3D打印40年：從小眾技術到大眾應用還有多遠,？ | 峰瑞報告

來源： 峰瑞資本

十余年前,，3D打印風頭正盛,。2012年,，美國《時代周刊》將3D打印產業(yè)列為“美國10大增長最快的工業(yè)”,。同一年，中國3D打印技術產業(yè)聯(lián)盟正式成立,，多地建設3D打印產業(yè)園區(qū),。2013年，德國提出工業(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)略中的關鍵一環(huán)。

淡出公眾視線之后,，3D打印并沒有停止發(fā)展的腳步,。

2019年，通用航空研發(fā)出世界上第一臺采用3D打印組件的渦輪螺旋槳發(fā)動機,。2022年,，生物3D打印機制造出了心肌組織與毛細血管。2023年,，Meta（原Facebook）宣布開發(fā)一款配備最新版OpenAI人工智能的3D打印機器人,。

本月，中國的研究團隊,，通過干細胞分離,、工廠化培養(yǎng)與組織化構建技術，用細胞培養(yǎng)出大黃魚組織仿真魚排,。

3D打印過去數(shù)十年經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展,？如今在哪些領域落地？未來又會有怎樣的發(fā)展,？在本篇報告,，我們將聚焦3D打印，探討以下問題：

●3D打印如何與最新的AIGC技術相結合,？
●為什么3D打印最先在航空航天和牙科落地,？
●生物技術和3D打印相結合，會碰撞出什么樣的火花,？
●為什么說混合加工是3D打印的未來,？
●3D打印有哪些優(yōu)勢和劣勢？

希望能帶來新的思考角度,。如果你也關注3D打印,，或者在前沿科技領域創(chuàng)業(yè)，歡迎聯(lián)系本文作者,，峰瑞資本副總裁顏黔杭（[email protected]）,。

/ 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，運用粉末狀金屬,、塑料等其他材料逐層鋪設打印,，最后形成三維物體的制造方法。

無論是零維的點,，一維的線,，二維的面,，最終都能聚合形成三維的實體。

就像在日常生活中,，小孩子會用沙堆城堡,，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,，被不斷累加,、堆疊之后，沙子就變成了三維的狀態(tài),。

3D打印的起點是數(shù)字化的模型,，終點是現(xiàn)實的物理實體。因此,，3D打印相當于幾何模型到真實物體的現(xiàn)實映射,。3D打印和當下熱門的大模型非常適配。人們可以通過大模型輸出設計模型,，再由3D打印機把物品制造出來,。

如果說AIGC與大模型是給AI配上了一支畫筆，3D打印技術則是給AI配上了在現(xiàn)實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,。

2023年5月,，OpenAI再次發(fā)布了升級模型Shap-E，能夠生成更高質量的模型,。通過3D打印技術,，這類由AI快速制作的3D資產，就能自動轉化為物理世界中的真實模型,。

▲OpenAI發(fā)布的升級模型Shap-E生成的3D資產,。圖片來源：github

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

▲圖片來源：3dnatives.com

關于3D打印的話題,，近年來的討論已經(jīng)逐漸從過去30年的制造與材料科學的視角,，轉向了全新的領域。人工智能在3D打印領域的飛速應用,，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的3D模型制作方式,。傳統(tǒng)的制作方式，大多依賴設計師與工程師的專業(yè)能力,。

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

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

人工智能與3D打印,，讓人們打開了對未來的想象空間。然而,，相比于借助其他領域的新技術,，3D打印當前面臨的核心工藝問題，比如力學性能有限以及表面精度不足,，仍需由3D打印技術自身來解決,。

這些挑戰(zhàn)意味著新的技術創(chuàng)新機會。無論是從創(chuàng)業(yè),，還是投資的角度,，抓住能解決當下3D打印工藝與應用局限的新技術，或許就擁有了成功的入場券,。

/ 02 /
3D打印背后的工業(yè)哲學：
減材VS增材

現(xiàn)代3D打印技術從何而來,？

▲圖片來源: scitechdaily

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,，久田秀夫申請了與該技術有關的第一項專利,。

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

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

1987年,，公司推出了世界上第一臺商業(yè)3D打印系統(tǒng)。

之后二十多年,，各類新的3D打印技術（FDM,、SLM以及CLIP等）不斷誕生，打印的基礎材料也從光敏樹脂拓展到了金屬粉末,、生物墨水以及混凝土等等,。
早在3D打印技術還沒有爆紅的2003年，隱形矯治就已經(jīng)在運用3D打印技術制造牙齒模型,�,？梢哉f,，隱形矯治領域，是最早采用3D打印技術,，實現(xiàn)批量化生產商品的民用細分領域之一,。我們會在下文詳細展開為什么3D打印機會最早廣泛應用于牙科領域。

2008年,，第一次有人穿戴3D打印的假肢（比如膝蓋,、腳、關節(jié)等）走上街頭,。

2012年,，3D Systems推出世界首款開箱即用3D打印機Cube。

▲Cube打印機&打印出的物體,。圖片來源：Amazon

隨著2008年FDM和2013年SLA的關鍵專利到期,，相關技術逐步開源，消費級3D打印市場迎來諸多新玩家,，3D打印第一次出圈走到了大眾面前,。

在硬件方面，自2014年開始,，消費級3D打印機熱潮涌起,，創(chuàng)想三維、3D Systems等公司推出更具性價比和易用性的產品,，人們開始展望3D打印技術走入各行各業(yè),、家家戶戶的未來。

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

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

關于3D打印的質量,、材料、用戶體驗以及有限的應用場景等問題,，一直存在爭議,，但這并未阻止3D打印技術的發(fā)展。在牙科及航空航天領域,，3D打印新技術穩(wěn)扎穩(wěn)打,，為行業(yè)實實在在降低了成本，提高了效率。

我們在上文提到,，3D打印有個別稱之一叫增材制造,。工業(yè)制造領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、電機以及汽車等傳統(tǒng)機械產品,，都是減材制造的產物,。減材制造通過各種方式切割、去除原始材料,，制造出零部件與工具。這個過程中,，材料會損耗,。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。

而在3D打印過程中,，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,。

從本質上,，減材與增材最根本的區(qū)別在于，減材的材料與成型過程是解耦的,，而增材的材料與成型過程是耦合的,。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。在低耦合系統(tǒng)中,，各部分之間相互獨立,。解耦是指將高耦合的系統(tǒng)改成低耦合的系統(tǒng)。

用減材的思路生產物品時，無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特性和強度。

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,，然后再進行切削處理，得到最終的成品,。最終,，齒輪的材料力學性質主要由毛坯決定。

增材則是一個耦合的過程,，物件最終的力學性能和微觀結構與成型工藝息息相關,。骨科植入材料是非常典型的例子。人們通過改變材料的孔隙率,，調整植入材料的強度,，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很難實現(xiàn)的,。

具體而言,，兩種工具制造思路各有優(yōu)劣。

減材的優(yōu)勢在于,，適用于大批量生產,；成型精度更高，表面質量更好,；減材類型的打印技術已經(jīng)成熟,，門檻低；利用減材技術打印的產品,，有更好的成品力學性能,。

減材的劣勢在于，很難加工結構復雜的或者微型的零件,。其次,，如果使用減材技術，材料利用率相對較低,。比如,，在航空制造領域，以飛機中框架為例,，需要用大約3噸的毛坯材料,，才能制作成150kg的成型零件。

▲圖片來源：NC Military Business Center

增材適用于小批量生產,；加工性強,，能制造極端復雜的幾何結構。增材制造的利用率高，制造流程簡單,。

比如,，在牙齒正畸領域，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,，制作時間會縮短到數(shù)十分鐘。

但增材的劣勢也很明顯,，加工出的物品力學強度可能有限,，整體質量可能不如使用減材技術制造的產品。比如,，常見飛機發(fā)動機葉片對應的金屬材料,，很難用3D打印來實現(xiàn)。發(fā)動機在嚴酷的高溫工作環(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行減材成型,，才能滿足發(fā)動機的性能要求。

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)應用,，而沒有被更廣泛地應用,。

/ 03 /
3D打印的流程

了解了3D打印的發(fā)展歷史，我們再來把目光聚焦到3D打印的具體流程,。

與傳統(tǒng)制造工藝相比,，3D打印流程并不復雜，包含模型設計,、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,，映射到真實物理世界。

▍模型設計

在模型設計階段,，3D打印主要利用創(chuàng)成式設計這種技術,。

創(chuàng)成式設計以拓撲優(yōu)化技術為基礎，在給定的設計目標下,，例如輕量化,、提高散熱性能等等，直接生成滿足需求但結構復雜的設計。這樣的復雜結構,，難以用傳統(tǒng)減材制造工藝實現(xiàn),，我們很難做出內部鏤空，但強度保持不變的結構,。如今,，這些問題都能都被3D打印解決。

市場中已經(jīng)有在3D打印,、工業(yè)設計軟件領域發(fā)力的創(chuàng)業(yè)公司,。比如，峰瑞已投企業(yè)優(yōu)解未來是國內為數(shù)不多的,，自主研發(fā)新一代智能設計拓撲優(yōu)化SaaS平臺的公司,。

▍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打印模型設計支撐結構,。打印過程中，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,。打印技術有許多種,，比如選擇性激光燒結、選擇性激光熔融,、光固化成型技術等等（具體詳見下圖）,。

▲3D打印相關技術。圖片來源：億渡數(shù)據(jù)

▍后處理

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

/ 04 /
3D打印的優(yōu)勢

▍幾何復雜性
3D打印提升了制造的靈活度，能實現(xiàn)高度個性化定制,。一些結構復雜的設計,，3D打印也能夠實現(xiàn),。

▍材料復雜性
人們可以通過3D技術，打印多孔結構或者多種材料復合的結構,，讓物品實現(xiàn)強度,、功能等不同梯度的變化。

▍層次復雜性
傳統(tǒng)加工技術難以實現(xiàn)多尺度跨越加工,。而3D打印技術的跨度非常大,，可以用同一種技術原理，覆蓋從微觀到宏觀的制造,。
在微觀制造尺度,，2016年，科學家利用3D打印領域里的雙光子直寫技術,，制成了目前世界上最小的用于腸胃檢查的內窺鏡,。

▲圖片來源：格物者

在宏觀制造尺度，2020年,，河北工業(yè)大學團隊打印出長達28米的新版“趙州橋”,。

▲河北工業(yè)大學3D打印趙州橋全貌。圖片來源：河北日報

▍功能復雜性
在工業(yè)領域,，復雜的結構需要將每個零件單獨加工,，再裝配到一起。把復雜的零件一體化,，是工業(yè)領域對3D打印需求最大的地方,。

/ 05 /
3D打印的缺點

當前3D打印有哪些缺點，這些缺點導致了3D打印不能在某些領域應用,？或者即使應用,，也要增加成本來補足缺陷？

第一,，力學性能有限。

▲圖片來源：3D打印技術參考

3D打印有可能出現(xiàn)表面與材料內部存在粉末未熔,、微裂紋,、孔隙等缺陷，因此零件的力學性能,，例如強度,、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,，人們需要選用高價的原材料,，以及更保守的工藝設計，最終成本變高,，耗時增多,。

第二,，表面精度不足。

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

▲左圖為3D打印直接成型的物品,，右圖為經(jīng)過后處理的物品。圖片來源：3D打印技術參考

力學能力有限以及表面精度不足這兩大缺點,，限制了3D打印技術在其他領域的應用,。如果3D打印想要應用在更多領域，需要改進這些缺點,，或者提高后道工藝的效率,。

/ 06 /
為什么3D打印
最先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域,，都能看到3D打印技術的身影,。而航空航天和牙科領域，3D打印技術被應用得尤為廣泛,。這兩個都是典型的高附加值,、高客單價行業(yè)，3D打印技術能夠助力這兩個行業(yè)提高產品成型的效率,。

▍航空航天

20世紀以來,，幾乎最新、最好的制造技術,，第一時間都被用在了航空航天領域,。
比如50年前的CNC技術（Computerized Numerical Control，計算機數(shù)字化控制,，利用數(shù)字化對機床運動及加工過程進行控制）,，以及如今的3D打印技術。

為什么航空航天領域適合使用新技術,？

航空航天是典型的高附加值,、高客單價,、小批量、高迭代,、多SKU的行業(yè),，一個零件的造價可能高達數(shù)十萬甚至數(shù)百萬。航空航天在輕量化,、復雜結構的一次成型,、節(jié)省材料以及靈活驗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,，航空航天可以說是3D打印在工業(yè)界應用最多的細分領域。

比如,，通用航空于2019年研發(fā)出了世界上第一臺采用3D打印組件的渦輪螺旋槳發(fā)動機,。

發(fā)動機里的中框組件，原本由300多個單獨的零件組裝而成,。通用航空通過結構優(yōu)化,，將中框組件變成了單一的零件結構，借助3D打印實現(xiàn)一體成型,。3D工藝讓中框組件輕量化的同時,，也降低了制造成本。

▲渦輪螺旋槳發(fā)動機的中框組件由過去的300個零件優(yōu)化為一個,。圖片來源：3Dprint.com

此外,，美國國家航空航天局（NASA）通過3D打印技術，制造出了火箭發(fā)動機噴嘴,，并于2014年成功點火試飛,。

NASA的工程師稱，“如果用傳統(tǒng)制造方法,，要造163個單獨零件然后再組裝起來,，但3D打印只需2個零件，不僅節(jié)約了時間金錢,，而且造出的部件能提高火箭發(fā)動機性能,，減少失敗可能性�,！�

▍牙科

除了航空航天，3D打印也在牙科領域被廣泛應用,。

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

隱形牙套技術是典型的交叉學科技術，涉及口腔醫(yī)學,、計算機科學,、生物力學、3D打印以及材料學等多學科的知識,。制作隱形牙套時,，很多環(huán)節(jié)需要3D打印技術。比如牙醫(yī)設計矯正方案,，要用到3D動態(tài)設計軟件,。制作牙模，也要用到3D打印機,。

▲圖片來源：創(chuàng)想三維

傳統(tǒng)制作正畸牙模需要多次取模,、制作、調整,，而且會有一定的精度誤差,。而3D打印技術通過數(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,。

我們在上文提到，3D打印出的物品力學性能有限,，為什么這項技術還能在牙科以及航空航天領域廣泛應用,？

3D打印的牙齒模型并不會直接作用于患者，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的,，3D打印只是解決了過渡期間的需求,。不過目前也有少數(shù)機構，通過更精細的3D打印技術,，制作矯正器,。

航空航天領域也是如此，人們一般不會將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

除了航空航天以及牙科領域,，未來3D打印也有望被更廣泛地應用于生物3D打印,。生物3D打印是指用含有活細胞的混合物作為基礎材料,，打印出活體組織器官。
3D打印在生物領域的應用大多處于探索階段,。根據(jù)賀永等浙大學者的梳理總結,，生物3D打印大致可劃分為4個層次：

第一層次為制造無生物相容性要求的結構，比如目前廣泛應用于手術路徑規(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，比如鈦合金關節(jié),、缺損修復的硅膠假體等,；

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,，即操縱活細胞構建仿生三維組織,，比如打印藥物篩選及機理研究用的細胞模型、肝單元,、皮膚,、血管等。

目前在生物領域,，類器官被稱為模擬體內微環(huán)境最好的技術之一,。類器官是在特定培養(yǎng)條件下，使用原代組織,、胚胎干細胞或誘導的多能干細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的各種類器官,。類器官被應用于癌癥研究,、藥物篩選和精準醫(yī)學領域。但它僅僅在一小塊定向培養(yǎng)的微小組織內模擬體內微環(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，打印出心臟或者肝臟,，同樣可以用來測試藥物,，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展了一項藥物測試,，測試結果表明，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,，這些仿生器官從更大尺度上，復刻了生物組織,，提供了更豐富的體內環(huán)境模擬反饋,。

▲實驗室通過改進后的六軸機器人，打印血管及心肌組織,。圖片來源：《Bioactive Materials》

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

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

當然，不止是藥物研發(fā),，3D打印可能會助益整個生物領域,，反哺生物技術研發(fā)。

2019年,，《微型機器》發(fā)表研究稱,，學者通過改進生物3D技術，打印出感覺神經(jīng)元,。感覺神經(jīng)元是外周神經(jīng)系統(tǒng)的一個重要組成部分,。未來，當更多類型神經(jīng)元細胞被成功打印之后,，學者就能更直觀地觀察腦科學技術的效果,，從而研發(fā)出更精準的腦科學治療技術。

/ 08 /
3D打印技術的未來——混合加工

直到今天,，3D打印的應用領域還不夠廣泛,。

因為3D技術很難實現(xiàn)規(guī)模化生產,，人們大多用3D打印技術來實驗產品設計或者生產小批量的產品,。

在線制造平臺HUBS2022年發(fā)布報告，調查了人們如何應用3D打印技術。

其中62%的受訪對象選擇用3D打印技術來打樣,，17%用來制造單批次的零件,，11%用來生產多批量的零件，8%用來生產工業(yè)制造所用的固定裝置,，2%用來做美學設計,，比如打印鞋子。

▲圖片來源：在線制造平臺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，當加工量達到一定量級,，邊際成本將非常低,。而3D打印成本下降的速度，遠遠慢于傳統(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，藍色的線表示3D打印的制造成本,。

兩條線的交點就是break-even point（收支平衡點）,。如果產品制造數(shù)量在這個點左側，3D打印更具優(yōu)勢,。如果產品數(shù)量在右側,，那么傳統(tǒng)加工方式更具優(yōu)勢。
這也解釋了,，為什么在航空航天域以及牙科之外,，3D打印沒有被大規(guī)模廣泛應用。

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,，但還沒有廣泛使用。

在手機制造領域,，2013年,，摩托羅拉宣布與3D Systems將使用3D技術打造智能手機的零組件。在服裝制造行業(yè),，2020年,，麻省理工學院（MIT）的研究人員開發(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,，3D打印是否會有技術上的進展，讓整個成本降低,，使得break-even point往右移,，也就是圖中畫綠色的線,，那3D打印就有可能在一些新的領域進一步拓寬應用。

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

▍混合加工

混合加工是指在一臺設備上完成兩種不同機理的加工過程,，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量高,，增材加工的優(yōu)勢在于靈活性與復雜成型能力，而混合加工則兼具兩類工藝的特性,。

2020年10月,， 美商務部將六項新興技術添加到《出口管理條例》的商務部管制清單中，其中包括混合增材制造,、光刻軟件和5nm生產技術,。混合增材制造涉及硬件制造設備與計算機數(shù)控軟件,。

美國把混合增材制造技術與半導體技術放在一起,，足以證明這些技術的重要性。

▲圖片來源：美國商務部

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

香港科技大學的3D打印實驗室是國內3D打印領域頂尖的實驗室之一,。目前該實驗室采用CNC與3D打印混合的技術，制造出激光增減材混合加工軟硬件平臺,，能夠實現(xiàn)增材,、減材工藝的交替。

實驗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三個軸,，五軸聯(lián)動之后,，打印的自由度更高，可以實現(xiàn)更復雜的幾何形狀打印與先進的無支撐打印,。

打印機器將打印和切割的過程反復交替,，最終使得物體表面有了光滑的鏡面效果。我們很難通過傳統(tǒng)的3D打印技術,，實現(xiàn)鏡面的效果,。

▲圖片來源：香港科技大學

全球頭部機床制造商德馬吉（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，不過還沒有成熟的工藝軟件相適配,。目前德瑪吉還只能實現(xiàn)CNC與3D打印獨立加工的形態(tài),，和理想的混合加工還存在一定距離。

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

醫(yī)療器械領域,，比較典型的3D打印應用是內流道結構，比如手術的導管,。

當手術的導管達到微米級,、毫米級別的尺度時，很難用傳統(tǒng)的加工方式來實現(xiàn),。如果只用3D打印技術,，制成的導管表面很粗糙，只能繼續(xù)用化學拋光來做后處理,，提高了成本,。

但如果用混合打印，既能保證內流道表面光滑,，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�,。因為混合加工把很多工藝集成到一臺機器上,，又能實現(xiàn)增材技術的加工效果，也能實現(xiàn)減材技術的靈活性,，成本也低,。

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總結

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

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

在3D打印的應用領域,，航空航天行業(yè)和牙科行業(yè)跑在最前面,。因為兩個行業(yè)均落在成本break-even point的左側，行業(yè)的需求與3D打印的特性完美契合,。3D打印能夠幫助細分行業(yè)實現(xiàn)制造全流程的成本優(yōu)勢,。

3D打印的未來增量來自于底層技術革新,，從而帶動更多新的應用場景與成本break-even point右移。

我們在本篇報告中,，沒有列舉太多細分領域的迭代技術,，原因在于這些技術還沒有從本質上改變所處行業(yè)的制造成本結構。我們希望新的技術能夠拓展新的場景,，或者在原有的場景上,，帶來更多規(guī)模化增量,。

我們重點關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)制造領域，為3D打印打入更多民用場景,，比如汽車,、椅子。后者是作為生物與制造技術的交叉,，助力生物領域的藥物測試研發(fā)，反哺生物科技研究,。