3D打印技术在多个行业的应用优势

自3D打印技术在20世纪80年代问世以来，这种增材制造方法的潜力一直令技术专家和商界领袖惊叹不已。然而，由于成本、材料可用性和技术复杂性等方面的种种原因，3D打印在其后的大部分时间里仍局限于小众应用。得益于增材制造领域的新发展，这种情况已经开始改变。

3D Printing

增材制造简史

世界上第一台商用3D打印机于1987年面世，随后这一市场迅速发展，涵盖了多种增材制造技术。在早期，3D打印的成本高昂，因而这项技术只能应用于高成本、小批量生产。直到数十年后的2000年代，这一领域涌现出创新浪潮，并发展出了熔融沉积建模技术。

这项新技术让业余爱好者也用上了3D打印，第三波创新浪潮也很快随之而来。2010年代，长丝制造和连续纤维加固技术的出现，使人们能够利用各种新材料选项，更快速、更准确地打印零件。到2014年，3D打印行业的年收入已超过10亿美元[1]。

到了2020年代，增材制造才开始广泛应用于商业领域，技术进步为各行各业带来了多种多样的优势。

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为工业4.0奠定基础

与传统制造技术相比，增材制造可通过单件装配大大降低工艺复杂性[2]。3D打印技术还可以带来更大的设计自由度、灵活性和效率。这些优势可转化为多项显著的商业利益，包括更短的交付周期、按需生产、可持续发展和运营复原能力。

更短的交付周期

3D打印技术擅长以低成本快速生产单个物品，因而非常适合快速原型制作。制造商也不必担心从原型投入到生产会因为使用的设备不同而出现问题，因为这两者可以用相同的设备来支持。因此，3D打印技术有望大大缩短多种应用的交付周期，包括并不限于以下应用：

产品开发

小批量生产

大规模定制并连续生产

按订单生产

现场制造

按需生产

借助增材制造技术，企业可以在成本结构可控、交货时间固定的情况下，快速生产出各种物品或部件。这种能力的一大优势在于它可以简化现场的产品维护和支持。公司可以在现场打印出组件或零件，而不必预先把它们生产出来。

此举还可以降低物流成本、减少碳排放量。由于企业可以依赖虚拟库存，因而他们无需维持大量的产品和零部件库存，也无需担心这些物品的运输问题。

可持续发展

根据发表在《Environmental Science & Technology》（环境科学与技术）上的一篇综述，对于生产量较低的使用案例，增材制造可以减少开销、降低环境影响[3]。在传统零部件生产会产生大量浪费的场景中，或者在减轻飞机和汽车零部件重量的应用中，3D打印也具有更好的可持续性。而后，通过整合生产步骤、缩短供应链，也可以减少运输过程中产生的排放。

运营复原能力

增材制造可以让企业在现场重新制造旧系统的组件，而无需从第三方采购，从而提高运营复原能力。使用更现代化的材料制造这些组件，还可以提高耐用性和可靠性，实现分布式生产，并消除对综合制造设施的依赖。

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阻碍增材制造发展的因素

增材制造的优势显而易见。分布式企业的表现一直都好于依赖传统流程的企业[4]。新冠疫情期间发生的供应链危机，凸显了供应链恢复能力的重要性以及供应链中断的后果，而增材制造有望能够解决这一问题。

不过，在汽车、航空航天和国防这几个领域之外，3D打印技术仍然没有得到广泛应用，只占到整个制造业市场的0.1%[5]。造成这种现象的原因是多方面的。

首先，3D打印技术往往成本高昂，对于商用系统而言尤其如此。此外，由于3D打印初始是为原型设计而生的，因此大多数广泛应用的方案都不适合大批量生产，而且配套的软件方面也缺乏对大批量生产的支持，这些都导致3D打印技术很难融入到数字化工厂中。

3D打印的特性，也决定了产品的质量控制存在困难，哪怕是极其细微的偏差，都可能毁掉整个打印件。许多3D打印设备还需要用户掌握3D建模技术，一些预制的CAD模型也可能存在缺陷或无法接受的质量问题。

更糟糕的是，增材制造可用的材料长期以来都存在很严重的限制，打印材料基本上限于塑料和聚乳酸（PLA）[6]。虽然这种状况在近几年有较大改善，但材料管理仍然是一个值得持续关注的问题。

在建筑等行业，3D打印的应用也面临着挑战，因为建筑材料需要经过漫长的测试过程才能满足规范的要求，而且材料审批流程很可能既昂贵又耗时。虽然这个领域并不缺少相应的能力和设计专业知识，但昂贵又耗时的材料审批流程仍然是摆在3D打印面前的一大障碍。

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增材制造市场的现状

根据Vantage Market Research的一份报告，增材制造市场在2022年的价值为145亿美元，预计到2030年这一数值将达到约693亿美元[7]。汽车、航空航天、医疗保健、牙科护理和消费品等行业在增材制造应用方面居于前列，并且贡献了增材制造大部分的增长率。该报告还指出，西门子和惠普等技术制造商已开始在其产品线中引入3D打印机和新材料；与此同时，适合生产应用的工业3D打印机也正在变得越来越快、越来越大，并得到越来越广泛的应用。

虽然增材制造在诞生后的大部分时间里仍主要局限于原型设计和模具制造，但这样的状况很可能会在2024年发生改变。经过近几年的技术进步，增材制造现在具备了以下优势[8]：

成本门槛比以往更低，因为更加实惠的中档机器已经上市

速度更快、精度更高，这得益于更高效的挤出机和激光器、更好的软件等

技术上更容易掌握，这是培训和生态系统开发的成果

更加注重可持续发展并使用可持续材料

开始面向市场整合、协作和批量生产

更好地支持大规模生产和大批量应用

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增材制造的新趋势与新进展

有关增材制造取代或淘汰传统生产的炒作已经开始消退。目前，这项技术主要的应用领域是多品种、小批量的零件生产。与此同时，增材制造正在通过以下方式进行重塑。

新材料

随着越来越多企业和行业采用增材制造，这项技术的材料限制正变得越来越少。企业越来越多地探索为特定用途设计的专用材料，例如具有柔韧性、生物相容性和更高强度等特性的材料。阻燃、食品级和可持续材料也越来越常见。

尤其值得一提的是，高性能合金和金属的使用正变得越来越多，因为金属和金属注入打印件可以开启许多新的应用领域。例如，钛打印件由于重量轻、耐用性好，非常适合航空航天和汽车应用。不锈钢在医疗和工业应用中越来越常用，铝在汽车和电子行业中也很常见。

金属和生物相容性硅也不是唯一引入到3D打印的新材料。生物打印就直接使用活细胞本身作为打印材料。

人工智能

智能3D打印平台解决了工业规模增材制造面临的两个重大问题。首先，由于人工智能可以实时监控和调整打印参数，因而可以大大降低打印失败或出现缺陷的可能性。人工智能还可以提供有价值的见解，从而改善未来的生产工作。

人工智能还有望通过算法将产品图纸转化为3D模型，让3D打印对用户更加友好。一些主流的3D建模平台，包括Blender、Autodesk和SketchUp，已经在其产品中集成了生成式人工智能。

批量生产

工业增材制造主要的障碍之一，在于3D打印机当初并非为大批量应用而设计。现在，更大、更高效的商用打印机已经出现，这种情况正在发生变化。通过既高效又符合行业标准的材料和生产工艺，批量增材制造已成为现实。

5G集成

将3D打印机与5G技术相结合，企业可以更轻松地支持现场制造，同时还能更好地控制和监控打印工作。通过支持快速、低延迟的数据传输，这两项技术还能让企业更容易地将3D打印技术集成到现有工厂生态系统中。

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3D打印的创新

增材制造设备的不断创新和进步，为这项技术带来了许多令人惊叹的新应用，横跨多个行业和垂直领域。

制造器官、骨骼等

2024年初，韩国的外科医生开展了首例3D打印器官移植手术，为一名患者移植了完全由干细胞制成的新气管[9]。器官的制造只是一个开始。生物打印将能够制造一切，如牙齿、肌肉细胞、骨骼乃至整个肢体。

增材制造可能很快就会与软体机器人技术结合到一起，用于制造具有全方位运动能力的高仿真假肢。此外，医院和护理机构还可以设计和制造定制款的外骨骼，帮助患者开展运动和康复。

除了外科和康复应用外，增材制造还可以用来即时制造其他医疗设备，如手术器械、牙科设备和模具。这也可以用于向受持续灾害影响的地区提供应急物资。

但依然重要的一点是，药店将能够直接在店内打印自己的药品，而不必依赖制药商发货，让药品比以往更容易获得。

重建过去

增材制造有望帮助重建从骨骼到城市的一切，尤其是在与生成式人工智能相结合时。法医和科学家可以利用这项技术弥补证据上的空白，对犯罪现场做出精确的物理重建。考古学家和人类学家利用增材制造，可以帮助他们更好地了解古代的动物、人类、城市和文明。增材制造还可以用于修复被毁坏的古迹、建筑和艺术品。

把设计好的建筑打印出来

将建筑蓝图转化为3D模型的技术已经存在多年。借助3D打印技术，建筑在设计完成后就可以立即开始施工。当建筑法规跟上这项技术的步伐后，我们就能看到未来的建筑在几天而不是几个月内就能拔地而起。

支持未来的供应链

我们已经谈到了3D打印通过本地制造实现供应链恢复能力和可持续性的潜力。但企业可以更进一步。随着打印机变得越来越复杂，我们可以看到，未来的消费品可以在出售时进行定制打印，从而实现前所未有的个性化。

探索群星

阻碍太空旅行和探索的重大挑战之一，在于如何为宇航员提供生存所需的物资。除了食物之外，要载人登陆火星等星球，还需要大量的设备、零部件和工具。这正是增材制造的用武之地。

想象一下，如果太空飞船配备了一台3D打印机，可以随时制造出任何所需的物品。只需这一台设备，就可以成倍地减少旅途中需要携带的物资，从而大大简化载人航天飞往遥远世界的后勤工作。增材制造甚至可以用于太空建造工程和地形改造[10]。

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迎接混合制造

增材制造不太可能完全取代传统生产。不过，它也没必要取代传统生产。它带来全新使用案例，以及为汽车、航空航天和建筑等行业带来的潜在效益，都是非常巨大的。

我们很可能会看到这样的未来：企业将会兼具两种生产方式的优势，利用传统制造技术进行大批量生产，同时依靠增材制造生产定制耳机、食品和肢体等各种产品。