远大期货官网

十余年前，3D打印风头正盛。2012年，美国《时代周刊》将3D打印产业列为“美国10大增进最快的工业”。统一年，中国3D打印手艺产业同盟正式确立，多地建设3D打印产业园区。2013年，德国提出工业4.0生长战略，旨在提升制造业的智能化水平，而3D打印是4.0战略中的要害一环。

淡出民众视线之后，3D打印并没有住手生长的脚步。

2019年，通用航空研发出天下上*台接纳3D打印组件的涡轮螺旋桨发念头。2022年，生物3D打印机制造出了心肌组织与毛细血管。2023年，Meta（原Facebook）宣布开发一款配备最新版OpenAI人工智能的3D打印机械人。

本月，中国的研究团队，通过干细胞星散、工厂化培育与组织化构建手艺，用细胞培育出大黄鱼组织仿真鱼排。

3D打印已往数十年履历了怎样的生长？现在在哪些领域落地？未来又会有怎样的生长？在本篇讲述，我们将聚焦3D打印，探讨以下问题：

3D打印若何与最新的AIGC手艺相连系？

为什么3D打印*在航空航天和牙科落地？

生物手艺和3D打印相连系，会碰撞出什么样的火花？

为什么说夹杂加工是3D打印的未来？

3D打印有哪些优势和劣势？

 01、3D打印，给AI配上了双手

我们可以把3D打印明晰为“聚沙成塔”。3D打印又称为增材制造，是一种以数字模子文件为基础，运用粉末状金属、塑料等其他质料逐层铺设打印，最后形成三维物体的制造方式。

无论是零维的点，一维的线，二维的面，最终都能聚合形成三维的实体。

就像在一样平常生涯中，小孩子会用沙堆城堡，用积木搭建出想要的形状。我们可以把沙子明晰成零维的点，被不停累加、堆叠之后，沙子就酿成了三维的状态。

3D打印的起点是数字化的模子，终点是现实的物理实体。因此，3D打印相当于几何模子到真实物体的现实映射。3D打印和当下热门的大模子异常适配。人们可以通过大模子输出设计模子，再由3D打印机把物品制造出来。

若是说AIGC与大模子是给AI配上了一支画笔，3D打印手艺则是给AI配上了在现实中凭空制造物体的手。

2022年12月，OpenAI曾公布Point-E模子，只需几秒钟即可凭证文本天生3D资产。

2023年5月，OpenAI再次公布了升级模子Shap-E，能够天生更高质量的模子。通过3D打印手艺，这类由AI快速制作的3D资产，就能自动转化为物理天下中的真实模子。

▲OpenAI公布的升级模子Shap-E天生的3D资产。图片泉源：github

而Meta（原Facebook）也于2023年宣布开发一款配备最新版OpenAI人工智能的3D打印机械人。

关于3D打印的话题，近年来的讨论已经逐渐从已往30年的制造与质料科学的视角，转向了全新的领域。人工智能在3D打印领域的飞速应用，挑战了传统的3D模子制作方式。传统的制作方式，大多依赖设计师与工程师的专业能力。

借助于AIGC以及AI 3D扫描重修应用，纵然是低级用户，也能轻松地确立大量属于自己的3D模子资产。

而ChatGPT这类具备逻辑能力的大语言模子快速崛起，让我们看到了通过简朴语言交互即可实现3D打印事情的可能性。甚至在传统庞大的3D打印工艺编程上，大语言模子也展现出伟大潜力。未来，这类大语言模子能成为用户3D打印时靠谱的“先生傅”。

人工智能与3D打印，让人们打开了对未来的想象空间。然而，相比于借助其他领域的新手艺，3D打印当前面临的焦点工艺问题，好较量学性能有限以及外面精度不足，仍需由3D打印手艺自身来解决。

这些挑战意味着新的手艺创新时机。无论是从创业，照样投资的角度，捉住能解决当下3D打印工艺与应用局限的新手艺，或许就拥有了乐成的入场券。

 02 、3D打印背后的工业哲学：减材VS增材

现代3D打印手艺从何而来？

日本名古屋市工业研究所的久田秀夫（Hideo Kodama）发现了行使大桶光敏聚合物成型的三维模子增材制造方式。

1980年5月，久田秀夫申请了与该手艺有关的*项专利。

1983年，美国人Chuck Hull乐成发现SLA打印手艺（Stereo Lithography Appearance，光固化成型手艺），通过激光来催化光敏树脂成型，并制造出3D打印部件。

1986年，Chuck Hull基于SLA手艺，建立3D systems copration。

1987年，公司推出了天下上*台商业3D打印系统。

之后二十多年，种种新的3D打印手艺（FDM、SLM以及CLIP等）不停降生，打印的基础质料也从光敏树脂拓展到了金属粉末、生物墨水以及混凝土等等。

早在3D打印手艺还没有爆红的2003年，隐形矫治就已经在运用3D打印手艺制造牙齿模子。可以说，隐形矫治领域，是最早接纳3D打印手艺，实现批量化生产商品的民用细分领域之一。我们会在下文详细睁开为什么3D打印时机最早普遍应用于牙科领域。

2008年，*次有人穿着3D打印的假肢（好比膝盖、脚、枢纽等）走上陌头。

2012年，3D Systems推出天下*开箱即用3D打印机Cube。

▲Cube打印机&打印出的物体。图片泉源：Amazon

随着2008年FDM和2013年SLA的要害专利到期，相关手艺逐步开源，消费级3D打印市场迎来诸多新玩家，3D打印*次出圈走到了民众眼前。

在硬件方面，自2014年最先，消费级3D打印机热潮涌起，创想三维、3D Systems等公司推出更具性价比和易用性的产物，人们最先展望3D打印手艺走入各行各业、家家户户的未来。

一场即将推翻的制造手艺革命正在酝酿之中。人工智能带来的智能化以及硬件的不停提高，让3D打印手艺的发作看起来指日可待。

然后，已往近十年，3D打印仍然像一种有数商品，仅在工业的某些特定领域以及外洋极客的事情室中泛起。

关于3D打印的质量、质料、用户体验以及有限的应用场景等问题，一直存在争议，但这并未阻止3D打印手艺的生长。在牙科及航空航天领域，3D打印新手艺稳扎稳打，为行业实着实在降低了成本，提高了效率。

我们在上文提到，3D打印有个体称之一叫增材制造。工业制造领域有两大类制造思绪，一种是减材制造，另一种就是增材制造。

减材制造起源于工业革命。火车、汽船、电机以及汽车等传统机械产物，都是减材制造的产物。减材制造通过种种方式切割、去除原始质料，制造出零部件与工具。这个历程中，质料会消耗。好比现代金属制造业，使用的车、铣、刨、磨、钻等切割工艺，就是减材制造手艺。

而在3D打印历程中，质料不停增添成型，正好与减材制造工艺相反，因此被称为增材制造。

从本质上，减材与增材最基本的区别在于，减材的质料与成型历程是解耦的，而增材的质料与成型历程是耦合的。耦合息争耦是系统工程中常用的观点。

耦合可以明晰为各个部门之间的毗邻水平，在高耦合的系统中，各部门之间的依赖性强。在低耦合系统中，各部门之间相互自力。解耦是指将高耦合的系统改成低耦合的系统。

用减材的思绪生产物品时，无论是使用了什么铸造方式或者处置工艺，从最初的材推测成型的物品，都近似保持了原有的质料力学特征和强度。

例如制造减速箱齿轮，所用的质料是经由齿轮钢材铸造而成的齿轮毛坯，然后再举行切削处置，获得最终的制品。最终，齿轮的质料力学性子主要由毛坯决议。

增材则是一个耦合的历程，物件最终的力学性能和微观结构与成型工艺息息相关。骨科植入质料是异常典型的例子。人们通过改变质料的孔隙率，调整植入质料的强度，从而更适配差异类型的人体组织。这是通俗的金属质料加工手艺很难实现的。

详细而言，两种工具制造思绪各有优劣。

减材的优势在于，适用于大批量生产；成型精度更高，外面质量更好；减材类型的打印手艺已经成熟，门槛低；行使减材手艺打印的产物，有更好的制品力学性能。

减材的劣势在于，很难加工结构庞大的或者微型的零件。其次，若是使用减材手艺，质料行使率相对较低。好比，在航空制造领域，以飞机中框架为例，需要用约莫3吨的毛坯质料，才气制作成150kg的成型零件。

▲图片泉源：NC Military Business Center

增材适用于小批量生产；加工性强，能制造极端庞大的几何结构。增材制造的行使率高，制造流程简朴。

好比，在牙齿正畸领域，制作牙齿模子、人工牙冠以及牙齿贴片等等，若是行使传统方式，制作周期往往需要6到7天，若是接纳3D打印，制作时间会缩短到数十分钟。

但增材的劣势也很显著，加工出的物品力学强度可能有限，整体质量可能不如使用减材手艺制造的产物。好比，常见飞机发念头叶片对应的金属质料，很难用3D打印来实现。发念头在严酷的高温事情环境中作业，需要单晶钛合金这类异常特殊的金属质料举行减材成型，才气知足发念头的性能要求。

明晰了增材和减材背后的底层逻辑，我们就能更清晰地意识到为什么3D打印还存在一些缺陷，以及为什么现在3D打印能够在部门行业应用，而没有被更普遍地应用。

03、3D打印的流程

领会了3D打印的生长历史，我们再来把眼光聚焦到3D打印的详细流程。

与传统制造工艺相比，3D打印流程并不庞大，包罗模子设计、加工计划、打印成型以及后处置这四大步骤。借助这些步骤，3D打印把数字天下，映射到真实物理天下。

▍模子设计

在模子设计阶段，3D打印主要行使创成式设计这种手艺。

创成式设计以拓扑优化手艺为基础，在给定的设计目的下，例如轻量化、提高散热性能等等，直接天生知足需求但结构庞大的设计。这样的庞大结构，难以用传统减材制造工艺实现，我们很难做出内部镂空，但强度保持稳固的结构。现在，这些问题都能都被3D打印解决。

市场中已经有在3D打印、工业设计软件领域发力的创业公司。好比，峰瑞已投企业优解未来是海内为数不多的，自主研发新一代智能设计拓扑优化SaaS平台的公司。

▍加工计划

在加工计划环节，需要先把3D打印模子逐步“切片”，剖析加工步骤，天生打印轨迹计划。此外，还要给3D打印模子设计支持结构。打印历程中，物品需要有一定支持，保持稳固性。

▍打印成型

加工计划完成后，人们需要把一系列加工代码发给打印机。打印手艺有许多种，好比选择性激光烧结、选择性激光熔融、光固化成型手艺等等（详细详见下图）。

▲3D打印相关手艺。图片泉源：亿渡数据

▍后处置

打印成型并不意味着竣事，还涉及异常庞大的后处置，好比去掉支持结构、上色、精加工、打磨等等。后处置这道工序主要是为了填补3D打印自己性能的不足，提升成型物体的精度与外面质量。

04、3D打印的优势

▍几何庞大性

3D打印提升了制造的天真度，能实现高度个性化定制。一些结构庞大的设计，3D打印也能够实现。

▍质料庞大性

人们可以通过3D手艺，打印多孔结构或者多种质料复合的结构，让物品实现强度、功效等差异梯度的转变。

▍条理庞大性

传统加工手艺难以实现多尺度跨越加工。而3D打印手艺的跨度异常大，可以用统一种手艺原理，笼罩从微观到宏观的制造。

在微观制造尺度，2016年，科学家行使3D打印领域里的双光子直写手艺，制成了现在天下上最小的用于肠胃检查的内窥镜。

▲图片泉源：格物者

在宏观制造尺度，2020年，河北工业大学团队打印出长达28米的新版“赵州桥”。

▍功效复杂性

在工业领域，庞大的结构需要将每个零件单独加工，再装配到一起。把庞大的零件一体化，是工业领域对3D打印需求*的地方。

/ 05 /

爱奇艺和拼多多的官司，价值不止「120万」

3D打印的瑕玷

当前3D打印有哪些瑕玷，这些瑕玷导致了3D打印不能在某些领域应用？或者纵然应用，也要增添成原本补足缺陷？

*，力学性能有限。

▲图片泉源：3D打印手艺参考

3D打印有可能泛起外面与质料内部存在粉末未熔、微裂纹、孔隙等缺陷，因此零件的力学性能，例如强度、耐磨以及抗疲劳均不如减材制造的零件。为了保证成型物品性能，人们需要选用高价的原质料，以及更守旧的工艺设计，最终成本变高，耗时增多。

第二，外面精度不足。

若是我们借助减材手艺，好比车削、铣削、磨削等等，物体外面精度会更高。若是用3D打印，只能通事后道工艺，继续打磨，或者举行化学抛光。但这些后道工序会增添成本。

▲左图为3D打印直接成型的物品，右图为经事后处置的物品。图片泉源：3D打印手艺参考

力学能力有限以及外面精度不足这两大瑕玷，限制了3D打印手艺在其他领域的应用。若是3D打印想要应用在更多领域，需要改善这些瑕玷，或者提高后道工艺的效率。

/ 06 /

为什么3D打印

*在航空航天和牙科落地？

现在，在医疗保健、航空航天、汽车和体育用品等领域，都能看到3D打印手艺的身影。而航空航天和牙科领域，3D打印手艺被应用得尤为普遍。这两个都是典型的高附加值、高客单价行业，3D打印手艺能够助力这两个行业提高产物成型的效率。

▍航空航天

20世纪以来，险些最新、*的制造手艺，*时间都被用在了航空航天领域。

好比50年前的CNC手艺（Computerized Numerical Control，盘算机数字化控制，行使数字化对机床运动及加工历程举行控制），以及现在的3D打印手艺。

为什么航空航天领域适合使用新手艺？

航空航天是典型的高附加值、高客单价、小批量、高迭代、多SKU的行业，一个零件的造价可能高达数十万甚至数百万。航空航天在轻量化、庞大结构的一次成型、节约质料以及天真验证迭代等方面的制造需求，跟3D打印的属性异常契合。

“锤子”和“钉子”匹配得适可而止，航空航天可以说是3D打印在工业界应用最多的细分领域。

好比，通用航空于2019年研发出了天下上*台接纳3D打印组件的涡轮螺旋桨发念头。

发念头里的中框组件，原本由300多个单独的零件组装而成。通用航空通过结构优化，将中框组件酿成了单一的零件结构，借助3D打印实现一体成型。3D工艺让中框组件轻量化的同时，也降低了制造成本。

▲涡轮螺旋桨发念头的中框组件由已往的300个零件优化为一个。图片泉源：3Dprint.com

此外，美国国家航空航天局（NASA）通过3D打印手艺，制造出了火箭发念头喷嘴，并于2014年乐成焚烧试飞。

NASA的工程师称，“若是用传统制造方式，要造163个单独零件然后再组装起来，但3D打印只需2个零件，不仅节约了时间款项，而且造出的部件能提高火箭发念头性能，削减失败可能性。”

▍牙科

除了航空航天，3D打印也在牙科领域被普遍应用。

牙科领域的需求稀奇个性化，尤其是正畸历程中，每个阶段牙齿都市有转变，需要定制化、分阶段的手艺方案。现在在牙齿正畸领域，钢丝牙套逐渐退出民众视野，隐形牙套取而代之。

隐形牙套手艺是典型的交织学科手艺，涉及口腔医学、盘算机科学、生物力学、3D打印以及质料学等多学科的知识。制作隐形牙套时，许多环节需要3D打印手艺。好比牙医设计矫正方案，要用到3D动态设计软件。制作牙模，也要用到3D打印机。

传统制作正畸牙模需要多次取模、制作、调整，而且会有一定的精度误差。而3D打印手艺通过数字建模，减小模子误差，能够提制作出周详度更高的牙齿模子。

我们在上文提到，3D打印出的物品力学性能有限，为什么这项手艺还能在牙科以及航空航天领域普遍应用？

3D打印的牙齿模子并不会直接作用于患者，只是为了制作牙齿模子，辅助牙科医生制作矫正器。大多数矫治器是用高分子质料，压在牙齿模子上倒模出来的，3D打印只是解决了过渡时代的需求。不外现在也有少数机构，通过更精致的3D打印手艺，制作矫正器。

航空航天领域也是云云，人们一样平常不会将3D打印质料用在精度要求极其高的器件上。许多火箭也都是一次性的。

07、生物3D打印，逾越人类想象力的手艺

除了航空航天以及牙科领域，未来3D打印也有望被更普遍地应用于生物3D打印。生物3D打印是指用含有活细胞的夹杂物作为基础质料，打印出活体组织器官。

3D打印在生物领域的应用大多处于探索阶段。凭证贺永等浙大学者的梳理总结，生物3D打印大致可划分为4个条理：

*条理为制造无生物相容性要求的结构，好比现在普遍应用于手术路径计划的3D打印等；

第二条理为制造有生物相容性要求、不能降解的制品，好比钛合金枢纽、缺损修复的硅胶假体等；

第三条理为制造有生物相容性要求，可降解的制品，好比活性陶瓷骨、可降解的血管支架等；

第四条理就是狭义生物3D打印，即操作活细胞构建仿生三维组织，好比打印药物筛选及机理研究用的细胞模子、肝单元、皮肤、血管等。

现在在生物领域，类器官被称为模拟体内微环境*的手艺之一。类器官是在特定培育条件下，使用原代组织、胚胎干细胞或诱导的多醒目细胞在体外天生的一种微器官。

人们已经制造出肝脏、胰脏、胃、心脏、肾脏甚至乳腺等在内的种种类器官。类器官被应用于癌症研究、药物筛选和精准医学领域。但它仅仅在一小块定向培育的细小组织内模拟体内微环境，距离更大尺度的模拟依旧存在距离。

若是我们能直接用3D打印手艺，打印出心脏或者肝脏，同样可以用来测试药物，辅助药物研发。2016年，生物3D打印企业Organovo与罗氏制药公司相助开展了一项药物测试，测试效果注释，3D打印的肝脏组织可以被用于区分多种药物的毒性水平。

相比于形态细小的类器官，这些仿生器官从更大尺度上，复刻了生物组织，提供了更厚实的体内环境模拟反馈。

▲实验室通过改善后的六轴机械人，打印血管及心肌组织。图片泉源：《Bioactive Materials》

《Bioactive Materials》公布的研究显示，2022年，有实验室将六轴机械人刷新成为生物3D打印机，打印出了心肌组织。这个心肌组织还漫衍着毛细血管，并在体外维持了六个月的搏动。

既然2022年，已经有实验室能做到这样的打印能力，或许未来，3D打印的生物器官可以被更普遍地用于药物测试。

固然，不止是药物研发，3D打印可能会助益整个生物领域，反哺生物手艺研发。

2019年，《微型机械》揭晓研究称，学者通过改善生物3D手艺，打印出感受神经元。感受神经元是外周神经系统的一个主要组成部门。未来，当更多类型神经元细胞被乐成打印之后，学者就能更直观地考察脑科学手艺的效果，从而研发出更精准的脑科学治疗手艺。

08、3D打印手艺的未来——夹杂加工

直到今天，3D打印的应用领域还不够普遍。

由于3D手艺很难实现规模化生产，人们大多用3D打印手艺来实验产物设计或者生产小批量的产物。

在线制造平台HUBS2022年公布讲述，考察了人们若何应用3D打印手艺。

其中62%的受访工具选择用3D打印手艺来打样，17%用来制造单批次的零件，11%用来生产多批量的零件，8%用来生产工业制造所用的牢固装置，2%用来做美学设计，好比打印鞋子。

▲图片泉源：在线制造平台HUBS

在成本方面，3D打印与传统金属加工工艺差异很大。传统工艺拥有规模效应，当加工量到达一定量级，边际成本将异常低。而3D打印成本下降的速率，远远慢于传统工艺边际成本的下降速率。

图片中有两条线，橙色的线示意传统的制造成本，蓝色的线示意3D打印的制造成本。

两条线的交点就是break-even point（收支平衡点）。若是产物制造数目在这个点左侧，3D打印更具优势。若是产物数目在右侧，那么传统加工方式更具优势。

这也注释了，为什么在航空航天域以及牙科之外，3D打印没有被大规模普遍应用。

险些大部门行业都存在break-even point，有的行业已经在实验接纳3D打印手艺，但还没有普遍使用。

在手机制造领域，2013年，摩托罗拉宣布与3D Systems将使用3D手艺打造智能手机的零组件。在服装制造行业，2020年，麻省理工学院（MIT）的研究职员开发出一种新的3D打印方式，能够降低打印纺织品的成本。

未来，3D打印是否会有手艺上的希望，让整个成本降低，使得break-even point往右移，也就是图中画绿色的线，那3D打印就有可能在一些新的领域进一步拓宽应用。

我们考察到，夹杂加工有可能是让3D打印手艺提高精度、降低成本的蹊径之一。

▍夹杂加工

夹杂加工是指在一台装备上完成两种差异机理的加工历程，如3D打印和切削加工夹杂，电加工和超声波加工夹杂等。减材加工的利益在于成型的物品外面质量高，增材加工的优势在于天真性与庞大成型能力，而夹杂加工则兼具两类工艺的特征。

2020年10月， 美商务部将六项新兴手艺添加到《出口治理条例》的商务部管制清单中，其中包罗夹杂增材制造、光刻软件和5nm生产手艺。夹杂增材制造涉及硬件制造装备与盘算机数控软件。

美国把夹杂增材制造手艺与半导体手艺放在一起，足以证实这些手艺的主要性。

▲图片泉源：美国商务部

若是想要实现夹杂加工，需要在硬件以及软件上同时发力。现在已有的夹杂加工手艺包罗CNC 3D打印的夹杂加工，以及激光抛光 3D打印夹杂加工。

香港科技大学的3D打印实验室是海内3D打印领域*的实验室之一。现在该实验室接纳CNC与3D打印夹杂的手艺，制造出激光增减材夹杂加工软硬件平台，能够实现增材、减材工艺的交替。

实验室把金属打印头集成在双主轴五轴加工中央上。之前3D打印主要行使x、y、z三个轴，五轴联动之后，打印的自由度更高，可以实现更庞大的几何形状打印与先进的无支持打印。

打印机械将打印和切割的历程频频交替，最终使得物体外面有了滑腻的镜面效果。我们很难通过传统的3D打印手艺，实现镜面的效果。

▲图片泉源：香港科技大学

全球头部机床制造商德马吉（DMG）也接纳了类似的计谋。德玛吉具备了夹杂加工的硬件能力，不外还没有成熟的工艺软件相适配。现在德玛吉还只能实现CNC与3D打印自力加工的形态，和理想的夹杂加工还存在一定距离。

行业里对照关注的是，这种新的融合手艺，是否能够替换原来自力的3D打印与CNC减材制造，成为一种全新的加工方式？

医疗器械领域，对照典型的3D打印应用是内流道结构，好比手术的导管。

当手术的导管到达微米级、毫米级其余尺度时，很难用传统的加工方式来实现。若是只用3D打印手艺，制成的导管外面很粗拙，只能继续用化学抛光来做后处置，提高了成本。

但若是用夹杂打印，既能保证内流道外面滑腻，又能降低成本。

现在，工业界对照看好夹杂加工的生长潜力。由于夹杂加工把许多工艺集成到一台机械上，又能实现增材手艺的加工效果，也能实现减材手艺的天真性，成本也低。

 09 、总结

3D打印本质上相当于是数字化的抽象模子，映射到了真实天下。未来，3D打印将是AI下游执行层中，链接虚拟与现实的主要组成。

GPT大模子若是想要和真实的物理天下发生碰撞，需要3D打印这双手。

在3D打印的应用领域，航空航天行业和牙科行业跑在最前面。由于两个行业均落在成本break-even point的左侧，行业的需求与3D打印的特征*契合。3D打印能够辅助细分行业实现制造全流程的成本优势。

3D打印的未来增量来自于底层手艺刷新，从而动员更多新的应用场景与成本break-even point右移。

我们在本篇讲述中，没有枚举太多细分领域的迭代手艺，缘故原由在于这些手艺还没有从本质上改变所处行业的制造成本结构。我们希望新的手艺能够拓展新的场景，或者在原有的场景上，带来更多规模化增量。

我们重点关注增减材夹杂加工与生物3D打印这类新的范式转变偏向。前者是在传统制造领域，为3D打印打入更多民用场景，好比汽车、椅子。后者是作为生物与制造手艺的交织，助力生物领域的药物测试研发，反哺生物科技研究。