3D打印技术的思想起源可追溯至19世纪的美国，这项被称为三维打印或快速成型的技术，通过材料逐层堆积直接从数字模型生成三维实体。史料记载，20世纪80年代3D打印技术已进入实际应用阶段，并被命名为"Rapid Prototyping Manufacturing"（快速原型制造）。当前，该技术已在产品设计、制造工艺、装备开发、材料制备、生物医药等领域引发全面深刻的变革，作为第三次工业革命的重要标志，受到全球各国的高度关注。我国3D打印产业起步较晚，整体技术水平有待提升，产业化规模相对较小，但发展势头良好，高分子材料领域的应用仍处于探索阶段。

3D打印技术的原理与特点

1. 技术原理

   3D打印技术与激光成型技术具有高度一致性，核心原理为分层加工、迭加成形，通过逐层材料叠加生成三维实体。其被称为"打印机"的原因在于技术原理与喷墨打印机相似：首先利用计算机构建所需部件的三维模型，再根据工艺需求将模型沿Z轴方向按特定厚度离散为系列层片，将原始三维CAD模型转化为二维层片数据；随后基于各层片轮廓信息输入加工参数，系统自动生成数控代码；最终通过层片成形及自动连接，获得三维物理实体。

2. 优点

   一、核心优势在于材料利用率显著提升，无需剔除边角料，通过摒弃传统生产线降低制造成本；

   二、可实现高精度与复杂结构制造，精准呈现外形曲线设计；

   三、无需传统刀具、夹具、机床或模具，直接从计算机图形数据生成任意形状部件；

   四、自动、快速、精确地将设计转化为模型或直接制造部件/模具，有效缩短产品研发周期；

   五、数小时内完成成形，实现设计人员从平面图到实体的跨越；

   六、支持一体化打印组装产品，大幅降低组装成本，甚至挑战传统大规模生产模式。

3. 缺点

   当前3D打印产品在功能性上存在局限性，受材料等因素制约，实用性需打问号：

   ①强度问题：虽可"打印"房屋、车辆，但其能否抵御风雨或顺畅行驶仍需验证；

   ②精度问题：分层制造产生的"台阶效应"在微观尺度下会形成级差，导致圆弧表面精度偏差；

   ③材料局限性：目前可用材料单一，以石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料为主，且打印机对材料适配性要求严格。

3D打印技术在高分子材料中的应用

1. 高分子原材料种类

   材料是3D打印的关键环节，常用高分子材料包括聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、丙烯腈-丁二烯等。光固化立体印刷（SLA）中应用的齐聚物种类丰富，主要包括聚氨酯丙烯酸树脂、环氧丙烯酸树脂、聚丙烯酸树脂及氨基丙烯酸树脂。

2. 常见应用工艺

   当前主流的高分子材料3D打印技术包括光固化立体印刷（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、选择性激光烧结（SLS）等。

光固化立体印刷（SLA）

SLA工作原理类似喷墨打印：在数字信号控制下，喷头将液体光敏树脂喷射至指定位置，经紫外光固化后逐层堆积成形。具体流程为：根据部件截面形状，控制喷头沿X、Y方向运动，在实体区域打印材料，支撑区域打印支撑材料并固化；随后建造平台沿Z方向下降，重复打印固化下一层，直至工件完成；最后去除支撑材料即可。

SLA材料由光固化实体材料与支撑材料组成，支撑材料分为相变蜡支撑材料和光固化支撑材料（俗称光敏树脂），主要由齐聚物、活性单体、光引发剂及助剂构成。国外因起步较早且打印机可提供实验支持，光敏树脂研发较成熟，以色列OBJET公司和美国3D Systems公司占据主要市场，但这些企业将光敏树脂与设备捆绑销售，技术保密性强。

在生物可降解支架制备中，SLA使用的高分子原料包括光敏分子修饰的聚富马酸二羟丙酯（PPF）、聚（D，L-丙交酯）（PLA）、聚（ε-己内酯）（PCL）、聚碳酸酯及天然高分子（如蛋白质多糖）。为降低树脂黏度，需添加小分子溶剂或稀释剂，如参与光聚合的富马酸二乙酯（DEF）、N-乙烯基吡咯烷酮（NVP），或不参与聚合的乳酸乙酯。该技术可实现孔尺寸、孔隙率、贯通性及孔分布的精准调控。

熔融沉积成型（FDM）

FDM通过热熔喷头将熔融材料按计算机路径挤出沉积并凝固，逐层沉积后去除支撑材料获得三维产品。常用材料为热塑性高分子，包括丙烯腈-丁二烯、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯等。该技术优势在于成品精度高、表面质量好、设备结构简单且无污染，但操作温度要求较高。

近年来，FDM在生物医用高分子材料制备中备受关注，尤其是以脂肪族聚酯为原料的生物可降解支架材料。材料性能受压力梯度、熔体流速、温度梯度等因素影响，聚酯与无机粒子的复合物也可用于FDM制备3D支架。

选择性激光烧结（SLS）

SLS通过激光束扫描工作台上的粉末原料，使其熔融粘结固化。每层扫描后，工作台移动并铺设新粉末，逐层扫描粘结形成三维材料。与SLA通过紫外光引发液态树脂聚合不同，SLS通过激光高温使粉末表面熔融粘结。常用材料包括塑料、陶瓷、金属粉末等。优势在于加工速度快、无需支撑材料，但缺点包括成品表面粗糙需后处理、加工过程产生粉尘及有毒气体、高温可能导致高分子材料降解或生物活性分子/细胞受损，且无法制备水凝胶支架。

以生物可降解高分子为原料的SLS技术，是制备形态与结构可控的3D医用高分子材料的有效途径。支架性能受颗粒尺寸、激光能量、扫描速率、粉床层温度等参数影响。

3D打印技术高分子材料应用领域

(1) 机械制造：用于生产飞机部件、自行车、步枪、赛车部件等；

(2) 医疗行业：在假牙、股骨头、膝盖等骨关节置换中应用广泛，技术成熟度持续提升；

(3) 建筑行业：设计师与工程师采用3D打印建筑模型，具有快速、低成本、环保、制作精美且完全契合设计需求的优势，同时大幅节约材料；

(4) 汽车制造：为汽车企业生产自动变速箱壳体，通过极端测试验证后开模量产，显著降低成本。

精速3D点评

3D打印技术代表制造业发展趋势，其与数字化生产模式的融合将推动第三次工业革命。该技术可充分应用于高分子材料成型，制备复杂一体化器件。高分子医用领域将成为3D打印技术的重要发展机遇，同时高分子材料也将为3D打印提供轻质、高强、耐腐蚀的性能支持。