3D打印（3D Printing）是以数字模型文件为基础，运用可黏合材料，通过叠加打印的方式构造三维物体的技术，又称增材制造（Additive Manufacturing）。早在2011年，英国《经济学人》杂志就指出这项技术蕴含的巨大影响力：“三维打印使得生产单个物品与批量生产几乎一样便宜，这就削弱了规模经济。它对社会影响的深远程度可能同1450年的印刷机、1750年的蒸汽机和1950年的晶体管一样，没人能轻易预料。它迅速发展着，对每个相关领域都产生着巨大的影响。”时至今日，3D技术在工业、消费和社会文化领域的应用越来越广泛。

在钢结构博物馆，收藏着一个利用3D打印技术制作的钢结构节点。该节点通高14厘米，通宽10厘米，最大直径5.4厘米，重500克，自奥雅纳荷兰公司购得。

钢结构博物馆馆藏3D打印钢结构节点

2015年，奥雅纳团队采用增材制造技术为复杂建筑项目设计了关键的钢结构部件。据团队负责人之一莎乐美·盖亚德（Salomé Galjaard）介绍，这项技术可以更高效地制造大量复杂的独立设计产品，“具有同样作用的建筑构件，使用增材制造技术要比使用传统方法制造时高度低一半，而每个构件的直接重量减少了75％。……如果是一个建筑工程，这意味着我们可以将整体结构的重量减少超过40％。但真正令人兴奋的是，这种技术可能被应用于任何使用复杂的、高品质金属制品的行业。”

构件应力对比云图

01. 3D打印的历史

3D打印的概念最早可追溯至1950年代，当时美国科普作家雷蒙德·琼斯（Raymond F. Jones）在文章中首次描述了3D打印中使用的一般概念和步骤。1971年，美国人约翰内斯·哥特瓦尔德（Johannes F. Gottwald）申请了液态金属记录仪专利US3596285A，其工作原理与3D打印类似。1974年，英国化学家和作家戴维·琼斯（David E. H. Jones）在《新科学家》杂志常规专栏中提出了3D打印的概念。

3D打印机

早期的3D打印设备和材料是在20世纪80年代发展起来的。1981年，日本名古屋市工业研究所的小玉秀男发明了利用光硬化聚合物制造三维塑胶模型的方法。1984年，三维系统公司的查尔斯·赫尔（Charles Hull）发明立体光刻，用紫外激光固化高分子光聚合物将原材料层叠起来，此后他又于1986年成立了世界上第一家生产3D打印设备的公司，专注发展3D打印技术。赫尔也被誉为“3D打印之父”。1995年，麻省理工学院的两名学生把打印机墨盒里的墨水替换成胶水，用胶水黏结粉末床上的粉末，打印出立体物品。他们将这种方法称作3D打印，3D打印从此开始慢慢流行。同年，美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机，至2005年，该公司研制成功市场上首个高清晰彩色3D打印机Spectrum Z510。

“3D打印之父”查尔斯·赫尔

此后，3D打印持续在不同领域取得突破。2010年，世界上第一辆由3D打印的汽车Urbee在美国问世。2011年，英国南安普敦大学开发出第一架3D打印飞机。2012年，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，全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品。同年，美国3D打印公司“固体概念”（Solid Concepts）设计制造出3D打印金属手枪。2018年，俄罗斯宇航员利用国际空间站上的3D生物打印机，在零重力条件下打印出实验鼠的甲状腺。同年，荷兰MX3D公司完成世界上第一座完全3D打印的钢桥，长12米。2019年1月14日，美国加州大学圣迭戈分校首次利用快速3D打印技术，制造出模仿中枢神经系统结构的脊髓支架，在装载神经干细胞后植入脊髓严重受损的大鼠脊柱内，成功帮助大鼠恢复了运动功能。同年4月15日，以色列特拉维夫大学以病人自身组织为原材料，打印出全球首颗拥有细胞、血管、心室和心房的完整心脏。2020年5月5日，中国长征五号B运载火箭搭载3D打印机升空，这是中国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料3D打印实验。

世界首个3D打印心脏

02. 原理、过程和应用