分析，如图1所示。

2.2 3D打印工作原理

3D打印可以快速自动地实现概念产品从设计到成品的打印，主要可以实现如概念性成品、测试型成品、模具型产品和实际应用产品的打印，三维成品的形成均是按照如下所述步骤完成。

图1 3D打印机结构与外观

步骤一：三维模型的构造。3D打印机系统只识别计算机设计并构造的三维模型，然后按照一定的结构原理进行切面得到截面加工图，可见3D打印的基础是根据最终成品要求借助类似CAD的计算机软件进行辅助设计，或类似从二维图像转换为三维模型，也可以通过特殊测量仪器对现有三维成品进行扫描，采用逆向工程实现三维重构，得到有效的三维模型。

步骤二：三维模型的近似处理。由计算机辅助软件得到的三维模型图需要结合3D打印机进行近似处理，如存在的一些不规则自由曲面，加工前必须得到有效处理，方可打印执行。CAD软件具备自动转换并近似处理功能，得到STL（Standard Template Library）格式文件，但仍旧需要进行手工局部修改。

步骤三：三维模型的分层处理。由于3D打印技术是通过分层加工实现的，因此在打印前通常需要将上述三维模型在纵向方向离散成系列二维截面，提取相应的截面轮廓参数，3D打印机按照提取出的参数，并以一定精度开始打印成型。

步骤四：三维模型的截面加工。结合上述的二维截面轮廓参数，3D打印机在计算机控制作用下，其喷头在二维坐标下开始二维扫描打印，并根据材料性质不同采用不同的工艺流程开始逐层成型。

步骤5：三维模型的截面叠加。每层二维截面成型后，下一层的材料会按照程序被打印在已成型截面之上，进行下一层的打印，并通过加热等特殊处理实现前后两层的粘结，进而实现逐层叠加，最终形成三维成品。

步骤六：三维成品的后处理。通过前五步成型的样品相对比较粗糙，需要进行后处理，如打磨将实物体上的松散或无用组织去除，刨出具体模型，并对实物表面进行抛光，使其表面光滑，有的因材料特性要求需要重新高温处理才能得到目标性能参数，最后在物体表面喷涂一层蜡，以达到坚硬、耐磨、耐高温和防水的效果。因此，可以说后处理是3D打印非常关键的一步。

3 高中物理实验中可能的3D打印技术分析

文章来源：《现代制造技术与装备》 网址: http://www.xdzzjsyzb.cn/qikandaodu/2020/0731/454.html