3D打印40年：從小眾技術(shù)到大眾應(yīng)用還有多遠(yuǎn),？ | 峰瑞報(bào)告

來源： 峰瑞資本

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(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(lǐng)域落地？未來又會(huì)有怎樣的發(fā)展,？在本篇報(bào)告,，我們將聚焦3D打印，探討以下問題：

●3D打印如何與最新的AIGC技術(shù)相結(jié)合,？
●為什么3D打印最先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,？
●為什么說混合加工是3D打印的未來,？
●3D打印有哪些優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)？

希望能帶來新的思考角度,。如果你也關(guān)注3D打印,，或者在前沿科技領(lǐng)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(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)下熱門的大模型非常適配。人們可以通過大模型輸出設(shè)計(jì)模型,，再由3D打印機(jī)把物品制造出來,。

如果說AIGC與大模型是給AI配上了一支畫筆，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(jī)器人,。

▲圖片來源：3dnatives.com

關(guān)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(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言模型快速崛起，讓我們看到了通過簡(jiǎn)單語言交互即可實(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(shí)靠譜的“老師傅”,。

人工智能與3D打印，讓人們打開了對(duì)未來的想象空間,。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)自身來解決,。

這些挑戰(zhàn)意味著新的技術(shù)創(chuàng)新機(jī)會(huì)。無論是從創(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,？

▲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(qǐng)了與該技術(shù)有關(guān)的第一項(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(shù)，創(chuàng)立3D systems copration,。

1987年,，公司推出了世界上第一臺(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，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,，第一次有人穿戴3D打印的假肢（比如膝蓋、腳,、關(guān)節(jié)等）走上街頭,。

2012年，3D Systems推出世界首款開箱即用3D打印機(jī)Cube,。

▲Cube打印機(jī)&打印出的物體,。圖片來源：Amazon

隨著2008年FDM和2013年SLA的關(guān)鍵專利到期,，相關(guān)技術(shù)逐步開源，消費(fèi)級(jí)3D打印市場(chǎng)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(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,，人們開始展望3D打印技術(shù)走入各行各業(yè),、家家戶戶的未來。

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(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,�,；疖嚒⑤喆�,、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(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)賮戆涯抗饩劢沟?D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（具體詳見下圖）,。

▲3D打印相關(guān)技術(shù),。圖片來源：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”,。

▲河北工業(yè)大學(xué)3D打印趙州橋全貌。圖片來源：河北日?qǐng)?bào)

▍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打印需求最大的地方,。

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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,，也要增加成本來補(bǔ)足缺陷？

第一,，力學(xué)性能有限,。

▲圖片來源：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)過后處理的物品,。圖片來源：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
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(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,，幾乎最新,、最好的制造技術(shù)，第一時(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)十萬甚至數(shù)百萬。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)出了世界上第一臺(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)的中框組件由過去的300個(gè)零件優(yōu)化為一個(gè),。圖片來源：3Dprint.com

此外,，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）通過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,，但3D打印只需2個(gè)零件，不僅節(jié)約了時(shí)間金錢,，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)。

▲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(diào)整，而且會(huì)有一定的精度誤差,。而3D打印技術(shù)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?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(jī)構(gòu),，通過更精細(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：

第一層次為制造無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)境最好的技術(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��,，�?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)室通過改進(jìn)后的六軸機(jī)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(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,，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)者通過改進(jìn)生物3D技術(shù),，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(gè)重要組成部分。未來,，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),。

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3D打印技術(shù)的未來——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)�,；�生產(chǎn),，人們大多用3D打印技術(shù)來實(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)來打樣,，17%用來制造單批次的零件,，11%用來生產(chǎn)多批量的零件，8%用來生產(chǎn)工業(yè)制造所用的固定裝置,，2%用來做美學(xué)設(shè)計(jì),，比如打印鞋子。

▲圖片來源：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(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)域頂尖的實(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)的無支撐打印,。

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

▲圖片來源：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,，不過還沒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,。

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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,，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打印的特性完美契合,。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打印的未來增量來自于底層技術(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，帶來更多規(guī)�,；�增��,。

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,。