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2.1 3D打印时间简史
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如果寻根问底的话，3D打印的发展最早可以追溯到19世纪！快速成型技术就是从这一时期开始萌芽的。但直到20世纪80年代后期，3D打印技术才真正开始发展成熟并被广泛商业应用。
1860年，法国人Franois Willème申请到了多照相机实体雕塑（Photosculpture）的专利。
1986年，查尔斯·W·哈尔（Charles W.Hull，如图2-1所示）成立了世界上第一家生产3D打印设备的公司：3D Systems公司。他研发了现在通用的STL文件格式。
图2-1 Charles W.Hull成立了世界上第一
（图片来源：3D Systems）
1988年，3D Systems公司在成立两年后，推出了世界上第一台基于SL（立体光刻）技术的3D工业级打印机SLA-250。同年，Scott Crump发明了另一种更廉价的3D打印技术：熔融沉积成型（FDM）技术，并于1989年成立了Stratasys公司。
1989年，美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard发明了选择性激光烧结工艺（SLS）。SLS使用的材料最广泛，理论上讲几乎所有的粉末材料都可以打印，如陶瓷、蜡、尼龙，甚至是金属。
1991年，Helisys推出第一台叠层法快速成型（LOM）系统。
1992年，Stratasys公司在成立3年后，推出了第一台基于FDM技术的3D工业级打印机。
1992年，DTM公司推出首台选择性激光烧结（SLS）打印机。
1993年，美国麻省理工学院MIT的Emanual Sachs教授发明了三维打印技术（Three-Dimension Printing，3DP），是类似于已在二维打印机中运用的喷墨打印技术。1995年，Z Corporation获得MIT的许可，并开始开发基于3DP技术的打印机。
注意： MIT发明的三维打印技术（Three-Dimension Printing，3DP）只是“3D打印”众多成型技术中的一种而已。我们通常所说的“3D打印”并非特指MIT的这项3DP技术。
1996年，3D Systems、Stratasys、Z Corporation（以下简称ZCorp）各自推出了新一代的快速成型设备，此后快速成型便有了更加通俗的称呼──“3D打印”。
1998年，Optomec成功开发LENS激光烧结技术。
2000年，Objet更新SLA技术，使用紫外线光感和液滴喷射综合技术，大幅提高制造精度。
2001年，Solido开发出第一代桌面级3D打印机。
2003年，EOS开发DMLS激光烧结技术。
2005年，ZCorp公司推出世界上第一台高精度彩色3D打印机Spectrum Z510，让3D打印从此变得绚丽多彩。
2007年，3D打印服务创业公司Shapeways正式成立，Shapeways公司提供给用户一个个性化产品定制的网络平台。
2008年，第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布，其目的是开发一种能自我复制的3D打印机。RepRap是英国巴恩大学高级讲师Adrian Bowyer于2005年发起的开源3D打印机项目，如图2-2所示。该项目的目标是使工业生产变得大众化，全球各地的每个人都能以低成本打印RepRap的组装件，然后用打印机制造出日常用品。桌面级的开源3D打印机为轰轰烈烈的3D打印普及化浪潮揭开了序幕。
提示： 值得一提的是，RepRap打印机创始人Adrian Bowyer之前的研究领域是3D数字化几何建模。
2008年，Objet Geometries公司推出其革命性的Connex500?快速成型系统，它是有史以来第一台能够同时使用几种不同的打印原料的3D打印机。
图2-2 Adrian Bowyer与RepRap
（图片来源：RepRap）
2009年，Bre Pettis带领团队创立了著名的桌面级3D打印机公司──MakerBot，MakerBot打印机源自于RepRap开源项目。MakerBot出售DIY套件，购买者可自行组装3D打印机。国内的创客开始了仿造工作，个人3D打印机产品市场由此蓬勃兴起。
2010年12月，Organovo公司，一个注重生物打印技术的再生医学研究公司，公开第一个利用生物打印技术打印完整血管的数据资源。
2011年，英国南安普敦大学的工程师们设计和试驾了全球首架3D打印的飞机。这架无人飞机的建造用时7天，费用为5000英镑。3D打印技术使得飞机能够采用椭圆形机翼，有助于提高空气动力效率；若采用普通技术制造此类机翼，通常成本较高。
2011年，Kor Ecologic推出全球第一辆3D打印的汽车Urbee。它是史上第一台用巨型3D打印机打印出整个身躯的汽车。所有外部组件也由3D打印制作完成。
2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机。
2011年，i.materialise成为全球首家提供14K黄金和标准纯银材料打印的3D打印服务商。这在无形中为珠宝首饰设计师们提供了一个低成本的全新生产方式。
2012年，荷兰医生和工程师们使用LayerWise制造的3D打印机，打印出一个定制的下颚假体。然后移植到一位83岁的老太太身上。这位老太太患有慢性骨感染。目前，该技术被用于促进新的骨组织生长。
2012年，英国著名经济学杂志《经济学人》封面文章（如图2-3所示），声称3D打印将引发全球第三次工业革命。
2012年3月，维也纳大学的研究人员宣布利用二光子平板印刷技术（Two-Photon Lithography）突破了3D打印的最小极限，展示了一辆不到0.3mm的赛车模型。
图2-3《经济学人》的封面
2012年3月，美国总统奥巴马提出投资10亿美元在全美建立15家制造业创新研究所。
2012年7月，比利时的International University College Leuven的一个研究组测试了一辆几乎完全由3D打印的小型赛车。车速达到了140km/h。
2012年9月，3D打印的两个领先企业Stratasys和以色列的Objet宣布进行合并，合并后的公司名仍为Stratasys，进一步确立了Stratasys在高速发展的3D打印及数字制造业中的领导地位。
2012年10月，来自MIT的团队成立Formlabs公司，并发布了世界上第一台廉价且高精度的SLA个人3D打印机Fom1。国内的创客也由此开始研发基于SLA技术的个人3D打印机。
同期，中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立。国内各类媒体开始铺天盖地报道3D打印的新闻。
2012年11月，中国宣布是世界上唯一掌握大型结构关键件激光成型技术的国家。
2012年11月，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。
2013年5月，美国分布式防御组织发布全世界第一款完全通过3D打印制造出的塑料手枪（除了撞针采用金属），并成功试射。同年11月，美国Solid Concepts公司制造了全球第一款3D全金属手枪，采用33个17-4不锈钢部件和625个铬镍铁合金部件制成，并成功发射了50发子弹。
2013年，美国的两位创客（父子俩）开发出家用金属3D打印机，基于液体金属喷射打印（LMJP）工艺，价格将低于10，000美元。同年，美国的另外一个创客团队开发了一款名为Mini Metal Maker（小型金属制作者）的桌面级金属3D打印机，主要打印一些小型的金属制品，比如珠宝、金属链、装饰品、小型金属零件等，售价仅为1000美元。
2013年8月，美国国家航空航天局（NASA）测试3D打印的火箭部件，其可承受2万磅推力，并可耐6，000华氏度的高温。
2013年，麦肯锡公司将3D打印列为12项颠覆性技术之一，并预测到2025年，3D打印对全球经济的价值贡献将为2～6千亿美元。
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2.2 3D打印机的工作原理和家族 |
3D打印，又称快速成型（RP，Rapid Prototyping）、增材制造（AM，Additive Manufacturing），是一种以3D数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。在将3D数字化模型输出到3D打印机之前，需要对3D模型进行分层，切成数百上千个薄层，这相当于高等数学里的微分操作。然后将描述这些薄层的数字化文件输出到打印机，3D打印机逐层打印出来，这又相当于高等数学里的积分操作，直到将整个形状叠加成型。
3D打印采用分层加工、叠加成型，即通过逐层增加材料来生成3D实体，与传统的去除材料加工技术（如用机床切削）完全不同。之所以称之为“打印机”，是因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似，组成上也都是由控制组件、机械组件、打印头、耗材和介质等构成的。
说得简单一点，3D打印是断层扫描的逆过程，断层扫描是把某个东西“切”成无数叠加的片，3D打印就是一片一片地打印，然后叠加到一起，成为一个立体物体，如图2-4所示。在3D打印时，软件通过计算机辅助设计技术（CAD）完成一系列数字 “切片”（Slice） ，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，然后将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。
图2-4 3D打印机的“分层加工、叠加成型”工作原理图
（图片来源：blogspot）
传统的“去材加工”机床是在做“减法”（ 减材成型 ），也即通过切、削、车、铣、磨等工艺将一块物料上不需要的地方去掉，但这就存在着“伸不进、够不着”的问题，因此不能加工任意复杂的中空形状，而且去掉的物料也被浪费掉了。作为对比，3D打印这种一层一层堆积起来做“加法”的工艺（ 增材成型 ）具有如下优点：不需要刀具、模具，所需工装、夹具大幅度减少；生产周期大幅度缩短；可制造出传统工艺方法难以加工，甚至无法加工的结构；材料利用率大幅度提高。因此，3D打印特别适合于复杂结构的快速制造、个性化定制、高附加值的产品制造。同时，由于可以生成任意复杂的产品形状，因此在零部件的设计上可以采用最优的结构设计，而无须考虑加工问题，解决了复杂精细零部件的设计和制造难题。
提示： 因为3D打印有X、Y、Z这3个空间维度，所以满足所谓的“三次方增加规律”。比如物品的每个维度（长、宽、高）都增大到2倍，则体积将增大到2 3 =8倍！也即从时间、材料到成本的需求数量都是呈指数增长的，有时甚至能达到三次方增长。所以说，如果我们需要2倍大的东西，那么就得花8倍的时间、花8倍的材料、花8倍的钱来打印。
3D打印的主流技术包括SLA、FDM、SLS、3DP、LOM等。比如，FDM是把塑料熔化成半融状态拉成丝，用“线”来构建面，一层一层堆起来；而光固化SLA是把本来液态的光敏树脂，用紫外激光照射，照到哪儿，哪儿就从液态变成了固态。SLS和SLA理论上是一样的，不同的是SLS用激光去烧结粉末，如尼龙粉、金属粉等。
下面，我们就对各种主流3D打印技术做一个通俗易懂的介绍。
FDM（Fused Deposition Modeling），熔融沉积成型，也被称为熔丝制造（Fused Filament Fabrication，FFF）。该工艺属于“丝材挤出热熔成型”这一大类。
FDM技术是20世纪80年代时Scott Crump发明的。在获得该项技术的专利后，他于1989年建立了Stratasys公司。FDM的技术原理是，将丝状（直径约2mm）的热塑性材料通过喷头加热熔化，喷头底部带有微细喷嘴（直径一般为0.2～0.6 mm），材料以一定的压力挤喷出来，同时喷头沿水平方向移动，挤出的材料与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台垂直下降一个层的厚度，再继续熔融沉积，直至完成整个实体造型。FDM工艺使用两种材料：一种是制作实体部分的成型材料；另一种是支撑材料，以防空腔或悬臂部分坍塌。
形象地说，FDM的原理就像蚕吐丝或挤牙膏那么简单，且无须激光系统，因而价格低廉。现在市场上的桌面级3D打印机（如RepRap、Ultimaker、MakerBot）大多数采用这种工艺，最便宜的不到1万元即可买到。FDM使用的丝状耗材以及打印案例如图2-5所示。
图2-5 FDM使用的丝状耗材以及打印案例
（图片来源：MakerBot）
FDM技术的优点如下。
操作环境干净、安全，可在办公室环境下进行，没有产生毒气和化学污染的危险。
无须激光器等贵重元器件，工艺简单、干净、不产生垃圾。
原材料以卷轴丝的形式提供，易于搬运和快速更换。
材料利用率高，且可选用多种材料，如可染色的ABS和医用ABS、PLA、PC、PPSF等。
由于甲基丙烯酸ABS（MABS）材料具有较好的化学稳定性，可采用伽马射线消毒，特别适用于医用。
FDM技术的缺点如下。
成型后表面粗糙，需配合后续抛光处理，目前不适合高精度的应用。做小件或精细件时精度不如SLA，最高精度只能为0.1mm。
尺寸不能很大，因为材料本身原因限制，尺寸大了很容易变形。
速度较慢，因为它的喷头是机械的。
此外它还需要浪费材料来做支撑。
3DP（Three Dimensional Printing and Gluing），三维打印黏结成型、喷墨沉积。该工艺属于“液体喷印成型”这一大类。
工艺类似于传统的2D喷墨打印机，是最为贴合“3D打印”概念的成型技术之一。最早由美国麻省理工学院（MIT）于1993年开发。该技术利用喷头喷黏结剂，选择性地黏结粉末来成型。首先铺粉机构在加工平台上精确地铺上一薄层粉末材料，然后喷墨打印头根据这一层的截面形状在粉末上喷出一层特殊的胶水，喷到胶水的薄层粉末发生固化。然后在这一层上再铺上一层一定厚度的粉末，打印头按下一截面的形状喷胶水。如此层层叠加，从下到上，直到把一个零件的所有层打印完毕。然后把未固化的粉末清理掉，得到一个三维实物原型。成型精度可达0.09mm。
与2D平面打印机在打印头下送纸不同，3D打印机是在一层粉末的上方移动打印头，并打印横截面数据。彩色3D打印机打印成型的样品模型与实际产品具有同样丰富的色彩。ZCorp公司（现已被3D Systems公司收购）使用3DP打印技术开发了Zprinter产品系列。3DP的打印案例如图2-6所示。
图2-6 3DP的打印案例
（图片来源：3D Systems）
3DP技术的优点如下。
无须激光器等高成本元器件。成型速度快，耗材很便宜，一般的石膏粉都可以。
成型过程不需要支撑，多余粉末的去除比较方便，特别适合于做内腔复杂的原型。
此技术最大优点是能直接打印彩色，无须后期上色。目前市面上打印彩色人像基本采用此技术。
3DP技术的缺点如下。
石膏强度较低，只能做概念型模型，而不能做功能性试验。
因为是粉末黏结在一起，所以表面手感稍有些粗糙。
SLS（Selective Laser Sintering），选择性激光烧结、选区激光烧结。该工艺属于“粉末/丝状材料高能束烧结或熔化成型”这一大类。
该工艺由美国得克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年研制成功。SLS与3DP相似，也是采用粉末材料，但一般都为金属粉末、陶瓷粉末等。此外，不像3DP通过喷头喷黏结剂来黏结，而是通过烧结来黏结。具体地，SLS利用粉末材料在激光照射下烧结的原理，由计算机控制，层层堆结成型。首先铺一层粉末材料，并刮平。将材料预热到接近熔化点，再使用高强度的CO 2 激光器有选择地在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成黏结，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。
SLS在市场上采用得比较多，因为它和工业结合得很紧密，而且使用的材料最广泛，理论上讲几乎所有的粉末材料都可以打印。像铸造行业对精度要求没那么高，SLS打印出来的精度足够了，与精密铸造工艺相当。SLS可以直接打印一些小的金属件，如首饰、小的金属模具等。SLS的打印案例如图2-7所示。
图2-7 SLS的打印案例
（图片来源：ArtCorp）
SLS技术的优点如下。
成型材料广泛，包括高分子、金属、陶瓷、砂等多种粉末材料。
零件的构建时间较短，可达到1 inch/h速度。
所有没用过的粉末都能在下一次打印中循环利用。所有未烧结过的粉末都保持原状并成为实物的支撑性结构，因此这种方法不需要任何其他支撑材料。相比之下，FDM、SLA等工艺则需要支撑结构。
此技术最主要的优势在于金属成品的制作，其制成的产品可具有与金属零件相近的机械性能，故可用于直接制造金属模具以及进行小批量零件生产。
SLS技术的缺点如下。
粉末烧结的表面粗糙（精度为0.1～0.2mm），需要后期处理。在后期处理中难以保证制件尺寸精度，后期处理工艺复杂，样件变形大，无法装配。
无法直接成型高性能的金属和陶瓷零件，成型大尺寸零件时容易发生翘曲变形。
在加工前，要花近2小时的时间将粉末加热到熔点以下，当零件构建之后，还要花5～10小时冷却，然后才能将零件从粉末缸中取出。
由于使用了大功率激光器，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺，整体技术难度较大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受，所以目前应用范围主要集中在高端制造领域，而尚未有桌面级SLS打印机开发的消息。需要对加工室不断充氮气以确保烧结过程的安全性，加工的成本高。该工艺产生有毒气体，污染环境。
除了SLS，金属打印还有SLM、DMLS、LENS、EBM、EBDM，详细介绍请移步本章2.4节。
SLA（Stereo Lithography Appearance），光固化立体成型、立体光刻、立体平板印刷，有时也简称SL。该工艺属于“液态树脂光固化成型”这一大类。
提示： SLA用的激光与SLS用的激光不同。SLA用的是紫外激光，而SLS用的是红外激光。SLA的耗材一般为液态的光敏树脂，而SLS的耗材一般为塑料、蜡、陶瓷、金属粉末。
世界上第一台3D打印机采用的就是SLA工艺！这项技术由Charles W.Hull发明，他由此于1986年创办了3D Systems公司。技术原理：在树脂液槽中盛满透明、有黏性的液态光敏树脂，它在紫外激光束的照射下会快速固化。成型过程开始时，可升降的工作台处于液面下一个截面层厚的高度。聚焦后的激光束，在计算机的控制下，按照截面轮廓的要求，沿液面进行扫描，使被扫描区域的树脂固化，从而得到该截面轮廓的塑料薄片。然后，工作台下降一层薄片的高度，再固化另一个层面。这样层层叠加构成一个三维实体。
SLA的材料是液态的，不存在颗粒的东西，因此可以做得很精细。不过它的材料要比SLS贵很多，所以它目前主要用于打印薄壁的、精度要求较高的零件。适合于制作中小型工件，能直接得到塑料产品。它还能代替蜡模制作浇铸模具，以及作为金属喷涂模、环氧树脂模和其他软模的母模。SLA的打印案例如图2-8所示。
图2-8 SLA的打印案例
（图片来源：中瑞科技）
SLA技术的优点如下。
光固化成型法是最早出现的快速成型制造工艺，成熟度最高，经过时间的检验。
成型速度较快，系统工作相对稳定。
可以打印的尺寸也比较可观，在国外有可以做到2m的大件，关于后期处理特别是上色都比较容易。
尺寸精度高，可以做到微米级别，比如0.025mm。
表面质量较好，比较适合做小件及较精细件。
SLA 技术的缺点如下。
SLA设备造价高昂，使用和维护成本过高。SLA系统是要对液体进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻。
成型件多为树脂类，材料价格贵，强度、刚度、耐热性有限，不利于长时间保存。
这种成型产品对贮藏环境有很高的要求，温度过高会熔化，工作温度不能超过100℃。光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好。成型件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。
光敏树脂对环境有污染，会使人体皮肤过敏。
需要设计工件的支撑结构，以便确保在成型过程中制作的每一个结构部位都能可靠定位，支撑结构需在未完全固化时手工去除，容易破坏成型件。
PolyJet技术是由以色列Objet公司（现已并入Stratasys公司）发明并申请专利的，速度比SLA更快。该工艺属于“液体喷印成型”和“液态树脂光固化成型”这两大类的结合体。
打印过程像喷墨打印机一样一层一层地喷树脂，同时用紫外线灯快速固化，树脂分为支撑材料和模型材料，产品做成后可轻易地冲洗掉支撑材料产品。样品精度最高可达到16（m。Objet的3D打印系统系列可为办公室环境的设计师和工程师们提供高分辨率的快速原型制作。缺点是树脂材料的强度较低。
此外，如果搭配FullCure720耗材，可实现透明的琥珀色效果。Objet最新的PolyJet Matrix技术，还可以支持多种型号材料（多种颜色）同时喷射。PolyJet工艺的打印案例如图2-9所示。
图2-9 PolyJet工艺的打印案例
（图片来源：Stratasys）
DLP（Digital Light Processing，数字光处理技术）也属于“液态树脂光固化成型”这一大类，数字光处理技术和SLA光固化成型技术比较相似，不过它是使用高分辨率的数字光处理器（DLP）投影仪来固化液态光聚合物的，逐层地进行光固化。由于每次成型一个面，因此在理论上速度也比同类的SLA快很多。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。DLP工艺的打印案例如图2-10所示。
图2-10 EnvisionTEC公司
（图片来源：envisionTEC）
DLP利用投射原理成型，无论工件尺寸大小都不会改变成型速度。此外，DLP不需要激光头去固化成型，取而代之是使用成本极为便宜的灯泡照射。整个系统并没有喷射部分，所以并没有传统成型系统喷头堵塞的问题出现，大大降低了维护成本。DLP技术最早由德州仪器开发，目前很多产品也是基于德州仪器提供的芯片组。
ZCorp公司使用DLP技术开发了ZBuilder产品系列，使得工程师能够在产品大规模生产前验证设计的形状、匹配和功能，从而避免成本高昂的生产模具修改和缩短上市时间。
有一个好消息是，国外一名叫Tristram Budel的创客发布了一款开源的高分辨率DLP 3D桌面打印机（如图2-11所示），所有技术细节都免费共享。
图2-11 开源的高分辨率DLP 3D桌面打印机
（图片来源：Tristram Budel）
LOM（Laminated Object Manufacturing），分层实体制造。该工艺属于“片/板/块材黏接或焊接成型”这一大类。
LOM是一种薄片材料叠加工艺，出现于1986年，由Helisys公司提出。利用激光或刀具切割薄层纸、塑料薄膜、金属薄板或陶瓷薄片等片材，非零件区域切割成若干小方格，便于后续去除。然后通过热压或其他形式层层黏结，叠加获得三维实体零件。可以看出，LOM工艺还有传统切削工艺的影子，只不过它已不是对大块原材料进行整体切削，而是先将原材料分割为多层，然后对每层的内外轮廓进行切削加工成型，并将各层黏结在一起。
LOM适合制作大中型原型件，翘曲变形较小，尺寸精度较高，成型时间较短。使用小功率CO 2 激光器价格低、使用寿命长，制成件有良好的机械性能，适合于产品设计的概念建模和功能性测试零件。且由于制成的零件具有木质属性，特别适合于直接制作砂型铸造模。LOM原理图和打印案例如图2-12所示。
图2-12 上图：LOM原理图（左）和打印案例（中、右
（图片来源：rpworld.net）
LOM技术的优点如下。
成本低；因为没有涉及化学反应，所以零件可做得很大。
仅切割内外轮廓，内部无须加工，所以这是一个高速的快速成型工艺。常用于加工内部结构简单的大型零件及实体件。
不存在收缩和翘曲变形，无须设计和构建支撑结构。
LOM技术的缺点如下。
不能制造中空结构件。难以构建精细形状的零件，即仅限于结构简单的零件。
比较浪费材料。可实际应用的原材料种类较少，如纸、塑料、陶土以及合成材料，但目前常用的只是纸。
Z轴精度比SLA低，精度可达0.1mm；且纸制零件很容易吸潮，必须立即进行后处理、上漆。
需要专门实验室环境，维护费用高昂。当加工室的温度过高时常有火灾发生。因此，工作过程中需要专职人员职守。
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2.3 塑料还是石膏？3D打印机的各种耗材 |
提到3D打印，很多人都会问一个问题：3D打印技术都能使用哪些材料呢？其实想回答这个问题，我们只需要看看欧美最著名的三大主要3D打印服务公司Shapeways、i.materialise和Ponoko目前都正在为客户们提供哪些材料，就可以大致了解当今世界都有哪些成熟的3D打印材料了。
在将各种耗材“一网打尽”之前，我们先挑出几种应用最广泛的耗材专门详细介绍一下，比较它们之间的差别。特别是，目前3D照相馆的3种主要耗材为ABS、PLA和石膏，为此我们专门配上了各自的人像打印效果图。
ABS ：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯
ABS塑料丝，五大合成树脂之一，是目前产量最大、应用最广泛的聚合物。它具有无毒、无味，价格便宜等特点。由于这种塑料丝要经过熔化后再冷却，根据热胀冷缩原理，所以在精度控制上并不是很高，打印的3D模型也比较粗糙。打印较大模型时，最好使用热床，否则产品容易起翘。ABS在强度上高于PLA。ABS可以用丙酮进行后期打磨抛光。ABS的打印案例如图2-13所示。
图2-13 ABS的打印案例（最右为笔者本人）
ABS材料的特点如下。
●综合性能较好，冲击强度较高，化学稳定性、电性能良好。
●与372有机玻璃的熔结性良好，制成双色塑件，且可表面镀铬，喷漆处理。
●有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明等级别。
●柔韧性好。
●打印大尺寸模型时，模型容易变形翘曲。
注意： 一般工厂都有防护措施，但我们使用家庭3D打印机的时候一般没有防护措施。美国和法国科研人员发表了一项科研成果，表明桌面3D打印机确实能够散发出许多的超细颗粒（UFPs，ultrafine particles），即那些小于100nm的微小颗粒。超细颗粒通常都很容易进入到人体的气管和肺部，并被吸收到血液循环系统，因而长期接触就有可能引发一些健康问题，比如肺病、中风和哮喘等。研究者发现，打印ABS的颗粒排放量为PLA的10倍。
PLA ：聚乳酸，植物淀粉的衍生物
聚乳酸（PLA）是一种优良的聚合物，原因是多方面的。首先，它是生物环保的，因为它从玉米制成，是一种可再生资源。其次，生物可降解，这意味着将不需要一个垃圾填埋场。第三，它的颜色，打印的效果如LED一样地晶亮，非常清晰。最后，它具有极低的收缩率，这意味着它抗变形翘曲，即使是非常大的打印尺寸。PLA的打印案例如图2-14所示。
图2-14 PLA的打印案例（笔者本人）
PLA的很多性质与ABS类似，但比ABS更脆一点，无须使用加热平台，因为它冷却时很少发生卷翘，风扇可进一步提高打印质量。气味比ABS好闻。从表面上对比观察，ABS呈亚光，而PLA很光亮。加热到195℃，PLA可以顺畅挤出，ABS不可以。加热到220℃，ABS可以顺畅挤出，PLA则会出现鼓起的气泡，甚至被碳化，碳化会堵住喷嘴。
打印PLA与打印ABS的区別如下。
●打印PLA时有棉花糖气味，不像ABS那样有刺鼻的不良气味。
●打印大型零件模型，PLA即使在没有加热床的情况下边角也不会翘起。
●PLA加工温度是200℃，ABS在220℃以上。
●PLA具有较低的熔体强度，打印模型更容易成型，表面光泽性优异，色彩艳丽。
在打印过程中，一般都需要对悬垂部分进行临时支撑。但这些支撑结构往往并不容易清除掉，用锉刀和砂纸也容易破坏光滑的表面。因此，除了ABS和PLA塑料，还有一种 水溶性的塑料PVA， 可用在双喷头3D打印机上（比如一个喷头接ABS耗材以打印主体，另一个喷头接PVA耗材以打印支撑）。 PVA可作为打印过程中的临时支撑材料来使用，打印完毕后泡在水中就可以溶解，并被很方便地清理掉。
石膏粉末
使用粉末微粒作为打印介质（最常用的是石膏粉）的3D打印机，通过在粉末床上层层添加黏结剂的方式来成型。打印的模型较为精细，可再添加一层氰基丙烯酸酯密封胶来增加产品的耐用度并获得更鲜艳的色彩。非常适合做人像全彩打印，目前市面上很多3D照相馆用的就是石膏，但“不防水，不可放入洗碗机，不能回收再利用，对食品不安全，耐热度60℃”。石膏粉末的打印案例如图2-15所示。
图2-15 石膏粉末的打印案例（右边为笔者本人）
PC ：聚碳酸酯
翘曲度低，强度高且比ABS更加柔韧一些。不过，挤出温度要求比PLA和ABS更高，有些个人3D打印机达不到。
尼龙
更柔韧，不需要加热平台或风扇就可获得细节度较高的打印表面光洁度。尼龙的打印案例如图2-16所示。
图2-16 尼龙的打印案例
（图片来源：magicfirm）
光敏树脂
光敏树脂是一种遇紫外线照射会立刻变硬的特殊材料。其特点是细节度和光滑度非常地高，非常适合对细节度要求高的雕塑和其他物品。光敏树脂的打印案例如图2-17所示。
图2-17 光敏树脂的打印案例
纸张
Mcor公司的3D打印机利用普通A4纸张打印全彩模型。
彩色和木质耗材
为了实现彩色打印，除了在打印机上想办法之外，还可在耗材上作文章。很简单的一个思路是，把耗材线染成彩色，这不就OK了？Taulman的“618”高强度尼龙恰有这个优点，它很容易被染色，如图2-18上方所示是所打印的彩色效果。除了彩色耗材，木匠们可能更喜欢木质耗材。德国设计师Kai Parthy研制了一种名为Laywoo-D3的3D打印耗材，直径3mm，其中40%源自回收木材，3D打印完成后效果和胶合板类似，手感接近实木，并散发出木头的味道，如图2-18下方所示。目前国内的广州傲趣科技公司也推出一款名为Pop Wood的木质线材，价格便宜了许多，据报道说还不容易堵塞喷头。
图2-18 彩色耗材（上）和木质耗材（下）
（图片来源：Richrap、Kai Parthy）
好了，介绍完以上几种常见的耗材，下面我们将其他耗材进行系统的归类描述。它们的打印效果如图2-19所示。
图2-19 其他各种耗材的打印效果
（图片来源：Shapeways）
金属类
Alumide（氧化铝）：一种闪耀的尼龙和铝粉的混合物。它适用于需要中等强度和细节度的产品，可以进行后期抛光使其更光滑，适于做镇纸和珠宝。“不防水，不可放入洗碗机，不能回收再利用，对食品不安全，耐热度为172℃”。
Stainless（不锈钢）：通过向金属粉末床上层层添加黏结剂层，再将产品用青铜浇铸浸渍来增加刚性，适于制作珠宝和结构件，可以被镀上铜和黄金。“防水，可放入洗碗机，不可回收再利用，对食品不安全，耐热度为831℃”。
Sterling Silver（纯银）：这种材料不是直接用于3D打印的，是先用3D打印一个蜡模，再将蜡模转换成石膏模具，再将熔化的银注入石膏模具成型。可后期机械或手工打磨，适于制作珠宝。
Titanium（钛）：采用直接金属激光烧结技术，将钛粉原料层层烧结成非常坚固且拥有高细节度的产品。可后期抛光，适于制作珠宝和功能件。
Gold（黄金）：工艺同Silver（银），但原料在14K黄金中添加了一点铜来增加强度。适于制作珠宝。
Brass（黄铜）：铜和锌的混合材料，制作工艺和上面提过的银质物品一致。能够用聚氨酯类的油漆上色或镀金。适于制作珠宝、雕塑或为金银打印做测试。
Bronze（青铜）：和打印钢质物品类似，比较坚固。适合做装饰性的物品，比如雕像、钥匙和硬币等。
High Detailed Stainless Steel（高细节不锈钢）：和普通钢制作工艺相同，但使用316L不锈钢原料。在保持相同强度的基础上增加了更多的细节。适于制作珠宝、邮票模具和一些小的功能件。
Gold Plate（镀金）：不锈钢经3D打印之后镀金而成。
塑料和高聚合物类
BendLay：改进版ABS，号称透明度高、柔性好。BendLay可用在那些嫌ABS太硬，而又嫌柔性PLA（soften PLA）不够紧实的地方。BendLay不易卷翘，厂家更号称此线材对食品安全，可用在食物包装和医疗设备上。
LayBrick：是天然矿物填料（超细研磨白植土）和无毒聚酯的混合物，LayBrick打印产品质感和石头类似。可用于制作建筑模型，可打磨，无须加热平台。
LayWoo-D3：再生木与高分子黏结剂结合的产物，可打印类似木材质地的一种线材。打印时卷翘度低，打印完成后可像对待木头一样对其进行钻孔，切割处理。所以它不论是看起来、摸起来、闻起来都很像真正的木头。
Strong and Flexible Plastic（坚固而有柔韧性的塑料）：此材料通过烧结工艺实现，它具有强度高、细节细致且柔韧的特性。它可以被染成多种颜色且可抛光处理。非常适于制作电话外壳、可穿戴产品和四轴飞行器框架。“不防水，不可放入洗碗机，不能回收再利用，对食品不安全，耐热度为80℃”。
Detail Plastic（高细节塑料）：这是一种基于丙烯酸的感光聚合物，能制作具有高细节度，但对抗热和抗压要求不高的物品，非常适于制作小物件。“不防水，不可放入洗碗机，不能回收再利用，对食品不安全，耐热度为48℃”。
Frosted Detail and Frosted Ultra Detail Plastic（磨砂细节和磨砂超细节塑料）：采用多点喷墨建模（Multijet Modeling）工艺，通过UV光固化将熔化的塑料通过多个喷嘴一层层沉积到一个平台上。这个工艺能够制作细节度非常高、特征丰富且很薄的壁，非常适合做微缩模型和其他模型。可后期上色，“不防水，不可放入洗碗机，不能回收再利用，对食品不安全，耐热度为80℃”。
Elasto Plastic（弹性塑料）：这是一种还处于评估实验期的材料。它采用粉末烧结工艺，非常地坚固且拥有超高弹力，但细节度和平滑度较低，非常适于制作手机壳和鞋子。它是一种易燃材料，“不防水，不可放入洗碗机，不能回收再利用，对食品不安全，耐热度为90℃”。
Polyamide（聚酰胺）：采用粉末烧结技术，这种材料相当结实而略有弹性。可以后期打磨、喷漆或染上各种颜色，并可加入丝绒质感。非常适合打印雕塑、玩具和可穿戴产品。
Paintable Resin（可上色的树脂）：采用立体光刻技术，可制作高细节度、需要中等机械抗性的产品，可后期上色，适合制作演示模型和雕塑。
Transparent Resin（透明树脂）：采用立体光刻技术制作全透明高细节度、非常光滑的产品，可加入颜料，适合制作演示模型和雕塑。
Prime Gray（灰色树脂）：采用立体光刻技术制作高细节度、非常光滑的灰色产品。非常适于制作产品原型、展示模型和桌面玩具等。
Rubber Like（类橡胶）：采用EOS的选择性激光烧结工艺，由热塑性聚氨酯粉末床层层烧结获得，此材料的特点是非常强壮且柔韧，适于制作手机壳、夹子和所有需要在压力下有一点韧性的物品。该材料还处于测试阶段。
Durable Plastic（耐用塑料）：采用3D Systems公司的选择性激光烧结工艺将尼龙粉末熔融成坚固的产品，适于制作原型和功能性零部件。
其他类
Food（食品）：有类似奶油那样的黏稠度的食材皆可用于打印，比如巧克力、奶酪、糖等都可以通过注射器式的挤出喷头实现打印。
Ceramic（陶瓷）：这是Shapeways公司出品的第一款对食品安全的材料。它通过在陶瓷粉末床上层层添加黏结剂的方式来成型（ZCorp系列打印机），之后产品再被烧制和上釉。它们并不太坚固，细节度也不高，但它们耐热，适合做炊具和餐具。“防水，不可放入洗碗机，可回收再利用，对食品安全，耐热度为500℃”。