3D打印，也被称为增材制造，正在成为数字制造革命的主要驱动力之一。它通过整合计算机辅助设计（CAD）、人工智能（AI）和物联网（IoT）等先进技术，极大地提升了制造业的性能、效率和精度。据分析师预测，数字制造行业今年年底将达到4400亿美元的市场规模，并在未来五年内以19.40%的年复合增长率增长，到2030年市场规模将达到1.07万亿美元。其中，3D打印机与其他先进技术的融合将推动大部分增长。

什么是增材制造？

增材制造是一种通过逐层堆积材料来创建物体的过程，与传统的减材制造（从大块材料中去除多余部分来制造产品）相反。如今的3D打印机可以使用多种材料，包括聚合物、金属、陶瓷、混凝土、泡沫、凝胶，甚至是生物材料来制造产品。不同类型的打印机采用不同的技术，如激光、特殊硬化粉末和烤箱等。这种灵活性体现了该领域的持续创新精神。

增材制造的工作原理

增材制造的过程始于设计。首先，使用CAD软件或3D扫描仪为分层框架协议提供数字输入。分层框架协议将设计转化为3D打印机可以理解的薄片。在最常见的方法中，喷嘴会逐层添加材料以构建与设计相匹配的物品。随后，材料会因化学、热量或其他因素而硬化，具体取决于3D打印过程。

3D打印的多种方式

3D打印有多种方法，根据尺寸和要求的不同，可能需要专门的3D打印机。有些打印机可以制造微观部件或电子元件，甚至还有可以建造整个社区的3D打印机。这种多样化的打印过程也意味着3D打印可能需要几小时到几天不等的时间来完成，具体取决于打印的范围和复杂程度。此外，现在还有可以使用多种材料进行打印的系统。这些增材制造工具通常需要更长时间，因为大多数情况下，在使用每种材料之间需要固化时间。

全息投影技术

在增材制造领域，有一种创新的方法是利用全息投影进行打印。一些工程师开发了一种可以通过皮肤进行打印的技术。同样的技术未来或许可以用于在不移除部件的情况下进行修复，甚至可以在原位打印器-官。

增材制造的优势

增材制造的优势不断累积。首先，3D打印为制造更复杂、更精确的部件打开了大门。它使工程师能够创建复杂的几何形状，使用多种材料，甚至制造带有活动部件的产品，从而开启了新的创造力和创新水平。通过精确的3D打印方法制造的部件，与传统方法相比，性能和精度更高。对于小规模工业用途，3D打印可以提升产品性能，并允许工程师在不需要重启整个工业制造流程的情况下对设计进行微调。

成本节约

增材制造之所以如此受欢迎，一个重要原因是它能够简化整个制造流程。在传统的制造工厂中，物品需要被运输进来，加工后再运往下一个目的地，直到最终产品完成。而在3D打印过程中，所有东西都可以在本地制造。因此，在生产小批量产品时，可以显著降低设置成本。

将设计直接从计算机发送到打印机的能力意味着公司和设计师可以更快地进行原型制作和测试，而无需依赖第三方。所有这些因素都使增材制造成为一个有吸引力的选择。

灵活性

增材制造为市场带来了无与伦比的灵活性。设计师可以使用大量的天然和人造材料进行3D打印。他们甚至可以选择制造可以结合多种材料的打印机。这些复杂的设计可以是功能性产品，也可以是独立的。此外，它们还可以包含电子元件，进一步增加了这一过程的多功能性。

增材制造设计的一个主要优势在于，它们可以利用不同材料的特性来创造独特的产品。工程师可以制造出新型的轻质材料，并通过打印减轻传统设计的重量，从而更好地提升空气动力学性能、电池续航里程或舒适度。

可持续性

在讨论当前制造流程时，可持续性问题是一个重大议题。全球社会普遍认为需要减少工业领域的污染和环境影响。增材制造可以帮助实现这一目标，因为它几乎消除了大部分的废料。

通过逐层制造物体的过程本身就已经减少了与减材制造相比的大部分废料，后者需要将物品雕刻出来并将多余的材料丢弃。最好的3D打印机在打印过程中产生的废料非常少，这些废料通常是在打印后需要打磨或移除的部分。此外，它们还可以使用回收材料进行打印。

另一个经常被忽视的环境因素是运输成本。由于3D打印通常在一个地点完成，因此无需将零部件运输到下一个目的地。这种策略可以为公司节省燃油，并减少全球物流行业造成的污染。

功能梯度材料

3D打印的一个最大优势是能够使用不同的材料进行打印。例如，你可能想制造一个内部具有导电性但核心被屏蔽的物品。在传统的制造环境中，制造这样的物品需要多个步骤和加工工厂。

增材制造使工程师能够打印出具有导电性的金属核心。他们可以先打印核心，然后在其周围打印陶瓷或其他耐磨材料以防止干扰。这个过程可以在同一台机器上完成，并且在打印执行阶段进行，从而消除了大部分原始制造成本和技术要求。

增材制造的发展历程和重要时刻

3D打印的概念由来已久，最早可以追溯到1977年，当时Wyn Kelly Swainson首次申请了一种激光塑料涂层系统的专利。该系统只是将塑料在池中加热，使其覆盖在内部的设备上。到了20世纪80年代，3D制造市场开始崭露头角。

当时，这项技术成为了一种主要的原型制造选择。快速原型制造使工程师能够在计算机模拟出现之前很久就快速测试并修正他们的设计。在大多数情况下，3D打印机被用来制造比例模型。

1986年，Chuck Hull引入了使用紫外线光固化的方法来创建交联层。这一过程依赖于一种新发明的光聚合物材料，当激光照射时，这种材料会加热并硬化。这一发展使得3D打印机被用于制造传统制造工厂的模具。

器-官3D打印

1999年，3D打印机进入了医疗保健领域，当时Wake Forest的一组工程师成功地3D打印了一个膀胱。这个膀胱是使用一种特殊的增材制造过程制造的，该过程培养了细胞。值得注意的是，这是首次有人3D打印了一个器-官。令人印象深刻的是，这一事件催生了3D打印行业的一个新领域，该领域至今仍然蓬勃发展。

功能性产品

2000年代标志着增材制造过程的一个转变。当时，3D打印机开始对公众更加普及。因此，人们开始看到普通人在使用它们来制造零部件、艺术品等。2005年，法国艺术家Patrick Jouin在国际上引起了广泛关注，他展示了3D打印的椅子。

在那个十年中，还有一些突破推动了技术的采用。特别是，密歇根大学成功地3D打印了一个支架，这个支架后来拯救了一个孩子的生命。此外，波音公司开始为其梦想飞机3D打印零部件。这些是首次获得美国联邦航空管理局（FAA）批准的3D打印钛部件，标志着该技术的又一个里程碑。

增材制造的未来

增材制造的未来看起来就像科幻电影中的情节。想象一下，去医院时，医生可以直接在你的体内通过皮肤打印出一个肝脏。虽然这听起来像是魔法，但实际上并不遥远。研究人员已经成功地使用全息声波通过一层薄薄的皮肤状膜来打印设备。在未来，同样的技术可能会使手术变得非侵入性，或者在不先拆卸的情况下进行修复。

增材制造的行业应用

随着数字制造革命以惊人的速度继续推进，增材制造技术在多个行业都有应用。增材制造过程能够提升最终使用部件的性能和精度、减轻重量并降低整体成本，使其成为小批量制造和定制化的明智选择。以下是该技术的关键工业应用领域。

航空航天

航空航天行业依赖3D打印来制造轻质复合材料部件，这些部件在提供稳定性和耐用性的同时，能够适应紧凑的尺寸。波音和通用电气已经在多款飞机上使用了增材制造的部件。

值得注意的是，波音公司是第一家获得美国联邦航空管理局（FAA）批准的钛3D打印方法的飞机制造商，用于制造零部件。自那以后，他们开始使用增材制造来制造各种使用不同材料的部件。这种制造过程未来可能会被用于制造太空旅行的交通工具或部件。

航空航天领域甚至可能会在飞行过程中依赖3D制造。未来的太空旅行者不会携带工具，而是可以在几分钟内打印出他们需要的工具。更令人印象深刻的是，未来的太空旅行者甚至可以打印出器-官来拯救生命。

医疗保健

增材制造已经在医疗保健行业取得了重大进展，其众多用例帮助该技术获得了支持。有3D打印机可以制造定制化的产品，如假肢或植入物。它们的灵活性和可用性使这些设备成为最佳选择，有时甚至是那些有需要的人的唯一解决方案。在未来，你可能会在救护车里看到3D打印机。

值得注意的是，助听器几乎是一种完全由3D打印制造的产品，它继续利用技术进步来简化生产流程。如今的先进助听器是直接根据患者的耳朵建模的。能够进行定制化扫描并打印小批量产品的功能，使增材制造成为这一场景下的最佳选择。

你所在社区的本地药房可能是下一个安装3D打印机的地方。3D打印机用于制造药品的使用正在国际上不断增长。这些系统消除了人为错误，并且能够提供更快的响应时间。令人印象深刻的是，人们已经对这些系统的质量控制投入了大量的工作，因为即使是微小的打印错误，也可能导致药品使用中的伤害甚至死亡。

汽车行业

电动汽车（EV）的兴起是推动汽车制造商转向3D打印零部件的另一个因素。在讨论电动汽车时，每一磅重量都很重要。因此，制造商开始转向使用塑料、复合材料和轻金属来减轻重量并延长续航里程。在未来，你将看到更多汽车零部件采用一体化设计进行3D打印，从而消除了制造过程中的多个中间环节。

建筑行业

想象一下，看着你的房子在眼前被3D打印出来。令人惊叹的是，这项技术已经在使用中，并且展现出巨大的潜力。值得注意的是，已经有整个社区是通过这些大型增材制造机器打印出来的，这些机器有多种不同的设计。

有些机器使用混凝土，而另一些则依赖压实的泥土或其他混合物。令人印象深刻的是，3D打印房屋可以整合独特的建筑结构，帮助降低供暖和制冷成本，进一步推动可持续性发展。

增材制造投资趋势

在3D打印领域，已经形成了几种投资趋势。价值链上的四个常见位置包括材料、核心、软件和应用。材料涉及生产复合材料或其他3D打印过程所需的关键材料的公司。

核心部分包括开发者、3D打印机制造商和研究人员。而软件投资者则会寻找有助于提高效率或引入新功能的新协议。人工智能（AI）就是一个成功的基于软件的增材制造策略的典型例子。AI系统可以使3D打印对普通人来说更加容易，并且使任何人都能够使用测试提示来设计和开发3D打印产品。

在3D打印市场中，有几家公司处于创新前沿。Stratasys（SSYS +2.64%）、Desktop Metal（DM -7.55%）和Velo3D（VLD -5.19%）都为市场提供了有价值的服务。因此，它们被认为是行业内的领导者。它们的研究有助于提高效率并扩大市场。

整合趋势

根据ARK的《2025年重大创意》研究报告，增材制造领域在2024年经历了强烈的整合。这种整合是由Nano Dimension先后收购Markforged和Desktop Metal引领的。同样的数据还显示，大型企业集团已经决定内部解决未来的3D打印需求。

该研究还揭示了另一个趋势，即无人机的兴起导致对3D打印零部件、打印机和材料的需求增加。无人机已经在物流、娱乐，甚至战争武器等多个行业中找到了自己的位置。因此，对轻便但耐用的零部件的需求使得增材制造成为最佳选择。

展望未来，随着各国寻求在市场中占据领先地位，将会有更多的整合。新当选的特朗普总统已经开始推动更多的国内制造业发展。这种推动可能会在未来几年内在美国各地建立大型先进的增材制造工厂。

展望未来，ARK比许多分析师更为乐观，预计到2030年，3D打印收入将以每年约40%的速度增长，达到1800亿美元。

增材制造采用的障碍

有几个因素阻碍了增材制造的采用。首先，工程师需要了解材料的局限性。当你3D打印一个物体时，会产生应力点。如果计算不准确，可能会导致灾难性的失败。因此，工程师需要考虑材料、制造物体的过程以及它们之间的相互作用。

成本

采用增材制造的另一个障碍是工业级3D打印机的高价格。这些机器的价格可能超过10万美元，并且需要很大的空间来操作。此外，3D打印仅在需要少量定制产品时才是更好的选择。当扩大到大规模生产时，传统方法在长期内仍然更具成本效益。

后处理

3D打印的另一个缺点是，在打印完成后需要进行额外的步骤。这些步骤可能包括去除多余材料、打磨粗糙边缘和其他修改。后处理步骤会增加每次打印的成本和时间。

质量检查

增材制造的最大缺点之一是很难发现内部缺陷。当你打印一个多材料和分层的物体时，很难看到设备的内部，以确保打印过程准确完成。工程师们继续引入新方法以增强质量控制，特别是在讨论3D药物打印机时。

工程师引入的一种方法是使用激光监测每个喷嘴的输出。如果喷嘴的输出降低，可以假设打印存在问题。进一步的测试，如使用X光或其他技术，可以揭示内部应力点、裂缝或松动的材料，所有这些都可能导致在讨论产品时在恶劣条件下出现灾难性故障，或在讨论药物时造成身体伤害。

增材制造将推动进一步的技术整合

回顾3D打印的历史，很容易看出它已经改变了生产方式。在未来几年，更多的数字制造流程将出现，并利用3D打印机来即时制造复杂部件。因此，可以合理预测到2030年，3D打印机将无处不在，从你当地的药店到大型制造工厂都可以看到它们的身影。