編者：中噴網(wǎng) 墨宸

 隨著新一年的啟程，增材制造（AM）顯然正在進(jìn)入一個(gè)新階段。成本下降，供應(yīng)鏈發(fā)生變化，政府支出增加，新材料的出現(xiàn)突破了幾年前看似遙不可及的極限。與其回顧過(guò)去，不如展望未來(lái)，本文將介紹10個(gè)新興理念，它們并非預(yù)測(cè)，而是正在實(shí)驗(yàn)室、工廠、醫(yī)院和研究中心等各個(gè)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的真實(shí)趨勢(shì)。

這些想法都尚未完全實(shí)現(xiàn)，但每一個(gè)都展現(xiàn)了 3D 打印技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

1、零浪費(fèi)、閉環(huán)制造

增材制造領(lǐng)域的回收利用一直都很困難，尤其是對(duì)于聚合物而言。但完全循環(huán)的工作流程理念正逐漸成為現(xiàn)實(shí)。新的系統(tǒng)和工藝開(kāi)始使人們能夠回收利用舊的打印部件，將其分解、凈化，并用于打印新的部件。一些公司已經(jīng)擁有早期系統(tǒng)，可以凈化熔體流、自動(dòng)粉碎材料，并利用化學(xué)方法將塑料廢料轉(zhuǎn)化為“接近原生品質(zhì)”的材料，這些系統(tǒng)正從研究實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H的打印工廠。

早期采用者包括弗勞恩霍夫研究所將聚丙烯包裝廢料轉(zhuǎn)化為新型 3D 打印耗材的項(xiàng)目、Renew IT 的MICROfactorie 系統(tǒng)（可將電子垃圾塑料轉(zhuǎn)化為可用的耗材）以及像ExtrudeX這樣的小型眾籌工具（可讓用戶粉碎舊打印件并將其熔化成新材料）。

工具雖然不斷改進(jìn)，但大規(guī)?；厥沾蛴〔考匀幻媾R挑戰(zhàn)。如何在多次重復(fù)使用過(guò)程中保持材料質(zhì)量的一致性和清潔度仍然是一個(gè)難題。

隨著企業(yè)面臨越來(lái)越大的減少浪費(fèi)和碳排放的壓力，這些回收工具可能成為未來(lái)大公司選擇 3D 打印的主要原因之一。

2、推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化、符合規(guī)范的3D打印房屋

建筑打印技術(shù)持續(xù)占據(jù)新聞?lì)^條。毋庸置疑，世界各地許多地區(qū)都宣布建造獨(dú)一無(wú)二的3D打印房屋。但大多數(shù)項(xiàng)目目前仍是逐棟審批。這些房屋符合當(dāng)?shù)匾?guī)范，但整體打印方法尚未被認(rèn)證為可重復(fù)使用的、完全標(biāo)準(zhǔn)化的建筑系統(tǒng)。真正的突破應(yīng)該是建造一棟符合國(guó)際建筑規(guī)范且能在一天內(nèi)完成打印的完整房屋，對(duì)吧？多家公司正在努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，隨著住房短缺日益嚴(yán)重，各國(guó)政府也對(duì)此高度關(guān)注。這項(xiàng)技術(shù)尚未完全成熟，但或許比我們想象的來(lái)得更快。這需要更快的打印速度、更清潔的材料以及更透明、更實(shí)際的成本數(shù)據(jù)。

ICON和Lennar在奧斯汀的Wolf Ranch社區(qū)完成了首個(gè)3D打印樣板房。

最近的一些項(xiàng)目表明，3D打印房屋距離真正成為符合規(guī)范的建筑已經(jīng)非常接近。在德克薩斯州，ICON和Lennar公司正在奧斯汀附近的沃爾夫牧場(chǎng)社區(qū)打印整棟房屋，他們使用機(jī)器人混凝土打印機(jī)來(lái)加快建造速度。在愛(ài)爾蘭，一個(gè)由COBOD（愛(ài)爾蘭委員會(huì)）資助的3D打印房屋項(xiàng)目達(dá)到了新的ISO/ASTM 3D打印標(biāo)準(zhǔn)，其墻體打印速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法。非營(yíng)利組織New Story與ICON合作，在墨西哥建造3D打印房屋，以擴(kuò)大社區(qū)規(guī)模。在印度，首個(gè)由政府支持的3D打印農(nóng)村房屋竣工，旨在提供快速且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的住所。這些項(xiàng)目展現(xiàn)了切實(shí)的進(jìn)步，但真正的飛躍將來(lái)自于該方法能夠以可重復(fù)的方式獲得批準(zhǔn)，而不是一次只建造一棟房屋。

3、氣候友好型混凝土

建筑3D打印也必須解決其碳足跡問(wèn)題。研究人員和初創(chuàng)公司正在研發(fā)新型可打印混凝土，早期研究表明，這些混凝土有望將碳排放量減少一半以上。這些創(chuàng)新包括使用更清潔的混凝土混合物、低碳粘合劑和新的養(yǎng)護(hù)方法。它們旨在使打印建筑更加堅(jiān)固耐用。如果這些技術(shù)能夠規(guī)?；瘧?yīng)用，它們可能會(huì)在未來(lái)十年改變建筑打印的發(fā)展格局。

骨料：石英礫石（左）和3D打印混凝土廢料再生骨料（右）。圖片由應(yīng)用科學(xué)公司提供。

2025年，研究人員證明，在3D打印混合料中，再生混凝土粉末可以替代高達(dá)一半的水泥，從而顯著降低碳排放。弗吉尼亞大學(xué)的另一個(gè)項(xiàng)目利用石墨烯和石灰石煅燒粘土水泥研制出一種低碳可打印混凝土，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，其排放量降低了約30%。其他研究正在測(cè)試再生玻璃、粉煤灰和工業(yè)廢料作為可打印混合料的成分。

4、“48小時(shí)植入”工作流程

醫(yī)院希望縮短從診斷到治療的時(shí)間。目前越來(lái)越流行的理念是48小時(shí)工作流程，該流程能夠快速完成從患者掃描到設(shè)計(jì)、打印、后處理、消毒和植入的各個(gè)環(huán)節(jié)。

人工植入物。圖片由薩爾茨堡大學(xué)醫(yī)院提供。

幾乎各大洲的醫(yī)療中心都在測(cè)試這種工作流程的不同版本。隨著即時(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室和生物相容性更好的材料的出現(xiàn)，這可能成為醫(yī)療增材制造領(lǐng)域最重要的進(jìn)展之一，并對(duì)未來(lái)整個(gè)醫(yī)學(xué)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

醫(yī)院和醫(yī)療中心正開(kāi)始驗(yàn)證快速、即時(shí)增材制造（AM）技術(shù)。在奧地利薩爾茨堡大學(xué)醫(yī)院，外科醫(yī)生利用患者影像數(shù)據(jù)，在醫(yī)院內(nèi)設(shè)計(jì)、3D打印并植入了定制的顱骨PEEK植入物，展示了如何在同一屋檐下完成設(shè)計(jì)和打印。該團(tuán)隊(duì)使用了CT數(shù)據(jù)、Oqton軟件和一臺(tái)3D Systems Kumovis EXT 220 MED打印機(jī)，搭建了一個(gè)即時(shí)實(shí)驗(yàn)室。

與此同時(shí)，在美國(guó)，梅奧診所運(yùn)營(yíng)著最先進(jìn)的醫(yī)院 3D 打印實(shí)驗(yàn)室之一，該實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)使用患者掃描數(shù)據(jù)直接在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)定制的手術(shù)工具和解剖模型，并討論最終生產(chǎn)患者定制的植入物。

在拉丁美洲，新的監(jiān)管途徑大幅縮短了3D打印植入物和手術(shù)導(dǎo)板的審批時(shí)間，消除了快速治療流程的最大障礙之一。此外，像印度拉姆·馬諾哈爾·洛希亞醫(yī)學(xué)科學(xué)研究所正在建立的用于定制牙科和骨科植入物的新型醫(yī)院打印實(shí)驗(yàn)室，也表明院內(nèi)工作流程正在被越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)所采用。這些進(jìn)展表明，從掃描到植入的48小時(shí)目標(biāo)正逐步實(shí)現(xiàn)。

5、專為高超音速飛行而設(shè)計(jì)的增材制造材料

高超音速技術(shù)正在推動(dòng)新一輪材料研究浪潮。其核心理念是，專為5馬赫以上速度條件設(shè)計(jì)的陶瓷和合金將能夠大規(guī)模打印，并具備足夠的可靠性，以滿足國(guó)防應(yīng)用的需求。

材料工程博士候選人馬修·湯普森正在將坩堝放入箱式爐中，以加熱并去除3D打印陶瓷樣品中的粘合劑。圖片由普渡大學(xué)/查爾斯·吉什克提供。

雖然增材制造領(lǐng)域尚處于起步階段，但大量的公共和私人資金投入表明，適用于高超音速飛行器的增材制造材料有望成為未來(lái)十年最具競(jìng)爭(zhēng)力的領(lǐng)域之一。美國(guó)高超音速飛行器開(kāi)發(fā)商Hermeus公司持續(xù)利用金屬3D打印技術(shù)為其5馬赫的Chimera發(fā)動(dòng)機(jī)和Quarterhorse飛行器制造零部件，這表明增材制造技術(shù)正逐步融入到實(shí)際的高超音速飛行器研發(fā)項(xiàng)目中，同時(shí)材料和認(rèn)證工作仍在進(jìn)行中。普渡應(yīng)用研究所的研究人員正在開(kāi)發(fā)用于高超音速飛行器部件的3D打印深色陶瓷，這些陶瓷因其耐熱性而被選中，這凸顯了可打印陶瓷材料如何針對(duì)5馬赫以上的飛行環(huán)境進(jìn)行定制。

6、超輕型飛機(jī)座椅

航空公司對(duì)每一克重量都格外關(guān)注，因?yàn)楦p的部件意味著更低的燃油成本。近期航空航天報(bào)告顯示，增材制造（AM）技術(shù)正越來(lái)越多地用于生產(chǎn)更輕的內(nèi)飾部件，其原理是通過(guò)優(yōu)化幾何形狀和減少材料用量。應(yīng)用于座椅結(jié)構(gòu)時(shí)，即使是微小的重量減輕也能在整個(gè)機(jī)隊(duì)中累積成可觀的效益，這也是人們對(duì)3D打印座椅概念的興趣持續(xù)增長(zhǎng)的原因。

飛機(jī)座位。

事實(shí)上，3DPrint.com 的執(zhí)行主編 Joris Peels 最近在他的“3D 打印的強(qiáng)大應(yīng)用”系列文章中探討了這一理念，并指出飛機(jī)座椅就是一個(gè)出人意料的強(qiáng)大應(yīng)用案例。他指出，更輕的 3D 打印坐墊、更薄的座椅靠背和重新設(shè)計(jì)的框架不僅可以節(jié)省燃油，還可以使座椅更纖薄，從而為航空公司騰出空間增加一排座位。在這樣一個(gè)每一分錢都至關(guān)重要的行業(yè)，即使是微小的改變也能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

這是一個(gè)簡(jiǎn)單卻意義重大的理念：更輕的座椅、更薄的結(jié)構(gòu)和更高效的布局。難點(diǎn)在于認(rèn)證，因?yàn)轱w機(jī)座椅必須滿足極其嚴(yán)格的防火、耐撞和長(zhǎng)期使用安全標(biāo)準(zhǔn)，而證明新材料和增材制造技術(shù)符合這些標(biāo)準(zhǔn)需要時(shí)間和測(cè)試。飛機(jī)制造商和航空公司已經(jīng)認(rèn)證了許多小型3D打印內(nèi)飾部件（例如芬蘭航空A320客機(jī)的客艙面板），但全3D打印座椅仍處于原型階段，尚未投入常規(guī)商業(yè)運(yùn)營(yíng)。

7、微型工廠無(wú)處不在

集成了打印機(jī)、檢測(cè)、存儲(chǔ)和后處理功能的增材制造系統(tǒng)，被封裝成集裝箱大小的單元，正變得越來(lái)越現(xiàn)實(shí)。關(guān)鍵在于在偏遠(yuǎn)或高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行認(rèn)證生產(chǎn)，包括國(guó)防設(shè)施、海上平臺(tái)，甚至是災(zāi)害響應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)。

移動(dòng)式多射流熔融增材制造。圖片由惠普和Firestorm Labs提供。

這一趨勢(shì)與自動(dòng)化、機(jī)器人和人工智能驅(qū)動(dòng)的監(jiān)控相重疊，使其成為工業(yè)增材制造最明確的“下一步”之一。

例如，西門子和英格索爾機(jī)床公司在2025年推出了一款集裝箱式3D打印和銑削系統(tǒng)，該系統(tǒng)可運(yùn)輸至偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)制造。Firestorm Labs與惠普公司合作開(kāi)發(fā)了可擴(kuò)展的集裝箱單元，用于容納工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)，以便部署到災(zāi)區(qū)、軍事基地或其他偏遠(yuǎn)環(huán)境。此外，國(guó)防后勤部門也在探索便攜式現(xiàn)場(chǎng)增材制造系統(tǒng)，以便在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)關(guān)鍵零部件，從而減少對(duì)數(shù)百英里外工廠的依賴。

8、增材制造技術(shù)重塑電池技術(shù)

3D打印技術(shù)正在幫助研究人員重新思考電池的制造方式，它能夠制造出傳統(tǒng)制造工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的全新形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員不再局限于制造平面層，而是可以構(gòu)建復(fù)雜的3D內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)，從而改善離子在電池內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)和熱量的擴(kuò)散，所有這些都有助于制造出更安全、性能更高的電池。

具有復(fù)雜內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)的3D打印電池電極結(jié)構(gòu)示例。圖片由Carbon Energy（Wiley）提供。

最近的一項(xiàng)研究表明，3D 打印可以制造出內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常微小的電池部件，這有助于電池儲(chǔ)存更多能量、更有效地輸送電力，以及更好地充電和放電。

此外，還有關(guān)于3D打印固態(tài)電池的新研究，這種電池使用固體材料而非液體材料，被認(rèn)為更安全。一項(xiàng)計(jì)劃于2025年啟動(dòng)的歐洲項(xiàng)目表明，3D打印可以更高效地制造這些電池，并改進(jìn)內(nèi)部部件的連接方式，這是一個(gè)重要的進(jìn)步。

此外，最近的研究表明，3D 打印可以制造出具有精細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的電池部件，從而改善離子運(yùn)動(dòng)，這是傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的。

這仍處于早期研究階段，這些也不是商業(yè)產(chǎn)品，但這些項(xiàng)目表明，3D 打印技術(shù)未來(lái)如何能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車、無(wú)人機(jī)、醫(yī)療設(shè)備和電網(wǎng)儲(chǔ)能制造出更安全、更致密、更高效的電池。

9、低成本一體化數(shù)控機(jī)床和3D打印機(jī)

能夠同時(shí)進(jìn)行3D打印和CNC銑削的低成本機(jī)器不再是夢(mèng)想。像Snapmaker這樣的品牌已經(jīng)開(kāi)始銷售三合一系統(tǒng)，而一些快速發(fā)展的中國(guó)制造商正在將價(jià)格推向1000美元大關(guān)。

下一步的關(guān)鍵在于推出一款價(jià)格適中的高性能混合型機(jī)床，它需要具備真正數(shù)控加工所需的剛性、精度和可靠性，而不僅僅是輕型銑削。如果這樣的機(jī)床能夠問(wèn)世，創(chuàng)客和小作坊就能用一臺(tái)工具完成更多工作，而無(wú)需直接購(gòu)買工業(yè)級(jí)機(jī)床。這將是自??第一波價(jià)格親民的FDM打印機(jī)問(wèn)世以來(lái)，桌面級(jí)機(jī)床市場(chǎng)最重要的變革之一。

10、血管化生物打印組織

生物打印面臨的最大挑戰(zhàn)之一是幫助活體組織維持足夠長(zhǎng)的存活時(shí)間以發(fā)揮功能，這主要是因?yàn)榻M織需要血液循環(huán)。真實(shí)的組織需要微小的血管網(wǎng)絡(luò)來(lái)輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和代謝廢物，這個(gè)過(guò)程也稱為灌注。傳統(tǒng)的打印方法可以制造出含有細(xì)胞的組織，但如果沒(méi)有這些血管通道，位于組織中心的細(xì)胞會(huì)很快死亡。

用于復(fù)制人體組織的3D生物打印組織構(gòu)建體。圖片由WFIRM提供。

近期的研究進(jìn)展表明，解決這一問(wèn)題已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。在斯坦福大學(xué)，生物工程師馬克·斯凱勒-斯科特（Mark Skylar-Scott）及其團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種更快速的血管樹(shù)建模和打印方法，該方法能夠模擬真實(shí)的人體血管網(wǎng)絡(luò)，從而加快復(fù)雜血管結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)速度。此外，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們?cè)趧?chuàng)建3D打印血管設(shè)計(jì)方面也取得了進(jìn)展，這些設(shè)計(jì)有助于生物打印的心臟和其他器官存活并發(fā)揮功能。與此同時(shí)，維克森林再生醫(yī)學(xué)研究所（WFIRM）正準(zhǔn)備將帶有血管通道的3D打印肝臟組織送往國(guó)際空間站，研究人員將在那里研究這些微小血管網(wǎng)絡(luò)在微重力環(huán)境下的行為。

這些都是早期項(xiàng)目，生物打印器官距離臨床應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)，但這些進(jìn)展表明，該領(lǐng)域正在朝著創(chuàng)造功能性組織的方向取得重要進(jìn)展，這些組織有朝一日可以像真正的人體組織和器官一樣發(fā)揮作用。

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