3D打印，也被稱為增材制造，正在成為數(shù)字制造革命的主要驅(qū)動(dòng)力之一。它通過整合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、人工智能（AI）和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等先進(jìn)技術(shù)，極大地提升了制造業(yè)的性能、效率和精度。據(jù)分析師預(yù)測(cè)，數(shù)字制造行業(yè)今年年底將達(dá)到4400億美元的市場(chǎng)規(guī)模，并在未來五年內(nèi)以19.40%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2030年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1.07萬億美元。其中，3D打印機(jī)與其他先進(jìn)技術(shù)的融合將推動(dòng)大部分增長(zhǎng)。

什么是增材制造？

增材制造是一種通過逐層堆積材料來創(chuàng)建物體的過程，與傳統(tǒng)的減材制造（從大塊材料中去除多余部分來制造產(chǎn)品）相反。如今的3D打印機(jī)可以使用多種材料，包括聚合物、金屬、陶瓷、混凝土、泡沫、凝膠，甚至是生物材料來制造產(chǎn)品。不同類型的打印機(jī)采用不同的技術(shù)，如激光、特殊硬化粉末和烤箱等。這種靈活性體現(xiàn)了該領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新精神。

增材制造的工作原理

增材制造的過程始于設(shè)計(jì)。首先，使用CAD軟件或3D掃描儀為分層框架協(xié)議提供數(shù)字輸入。分層框架協(xié)議將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為3D打印機(jī)可以理解的薄片。在最常見的方法中，噴嘴會(huì)逐層添加材料以構(gòu)建與設(shè)計(jì)相匹配的物品。隨后，材料會(huì)因化學(xué)、熱量或其他因素而硬化，具體取決于3D打印過程。

3D打印的多種方式

3D打印有多種方法，根據(jù)尺寸和要求的不同，可能需要專門的3D打印機(jī)。有些打印機(jī)可以制造微觀部件或電子元件，甚至還有可以建造整個(gè)社區(qū)的3D打印機(jī)。這種多樣化的打印過程也意味著3D打印可能需要幾小時(shí)到幾天不等的時(shí)間來完成，具體取決于打印的范圍和復(fù)雜程度。此外，現(xiàn)在還有可以使用多種材料進(jìn)行打印的系統(tǒng)。這些增材制造工具通常需要更長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下，在使用每種材料之間需要固化時(shí)間。

全息投影技術(shù)

在增材制造領(lǐng)域，有一種創(chuàng)新的方法是利用全息投影進(jìn)行打印。一些工程師開發(fā)了一種可以通過皮膚進(jìn)行打印的技術(shù)。同樣的技術(shù)未來或許可以用于在不移除部件的情況下進(jìn)行修復(fù)，甚至可以在原位打印器-官。

增材制造的優(yōu)勢(shì)

增材制造的優(yōu)勢(shì)不斷累積。首先，3D打印為制造更復(fù)雜、更精確的部件打開了大門。它使工程師能夠創(chuàng)建復(fù)雜的幾何形狀，使用多種材料，甚至制造帶有活動(dòng)部件的產(chǎn)品，從而開啟了新的創(chuàng)造力和創(chuàng)新水平。通過精確的3D打印方法制造的部件，與傳統(tǒng)方法相比，性能和精度更高。對(duì)于小規(guī)模工業(yè)用途，3D打印可以提升產(chǎn)品性能，并允許工程師在不需要重啟整個(gè)工業(yè)制造流程的情況下對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行微調(diào)。

成本節(jié)約

增材制造之所以如此受歡迎，一個(gè)重要原因是它能夠簡(jiǎn)化整個(gè)制造流程。在傳統(tǒng)的制造工廠中，物品需要被運(yùn)輸進(jìn)來，加工后再運(yùn)往下一個(gè)目的地，直到最終產(chǎn)品完成。而在3D打印過程中，所有東西都可以在本地制造。因此，在生產(chǎn)小批量產(chǎn)品時(shí)，可以顯著降低設(shè)置成本。

將設(shè)計(jì)直接從計(jì)算機(jī)發(fā)送到打印機(jī)的能力意味著公司和設(shè)計(jì)師可以更快地進(jìn)行原型制作和測(cè)試，而無需依賴第三方。所有這些因素都使增材制造成為一個(gè)有吸引力的選擇。

靈活性

增材制造為市場(chǎng)帶來了無與倫比的靈活性。設(shè)計(jì)師可以使用大量的天然和人造材料進(jìn)行3D打印。他們甚至可以選擇制造可以結(jié)合多種材料的打印機(jī)。這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)可以是功能性產(chǎn)品，也可以是獨(dú)立的。此外，它們還可以包含電子元件，進(jìn)一步增加了這一過程的多功能性。

增材制造設(shè)計(jì)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于，它們可以利用不同材料的特性來創(chuàng)造獨(dú)特的產(chǎn)品。工程師可以制造出新型的輕質(zhì)材料，并通過打印減輕傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的重量，從而更好地提升空氣動(dòng)力學(xué)性能、電池續(xù)航里程或舒適度。

可持續(xù)性

在討論當(dāng)前制造流程時(shí)，可持續(xù)性問題是一個(gè)重大議題。全球社會(huì)普遍認(rèn)為需要減少工業(yè)領(lǐng)域的污染和環(huán)境影響。增材制造可以幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，因?yàn)樗鼛缀跸舜蟛糠值膹U料。

通過逐層制造物體的過程本身就已經(jīng)減少了與減材制造相比的大部分廢料，后者需要將物品雕刻出來并將多余的材料丟棄。最好的3D打印機(jī)在打印過程中產(chǎn)生的廢料非常少，這些廢料通常是在打印后需要打磨或移除的部分。此外，它們還可以使用回收材料進(jìn)行打印。

另一個(gè)經(jīng)常被忽視的環(huán)境因素是運(yùn)輸成本。由于3D打印通常在一個(gè)地點(diǎn)完成，因此無需將零部件運(yùn)輸?shù)较乱粋€(gè)目的地。這種策略可以為公司節(jié)省燃油，并減少全球物流行業(yè)造成的污染。

功能梯度材料

3D打印的一個(gè)最大優(yōu)勢(shì)是能夠使用不同的材料進(jìn)行打印。例如，你可能想制造一個(gè)內(nèi)部具有導(dǎo)電性但核心被屏蔽的物品。在傳統(tǒng)的制造環(huán)境中，制造這樣的物品需要多個(gè)步驟和加工工廠。

增材制造使工程師能夠打印出具有導(dǎo)電性的金屬核心。他們可以先打印核心，然后在其周圍打印陶瓷或其他耐磨材料以防止干擾。這個(gè)過程可以在同一臺(tái)機(jī)器上完成，并且在打印執(zhí)行階段進(jìn)行，從而消除了大部分原始制造成本和技術(shù)要求。

增材制造的發(fā)展歷程和重要時(shí)刻

3D打印的概念由來已久，最早可以追溯到1977年，當(dāng)時(shí)Wyn Kelly Swainson首次申請(qǐng)了一種激光塑料涂層系統(tǒng)的專利。該系統(tǒng)只是將塑料在池中加熱，使其覆蓋在內(nèi)部的設(shè)備上。到了20世紀(jì)80年代，3D制造市場(chǎng)開始嶄露頭角。

當(dāng)時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)成為了一種主要的原型制造選擇。快速原型制造使工程師能夠在計(jì)算機(jī)模擬出現(xiàn)之前很久就快速測(cè)試并修正他們的設(shè)計(jì)。在大多數(shù)情況下，3D打印機(jī)被用來制造比例模型。

1986年，Chuck Hull引入了使用紫外線光固化的方法來創(chuàng)建交聯(lián)層。這一過程依賴于一種新發(fā)明的光聚合物材料，當(dāng)激光照射時(shí)，這種材料會(huì)加熱并硬化。這一發(fā)展使得3D打印機(jī)被用于制造傳統(tǒng)制造工廠的模具。

器-官3D打印

1999年，3D打印機(jī)進(jìn)入了醫(yī)療保健領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)Wake Forest的一組工程師成功地3D打印了一個(gè)膀胱。這個(gè)膀胱是使用一種特殊的增材制造過程制造的，該過程培養(yǎng)了細(xì)胞。值得注意的是，這是首次有人3D打印了一個(gè)器-官。令人印象深刻的是，這一事件催生了3D打印行業(yè)的一個(gè)新領(lǐng)域，該領(lǐng)域至今仍然蓬勃發(fā)展。

功能性產(chǎn)品

2000年代標(biāo)志著增材制造過程的一個(gè)轉(zhuǎn)變。當(dāng)時(shí)，3D打印機(jī)開始對(duì)公眾更加普及。因此，人們開始看到普通人在使用它們來制造零部件、藝術(shù)品等。2005年，法國(guó)藝術(shù)家Patrick Jouin在國(guó)際上引起了廣泛關(guān)注，他展示了3D打印的椅子。

在那個(gè)十年中，還有一些突破推動(dòng)了技術(shù)的采用。特別是，密歇根大學(xué)成功地3D打印了一個(gè)支架，這個(gè)支架后來拯救了一個(gè)孩子的生命。此外，波音公司開始為其夢(mèng)想飛機(jī)3D打印零部件。這些是首次獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）批準(zhǔn)的3D打印鈦部件，標(biāo)志著該技術(shù)的又一個(gè)里程碑。

增材制造的未來

增材制造的未來看起來就像科幻電影中的情節(jié)。想象一下，去醫(yī)院時(shí)，醫(yī)生可以直接在你的體內(nèi)通過皮膚打印出一個(gè)肝臟。雖然這聽起來像是魔法，但實(shí)際上并不遙遠(yuǎn)。研究人員已經(jīng)成功地使用全息聲波通過一層薄薄的皮膚狀膜來打印設(shè)備。在未來，同樣的技術(shù)可能會(huì)使手術(shù)變得非侵入性，或者在不先拆卸的情況下進(jìn)行修復(fù)。

增材制造的行業(yè)應(yīng)用

隨著數(shù)字制造革命以驚人的速度繼續(xù)推進(jìn)，增材制造技術(shù)在多個(gè)行業(yè)都有應(yīng)用。增材制造過程能夠提升最終使用部件的性能和精度、減輕重量并降低整體成本，使其成為小批量制造和定制化的明智選擇。以下是該技術(shù)的關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

航空航天

航空航天行業(yè)依賴3D打印來制造輕質(zhì)復(fù)合材料部件，這些部件在提供穩(wěn)定性和耐用性的同時(shí)，能夠適應(yīng)緊湊的尺寸。波音和通用電氣已經(jīng)在多款飛機(jī)上使用了增材制造的部件。

值得注意的是，波音公司是第一家獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）批準(zhǔn)的鈦3D打印方法的飛機(jī)制造商，用于制造零部件。自那以后，他們開始使用增材制造來制造各種使用不同材料的部件。這種制造過程未來可能會(huì)被用于制造太空旅行的交通工具或部件。

航空航天領(lǐng)域甚至可能會(huì)在飛行過程中依賴3D制造。未來的太空旅行者不會(huì)攜帶工具，而是可以在幾分鐘內(nèi)打印出他們需要的工具。更令人印象深刻的是，未來的太空旅行者甚至可以打印出器-官來拯救生命。

醫(yī)療保健

增材制造已經(jīng)在醫(yī)療保健行業(yè)取得了重大進(jìn)展，其眾多用例幫助該技術(shù)獲得了支持。有3D打印機(jī)可以制造定制化的產(chǎn)品，如假肢或植入物。它們的靈活性和可用性使這些設(shè)備成為最佳選擇，有時(shí)甚至是那些有需要的人的唯一解決方案。在未來，你可能會(huì)在救護(hù)車?yán)锟吹?D打印機(jī)。

值得注意的是，助聽器幾乎是一種完全由3D打印制造的產(chǎn)品，它繼續(xù)利用技術(shù)進(jìn)步來簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程。如今的先進(jìn)助聽器是直接根據(jù)患者的耳朵建模的。能夠進(jìn)行定制化掃描并打印小批量產(chǎn)品的功能，使增材制造成為這一場(chǎng)景下的最佳選擇。

你所在社區(qū)的本地藥房可能是下一個(gè)安裝3D打印機(jī)的地方。3D打印機(jī)用于制造藥品的使用正在國(guó)際上不斷增長(zhǎng)。這些系統(tǒng)消除了人為錯(cuò)誤，并且能夠提供更快的響應(yīng)時(shí)間。令人印象深刻的是，人們已經(jīng)對(duì)這些系統(tǒng)的質(zhì)量控制投入了大量的工作，因?yàn)榧词故俏⑿〉拇蛴″e(cuò)誤，也可能導(dǎo)致藥品使用中的傷害甚至死亡。

汽車行業(yè)

電動(dòng)汽車（EV）的興起是推動(dòng)汽車制造商轉(zhuǎn)向3D打印零部件的另一個(gè)因素。在討論電動(dòng)汽車時(shí)，每一磅重量都很重要。因此，制造商開始轉(zhuǎn)向使用塑料、復(fù)合材料和輕金屬來減輕重量并延長(zhǎng)續(xù)航里程。在未來，你將看到更多汽車零部件采用一體化設(shè)計(jì)進(jìn)行3D打印，從而消除了制造過程中的多個(gè)中間環(huán)節(jié)。

建筑行業(yè)

想象一下，看著你的房子在眼前被3D打印出來。令人驚嘆的是，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在使用中，并且展現(xiàn)出巨大的潛力。值得注意的是，已經(jīng)有整個(gè)社區(qū)是通過這些大型增材制造機(jī)器打印出來的，這些機(jī)器有多種不同的設(shè)計(jì)。

有些機(jī)器使用混凝土，而另一些則依賴壓實(shí)的泥土或其他混合物。令人印象深刻的是，3D打印房屋可以整合獨(dú)特的建筑結(jié)構(gòu)，幫助降低供暖和制冷成本，進(jìn)一步推動(dòng)可持續(xù)性發(fā)展。

增材制造投資趨勢(shì)

在3D打印領(lǐng)域，已經(jīng)形成了幾種投資趨勢(shì)。價(jià)值鏈上的四個(gè)常見位置包括材料、核心、軟件和應(yīng)用。材料涉及生產(chǎn)復(fù)合材料或其他3D打印過程所需的關(guān)鍵材料的公司。

核心部分包括開發(fā)者、3D打印機(jī)制造商和研究人員。而軟件投資者則會(huì)尋找有助于提高效率或引入新功能的新協(xié)議。人工智能（AI）就是一個(gè)成功的基于軟件的增材制造策略的典型例子。AI系統(tǒng)可以使3D打印對(duì)普通人來說更加容易，并且使任何人都能夠使用測(cè)試提示來設(shè)計(jì)和開發(fā)3D打印產(chǎn)品。

在3D打印市場(chǎng)中，有幾家公司處于創(chuàng)新前沿。Stratasys（SSYS +2.64%）、Desktop Metal（DM -7.55%）和Velo3D（VLD -5.19%）都為市場(chǎng)提供了有價(jià)值的服務(wù)。因此，它們被認(rèn)為是行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)導(dǎo)者。它們的研究有助于提高效率并擴(kuò)大市場(chǎng)。

整合趨勢(shì)

根據(jù)ARK的《2025年重大創(chuàng)意》研究報(bào)告，增材制造領(lǐng)域在2024年經(jīng)歷了強(qiáng)烈的整合。這種整合是由Nano Dimension先后收購(gòu)Markforged和Desktop Metal引領(lǐng)的。同樣的數(shù)據(jù)還顯示，大型企業(yè)集團(tuán)已經(jīng)決定內(nèi)部解決未來的3D打印需求。

該研究還揭示了另一個(gè)趨勢(shì)，即無人機(jī)的興起導(dǎo)致對(duì)3D打印零部件、打印機(jī)和材料的需求增加。無人機(jī)已經(jīng)在物流、娛樂，甚至戰(zhàn)爭(zhēng)武器等多個(gè)行業(yè)中找到了自己的位置。因此，對(duì)輕便但耐用的零部件的需求使得增材制造成為最佳選擇。

展望未來，隨著各國(guó)尋求在市場(chǎng)中占據(jù)領(lǐng)先地位，將會(huì)有更多的整合。新當(dāng)選的特朗普總統(tǒng)已經(jīng)開始推動(dòng)更多的國(guó)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展。這種推動(dòng)可能會(huì)在未來幾年內(nèi)在美國(guó)各地建立大型先進(jìn)的增材制造工廠。

展望未來，ARK比許多分析師更為樂觀，預(yù)計(jì)到2030年，3D打印收入將以每年約40%的速度增長(zhǎng)，達(dá)到1800億美元。

增材制造采用的障礙

有幾個(gè)因素阻礙了增材制造的采用。首先，工程師需要了解材料的局限性。當(dāng)你3D打印一個(gè)物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn)。如果計(jì)算不準(zhǔn)確，可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的失敗。因此，工程師需要考慮材料、制造物體的過程以及它們之間的相互作用。

成本

采用增材制造的另一個(gè)障礙是工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)的高價(jià)格。這些機(jī)器的價(jià)格可能超過10萬美元，并且需要很大的空間來操作。此外，3D打印僅在需要少量定制產(chǎn)品時(shí)才是更好的選擇。當(dāng)擴(kuò)大到大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，傳統(tǒng)方法在長(zhǎng)期內(nèi)仍然更具成本效益。

后處理

3D打印的另一個(gè)缺點(diǎn)是，在打印完成后需要進(jìn)行額外的步驟。這些步驟可能包括去除多余材料、打磨粗糙邊緣和其他修改。后處理步驟會(huì)增加每次打印的成本和時(shí)間。

質(zhì)量檢查

增材制造的最大缺點(diǎn)之一是很難發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷。當(dāng)你打印一個(gè)多材料和分層的物體時(shí)，很難看到設(shè)備的內(nèi)部，以確保打印過程準(zhǔn)確完成。工程師們繼續(xù)引入新方法以增強(qiáng)質(zhì)量控制，特別是在討論3D藥物打印機(jī)時(shí)。

工程師引入的一種方法是使用激光監(jiān)測(cè)每個(gè)噴嘴的輸出。如果噴嘴的輸出降低，可以假設(shè)打印存在問題。進(jìn)一步的測(cè)試，如使用X光或其他技術(shù)，可以揭示內(nèi)部應(yīng)力點(diǎn)、裂縫或松動(dòng)的材料，所有這些都可能導(dǎo)致在討論產(chǎn)品時(shí)在惡劣條件下出現(xiàn)災(zāi)難性故障，或在討論藥物時(shí)造成身體傷害。

增材制造將推動(dòng)進(jìn)一步的技術(shù)整合

回顧3D打印的歷史，很容易看出它已經(jīng)改變了生產(chǎn)方式。在未來幾年，更多的數(shù)字制造流程將出現(xiàn)，并利用3D打印機(jī)來即時(shí)制造復(fù)雜部件。因此，可以合理預(yù)測(cè)到2030年，3D打印機(jī)將無處不在，從你當(dāng)?shù)氐乃幍甑酱笮椭圃旃S都可以看到它們的身影。