文|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打印產業列為“美國10大增長最快的工業”。同一年，中國3D打印技術產業聯盟正式成立，多地建設3D打印產業園區。2013年，德國提出工業4.0發展戰略，旨在提升制造業的智能化水平，而3D打印是4.0戰略中的關鍵一環。

淡出公眾視線之后，3D打印并沒有停止發展的腳步。

2019年，通用航空研發出世界上第一臺采用3D打印組件的渦輪螺旋槳發動機。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、工廠化培養與組織化構建技術，用細胞培養出大黃魚組織仿真魚排。

3D打印過去數十年經歷了怎樣的發展？如今在哪些領域落地？未來又會有怎樣的發展？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打印有哪些優勢和劣勢？

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。

3D打印的起點是數字化的模型，終點是現實的物理實體。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配上了在現實中憑空制造物體的手。

2022年12月，OpenAI曾發布Point-E模型，只需幾秒鐘即可根據文本生成3D資產。

2023年5月，OpenAI再次發布了升級模型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年宣布開發一款配備最新版OpenAI人工智能的3D打印機器人。

關于3D打印的話題，近年來的討論已經逐漸從過去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，挑戰了傳統的3D模型制作方式。傳統的制作方式，大多依賴設計師與工程師的專業能力。

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3D打印工作的可能性。甚至在傳統復雜的3D打印工藝編程上，大語言模型也展現出巨大潛力。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。

這些挑戰意味著新的技術創新機會。無論是從創業，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打印背后的工業哲學：減材VS增材

現代3D打印技術從何而來？

圖片來源: scitechdaily

日本名古屋市工業研究所的久田秀夫（Hideo Kodama）發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，創立3D systems copration。

1987年，公司推出了世界上第一臺商業3D打印系統。

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，隱形矯治就已經在運用3D打印技術制造牙齒模型。可以說，隱形矯治領域，是最早采用3D打印技術，實現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、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，僅在工業的某些特定領域以及海外極客的工作室中出現。

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打印技術的發展。在牙科及航空航天領域，3D打印新技術穩扎穩打，為行業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革命。火車、輪船、電機以及汽車等傳統機械產品，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。比如現代金屬制造業，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，在高耦合的系統中，各部分之間的依賴性強。在低耦合系統中，各部分之間相互獨立。解耦是指將高耦合的系統改成低耦合的系統。

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的。

具體而言，兩種工具制造思路各有優劣。

減材的優勢在于，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，常見飛機發動機葉片對應的金屬材料，很難用3D打印來實現。發動機在嚴酷的高溫工作環境中作業，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，以及為什么現在3D打印能夠在部分行業應用，而沒有被更廣泛地應用。

03 3D打印的流程

了解了3D打印的發展歷史，我們再來把目光聚焦到3D打印的具體流程。

與傳統制造工藝相比，3D打印流程并不復雜，包含模型設計、加工規劃、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打印主要利用創成式設計這種技術。

創成式設計以拓撲優化技術為基礎，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，難以用傳統減材制造工藝實現，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。

市場中已經有在3D打印、工業設計軟件領域發力的創業公司。比如，峰瑞已投企業優解未來是國內為數不多的，自主研發新一代智能設計拓撲優化SaaS平臺的公司。

▍加工規劃

在加工規劃環節，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，保持穩定性。

▍打印成型

加工規劃完成后，人們需要把一系列加工代碼發給打印機。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：億渡數據

▍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打印的優勢

▍幾何復雜性

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

▍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，讓物品實現強度、功能等不同梯度的變化。

▍層次復雜性

傳統加工技術難以實現多尺度跨越加工。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，河北工業大學團隊打印出長達28米的新版“趙州橋”。

▍功能復雜性

在工業領域，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，繼續打磨，或者進行化學拋光。但這些后道工序會增加成本。

圖為3D打印直接成型的物品，右圖為經過后處理的物品。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，3D打印技術能夠助力這兩個行業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，計算機數字化控制，利用數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，一個零件的造價可能高達數十萬甚至數百萬。航空航天在輕量化、復雜結構的一次成型、節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打印在工業界應用最多的細分領域。

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

發動機里的中框組件，原本由300多個單獨的零件組裝而成。通用航空通過結構優化，將中框組件變成了單一的零件結構，借助3D打印實現一體成型。3D工藝讓中框組件輕量化的同時，也降低了制造成本。

渦輪螺旋槳發動機的中框組件由過去的300個零件優化為一個。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，不僅節約了時間金錢，而且造出的部件能提高火箭發動機性能，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，很多環節需要3D打印技術。比如牙醫設計矯正方案，要用到3D動態設計軟件。制作牙模，也要用到3D打印機。

傳統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，幫助牙科醫生制作矯正器。大多數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、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境最好的技術之一。類器官是在特定培養條件下，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、藥物篩選和精準醫學領域。但它僅僅在一小塊定向培養的微小組織內模擬體內微環境，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。2016年，生物3D打印企業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分多種藥物的毒性水平。

相比于形態微小的類器官，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，3D打印可能會助益整個生物領域，反哺生物技術研發。

2019年，《微型機器》發表研究稱，學者通過改進生物3D技術，打印出感覺神經元。感覺神經元是外周神經系統的一個重要組成部分。未來，當更多類型神經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技術很難實現規模化生產，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打印與傳統金屬加工工藝差別很大。傳統工藝擁有規模效應，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）。如果產品制造數量在這個點左側，3D打印更具優勢。如果產品數量在右側，那么傳統加工方式更具優勢。

這也解釋了，為什么在航空航天域以及牙科之外，3D打印沒有被大規模廣泛應用。

幾乎大部分行業都存在break-even point，有的行業已經在嘗試采用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，2020年，麻省理工學院（MIT）的研究人員開發出一種新的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

如果想要實現混合加工，需要在硬件以及軟件上同時發力。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，五軸聯動之后，打印的自由度更高，可以實現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。我們很難通過傳統的3D打印技術，實現鏡面的效果。

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CNC與3D打印獨立加工的形態，和理想的混合加工還存在一定距離。

行業里比較關注的是，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，很難用傳統的加工方式來實現。如果只用3D打印技術，制成的導管表面很粗糙，只能繼續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，工業界比較看好混合加工的發展潛力。因為混合加工把很多工藝集成到一臺機器上，又能實現增材技術的加工效果，也能實現減材技術的靈活性，成本也低。

09 總結

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

GPT大模型如果想要和真實的物理世界發生碰撞，需要3D打印這雙手。

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

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，反哺生物科技研究。