3D打印40年：从小众技术到大众应用还有多远？ | 峰瑞报告31

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大增长最快的工业”。同一年，中国3D打印技术产业联盟正式成立，多地建设3D打印产业园区。2013年，德国提出工业4.0发展战略，旨在提升制造业的智能化水平，而3D打印是4.0战略中的关键一环。淡出公众视线之后，3D打印并没有停止发展的脚步。2019年，通用航空研发出世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机。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打印机器人。本月，中国的研究团队，通过干细胞分离、工厂化培养与组织化构建技术，用细胞培养出大黄鱼组织仿真鱼排。3D打印过去数十年经历了怎样的发展？如今在哪些领域落地？未来又会有怎样的发展？在本篇报告，我们将聚焦3D打印，探讨以下问题：

• 3D打印如何与最新的AIGC技术相结合？

• 为什么3D打印最先在航空航天和牙科落地？

• 生物技术和3D打印相结合，会碰撞出什么样的火花？

• 为什么说混合加工是3D打印的未来？

• 3D打印有哪些优势和劣势？

希望能带来新的思考角度。如果你也关注3D打印，或者在前沿科技领域创业，欢迎联系本文作者，峰瑞资本副总裁颜黔杭（qianhang@freesvc.com）。

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你认为3D打印会创造哪些新的机会？欢迎在评论区和我们聊聊。留言最走心的5位用户将获得《3D打印：从想象到现实》这本书。本书讲述了3D打印技术的突破性发展。期待你的分享~/ 01 /3D打印，给AI配上了双手我们可以把3D打印理解为“聚沙成塔”。3D打印又称为增材制造，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、塑料等其他材料逐层铺设打印，最后形成三维物体的制造方法。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。就像在日常生活中，小孩子会用沙堆城堡，用积木搭建出想要的形状。我们可以把沙子理解成零维的点，被不断累加、堆叠之后，沙子就变成了三维的状态。3D打印的起点是数字化的模型，终点是现实的物理实体。因此，3D打印相当于几何模型到真实物体的现实映射。3D打印和当下热门的大模型非常适配。人们可以通过大模型输出设计模型，再由3D打印机把物品制造出来。如果说AIGC与大模型是给AI配上了一支画笔，3D打印技术则是给AI配上了在现实中凭空制造物体的手。2022年12月，OpenAI曾发布Point-E模型，只需几秒钟即可根据文本生成3D资产。2023年5月，OpenAI再次发布了升级模型Shap-E，能够生成更高质量的模型。通过3D打印技术，这类由AI快速制作的3D资产，就能自动转化为物理世界中的真实模型。

▲OpenAI发布的升级模型Shap-E生成的3D资产。图片来源：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打印机器人。

▲图片来源：3dnatives.com

关于3D打印的话题，近年来的讨论已经逐渐从过去30年的制造与材料科学的视角，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模型制作方式。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扫描重建应用，即使是初级用户，也能轻松地创建大量属于自己的3D模型资产。而ChatGPT这类具备逻辑能力的大语言模型快速崛起，让我们看到了通过简单语言交互即可实现3D打印工作的可能性。甚至在传统复杂的3D打印工艺编程上，大语言模型也展现出巨大潜力。未来，这类大语言模型能成为用户3D打印时靠谱的“老师傅”。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技术，3D打印当前面临的核心工艺问题，比如力学性能有限以及表面精度不足，仍需由3D打印技术自身来解决。这些挑战意味着新的技术创新机会。无论是从创业，还是投资的角度，抓住能解决当下3D打印工艺与应用局限的新技术，或许就拥有了成功的入场券。/ 02 /3D打印背后的工业哲学：减材VS增材现代3D打印技术从何而来？

▲图片来源: scitechdaily

日本名古屋市工业研究所的久田秀夫（Hideo Kodama）发明了利用大桶光敏聚合物成型的三维模型增材制造方法。1980年5月，久田秀夫申请了与该技术有关的第一项专利。1983年，美国人Chuck Hull成功发明SLA打印技术（Stereo Lithography Appearance，光固化成型技术），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技术，创立3D systems copration。1987年，公司推出了世界上第一台商业3D打印系统。之后二十多年，各类新的3D打印技术（FDM、SLM以及CLIP等）不断诞生，打印的基础材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打印技术还没有爆红的2003年，隐形矫治就已经在运用3D打印技术制造牙齿模型。可以说，隐形矫治领域，是最早采用3D打印技术，实现批量化生产商品的民用细分领域之一。我们会在下文详细展开为什么3D打印机会最早广泛应用于牙科领域。2008年，第一次有人穿戴3D打印的假肢（比如膝盖、脚、关节等）走上街头。2012年，3D Systems推出世界首款开箱即用3D打印机Cube。

▲Cube打印机&打印出的物体。图片来源：Amazon

随着2008年FDM和2013年SLA的关键专利到期，相关技术逐步开源，消费级3D打印市场迎来诸多新玩家，3D打印第一次出圈走到了大众面前。在硬件方面，自2014年开始，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品，人们开始展望3D打印技术走入各行各业、家家户户的未来。一场即将颠覆的制造技术革命正在酝酿之中。人工智能带来的智能化以及硬件的不断进步，让3D打印技术的爆发看起来指日可待。然后，过去近十年，3D打印仍然像一种稀有商品，仅在工业的某些特定领域以及海外极客的工作室中出现。关于3D打印的质量、材料、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打印技术的发展。在牙科及航空航天领域，3D打印新技术稳扎稳打，为行业实实在在降低了成本，提高了效率。我们在上文提到，3D打印有个别称之一叫增材制造。工业制造领域有两大类制造思路，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、轮船、电机以及汽车等传统机械产品，都是减材制造的产物。减材制造通过各种方式切割、去除原始材料，制造出零部件与工具。这个过程中，材料会损耗。比如现代金属制造业，使用的车、铣、刨、磨、钻等切割工艺，就是减材制造技术。而在3D打印过程中，材料不断增加成型，正好与减材制造工艺相反，因此被称为增材制造。从本质上，减材与增材最根本的区别在于，减材的材料与成型过程是解耦的，而增材的材料与成型过程是耦合的。耦合和解耦是系统工程中常用的概念。耦合可以理解为各个部分之间的连接程度，在高耦合的系统中，各部分之间的依赖性强。在低耦合系统中，各部分之间相互独立。解耦是指将高耦合的系统改成低耦合的系统。用减材的思路生产物品时，无论是使用了什么锻造方式或者处理工艺，从最初的材料到成型的物品，都近似保持了原有的材料力学特性和强度。例如制造减速箱齿轮，所用的材料是经由齿轮钢材锻造而成的齿轮毛坯，然后再进行切削处理，得到最终的成品。最终，齿轮的材料力学性质主要由毛坯决定。增材则是一个耦合的过程，物件最终的力学性能和微观结构与成型工艺息息相关。骨科植入材料是非常典型的例子。人们通过改变材料的孔隙率，调整植入材料的强度，从而更适配不同类型的人体组织。这是普通的金属材料加工技术很难实现的。具体而言，两种工具制造思路各有优劣。减材的优势在于，适用于大批量生产；成型精度更高，表面质量更好；减材类型的打印技术已经成熟，门槛低；利用减材技术打印的产品，有更好的成品力学性能。减材的劣势在于，很难加工结构复杂的或者微型的零件。其次，如果使用减材技术，材料利用率相对较低。比如，在航空制造领域，以飞机中框架为例，需要用大约3吨的毛坯材料，才能制作成150kg的成型零件。

▲图片来源：NC Military Business Center

增材适用于小批量生产；加工性强，能制造极端复杂的几何结构。增材制造的利用率高，制造流程简单。比如，在牙齿正畸领域，制作牙齿模型、人工牙冠以及牙齿贴片等等，如果利用传统方法，制作周期往往需要6到7天，如果采用3D打印，制作时间会缩短到数十分钟。但增材的劣势也很明显，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技术制造的产品。比如，常见飞机发动机叶片对应的金属材料，很难用3D打印来实现。发动机在严酷的高温工作环境中作业，需要单晶钛合金这类非常特殊的金属材料进行减材成型，才能满足发动机的性能要求。理解了增材和减材背后的底层逻辑，我们就能更清楚地意识到为什么3D打印还存在一些缺陷，以及为什么现在3D打印能够在部分行业应用，而没有被更广泛地应用。/ 03 /3D打印的流程了解了3D打印的发展历史，我们再来把目光聚焦到3D打印的具体流程。与传统制造工艺相比，3D打印流程并不复杂，包含模型设计、加工规划、打印成型以及后处理这四大步骤。借助这些步骤，3D打印把数字世界，映射到真实物理世界。▍模型设计在模型设计阶段，3D打印主要利用创成式设计这种技术。创成式设计以拓扑优化技术为基础，在给定的设计目标下，例如轻量化、提高散热性能等等，直接生成满足需求但结构复杂的设计。这样的复杂结构，难以用传统减材制造工艺实现，我们很难做出内部镂空，但强度保持不变的结构。如今，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。比如，峰瑞已投企业优解未来是国内为数不多的，自主研发新一代智能设计拓扑优化SaaS平台的公司。▍加工规划在加工规划环节，需要先把3D打印模型逐步“切片”，分解加工步骤，生成打印轨迹规划。此外，还要给3D打印模型设计支撑结构。打印过程中，物品需要有一定支撑，保持稳定性。▍打印成型加工规划完成后，人们需要把一系列加工代码发给打印机。打印技术有许多种，比如选择性激光烧结、选择性激光熔融、光固化成型技术等等（具体详见下图）。

▲3D打印相关技术。图片来源：亿渡数据

▍后处理打印成型并不意味着结束，还涉及非常复杂的后处理，比如去掉支撑结构、上色、精加工、打磨等等。后处理这道工序主要是为了弥补3D打印本身性能的不足，提升成型物体的精度与表面质量。/ 04 /3D打印的优势▍几何复杂性3D打印提升了制造的灵活度，能实现高度个性化定制。一些结构复杂的设计，3D打印也能够实现。▍材料复杂性人们可以通过3D技术，打印多孔结构或者多种材料复合的结构，让物品实现强度、功能等不同梯度的变化。▍层次复杂性传统加工技术难以实现多尺度跨越加工。而3D打印技术的跨度非常大，可以用同一种技术原理，覆盖从微观到宏观的制造。在微观制造尺度，2016年，科学家利用3D打印领域里的双光子直写技术，制成了目前世界上最小的用于肠胃检查的内窥镜。

▲图片来源：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”。

▲河北工业大学3D打印赵州桥全貌。图片来源：河北日报▍功能复杂性在工业领域，复杂的结构需要将每个零件单独加工，再装配到一起。把复杂的零件一体化，是工业领域对3D打印需求最大的地方。/ 05 /3D打印的缺点当前3D打印有哪些缺点，这些缺点导致了3D打印不能在某些领域应用？或者即使应用，也要增加成本来补足缺陷？第一，力学性能有限。

▲图片来源：3D打印技术参考

3D打印有可能出现表面与材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材料，以及更保守的工艺设计，最终成本变高，耗时增多。第二，表面精度不足。如果我们借助减材技术，比如车削、铣削、磨削等等，物体表面精度会更高。如果用3D打印，只能通过后道工艺，继续打磨，或者进行化学抛光。但这些后道工序会增加成本。

▲左图为3D打印直接成型的物品，右图为经过后处理的物品。图片来源：3D打印技术参考力学能力有限以及表面精度不足这两大缺点，限制了3D打印技术在其他领域的应用。如果3D打印想要应用在更多领域，需要改进这些缺点，或者提高后道工艺的效率。/ 06 / 为什么3D打印最先在航空航天和牙科落地？目前，在医疗保健、航空航天、汽车和体育用品等领域，都能看到3D打印技术的身影。而航空航天和牙科领域，3D打印技术被应用得尤为广泛。这两个都是典型的高附加值、高客单价行业，3D打印技术能够助力这两个行业提高产品成型的效率。▍航空航天20世纪以来，几乎最新、最好的制造技术，第一时间都被用在了航空航天领域。比如50年前的CNC技术（Computerized Numerical Control，计算机数字化控制，利用数字化对机床运动及加工过程进行控制），以及如今的3D打印技术。为什么航空航天领域适合使用新技术？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、复杂结构的一次成型、节省材料以及灵活验证迭代等方面的制造需求，跟3D打印的属性非常契合。“锤子”和“钉子”匹配得恰到好处，航空航天可以说是3D打印在工业界应用最多的细分领域。比如，通用航空于2019年研发出了世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机。发动机里的中框组件，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，将中框组件变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。

▲涡轮螺旋桨发动机的中框组件由过去的300个零件优化为一个。图片来源：3Dprint.com此外，美国国家航空航天局（NASA）通过3D打印技术，制造出了火箭发动机喷嘴，并于2014年成功点火试飞。NASA的工程师称，“如果用传统制造方法，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，不仅节约了时间金钱，而且造出的部件能提高火箭发动机性能，减少失败可能性。”▍牙科除了航空航天，3D打印也在牙科领域被广泛应用。牙科领域的需求特别个性化，尤其是正畸过程中，每个阶段牙齿都会有变化，需要定制化、分阶段的技术方案。如今在牙齿正畸领域，钢丝牙套逐渐退出大众视野，隐形牙套取而代之。隐形牙套技术是典型的交叉学科技术，涉及口腔医学、计算机科学、生物力学、3D打印以及材料学等多学科的知识。制作隐形牙套时，很多环节需要3D打印技术。比如牙医设计矫正方案，要用到3D动态设计软