自3D打印技術在20世紀80年代問世以來，這種增材制造方法的潛力一直令技術專家和商界領袖驚嘆不已。然而，由于成本、材料可用性和技術復雜性等方面的種種原因，3D打印在其后的大部分時間里仍局限于小眾應用。得益于增材制造領域的新發(fā)展，這種情況已經(jīng)開始改變。

3D Printing

增材制造簡史

世界上第一臺商用3D打印機于1987年面世，隨后這一市場迅速發(fā)展，涵蓋了多種增材制造技術。在早期，3D打印的成本高昂，因而這項技術只能應用于高成本、小批量生產(chǎn)。直到數(shù)十年后的2000年代，這一領域涌現(xiàn)出創(chuàng)新浪潮，并發(fā)展出了熔融沉積建模技術。

這項新技術讓業(yè)余愛好者也用上了3D打印，第三波創(chuàng)新浪潮也很快隨之而來。2010年代，長絲制造和連續(xù)纖維加固技術的出現(xiàn)，使人們能夠利用各種新材料選項，更快速、更準確地打印零件。到2014年，3D打印行業(yè)的年收入已超過10億美元[1]。

到了2020年代，增材制造才開始廣泛應用于商業(yè)領域，技術進步為各行各業(yè)帶來了多種多樣的優(yōu)勢。

3D Printing

為工業(yè)4.0奠定基礎

與傳統(tǒng)制造技術相比，增材制造可通過單件裝配大大降低工藝復雜性[2]。3D打印技術還可以帶來更大的設計自由度、靈活性和效率。這些優(yōu)勢可轉化為多項顯著的商業(yè)利益，包括更短的交付周期、按需生產(chǎn)、可持續(xù)發(fā)展和運營復原能力。

更短的交付周期

3D打印技術擅長以低成本快速生產(chǎn)單個物品，因而非常適合快速原型制作。制造商也不必擔心從原型投入到生產(chǎn)會因為使用的設備不同而出現(xiàn)問題，因為這兩者可以用相同的設備來支持。因此，3D打印技術有望大大縮短多種應用的交付周期，包括并不限于以下應用：

產(chǎn)品開發(fā)

小批量生產(chǎn)

大規(guī)模定制并連續(xù)生產(chǎn)

按訂單生產(chǎn)

現(xiàn)場制造

按需生產(chǎn)

借助增材制造技術，企業(yè)可以在成本結構可控、交貨時間固定的情況下，快速生產(chǎn)出各種物品或部件。這種能力的一大優(yōu)勢在于它可以簡化現(xiàn)場的產(chǎn)品維護和支持。公司可以在現(xiàn)場打印出組件或零件，而不必預先把它們生產(chǎn)出來。

此舉還可以降低物流成本、減少碳排放量。由于企業(yè)可以依賴虛擬庫存，因而他們無需維持大量的產(chǎn)品和零部件庫存，也無需擔心這些物品的運輸問題。

可持續(xù)發(fā)展

根據(jù)發(fā)表在《Environmental Science & Technology》（環(huán)境科學與技術）上的一篇綜述，對于生產(chǎn)量較低的使用案例，增材制造可以減少開銷、降低環(huán)境影響[3]。在傳統(tǒng)零部件生產(chǎn)會產(chǎn)生大量浪費的場景中，或者在減輕飛機和汽車零部件重量的應用中，3D打印也具有更好的可持續(xù)性。而后，通過整合生產(chǎn)步驟、縮短供應鏈，也可以減少運輸過程中產(chǎn)生的排放。

運營復原能力

增材制造可以讓企業(yè)在現(xiàn)場重新制造舊系統(tǒng)的組件，而無需從第三方采購，從而提高運營復原能力。使用更現(xiàn)代化的材料制造這些組件，還可以提高耐用性和可靠性，實現(xiàn)分布式生產(chǎn)，并消除對綜合制造設施的依賴。

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阻礙增材制造發(fā)展的因素

增材制造的優(yōu)勢顯而易見。分布式企業(yè)的表現(xiàn)一直都好于依賴傳統(tǒng)流程的企業(yè)[4]。新冠疫情期間發(fā)生的供應鏈危機，凸顯了供應鏈恢復能力的重要性以及供應鏈中斷的后果，而增材制造有望能夠解決這一問題。

不過，在汽車、航空航天和國防這幾個領域之外，3D打印技術仍然沒有得到廣泛應用，只占到整個制造業(yè)市場的0.1%[5]。造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的。

首先，3D打印技術往往成本高昂，對于商用系統(tǒng)而言尤其如此。此外，由于3D打印初始是為原型設計而生的，因此大多數(shù)廣泛應用的方案都不適合大批量生產(chǎn)，而且配套的軟件方面也缺乏對大批量生產(chǎn)的支持，這些都導致3D打印技術很難融入到數(shù)字化工廠中。

3D打印的特性，也決定了產(chǎn)品的質量控制存在困難，哪怕是極其細微的偏差，都可能毀掉整個打印件。許多3D打印設備還需要用戶掌握3D建模技術，一些預制的CAD模型也可能存在缺陷或無法接受的質量問題。

更糟糕的是，增材制造可用的材料長期以來都存在很嚴重的限制，打印材料基本上限于塑料和聚乳酸（PLA）[6]。雖然這種狀況在近幾年有較大改善，但材料管理仍然是一個值得持續(xù)關注的問題。

在建筑等行業(yè)，3D打印的應用也面臨著挑戰(zhàn)，因為建筑材料需要經(jīng)過漫長的測試過程才能滿足規(guī)范的要求，而且材料審批流程很可能既昂貴又耗時。雖然這個領域并不缺少相應的能力和設計專業(yè)知識，但昂貴又耗時的材料審批流程仍然是擺在3D打印面前的一大障礙。

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增材制造市場的現(xiàn)狀

根據(jù)Vantage Market Research的一份報告，增材制造市場在2022年的價值為145億美元，預計到2030年這一數(shù)值將達到約693億美元[7]。汽車、航空航天、醫(yī)療保健、牙科護理和消費品等行業(yè)在增材制造應用方面居于前列，并且貢獻了增材制造大部分的增長率。該報告還指出，西門子和惠普等技術制造商已開始在其產(chǎn)品線中引入3D打印機和新材料；與此同時，適合生產(chǎn)應用的工業(yè)3D打印機也正在變得越來越快、越來越大，并得到越來越廣泛的應用。

雖然增材制造在誕生后的大部分時間里仍主要局限于原型設計和模具制造，但這樣的狀況很可能會在2024年發(fā)生改變。經(jīng)過近幾年的技術進步，增材制造現(xiàn)在具備了以下優(yōu)勢[8]：

成本門檻比以往更低，因為更加實惠的中檔機器已經(jīng)上市

速度更快、精度更高，這得益于更高效的擠出機和激光器、更好的軟件等

技術上更容易掌握，這是培訓和生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)的成果

更加注重可持續(xù)發(fā)展并使用可持續(xù)材料

開始面向市場整合、協(xié)作和批量生產(chǎn)

更好地支持大規(guī)模生產(chǎn)和大批量應用

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增材制造的新趨勢與新進展

有關增材制造取代或淘汰傳統(tǒng)生產(chǎn)的炒作已經(jīng)開始消退。目前，這項技術主要的應用領域是多品種、小批量的零件生產(chǎn)。與此同時，增材制造正在通過以下方式進行重塑。

新材料

隨著越來越多企業(yè)和行業(yè)采用增材制造，這項技術的材料限制正變得越來越少。企業(yè)越來越多地探索為特定用途設計的專用材料，例如具有柔韌性、生物相容性和更高強度等特性的材料。阻燃、食品級和可持續(xù)材料也越來越常見。

尤其值得一提的是，高性能合金和金屬的使用正變得越來越多，因為金屬和金屬注入打印件可以開啟許多新的應用領域。例如，鈦打印件由于重量輕、耐用性好，非常適合航空航天和汽車應用。不銹鋼在醫(yī)療和工業(yè)應用中越來越常用，鋁在汽車和電子行業(yè)中也很常見。

金屬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細胞本身作為打印材料。

人工智能

智能3D打印平臺解決了工業(yè)規(guī)模增材制造面臨的兩個重大問題。首先，由于人工智能可以實時監(jiān)控和調整打印參數(shù)，因而可以大大降低打印失敗或出現(xiàn)缺陷的可能性。人工智能還可以提供有價值的見解，從而改善未來的生產(chǎn)工作。

人工智能還有望通過算法將產(chǎn)品圖紙轉化為3D模型，讓3D打印對用戶更加友好。一些主流的3D建模平臺，包括Blender、Autodesk和SketchUp，已經(jīng)在其產(chǎn)品中集成了生成式人工智能。

批量生產(chǎn)

工業(yè)增材制造主要的障礙之一，在于3D打印機當初并非為大批量應用而設計?，F(xiàn)在，更大、更高效的商用打印機已經(jīng)出現(xiàn)，這種情況正在發(fā)生變化。通過既高效又符合行業(yè)標準的材料和生產(chǎn)工藝，批量增材制造已成為現(xiàn)實。

5G集成

將3D打印機與5G技術相結合，企業(yè)可以更輕松地支持現(xiàn)場制造，同時還能更好地控制和監(jiān)控打印工作。通過支持快速、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸，這兩項技術還能讓企業(yè)更容易地將3D打印技術集成到現(xiàn)有工廠生態(tài)系統(tǒng)中。

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3D打印的創(chuàng)新

增材制造設備的不斷創(chuàng)新和進步，為這項技術帶來了許多令人驚嘆的新應用，橫跨多個行業(yè)和垂直領域。

制造器官、骨骼等

2024年初，韓國的外科醫(yī)生開展了首例3D打印器官移植手術，為一名患者移植了完全由干細胞制成的新氣管[9]。器官的制造只是一個開始。生物打印將能夠制造一切，如牙齒、肌肉細胞、骨骼乃至整個肢體。

增材制造可能很快就會與軟體機器人技術結合到一起，用于制造具有全方位運動能力的高仿真假肢。此外，醫(yī)院和護理機構還可以設計和制造定制款的外骨骼，幫助患者開展運動和康復。

除了外科和康復應用外，增材制造還可以用來即時制造其他醫(yī)療設備，如手術器械、牙科設備和模具。這也可以用于向受持續(xù)災害影響的地區(qū)提供應急物資。

但依然重要的一點是，藥店將能夠直接在店內打印自己的藥品，而不必依賴制藥商發(fā)貨，讓藥品比以往更容易獲得。

重建過去

增材制造有望幫助重建從骨骼到城市的一切，尤其是在與生成式人工智能相結合時。法醫(yī)和科學家可以利用這項技術彌補證據(jù)上的空白，對犯罪現(xiàn)場做出精確的物理重建?？脊艑W家和人類學家利用增材制造，可以幫助他們更好地了解古代的動物、人類、城市和文明。增材制造還可以用于修復被毀壞的古跡、建筑和藝術品。

把設計好的建筑打印出來

將建筑藍圖轉化為3D模型的技術已經(jīng)存在多年。借助3D打印技術，建筑在設計完成后就可以立即開始施工。當建筑法規(guī)跟上這項技術的步伐后，我們就能看到未來的建筑在幾天而不是幾個月內就能拔地而起。

支持未來的供應鏈

我們已經(jīng)談到了3D打印通過本地制造實現(xiàn)供應鏈恢復能力和可持續(xù)性的潛力。但企業(yè)可以更進一步。隨著打印機變得越來越復雜，我們可以看到，未來的消費品可以在出售時進行定制打印，從而實現(xiàn)前所未有的個性化。

探索群星

阻礙太空旅行和探索的重大挑戰(zhàn)之一，在于如何為宇航員提供生存所需的物資。除了食物之外，要載人登陸火星等星球，還需要大量的設備、零部件和工具。這正是增材制造的用武之地。

想象一下，如果太空飛船配備了一臺3D打印機，可以隨時制造出任何所需的物品。只需這一臺設備，就可以成倍地減少旅途中需要攜帶的物資，從而大大簡化載人航天飛往遙遠世界的后勤工作。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傳統(tǒng)生產(chǎn)。不過，它也沒必要取代傳統(tǒng)生產(chǎn)。它帶來全新使用案例，以及為汽車、航空航天和建筑等行業(yè)帶來的潛在效益，都是非常巨大的。

我們很可能會看到這樣的未來：企業(yè)將會兼具兩種生產(chǎn)方式的優(yōu)勢，利用傳統(tǒng)制造技術進行大批量生產(chǎn)，同時依靠增材制造生產(chǎn)定制耳機、食品和肢體等各種產(chǎn)品。