編者：中噴網(wǎng) 墨宸

 隨著新一年的啟程，增材制造（AM）顯然正在進入一個新階段。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。與其回顧過去，不如展望未來，本文將介紹10個新興理念，它們并非預(yù)測，而是正在實驗室、工廠、醫(yī)院和研究中心等各個領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的真實趨勢。

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

1、零浪費、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。新的系統(tǒng)和工藝開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)正從研究實驗室走向?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，但大規(guī)?；厥沾蛴〔考匀幻媾R挑戰(zhàn)。如何在多次重復(fù)使用過程中保持材料質(zhì)量的一致性和清潔度仍然是一個難題。

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

2、推動標(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)新聞頭條。毋庸置疑，世界各地許多地區(qū)都宣布建造獨一無二的3D打印房屋。但大多數(shù)項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際建筑規(guī)范且能在一天內(nèi)完成打印的完整房屋，對吧？多家公司正在努力實現(xiàn)這一目標(biāo)，隨著住房短缺日益嚴(yán)重，各國政府也對此高度關(guān)注。這項技術(shù)尚未完全成熟，但或許比我們想象的來得更快。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3D打印樣板房。

最近的一些項目表明，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社區(qū)打印整棟房屋，他們使用機器人混凝土打印機來加快建造速度。在愛爾蘭，一個由COBOD（愛爾蘭委員會）資助的3D打印房屋項目達到了新的ISO/ASTM 3D打印標(biāo)準(zhǔn)，其墻體打印速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方法。非營利組織New Story與ICON合作，在墨西哥建造3D打印房屋，以擴大社區(qū)規(guī)模。在印度，首個由政府支持的3D打印農(nóng)村房屋竣工，旨在提供快速且經(jīng)濟實惠的住所。這些項目展現(xiàn)了切實的進步，但真正的飛躍將來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)護方法。它們旨在使打印建筑更加堅固耐用。如果這些技術(shù)能夠規(guī)?；瘧?yīng)用，它們可能會在未來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)的另一個項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，實驗室測試表明，其排放量降低了約30%。其他研究正在測試再生玻璃、粉煤灰和工業(yè)廢料作為可打印混合料的成分。

4、“48小時植入”工作流程

醫(yī)院希望縮短從診斷到治療的時間。目前越來越流行的理念是48小時工作流程，該流程能夠快速完成從患者掃描到設(shè)計、打印、后處理、消毒和植入的各個環(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)療中心都在測試這種工作流程的不同版本。隨著即時檢測實驗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)域最重要的進展之一，并對未來整個醫(yī)學(xué)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

醫(yī)院和醫(yī)療中心正開始驗證快速、即時增材制造（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、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)計和打印。該團隊使用了CT數(shù)據(jù)、Oqton軟件和一臺3D Systems Kumovis EXT 220 MED打印機，搭建了一個即時實驗室。

與此同時，在美國，梅奧診所運營著最先進的醫(yī)院 3D 打印實驗室之一，該實驗室的團隊使用患者掃描數(shù)據(jù)直接在現(xiàn)場設(shè)計和生產(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)院打印實驗室，也表明院內(nèi)工作流程正在被越來越多的機構(gòu)所采用。這些進展表明，從掃描到植入的48小時目標(biāo)正逐步實現(xiàn)。

5、專為高超音速飛行而設(shè)計的增材制造材料

高超音速技術(shù)正在推動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十年最具競爭力的領(lǐng)域之一。美國高超音速飛行器開發(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)動機和Quarterhorse飛行器制造零部件，這表明增材制造技術(shù)正逐步融入到實際的高超音速飛行器研發(fā)項目中，同時材料和認(rèn)證工作仍在進行中。普渡應(yīng)用研究所的研究人員正在開發(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5馬赫以上的飛行環(huán)境進行定制。

6、超輕型飛機座椅

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

飛機座位。

事實上，3DPrint.com 的執(zhí)行主編 Joris Peels 最近在他的“3D 打印的強大應(yīng)用”系列文章中探討了這一理念，并指出飛機座椅就是一個出人意料的強大應(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)濟效益。

這是一個簡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。難點在于認(rèn)證，因為飛機座椅必須滿足極其嚴(yán)格的防火、耐撞和長期使用安全標(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)需要時間和測試。飛機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)運營。

7、微型工廠無處不在

集成了打印機、檢測、存儲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，正變得越來越現(xiàn)實。關(guān)鍵在于在偏遠(yuǎn)或高風(fēng)險環(huán)境中進行認(rèn)證生產(chǎn)，包括國防設(shè)施、海上平臺，甚至是災(zāi)害響應(yīng)現(xiàn)場。

移動式多射流熔融增材制造。圖片由惠普和Firestorm Labs提供。

這一趨勢與自動化、機器人和人工智能驅(qū)動的監(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)可運輸至偏遠(yuǎn)地區(qū)進行現(xiàn)場制造。Firestorm Labs與惠普公司合作開發(fā)了可擴展的集裝箱單元，用于容納工業(yè)級3D打印機，以便部署到災(zāi)區(qū)、軍事基地或其他偏遠(yuǎn)環(huán)境。此外，國防后勤部門也在探索便攜式現(xiàn)場增材制造系統(tǒng)，以便在現(xiàn)場生產(chǎn)關(guān)鍵零部件，從而減少對數(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)制造工藝無法實現(xiàn)的全新形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。設(shè)計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)部的運動和熱量的擴散，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。一項計劃于2025年啟動的歐洲項目表明，3D打印可以更高效地制造這些電池，并改進內(nèi)部部件的連接方式，這是一個重要的進步。

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，從而改善離子運動，這是傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的。

這仍處于早期研究階段，這些也不是商業(yè)產(chǎn)品，但這些項目表明，3D 打印技術(shù)未來如何能夠為電動汽車、無人機、醫(yī)療設(shè)備和電網(wǎng)儲能制造出更安全、更致密、更高效的電池。

9、低成本一體化數(shù)控機床和3D打印機

能夠同時進行3D打印和CNC銑削的低成本機器不再是夢想。像Snapmaker這樣的品牌已經(jīng)開始銷售三合一系統(tǒng)，而一些快速發(fā)展的中國制造商正在將價格推向1000美元大關(guān)。

下一步的關(guān)鍵在于推出一款價格適中的高性能混合型機床，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。如果這樣的機床能夠問世，創(chuàng)客和小作坊就能用一臺工具完成更多工作，而無需直接購買工業(yè)級機床。這將是自??第一波價格親民的FDM打印機問世以來，桌面級機床市場最重要的變革之一。

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的存活時間以發(fā)揮功能，這主要是因為組織需要血液循環(huán)。真實的組織需要微小的血管網(wǎng)絡(luò)來輸送營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和代謝廢物，這個過程也稱為灌注。傳統(tǒng)的打印方法可以制造出含有細(xì)胞的組織，但如果沒有這些血管通道，位于組織中心的細(xì)胞會很快死亡。

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。

近期的研究進展表明，解決這一問題已取得實質(zhì)性進展。在斯坦福大學(xué)，生物工程師馬克·斯凱勒-斯科特（Mark Skylar-Scott）及其團隊開發(fā)了一種更快速的血管樹建模和打印方法，該方法能夠模擬真實的人體血管網(wǎng)絡(luò)，從而加快復(fù)雜血管結(jié)構(gòu)的設(shè)計和生產(chǎn)速度。此外，斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們在創(chuàng)建3D打印血管設(shè)計方面也取得了進展，這些設(shè)計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，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。

這些都是早期項目，生物打印器官距離臨床應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)，但這些進展表明，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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