3D打印40年：從小眾技術(shù)到大眾應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？

 　　十余年前，3D打印風(fēng)頭正盛。2012年，美國(guó)《時(shí)代周刊》將3D打印產(chǎn)業(yè)列為“美國(guó)10大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”。同一年，中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式成立，多地建設(shè)3D打印產(chǎn)業(yè)園區(qū)。2013年，德國(guó)提出工業(yè)4.0發(fā)展戰(zhàn)略，旨在提升制造業(yè)的智能化水平，而3D打印是4.0戰(zhàn)略中的關(guān)鍵一環(huán)。

　　淡出公眾視線之后，3D打印并沒(méi)有停止發(fā)展的腳步。

　　2019年，通用航空研發(fā)出世界上*臺(tái)采用3D打印組件的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)。2022年，生物3D打印機(jī)制造出了心肌組織與毛細(xì)血管。2023年，Meta(原Facebook)宣布開(kāi)發(fā)一款配備最新版OpenAI人工智能的3D打印機(jī)器人。

　　本月，中國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)干細(xì)胞分離、工廠化培養(yǎng)與組織化構(gòu)建技術(shù)，用細(xì)胞培養(yǎng)出大黃魚(yú)組織仿真魚(yú)排。

　　3D打印過(guò)去數(shù)十年經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展?如今在哪些領(lǐng)域落地?未來(lái)又會(huì)有怎樣的發(fā)展?在本篇報(bào)告，我們將聚焦3D打印，探討以下問(wèn)題：

　　3D打印如何與最新的AIGC技術(shù)相結(jié)合?

　　為什么3D打印*在航空航天和牙科落地?

　　生物技術(shù)和3D打印相結(jié)合，會(huì)碰撞出什么樣的火花?

　　為什么說(shuō)混合加工是3D打印的未來(lái)?

　　3D打印有哪些優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)?

　　01、3D打印，給AI配上了雙手

　　我們可以把3D打印理解為“聚沙成塔”。3D打印又稱為增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬、塑料等其他材料逐層鋪設(shè)打印，最后形成三維物體的制造方法。

　　無(wú)論是零維的點(diǎn)，一維的線，二維的面，最終都能聚合形成三維的實(shí)體。

　　就像在日常生活中，小孩子會(huì)用沙堆城堡，用積木搭建出想要的形狀。我們可以把沙子理解成零維的點(diǎn)，被不斷累加、堆疊之后，沙子就變成了三維的狀態(tài)。

　　3D打印的起點(diǎn)是數(shù)字化的模型，終點(diǎn)是現(xiàn)實(shí)的物理實(shí)體。因此，3D打印相當(dāng)于幾何模型到真實(shí)物體的現(xiàn)實(shí)映射。3D打印和當(dāng)下熱門(mén)的大模型非常適配。人們可以通過(guò)大模型輸出設(shè)計(jì)模型，再由3D打印機(jī)把物品制造出來(lái)。

　　如果說(shuō)AIGC與大模型是給AI配上了一支畫(huà)筆，3D打印技術(shù)則是給AI配上了在現(xiàn)實(shí)中憑空制造物體的手。

　　2022年12月，OpenAI曾發(fā)布Point-E模型，只需幾秒鐘即可根據(jù)文本生成3D資產(chǎn)。

　　2023年5月，OpenAI再次發(fā)布了升級(jí)模型Shap-E，能夠生成更高質(zhì)量的模型。通過(guò)3D打印技術(shù)，這類由AI快速制作的3D資產(chǎn)，就能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為物理世界中的真實(shí)模型。

　　▲OpenAI發(fā)布的升級(jí)模型Shap-E生成的3D資產(chǎn)。圖片來(lái)源：github

　　而Meta(原Facebook)也于2023年宣布開(kāi)發(fā)一款配備最新版OpenAI人工智能的3D打印機(jī)器人。

　　關(guān)于3D打印的話題，近年來(lái)的討論已經(jīng)逐漸從過(guò)去30年的制造與材料科學(xué)的視角，轉(zhuǎn)向了全新的領(lǐng)域。人工智能在3D打印領(lǐng)域的飛速應(yīng)用，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的3D模型制作方式。傳統(tǒng)的制作方式，大多依賴設(shè)計(jì)師與工程師的專業(yè)能力。

　　借助于AIGC以及AI 3D掃描重建應(yīng)用，即使是初級(jí)用戶，也能輕松地創(chuàng)建大量屬于自己的3D模型資產(chǎn)。

　　而ChatGPT這類具備邏輯能力的大語(yǔ)言模型快速崛起，讓我們看到了通過(guò)簡(jiǎn)單語(yǔ)言交互即可實(shí)現(xiàn)3D打印工作的可能性。甚至在傳統(tǒng)復(fù)雜的3D打印工藝編程上，大語(yǔ)言模型也展現(xiàn)出巨大潛力。未來(lái)，這類大語(yǔ)言模型能成為用戶3D打印時(shí)靠譜的“老師傅”。

　　人工智能與3D打印，讓人們打開(kāi)了對(duì)未來(lái)的想象空間。然而，相比于借助其他領(lǐng)域的新技術(shù)，3D打印當(dāng)前面臨的核心工藝問(wèn)題，比如力學(xué)性能有限以及表面精度不足，仍需由3D打印技術(shù)自身來(lái)解決。

　　這些挑戰(zhàn)意味著新的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)。無(wú)論是從創(chuàng)業(yè)，還是投資的角度，抓住能解決當(dāng)下3D打印工藝與應(yīng)用局限的新技術(shù)，或許就擁有了成功的入場(chǎng)券。

　　02 、3D打印背后的工業(yè)哲學(xué)：減材VS增材

　　現(xiàn)代3D打印技術(shù)從何而來(lái)?

　　日本名古屋市工業(yè)研究所的久田秀夫(Hideo Kodama)發(fā)明了利用大桶光敏聚合物成型的三維模型增材制造方法。

　　1980年5月，久田秀夫申請(qǐng)了與該技術(shù)有關(guān)的*項(xiàng)專利。

　　1983年，美國(guó)人Chuck Hull成功發(fā)明SLA打印技術(shù)(Stereo Lithography Appearance，光固化成型技術(shù))，通過(guò)激光來(lái)催化光敏樹(shù)脂成型，并制造出3D打印部件。

　　1986年，Chuck Hull基于SLA技術(shù)，創(chuàng)立3D systems copration。

　　1987年，公司推出了世界上*臺(tái)商業(yè)3D打印系統(tǒng)。

　　之后二十多年，各類新的3D打印技術(shù)(FDM、SLM以及CLIP等)不斷誕生，打印的基礎(chǔ)材料也從光敏樹(shù)脂拓展到了金屬粉末、生物墨水以及混凝土等等。

　　早在3D打印技術(shù)還沒(méi)有爆紅的2003年，隱形矯治就已經(jīng)在運(yùn)用3D打印技術(shù)制造牙齒模型�？梢哉f(shuō)，隱形矯治領(lǐng)域，是最早采用3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)商品的民用細(xì)分領(lǐng)域之一。我們會(huì)在下文詳細(xì)展開(kāi)為什么3D打印機(jī)會(huì)最早廣泛應(yīng)用于牙科領(lǐng)域。

　　2008年，*次有人穿戴3D打印的假肢(比如膝蓋、腳、關(guān)節(jié)等)走上街頭。

　　2012年，3D Systems推出世界*開(kāi)箱即用3D打印機(jī)Cube。

　　▲Cube打印機(jī)&打印出的物體。圖片來(lái)源：Amazon

　　隨著2008年FDM和2013年SLA的關(guān)鍵專利到期，相關(guān)技術(shù)逐步開(kāi)源，消費(fèi)級(jí)3D打印市場(chǎng)迎來(lái)諸多新玩家，3D打印*次出圈走到了大眾面前。

　　在硬件方面，自2014年開(kāi)始，消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)熱潮涌起，創(chuàng)想三維、3D Systems等公司推出更具性價(jià)比和易用性的產(chǎn)品，人們開(kāi)始展望3D打印技術(shù)走入各行各業(yè)、家家戶戶的未來(lái)。

　　一場(chǎng)即將顛覆的制造技術(shù)革命正在醞釀之中。人工智能帶來(lái)的智能化以及硬件的不斷進(jìn)步，讓3D打印技術(shù)的爆發(fā)看起來(lái)指日可待。

　　然后，過(guò)去近十年，3D打印仍然像一種稀有商品，僅在工業(yè)的某些特定領(lǐng)域以及海外極客的工作室中出現(xiàn)。

　　關(guān)于3D打印的質(zhì)量、材料、用戶體驗(yàn)以及有限的應(yīng)用場(chǎng)景等問(wèn)題，一直存在爭(zhēng)議，但這并未阻止3D打印技術(shù)的發(fā)展。在牙科及航空航天領(lǐng)域，3D打印新技術(shù)穩(wěn)扎穩(wěn)打，為行業(yè)實(shí)實(shí)在在降低了成本，提高了效率。

　　我們?cè)谏衔奶岬剑?D打印有個(gè)別稱之一叫增材制造。工業(yè)制造領(lǐng)域有兩大類制造思路，一種是減材制造，另一種就是增材制造。

　　減材制造起源于工業(yè)革命�；疖�、輪船、電機(jī)以及汽車等傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品，都是減材制造的產(chǎn)物。減材制造通過(guò)各種方式切割、去除原始材料，制造出零部件與工具。這個(gè)過(guò)程中，材料會(huì)損耗。比如現(xiàn)代金屬制造業(yè)，使用的車、銑、刨、磨、鉆等切割工藝，就是減材制造技術(shù)。

　　而在3D打印過(guò)程中，材料不斷增加成型，正好與減材制造工藝相反，因此被稱為增材制造。

　　從本質(zhì)上，減材與增材最根本的區(qū)別在于，減材的材料與成型過(guò)程是解耦的，而增材的材料與成型過(guò)程是耦合的。耦合和解耦是系統(tǒng)工程中常用的概念。

　　耦合可以理解為各個(gè)部分之間的連接程度，在高耦合的系統(tǒng)中，各部分之間的依賴性強(qiáng)。在低耦合系統(tǒng)中，各部分之間相互獨(dú)立。解耦是指將高耦合的系統(tǒng)改成低耦合的系統(tǒng)。

　　用減材的思路生產(chǎn)物品時(shí)，無(wú)論是使用了什么鍛造方式或者處理工藝，從最初的材料到成型的物品，都近似保持了原有的材料力學(xué)特性和強(qiáng)度。

　　例如制造減速箱齒輪，所用的材料是經(jīng)由齒輪鋼材鍛造而成的齒輪毛坯，然后再進(jìn)行切削處理，得到最終的成品。最終，齒輪的材料力學(xué)性質(zhì)主要由毛坯決定。

　　增材則是一個(gè)耦合的過(guò)程，物件最終的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)與成型工藝息息相關(guān)。骨科植入材料是非常典型的例子。人們通過(guò)改變材料的孔隙率，調(diào)整植入材料的強(qiáng)度，從而更適配不同類型的人體組織。這是普通的金屬材料加工技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)的。

　　具體而言，兩種工具制造思路各有優(yōu)劣。

　　減材的優(yōu)勢(shì)在于，適用于大批量生產(chǎn);成型精度更高，表面質(zhì)量更好;減材類型的打印技術(shù)已經(jīng)成熟，門(mén)檻低;利用減材技術(shù)打印的產(chǎn)品，有更好的成品力學(xué)性能。

　　減材的劣勢(shì)在于，很難加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜的或者微型的零件。其次，如果使用減材技術(shù)，材料利用率相對(duì)較低。比如，在航空制造領(lǐng)域，以飛機(jī)中框架為例，需要用大約3噸的毛坯材料，才能制作成150kg的成型零件。

　　▲圖片來(lái)源：NC Military Business Center

　　增材適用于小批量生產(chǎn);加工性強(qiáng)，能制造極端復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。增材制造的利用率高，制造流程簡(jiǎn)單。

　　比如，在牙齒正畸領(lǐng)域，制作牙齒模型、人工牙冠以及牙齒貼片等等，如果利用傳統(tǒng)方法，制作周期往往需要6到7天，如果采用3D打印，制作時(shí)間會(huì)縮短到數(shù)十分鐘。

　　但增材的劣勢(shì)也很明顯，加工出的物品力學(xué)強(qiáng)度可能有限，整體質(zhì)量可能不如使用減材技術(shù)制造的產(chǎn)品。比如，常見(jiàn)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片對(duì)應(yīng)的金屬材料，很難用3D打印來(lái)實(shí)現(xiàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)在嚴(yán)酷的高溫工作環(huán)境中作業(yè)，需要單晶鈦合金這類非常特殊的金屬材料進(jìn)行減材成型，才能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求。

　　理解了增材和減材背后的底層邏輯，我們就能更清楚地意識(shí)到為什么3D打印還存在一些缺陷，以及為什么現(xiàn)在3D打印能夠在部分行業(yè)應(yīng)用，而沒(méi)有被更廣泛地應(yīng)用。

　　03、3D打印的流程

　　了解了3D打印的發(fā)展歷史，我們?cè)賮?lái)把目光聚焦到3D打印的具體流程。

　　與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印流程并不復(fù)雜，包含模型設(shè)計(jì)、加工規(guī)劃、打印成型以及后處理這四大步驟。借助這些步驟，3D打印把數(shù)字世界，映射到真實(shí)物理世界。

　　▍模型設(shè)計(jì)

　　在模型設(shè)計(jì)階段，3D打印主要利用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)這種技術(shù)。

　　創(chuàng)成式設(shè)計(jì)以拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)，在給定的設(shè)計(jì)目標(biāo)下，例如輕量化、提高散熱性能等等，直接生成滿足需求但結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)計(jì)。這樣的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，難以用傳統(tǒng)減材制造工藝實(shí)現(xiàn)，我們很難做出內(nèi)部鏤空，但強(qiáng)度保持不變的結(jié)構(gòu)。如今，這些問(wèn)題都能都被3D打印解決。

　　市場(chǎng)中已經(jīng)有在3D打印、工業(yè)設(shè)計(jì)軟件領(lǐng)域發(fā)力的創(chuàng)業(yè)公司。比如，峰瑞已投企業(yè)優(yōu)解未來(lái)是國(guó)內(nèi)為數(shù)不多的，自主研發(fā)新一代智能設(shè)計(jì)拓?fù)鋬?yōu)化SaaS平臺(tái)的公司。

　　▍加工規(guī)劃

　　在加工規(guī)劃環(huán)節(jié)，需要先把3D打印模型逐步“切片”，分解加工步驟，生成打印軌跡規(guī)劃。此外，還要給3D打印模型設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu)。打印過(guò)程中，物品需要有一定支撐，保持穩(wěn)定性。

　　▍打印成型

　　加工規(guī)劃完成后，人們需要把一系列加工代碼發(fā)給打印機(jī)。打印技術(shù)有許多種，比如選擇性激光燒結(jié)、選擇性激光熔融、光固化成型技術(shù)等等(具體詳見(jiàn)下圖)。

　　▲3D打印相關(guān)技術(shù)。圖片來(lái)源：億渡數(shù)據(jù)

　　▍后處理

　　打印成型并不意味著結(jié)束，還涉及非常復(fù)雜的后處理，比如去掉支撐結(jié)構(gòu)、上色、精加工、打磨等等。后處理這道工序主要是為了彌補(bǔ)3D打印本身性能的不足，提升成型物體的精度與表面質(zhì)量。

　　04、3D打印的優(yōu)勢(shì)

　　▍幾何復(fù)雜性

　　3D打印提升了制造的靈活度，能實(shí)現(xiàn)高度個(gè)性化定制。一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的設(shè)計(jì)，3D打印也能夠?qū)崿F(xiàn)。

　　▍材料復(fù)雜性

　　人們可以通過(guò)3D技術(shù)，打印多孔結(jié)構(gòu)或者多種材料復(fù)合的結(jié)構(gòu)，讓物品實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度、功能等不同梯度的變化。

　　▍層次復(fù)雜性

　　傳統(tǒng)加工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)多尺度跨越加工。而3D打印技術(shù)的跨度非常大，可以用同一種技術(shù)原理，覆蓋從微觀到宏觀的制造。

　　在微觀制造尺度，2016年，科學(xué)家利用3D打印領(lǐng)域里的雙光子直寫(xiě)技術(shù)，制成了目前世界上最小的用于腸胃檢查的內(nèi)窺鏡。

　　▲圖片來(lái)源：格物者

　　在宏觀制造尺度，2020年，河北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)打印出長(zhǎng)達(dá)28米的新版“趙州橋”。

　　▍功能復(fù)雜性

　　在工業(yè)領(lǐng)域，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)需要將每個(gè)零件單獨(dú)加工，再裝配到一起。把復(fù)雜的零件一體化，是工業(yè)領(lǐng)域?qū)?D打印需求*的地方。

　　/ 05 /

　　3D打印的缺點(diǎn)

　　當(dāng)前3D打印有哪些缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)導(dǎo)致了3D打印不能在某些領(lǐng)域應(yīng)用?或者即使應(yīng)用，也要增加成本來(lái)補(bǔ)足缺陷?

　　*，力學(xué)性能有限。

　　▲圖片來(lái)源：3D打印技術(shù)參考

　　3D打印有可能出現(xiàn)表面與材料內(nèi)部存在粉末未熔、微裂紋、孔隙等缺陷，因此零件的力學(xué)性能，例如強(qiáng)度、耐磨以及抗疲勞均不如減材制造的零件。為了保證成型物品性能，人們需要選用高價(jià)的原材料，以及更保守的工藝設(shè)計(jì)，最終成本變高，耗時(shí)增多。

　　第二，表面精度不足。

　　如果我們借助減材技術(shù)，比如車削、銑削、磨削等等，物體表面精度會(huì)更高。如果用3D打印，只能通過(guò)后道工藝，繼續(xù)打磨，或者進(jìn)行化學(xué)拋光。但這些后道工序會(huì)增加成本。

　　▲左圖為3D打印直接成型的物品，右圖為經(jīng)過(guò)后處理的物品。圖片來(lái)源：3D打印技術(shù)參考

　　力學(xué)能力有限以及表面精度不足這兩大缺點(diǎn)，限制了3D打印技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。如果3D打印想要應(yīng)用在更多領(lǐng)域，需要改進(jìn)這些缺點(diǎn)，或者提高后道工藝的效率。

　　/ 06 /

　　為什么3D打印

　　*在航空航天和牙科落地？

　　目前，在醫(yī)療保健、航空航天、汽車和體育用品等領(lǐng)域，都能看到3D打印技術(shù)的身影。而航空航天和牙科領(lǐng)域，3D打印技術(shù)被應(yīng)用得尤為廣泛。這兩個(gè)都是典型的高附加值、高客單價(jià)行業(yè)，3D打印技術(shù)能夠助力這兩個(gè)行業(yè)提高產(chǎn)品成型的效率。

　　▍航空航天

　　20世紀(jì)以來(lái)，幾乎最新、*的制造技術(shù)，*時(shí)間都被用在了航空航天領(lǐng)域。

　　比如50年前的CNC技術(shù)(Computerized Numerical Control，計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制，利用數(shù)字化對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制)，以及如今的3D打印技術(shù)。

　　為什么航空航天領(lǐng)域適合使用新技術(shù)?

　　航空航天是典型的高附加值、高客單價(jià)、小批量、高迭代、多SKU的行業(yè)，一個(gè)零件的造價(jià)可能高達(dá)數(shù)十萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)。航空航天在輕量化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一次成型、節(jié)省材料以及靈活驗(yàn)證迭代等方面的制造需求，跟3D打印的屬性非常契合。

　　“錘子”和“釘子”匹配得恰到好處，航空航天可以說(shuō)是3D打印在工業(yè)界應(yīng)用最多的細(xì)分領(lǐng)域。

　　比如，通用航空于2019年研發(fā)出了世界上*臺(tái)采用3D打印組件的渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)里的中框組件，原本由300多個(gè)單獨(dú)的零件組裝而成。通用航空通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將中框組件變成了單一的零件結(jié)構(gòu)，借助3D打印實(shí)現(xiàn)一體成型。3D工藝讓中框組件輕量化的同時(shí)，也降低了制造成本。

　　▲渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)的中框組件由過(guò)去的300個(gè)零件優(yōu)化為一個(gè)。圖片來(lái)源：3Dprint.com

　　此外，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)通過(guò)3D打印技術(shù)，制造出了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴，并于2014年成功點(diǎn)火試飛。

　　NASA的工程師稱，“如果用傳統(tǒng)制造方法，要造163個(gè)單獨(dú)零件然后再組裝起來(lái)，但3D打印只需2個(gè)零件，不僅節(jié)約了時(shí)間金錢(qián)，而且造出的部件能提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能，減少失敗可能性。”

　　▍牙科

　　除了航空航天，3D打印也在牙科領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

　　牙科領(lǐng)域的需求特別個(gè)性化，尤其是正畸過(guò)程中，每個(gè)階段牙齒都會(huì)有變化，需要定制化、分階段的技術(shù)方案。如今在牙齒正畸領(lǐng)域，鋼絲牙套逐漸退出大眾視野，隱形牙套取而代之。

　　隱形牙套技術(shù)是典型的交叉學(xué)科技術(shù)，涉及口腔醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物力學(xué)、3D打印以及材料學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)。制作隱形牙套時(shí)，很多環(huán)節(jié)需要3D打印技術(shù)。比如牙醫(yī)設(shè)計(jì)矯正方案，要用到3D動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)軟件。制作牙模，也要用到3D打印機(jī)。

　　傳統(tǒng)制作正畸牙模需要多次取模、制作、調(diào)整，而且會(huì)有一定的精度誤差。而3D打印技術(shù)通過(guò)數(shù)字建模，減小模型誤差，能夠提制作出精密度更高的牙齒模型。

　　我們?cè)谏衔奶岬剑?D打印出的物品力學(xué)性能有限，為什么這項(xiàng)技術(shù)還能在牙科以及航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用?

　　3D打印的牙齒模型并不會(huì)直接作用于患者，只是為了制作牙齒模型，幫助牙科醫(yī)生制作矯正器。大多數(shù)矯治器是用高分子材料，壓在牙齒模型上倒模出來(lái)的，3D打印只是解決了過(guò)渡期間的需求。不過(guò)目前也有少數(shù)機(jī)構(gòu)，通過(guò)更精細(xì)的3D打印技術(shù)，制作矯正器。

　　航空航天領(lǐng)域也是如此，人們一般不會(huì)將3D打印材料用在精度要求極其高的器件上。很多火箭也都是一次性的。

　　07、生物3D打印，超越人類想象力的技術(shù)

　　除了航空航天以及牙科領(lǐng)域，未來(lái)3D打印也有望被更廣泛地應(yīng)用于生物3D打印。生物3D打印是指用含有活細(xì)胞的混合物作為基礎(chǔ)材料，打印出活體組織器官。

　　3D打印在生物領(lǐng)域的應(yīng)用大多處于探索階段。根據(jù)賀永等浙大學(xué)者的梳理總結(jié)，生物3D打印大致可劃分為4個(gè)層次：

　　*層次為制造無(wú)生物相容性要求的結(jié)構(gòu)，比如目前廣泛應(yīng)用于手術(shù)路徑規(guī)劃的3D打印等;

　　第二層次為制造有生物相容性要求、不可降解的制品，比如鈦合金關(guān)節(jié)、缺損修復(fù)的硅膠假體等;

　　第三層次為制造有生物相容性要求，可降解的制品，比如活性陶瓷骨、可降解的血管支架等;

　　第四層次就是狹義生物3D打印，即操縱活細(xì)胞構(gòu)建仿生三維組織，比如打印藥物篩選及機(jī)理研究用的細(xì)胞模型、肝單元、皮膚、血管等。

　　目前在生物領(lǐng)域，類器官被稱為模擬體內(nèi)微環(huán)境*的技術(shù)之一。類器官是在特定培養(yǎng)條件下，使用原代組織、胚胎干細(xì)胞或誘導(dǎo)的多能干細(xì)胞在體外生成的一種微器官。

　　人們已經(jīng)制造出肝臟、胰臟、胃、心臟、腎臟甚至乳腺等在內(nèi)的各種類器官。類器官被應(yīng)用于癌癥研究、藥物篩選和精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但它僅僅在一小塊定向培養(yǎng)的微小組織內(nèi)模擬體內(nèi)微環(huán)境，距離更大尺度的模擬依舊存在距離。

　　如果我們能直接用3D打印技術(shù)，打印出心臟或者肝臟，同樣可以用來(lái)測(cè)試藥物，輔助藥物研發(fā)。2016年，生物3D打印企業(yè)Organovo與羅氏制藥公司合作開(kāi)展了一項(xiàng)藥物測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，3D打印的肝臟組織可以被用于區(qū)分多種藥物的毒性水平。

　　相比于形態(tài)微小的類器官，這些仿生器官?gòu)母�大尺度上，�?fù)刻了生物組織，提供了更豐富的體內(nèi)環(huán)境模擬反饋。

　　▲實(shí)驗(yàn)室通過(guò)改進(jìn)后的六軸機(jī)器人，打印血管及心肌組織。圖片來(lái)源：《Bioactive Materials》

　　《Bioactive Materials》發(fā)布的研究顯示，2022年，有實(shí)驗(yàn)室將六軸機(jī)器人改造成為生物3D打印機(jī)，打印出了心肌組織。這個(gè)心肌組織還分布著毛細(xì)血管，并在體外維持了六個(gè)月的搏動(dòng)。

　　既然2022年，已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)室能做到這樣的打印能力，或許未來(lái)，3D打印的生物器官可以被更廣泛地用于藥物測(cè)試。

　　當(dāng)然，不止是藥物研發(fā)，3D打印可能會(huì)助益整個(gè)生物領(lǐng)域，反哺生物技術(shù)研發(fā)。

　　2019年，《微型機(jī)器》發(fā)表研究稱，學(xué)者通過(guò)改進(jìn)生物3D技術(shù)，打印出感覺(jué)神經(jīng)元。感覺(jué)神經(jīng)元是外周神經(jīng)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。未來(lái)，當(dāng)更多類型神經(jīng)元細(xì)胞被成功打印之后，學(xué)者就能更直觀地觀察腦科學(xué)技術(shù)的效果，從而研發(fā)出更精準(zhǔn)的腦科學(xué)治療技術(shù)。

　　08、3D打印技術(shù)的未來(lái)——混合加工

　　直到今天，3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域還不夠廣泛。

　　因?yàn)?D技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，人們大多用3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)或者生產(chǎn)小批量的產(chǎn)品。

　　在線制造平臺(tái)HUBS2022年發(fā)布報(bào)告，調(diào)查了人們?nèi)绾螒?yīng)用3D打印技術(shù)。

　　其中62%的受訪對(duì)象選擇用3D打印技術(shù)來(lái)打樣，17%用來(lái)制造單批次的零件，11%用來(lái)生產(chǎn)多批量的零件，8%用來(lái)生產(chǎn)工業(yè)制造所用的固定裝置，2%用來(lái)做美學(xué)設(shè)計(jì)，比如打印鞋子。

　　▲圖片來(lái)源：在線制造平臺(tái)HUBS

　　在成本方面，3D打印與傳統(tǒng)金屬加工工藝差別很大。傳統(tǒng)工藝擁有規(guī)模效應(yīng)，當(dāng)加工量達(dá)到一定量級(jí)，邊際成本將非常低。而3D打印成本下降的速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于傳統(tǒng)工藝邊際成本的下降速度。

　　圖片中有兩條線，橙色的線表示傳統(tǒng)的制造成本，藍(lán)色的線表示3D打印的制造成本。

　　兩條線的交點(diǎn)就是break-even point(收支平衡點(diǎn))。如果產(chǎn)品制造數(shù)量在這個(gè)點(diǎn)左側(cè)，3D打印更具優(yōu)勢(shì)。如果產(chǎn)品數(shù)量在右側(cè)，那么傳統(tǒng)加工方式更具優(yōu)勢(shì)。

　　這也解釋了，為什么在航空航天域以及牙科之外，3D打印沒(méi)有被大規(guī)模廣泛應(yīng)用。

　　幾乎大部分行業(yè)都存在break-even point，有的行業(yè)已經(jīng)在嘗試采用3D打印技術(shù)，但還沒(méi)有廣泛使用。

　　在手機(jī)制造領(lǐng)域，2013年，摩托羅拉宣布與3D Systems將使用3D技術(shù)打造智能手機(jī)的零組件。在服裝制造行業(yè)，2020年，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員開(kāi)發(fā)出一種新的3D打印方法，能夠降低打印紡織品的成本。

　　未來(lái)，3D打印是否會(huì)有技術(shù)上的進(jìn)展，讓整個(gè)成本降低，使得break-even point往右移，也就是圖中畫(huà)綠色的線，那3D打印就有可能在一些新的領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬應(yīng)用。

　　我們觀察到，混合加工有可能是讓3D打印技術(shù)提高精度、降低成本的路線之一。

　　▍混合加工

　　混合加工是指在一臺(tái)設(shè)備上完成兩種不同機(jī)理的加工過(guò)程，如3D打印和切削加工混合，電加工和超聲波加工混合等。減材加工的好處在于成型的物品表面質(zhì)量高，增材加工的優(yōu)勢(shì)在于靈活性與復(fù)雜成型能力，而混合加工則兼具兩類工藝的特性。

　　2020年10月， 美商務(wù)部將六項(xiàng)新興技術(shù)添加到《出口管理?xiàng)l例》的商務(wù)部管制清單中，其中包括混合增材制造、光刻軟件和5nm生產(chǎn)技術(shù)�；旌显霾闹圃焐婕坝布�制造設(shè)備與計(jì)算機(jī)數(shù)控軟件。

　　美國(guó)把混合增材制造技術(shù)與半導(dǎo)體技術(shù)放在一起，足以證明這些技術(shù)的重要性。

　　▲圖片來(lái)源：美國(guó)商務(wù)部

　　如果想要實(shí)現(xiàn)混合加工，需要在硬件以及軟件上同時(shí)發(fā)力。目前已有的混合加工技術(shù)包括CNC+3D打印的混合加工，以及激光拋光+3D打印混合加工。

　　香港科技大學(xué)的3D打印實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)3D打印領(lǐng)域*的實(shí)驗(yàn)室之一。目前該實(shí)驗(yàn)室采用CNC與3D打印混合的技術(shù)，制造出激光增減材混合加工軟硬件平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)增材、減材工藝的交替。

　　實(shí)驗(yàn)室把金屬打印頭集成在雙主軸五軸加工中心上。之前3D打印主要利用x、y、z三個(gè)軸，五軸聯(lián)動(dòng)之后，打印的自由度更高，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的幾何形狀打印與先進(jìn)的無(wú)支撐打印。

　　打印機(jī)器將打印和切割的過(guò)程反復(fù)交替，最終使得物體表面有了光滑的鏡面效果。我們很難通過(guò)傳統(tǒng)的3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鏡面的效果。

　　▲圖片來(lái)源：香港科技大學(xué)

　　全球頭部機(jī)床制造商德馬吉(DMG)也采取了類似的策略。德瑪吉具備了混合加工的硬件能力，不過(guò)還沒(méi)有成熟的工藝軟件相適配。目前德瑪吉還只能實(shí)現(xiàn)CNC與3D打印獨(dú)立加工的形態(tài)，和理想的混合加工還存在一定距離。

　　行業(yè)里比較關(guān)注的是，這種新的融合技術(shù)，是否能夠替代原來(lái)獨(dú)立的3D打印與CNC減材制造，成為一種全新的加工方式?

　　醫(yī)療器械領(lǐng)域，比較典型的3D打印應(yīng)用是內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，比如手術(shù)的導(dǎo)管。

　　當(dāng)手術(shù)的導(dǎo)管達(dá)到微米級(jí)、毫米級(jí)別的尺度時(shí)，很難用傳統(tǒng)的加工方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果只用3D打印技術(shù)，制成的導(dǎo)管表面很粗糙，只能繼續(xù)用化學(xué)拋光來(lái)做后處理，提高了成本。

　　但如果用混合打印，既能保證內(nèi)流道表面光滑，又能降低成本。

　　目前，工業(yè)界比較看好混合加工的發(fā)展?jié)摿�。因�(yàn)榛旌霞庸ぐ押芏喙に嚰�成到一臺(tái)機(jī)器上，又能實(shí)現(xiàn)增材技術(shù)的加工效果，也能實(shí)現(xiàn)減材技術(shù)的靈活性，成本也低。

　　09 、總結(jié)

　　3D打印本質(zhì)上相當(dāng)于是數(shù)字化的抽象模型，映射到了真實(shí)世界。未來(lái)，3D打印將是AI下游執(zhí)行層中，鏈接虛擬與現(xiàn)實(shí)的重要組成。

　　GPT大模型如果想要和真實(shí)的物理世界發(fā)生碰撞，需要3D打印這雙手。

　　在3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域，航空航天行業(yè)和牙科行業(yè)跑在最前面。因?yàn)閮蓚�(gè)行業(yè)均落在成本break-even point的左側(cè)，行業(yè)的需求與3D打印的特性*契合。3D打印能夠幫助細(xì)分行業(yè)實(shí)現(xiàn)制造全流程的成本優(yōu)勢(shì)。

　　3D打印的未來(lái)增量來(lái)自于底層技術(shù)革新，從而帶動(dòng)更多新的應(yīng)用場(chǎng)景與成本break-even point右移。

　　我們?cè)诒酒獔?bào)告中，沒(méi)有列舉太多細(xì)分領(lǐng)域的迭代技術(shù)，原因在于這些技術(shù)還沒(méi)有從本質(zhì)上改變所處行業(yè)的制造成本結(jié)構(gòu)。我們希望新的技術(shù)能夠拓展新的場(chǎng)景，或者在原有的場(chǎng)景上，帶來(lái)更多規(guī)模化增量。

　　我們重點(diǎn)關(guān)注增減材混合加工與生物3D打印這類新的范式變化方向。前者是在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域，為3D打印打入更多民用場(chǎng)景，比如汽車、椅子。后者是作為生物與制造技術(shù)的交叉，助力生物領(lǐng)域的藥物測(cè)試研發(fā)，反哺生物科技研究。