在3D打印日渐风行的同时，你是否真正了解它是如何工作的呢？在这一组文章中，笔者将为大家介绍3D打印技术背后精彩纷呈的材料学知识。
首先，我们要来回答一个问题：什么是3D打印，我们为什么需要它？
什么是3D打印？ 设想我们需要一件金属材质的人物头像，该如何去做呢？一种常用的办法自然是机械加工，也就是说先买来一整块的金属，然后将特定区域的金属用切削、钻孔等方法除掉，留下来的部分就是我们需要的雕像。可是这种方法有不少弊端。首先，许多宝贵的材料被白白浪费掉；其次，对于一些复杂的结构，机械加工的方法往往难以奏效，例如如果想将头像内部镂空，靠这种方法就非常困难。
另一种途径是先根据我们的设计加工出对应的模具，再将金属熔化后倒入模具，最后等金属冷却后将它从模具中取出即可，这叫浇铸。这种方法也有不少的缺陷。首先，模具本身的设计及加工往往并非易事，需要花费大量人力物力去制作。这种方法虽然适合于大批量的生产，但对于只需要加工少量物品的场合，开模具的成本往往会高到令人难以承受。其次，许多复杂的结构难以加工出对应的模具，例如对封闭的中空物件仍然束手无策。
由于3D打印是用逐步逐层叠加的方法将物品制造出来，它又被称为增材制造技术 (additive manufacturing, 简称AM)；而传统的机械加工由于是通过选择性地除去材料来制造出特定的物品，因此被相应地称为减材制造技术(subtractive manufacturing)。
3D打印独特优势在哪？
同切削、雕刻、钻孔这样传统的机械加工相比，3D打印大大节约了原材料；而同浇铸等利用模具制造的方法相比，3D打印又省去了制作模具的步骤，同样节约了宝贵的资源，特别是制造的数量不多时，省去加工模具这一步节约的人力物力是非常可观的。而且非常重要的是，同这两种传统的制造方法相比，3D打印制造复杂的结构更加得心应手。前面提到的中空的金属雕像，用3D打印轻而易举地就可以实现。
3D打印的基本流程为： (1) 使用计算机辅助设计软件生成三维模型；
(2)存为STL格式文件（一种3D打印系统通用的文件格式）；
(3) 3D打印软件将三维模型分割为若干二维平面图；
(4)3D打印设备根据图纸逐层打印；
(5)样品制造完成
怎么样，3D打印的概念是不是听起来很美妙？不过随之而来的问题是，我们需要用什么样的“墨水”才能让3D打印成为现实？
至关重要的材料学 至关重要的材料学
要想通过3D打印的方式制造物品，我们需要计算机软件、自动化控制、仪器制造等诸多领域的密切配合，但毫无疑问的是，没有合适的材料，3D打印将只是停留在纸面上的空想而已。那么3D打印需要什么样的材料？
从前面提到的3D打印的流程我们不难看到，3D打印需要这样一种材料：它必须能够非常方便地被3D打印机输送到指定的区域，而一旦到达了指定的位置，它又必须能够保持住指定的形状，并且要保证样品的层与层之间能够牢固地粘合在一起。很显然，这种材料最好能够先以液体的形式被储存和输送，然后又能在很短时间内变成固体。
这样的要求听上去并不难实现，例如要制造刚才提到的金属头像，我们或许可以用3D打印机将熔化的铁水一点一点地滴加到指定的位置，再等待铁水凝固。但是不要忘记，3D打印机的许多使用者是小型企业、学校甚至普通家庭，他们往往难以承受高昂的设备成本和苛刻的加工环境；因此给3D打印材料带来了很多额外的限制，像刚刚提到的方法就明显不大合适，因为铁需要上千度的高温才能被熔化成铁水。
例如，有机玻璃就是一种常见的塑料，它质轻且透光性好，经常被用来代替玻璃。有机玻璃的“学名”叫聚甲基丙烯酸甲酯，顾名思义，它是由无数甲基丙烯酸甲酯分子互相互反应得到的。目前是3D打印中较为常见的应用材料。
一种材料要想成为3D打印的“墨水”，不仅需要在短时间之内完成从流体到固体的转变，而且这种转变必须能够以不太高的成本、在温和的条件下来实现。当然，这样的要求难不倒3D打印技术的研究人员，他们成功地找到了许多符合要求的”墨水“，并在此基础上开发出各式各样的3D打印技术。
（来源：网络）
