3D打印技术革新与应用：未来制造的新趋势 - Formnext Asia Shenzhen

3D打印技术介绍

3D打印，也被称为增材制造，是一种通过数字文件来创建三维物体的技术。

在3D打印的过程中，材料被逐层叠加，直至构建出最终的三维物体。每一层都可视作该物体的一个极薄的切片，其厚度对打印精度产生直接影响。层厚越薄，打印出的实体与原始数字模型之间的相似度就越高，即打印精度越高。

技术原理

3D打印通过逐层叠加材料来构建三维物体，每一层的厚度影响打印精度。层厚越薄，精度越高。

形态自由度

3D打印在塑造物体形态时展现出极高的自由度，几乎不受形态复杂度的制约，这是它相较于传统制造方法（主要是减材制造）的一大显著优势。在采用传统减材制造方法时，部件的复杂度会直接影响到整个制造流程的复杂性。形态的复杂性不仅会增加开模的难度，还会导致使用工具的复杂性增加以及成本的显著上升。然而，3D打印在形态塑造上具有极高的自由度，尤其擅长复杂几何形状的构造，而传统方法在这种情况下成本较高。

增材制造与减材制造比较

材料利用率

在传统制造业中，减材制造技术占据主导地位，它始于一块原材料，通过切割、钻孔、铣削等机械工艺去除部分材料，从而形成三维物体。遗憾的是，这一过程中去除的材料几乎全部变为废料，导致材料利用率相对较低。相比之下，增材制造则通过逐层叠加极小单位的原材料来构建三维物体。尽管后期可能因再加工而产生少量废料，但总体而言，其对材料的浪费要少得多。

这就像用橡皮泥塑造苹果：增材方式允许我们用许多小块的橡皮泥组合成苹果的形状，而减材方式则是从大块橡皮泥开始，逐步剔除不需要的部分。增材制造通过逐层构建节省材料，而减材制造由于去除材料较多而导致利用率较低。

技术优劣

当然，评价这两种制造方式的优劣并不仅仅取决于材料利用率。减材制造技术在工艺精细度、自动化和效率方面都已相当成熟，并且能有效控制量产成本，因此在许多领域仍保持着显著优势。然而，在原型制作和小批量生产方面，3D打印更有优势，特别是在材料利用率和设计灵活度上。

3D打印应用领域与材料创新

自3D打印技术于80年代初现以来，短短三十余年，其应用与研究已覆盖机械工程、航天、交通运输、医疗、建筑、食品、时尚、艺术及教育等多个领域。打印维度从纳米级到建筑尺寸无所不包，而3D打印材料的研究更是颠覆了我们对传统材料的认知，为该技术带来了无限可能。昔日只能通过减材方式加工的传统木材、石材等，如今因材料创新而跻身3D打印材料的行列。

此外，生物材料、导电材料以及可食用材料等的涌现，更是极大地拓展了3D打印的应用范围。

应用领域扩展

3D打印已扩展到多个领域，从小到纳米级物体，大到建筑尺寸，覆盖从航空航天到食品、医疗等。

材料创新与数字材料

3D打印技术引领了digital material（数字材料）的概念，即通过数字化控制，将不同材料聚合，创造出兼具多种材料特性的新材料。在这一过程中，源材料的选择及混合比例具有无数种可能，从而使得混合后产生的新材料特性也相应地呈现出多样化的特点。从最初只能打印单一材料，到如今能一次性打印多种材料，并在同一物体中实现材料特性的灵活转变（例如，从硬质塑料材料顺畅过渡到软质橡胶材料，且不破坏物体的完整性），这都彰显出3D打印技术对机械、产品设计等领域带来的深远影响。

3D打印技术使得新型材料和数字化材料的设计和应用成为可能，提升了产品设计的多样性和功能性。

3D打印的普及与影响

硬件创新与成本降低

对于硬件创新者而言，3D打印技术显著降低了制作产品原型的成本，从而加速了设计师和工程师的设计迭代过程，甚至实现了小批量生产的可能。3D打印降低了原型制作成本，提高了设计迭代效率，实现了小批量生产的可能。

家用3D打印趋势

然而，3D打印技术的进步并非只朝向更专业、更精密的方向。在创客运动的影响下，另一种趋势也在蓬勃发展，那就是家用桌面3D打印的普及。这种趋势致力于提供更经济实惠、操作简便的3D打印机给普通消费者。市面上已经出现了众多不同档次和价位的桌面3D打印机，既有适合资深爱好者和专业人士的Makerbot等品牌，也有适合休闲娱乐和初学者的“玩具型”打印机。

随着三维建模和扫描技术的普及，以及网络上大量开源三维模型的分享，拥有一台自己的3D打印机就如同拥有了一个可以随时打印任何物件的微型工厂。这种模式不仅对传统制造业的规模性、封闭性和知识产权保护提出了挑战，更在促进新型制造业生态系统形成的同时，极大地解放了个人的创造力。桌面3D打印机越来越普及，使得个人可以自由设计和制造物品，推动了创造性的民主化和新型制造业生态系统的发展。它赋予了每个人以制造能力，促进了知识和技术的民主化，为个人创新提供了强大的支持。