增材制造技术在重点行业的应用及未来发展趋势

☞ 这是金属加工（mw1950pub）发布的第19483篇文章

编者按

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# 01

序言

增材制造技术又称3D打印，是一种逐层构建三维物体的先进制造方式。主要通过计算机辅助设计软件（AutoCAD、CAD）建模，然后通过打印机逐层沉积，生产出具有三维结构的产品^[1]。与传统的切削、铸造等减材制造相比，增材制造具有设计灵活性高、材料浪费少和个性化定制强等优点，同时增材制造显著缩短了产品开发周期，降低了制造成本，增强了企业的竞争力。然而，它也存在一些局限性，如生产速度较慢、成本较高及材料选择有限等。尽管如此，随着技术的不断发展与完善，增材制造正在逐渐克服这些缺点，它与数字化设计、智能物流等其他工业4.0关键技术无缝整合，进一步促进生产自动化和智能化，将为全球制造业带来一场革命性的变化。

本文旨在介绍增材制造技术的最新进展，分析其基本原理和制造工艺，并探讨其在各个重点行业的应用及未来发展趋势。

# 02

发展现状

2.1 国外发展现状

增材制造技术的历史可追溯到150年前。20世纪60年代和70年代，国外开展了对现代增材制造工艺的验证性研究，如20世纪60年代末的光聚合技术、1972年的粉末熔融工艺以及1979年的薄片叠层技术。

1986年，美国科学家获得技术发明专利，并成立了全球首家增材制造公司3D Systems，标志着增材制造技术开始走向商业化应用。随后，3DP、SDM、SGC和FDM等多种快速成形技术相继出现。近年来，美国、英国、德国、以色列和日本等国家在快速成型（RP）技术及设备研制方面取得了显著进展，并广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械和艺术创作等多个领域。

2.2 国内发展现状

20世纪90年代，国内一些高校、科研机构开始引入增材制造技术并进行初步探索。当时主要是对国外的增材制造技术和设备进行学习、引进和消化吸收。进入21世纪，国内在增材制造技术的研发上取得突破性进展，随着技术的不断进步，国内的增材制造产业逐渐兴起，在各地政策的支持下，增材制造产业链不断完善，产业集群逐渐形成，广东、江苏和浙江等地成为增材制造产业的重要集聚区。当前增材制造市场高速增长，尤其是工业金属增材制造增长较快，目前已成为行业发展新的增长点。3D打印设备制造是整个产业链的核心，可分为桌面级打印机和工业级打印机，国内桌面级打印机竞争激烈，与桌面级打印机市场相比，工业级打印机技术壁垒高、资本投入大。当前工业级增材制造产业受到国家政策大力支持，整个市场目前已开始呈现快速增长趋势。

# 03

基本原理与工艺

3.1 基本原理

增材制造技术的核心原理是“离散+堆积”，将三维结构化整为零、逐层制备，可实现复杂结构的加工，解决了传统的减材和等材工艺难以加工或无法加工的复杂结构加工问题，在制造复杂结构工件时具有先天优势，同时制造成本不随结构复杂程度的增加而提高^[2]。

增材制造的关键步骤：①设计。使用计算机辅助设计软件设计出所需的三维模型。②切片。将三维模型转换为二维层。③打印。根据切片生成打印路径，按照路径逐层叠加材料。④后处理。打印完成后，有些零部件需要进行一些后处理工作，如进一步对零件进行热处理、抛光和打磨等，以获得零件所要求的硬度、精度和表面质量等。

3.2 制造工艺

随着技术的发展，增材制造工艺得到较快发展，不同类型的工艺采用不同的材料叠加方式，主要有激光烧结、光固化和喷射打印等。①激光烧结：使用激光将粉末状材料逐层烧结或熔化，形成三维实体。②光固化：使用紫外线激光将液态树脂材料逐层照射固化，形成三维实体。③喷射打印：使用喷墨技术将液态材料喷射到平台上，逐层叠加成三维物体。另外还有金属直接成形法，虽然工艺难度大，但具有无模具、短周期和近净成形等优点，是未来发展的重要方向。

# 04

重点行业应用现状及其未来发展趋势

增材制造（3D打印）技术在下游重点行业的应用广泛且深入，从模具、航空航天及汽车制造，到医疗器械、机床和消费电子等各个重点行业都从中受益。这种技术不仅提高了制造效率和精度，还推动了各行业的创新和发展。随着技术的进一步成熟和应用的扩展，未来3D打印技术将在更多领域展现其独特的价值。

4.1 模具行业

模具行业有“工业之母”的称号。模具作为制造业的基础工艺装备，在航空航天、汽车、医疗器械、石化、冶金、电力、仪表和消费电子等行业产品的生产中起着至关重要的作用，其中60%～80%的零件都是依靠模具成型。

随着产品更新换代速度的加快，制造业对模具的要求也越来越高。3D打印技术作为一种新兴的制造技术，以其独特的优势在模具行业中逐渐得到应用，为模具行业的发展带来了新的机遇。

（1）航空航天模具制造　①飞机零部件模具。飞机零部件通常具有复杂的形状和高精度要求，传统模具制造难度大、成本高。3D打印技术可以制造出飞机零部件的原型模具和生产模具，提高飞机零部件的制造效率和质量。例如，采用金属3D打印技术制造飞机发动机叶片的生产模具，可以实现复杂的内部冷却通道设计，提高叶片的冷却效率和性能。同时，这种模具还可以缩短制造周期，降低成本，提高飞机零部件的生产效率。②卫星零部件模具。卫星零部件的制造需要高精度、轻量化的模具，传统制造方法难以满足要求。3D打印技术可以制造出卫星零部件的模具，满足卫星制造的需求。例如，采用3D打印技术制造卫星天线的模具，可以实现复杂的形状和轻量化设计，提高卫星天线的性能和可靠性，同时，这种模具还可以缩短制造周期，降低成本，为卫星制造提供了新的解决方案。

（2）汽车行业模具制造　在汽车制造领域，3D打印技术被广泛应用于汽车模具的制造。例如，一些汽车零部件的注塑模具，采用金属3D打印技术制造，可以实现复杂的冷却水路设计，提高模具的冷却效率，从而缩短注塑周期，提高产品质量。此外，3D打印技术还可用于制造汽车覆盖件模具的原型件，通过对原型件的验证和优化，可以大大缩短模具的开发周期。另外，汽车内饰件通常具有复杂的形状和曲面，传统模具制造难度大、成本高。3D打印技术可以快速制造出汽车内饰件的原型模具，帮助设计师快速验证设计方案的可行性，用于产品设计验证和小批量生产。

（3）医疗器械模具制造　①假肢模具。假肢的制造需要高度定制化，以满足不同患者的需求。3D打印技术可以根据患者的身体数据制造出个性化的假肢模具，提高假肢的适配性和舒适度。②牙科模具。牙科修复体的制造需要高精度的模具，传统制造方法难以满足复杂形状的要求。3D打印技术可以制造出高精度的牙科模具，缩短牙科修复体的制造周期。

（4）消费电子模具制造　消费电子的各类产品在工作过程中会产生大量的热量，需要散热片进行散热。传统散热片模具制造复杂，且难以实现复杂的内部结构。3D打印技术可以制造出具有复杂内部通道的散热片模具，提高散热效率。另外，手机壳的设计更新换代快，传统模具制造需要较长的时间和较高的成本。3D打印技术可以快速制造出手机壳模具，满足市场对新款手机壳的需求。

（5）铸造模具制造　3D打印技术可以用于快速制造各种铸造模具，如注塑模具、压铸模具等。这种技术的应用大大缩短了模具制造周期，降低了成本。尤其是对于小批量或独特零件模具的需求，3D打印模具提供了一种高效且经济的解决方案。

（6）其他行业模具制造　①食品包装模具。食品包装行业对模具的精度要求极高，3D打印能直接制造出高精度的模具，减少传统工序如切割、冲压等步骤。②鞋底模具。3D打印制作鞋底模具，大幅缩短了生产周期，可以快速测试市场反应，根据市场反馈进行产品改进，降低了研发成本和风险，市场反馈可快速迭代。③教学模具。3D打印技术可以制作出各种教学模型和工具，帮助学生更好地理解复杂的概念和原理。④文创模具。艺术雕塑通常具有独特的形状和复杂的结构，传统模具制造方法难以实现。3D打印技术可以制造出艺术雕塑的模具，帮助艺术家实现其创意，将数字设计快速转化为实体作品。⑤影视道具。在影视行业，3D打印技术用于制作复杂的道具和场景模型，从而提高影片的视觉效果和真实感。⑥玩具模具。玩具的设计更新换代快，传统模具制造需要较长的时间和较高的成本。3D打印技术可以快速制造出玩具模具，满足市场对新款玩具的需求，尤其是在潮流和游戏周边开发玩具方面。

未来，随着材料的不断创新、技术的不断完善、与其他技术的融合以及应用领域的不断拓展，3D打印技术将在模具行业发挥更加重要的作用，推动模具行业向高精度、高效率、创新化和个性化定制的方向发展。具体如下。

1）材料性能和成本：3D打印材料的性能和种类可以完全满足模具行业的需求，比如具有高强度、高硬度特性且耐高温的金属材料，以及具有特殊性能的复合材料等，并且成本较低，将为3D打印模具的应用提供更广阔的空间。

2）打印尺寸和精度：3D打印技术未来将不断提高打印尺寸和精度，满足更多模具的制造需求。尤其是一些大型、精度要求高的模具的制造。

3）技术的成熟度：未来3D打印设备的稳定性和可靠性会更加成熟，其在模具行业的应用领域将不断拓展。

4.2 航空航天行业

（1）复杂结构件的制造　①大型金属构件。增材制造技术尤其是先进的激光增材制造技术，已在航空、航天特别是航空发动机等关键领域取得了显著的应用成果，能够用于制造这些行业所需的大型金属构件。此类大型金属构件往往呈现出高度的复杂化、一体化以及高性能化的显著特点。以激光能量沉积技术为例，它已经通过实践验证，具备满足大型金属构件成形要求的能力。然而，在实际应用过程中，该技术仍然面临着一些亟待解决的关键问题，其中，晶粒形态及显微组织的有效控制是一个重要方面，这直接关系到构件的力学性能和使用寿命。另外，热应力引发的变形问题也不容忽视，它可能影响构件的尺寸精度和形状完整性，进而对整个装备的性能和可靠性产生不利影响。②复杂整体结构。增材制造技术能够实现具有复杂内流道、多孔点阵等难加工结构的整体制造。例如，NASA采用SLM（选择性激光熔化）技术实现了RS-25火箭发动机的弯曲接头核心部件的整体制造^[3]，实现了结构减重，显著提升了制造效率和服役性能。2024年3月，长征八号遥三运载火箭携带“鹊桥二号”卫星，成功将其送入预定轨道。在此次发射任务中，卫星贮箱结构的制造就采用了前沿的3D打印技术。该技术通过精准的逐层扫描和精密的成形工艺，巧妙地构建出了复杂的结构。这种创新性的制造方式，相较于传统制造工艺，显著减少了材料的浪费，同时极大地提高了制造效率。此次发射是国内航天领域的一个重要里程碑，它实现了3D打印贮箱的首次在轨应用。这一突破不仅展示了我国在航天技术创新方面的卓越能力，更为3D打印技术在空间推进领域的广泛运用奠定了坚实的基础。这意味着未来在航天领域，我们将有望看到更多基于3D打印技术制造的关键零部件，为我国航天事业的发展注入新的活力和强大动力。

（2）高性能零部件的制造　①涡轮叶片。增材制造技术凭借其独特的优势，能够大幅降低涡轮叶片制造过程中的复杂度。传统的涡轮叶片制造工艺较为繁琐，而增材制造技术则可以实现型芯/型壳的无模化制备，这无疑为空心涡轮叶片的快速制造开辟了一条崭新的途径。②燃油喷嘴。GE公司采用SLM技术加工IN718镍基高温合金，实现了燃油喷嘴的整体设计与制造，把原本需要20个零件组装的燃油喷嘴直接设计成一个零件，质量减轻25%，且寿命延长了5倍，而制造成本则降低了30%，目前该燃油喷嘴已经生产了超过10万件^[4]。此项应用成功地消除了不同零部件之间原本冗余的连接结构，使得各个零部件之间能够更加紧密地结合在一起，提高了零部件整体的稳定性和可靠性。而且对燃油喷嘴结构进行了优化，根据燃油喷嘴的工作原理和性能要求，精确地构建出符合最优设计的结构。这种优化后的燃油喷嘴结构，可以更好地实现燃油的喷射和雾化效果，从而提高燃油的利用率和燃烧效率。同时整体设计的燃油喷嘴在结构强度和质量方面均优于传统设计的零部件，从而提高了发动机的整体性。最终通过减少零件数量和装配步骤，GE公司降低了生产成本并提高了生产效率。

（3）轻量化结构的制造　①轻量化点阵结构。激光增材制造技术具备独特的叠层自由制造工艺特性，凭借这一特性，它能够制造那些采用传统加工方法难以成形的轻量化复杂点阵结构。这些结构具有高比强度和高比刚度等优异的力学特性，有助于实现航空航天飞行器的减重目标。②仿生结构。增材制造技术还可以结合仿生学，设计和制造具有优异性能的结构。例如，空客公司运用SLM技术成功制造出了极具创新性的仿生点阵结构机舱隔板。在结构设计方面，这款隔板充分汲取了生物原理特性，实现了从宏观到微观尺度的跨尺度仿生点阵结构设计。经过严格的测试和对比发现，与传统的蜂窝复合材料隔板相比，这款仿生点阵结构机舱隔板展现出了卓越的性能优势。在承受相同冲力的情况下，其位移量减少了8%。这一数据为空客公司的飞机制造技术带来了新的突破和提升。③复合材料制造。增材制造技术能够制造出具备高力学性能的结构件，这些结构件不仅在强度和耐久性方面表现出色，还能够满足在各种复杂工况下的使用要求。同时它还可以制造出具有吸波功能的零部件，这种功能特性在电磁屏蔽、隐身技术等核心领域具有重要的应用价值。同时通过增材制造技术，将结构件的制造与功能性零部件的制造有机地结合在一起，有力地推动了结构与功能一体化的发展。④连续纤维复合材料。增材制造技术在连续纤维复合材料应用制造方面正发挥着巨大的推动作用，引领着无模具纤维复合材料成型迈向新的发展阶段。这种技术能够显著提高复合材料的制造效率，相较于传统制造方法，缩短了生产周期，降低了生产成本，同时提升了复合材料的性能，使其在强度、韧性和耐热性等方面表现更为出色。

在C919大飞机的制造过程中，成功应用激光能量沉积技术来制造TC4合金体系的飞机翼肋缘条。该缘条长达3100mm，经过严格的探伤和力学性能测试，结果表明该零部件完全符合飞机的设计要求。这一成果不仅证明了增材制造技术在航空领域的巨大应用潜力，更为未来更多大型金属构件的增材制造提供了宝贵的技术参考和借鉴。未来航空航天行业将更加广泛地采用增材制造技术，实现复杂结构的轻量化设计、一体化制造和定制化生产。随着成本的降低和效率的提高，增材制造技术有望逐渐从原型制作向批量化生产过渡。具体如下。

1）设计、材料和成型一体化。随着增材制造技术在航空航天领域的应用不断深化且逐渐走向成熟，一种全新的制造模式——设计、材料和成型一体化有望成为引领该领域发展的新一代制造模式。这种创新的制造模式将设计、材料选择与成型工艺紧密结合，打破了传统制造模式中各环节相对独立的局面。通过一体化的设计思路，能够充分发挥增材制造技术的优势，根据不同的应用需求，精准地定制材料的组成和结构，同时优化成型工艺，从而实现产品性能的最大化。

2）高性能材料的开发与应用。高温合金以及陶瓷基复合材料等高性能材料在航空航天领域展现出极为广泛的应用前景。增材制造技术将推动这些材料在复杂结构件中的应用，进一步提升航空航天器的性能。

3）应用由零部件向大部件制造拓展。按照当前的发展态势，增材制造行业应用明显呈现出一种由零部件制造逐步向大部件制造拓展延伸的趋势。就目前的情况来看，国内外众多的企业和研究机构借助先进的3D打印技术，在重点行业中已经取得了一系列成果。他们不仅成功地打印出了飞机、导弹、卫星、载人及货运飞船等各类航空航天装备的零部件，而且还进一步实现了对发动机、无人机、微卫星及火箭等航空航天领域大部件的打印，拓展了增材制造行业应用的发展空间。

4）标准化与认证体系的建立。为了推动增材制造技术在航空航天领域的应用，需要建立完善的标准化与认证体系。这包括制定适用于航空航天产品的增材制造标准，建立增材制造零件的审定体系。

5）环保与可持续性。增材制造技术具有绿色制造的特点，能够在减少材料浪费、降低能耗等方面发挥重要作用。随着环保意识的提高，增材制造技术在航空航天领域的应用将更加注重环保和可持续性。

4.3 汽车行业

（1）汽车原型制作　①概念验证。在汽车设计的早期阶段，设计师可以使用3D打印技术快速制作出概念模型，用于验证设计理念的可行性和外观效果。这些概念模型可以帮助设计师更好地理解和展示设计方案，与团队成员、客户进行沟通和交流，以便及时进行修改和完善。与传统的原型制作方法相比，3D打印技术具有制作周期短、成本低和精度高等优点。例如，奥迪公司在生产过程中引入3D打印机，突破传统工艺，利用全彩3D打印机制作汽车尾灯的灯罩，尾灯的原型制作相较于传统流程缩短了50%的时间^[5]。②功能原型测试。除了外观验证，3D打印还可以用于制作功能原型，对零部件的性能进行测试。例如，制作出刹车系统、悬挂系统等关键零部件的原型，进行力学性能、耐久性等方面的测试，以便在正式生产前发现和解决潜在的问题，降低研发风险。

（2）汽车零部件制造　①小批量生产。对于一些需求量较小、传统制造方式成本较高的零部件，如小众车型的特殊配件、限量版车型的零件等，3D打印技术具有明显优势。它可以直接根据设计模型快速生产出所需的零部件，无需开模等复杂的前期准备，大大缩短了生产周期，降低了成本。例如，气门盖、喷油嘴和进气口等零部件都可以通过3D打印技术进行小批量制造。②复杂结构零部件生产。汽车中有许多结构复杂的零部件，传统制造工艺难以实现或者成本极高，而3D打印技术可以轻松应对。像发动机气缸盖、进气道和喷油嘴等动力总成零部件，其内部结构复杂且对精度要求高，3D打印能够精确地制造出这些零部件的复杂结构，满足汽车的高性能要求。③轻量化零部件制造。3D打印技术可以实现复杂的空心结构、点阵结构等轻量化设计，在不影响零部件强度和性能的前提下，减轻整体车身质量，提高燃油效率。例如，通过在零部件内部设计合理的空心结构或使用轻量材料进行3D打印，可以减轻汽车的整体质量。

（3）汽车内饰件制造　①个性化定制。消费者对汽车内饰的个性化需求越来越高，3D打印技术可以根据消费者的特定需求，定制生产汽车座椅、中控台和仪表盘等内饰部件。例如，根据乘客的身体数据定制座椅，使其更加贴合、舒适，提高驾驶体验和安全性。汽车内饰中的一些装饰件，如出风口、装饰条等，也可以通过3D打印技术制造。②内饰件快速成形。传统的汽车内饰件生产需要复杂的模具和工艺，开发周期长。3D打印技术可以直接将设计图样转化为实体模型，快速制造出内饰件的原型或小批量产品，方便设计师进行验证和改进，缩短内饰件的开发周期。

（4）汽车备件生产　①售后备件供应。对于一些已经停产的车型，其零部件的供应可能会逐渐减少。3D打印技术可以根据汽车制造商保存的零部件数据，快速生产出所需的备件，满足车主的维修需求。同时，对于一些在运输或使用过程中损坏的零部件，也可以通过3D打印技术及时制造出替代件，减少车辆的维修时间和成本。②高性能赛车零部件。在高性能赛车领域，对零部件的性能和轻量化要求极高，而且需求量相对较小。3D打印技术可以根据赛车的特殊要求，定制生产高性能的零部件，如赛车的定制座椅、刹车卡钳和悬挂系统部件等，帮助赛车提高性能。

（5）整车制造　目前，已经有部分汽车制造商开始尝试使用3D打印技术制造整车。例如，电动汽车公司Local Motors已经成功3D打印了整个汽车车身。虽然目前3D打印整车还处于试验阶段，但随着技术的不断进步，未来有望实现大规模的应用。增材制造技术在汽车行业应用的未来发展趋势如下。

1）技术不断进步。①材料创新。材料多样化，未来会有更多种类的材料应用于汽车3D打印，包括各种新型合金、高性能塑料和复合材料等。如碳纤维增强复合材料，其质量轻、强度高，在汽车轻量化方面具有巨大潜力，未来将更多地应用于汽车零部件的制造。材料高性能化，材料的性能将不断提升，如更高的强度，更好的耐热性、耐蚀性等。这使得3D打印的零部件能够更好地适应汽车复杂的工作环境，提高汽车的整体性能和可靠性。②工艺优化。多工艺融合，3D打印技术将与其他传统制造工艺相结合，形成混合制造模式。例如，将3D打印用于制造零部件的复杂结构部分，然后通过传统的机械加工等方式进行后续的精加工（打磨、抛光等），以提高零部件的精度和表面质量。这种混合制造模式可以充分发挥3D打印和传统工艺的优势，提高生产效率和产品质量。未来还会不断涌现出新型的3D打印工艺。

2）生产规模化和高效化。①规模化生产。随着3D打印技术的不断发展和成本的降低，其在汽车行业的规模化生产将成为可能。目前，3D打印已经在一些汽车零部件的批量生产中得到应用，未来将会有更多的零部件采用3D打印进行大规模生产。例如卡扣、连接件等，通过3D打印的规模化生产，可以降低生产成本，提高生产效率。②高效生产。3D打印设备的打印速度将不断提高，同时设备的稳定性和可靠性也将不断增强，从而实现高效生产。例如，采用多喷头、多激光源等技术的3D打印设备，可以同时打印多个零部件，提高生产效率。

3）设计创新与个性化定制。①设计创新。3D打印技术为汽车设计带来了更大的自由度，设计师可以突破传统制造工艺的限制，设计出更加复杂、独特的零部件和整车结构。②个性化定制。3D打印技术可以满足消费者的个性化定制需求，消费者可以根据自己的喜好和需求，定制汽车的外观、内饰和功能等方面的零部件。例如，定制个性化的座椅、方向盘和仪表盘等内饰部件，或者定制具有特殊标识的车身外观件，使汽车具有独特的个性。这种个性化定制模式将成为汽车行业的一个重要发展方向。

4）供应链的优化与变革。①分布式生产。3D打印技术使得汽车零部件的生产可以更加分散，不再依赖于集中的大型工厂。企业可以在不同地区建立小型的3D打印生产中心，根据当地市场的需求进行生产，减少运输成本和库存压力。同时，这种分布式生产模式也可以更好地应对突发事件对供应链的影响，提高供应链的稳定性。②按需生产。3D打印技术可以实现按需生产，根据客户的订单实时生产零部件，避免了传统生产模式中的库存积压问题。企业可以根据市场需求的变化及时调整生产计划，提高生产的灵活性和响应速度。例如，在汽车售后市场，3D打印可以根据客户的需求快速生产所需的备件，提高售后服务的质量和效率。

4.4 医疗器械行业

（1）医疗模型和手术导板　①医疗模型。3D打印可以根据患者医学影像数据，快速、精确地制作出人体器官、骨骼等的三维模型。医生可以通过这些模型更直观地了解患者的病情，进行术前规划和模拟手术，从而提高手术的成功率和安全性。例如，在神经外科手术中，医生可以使用3D打印的脑部模型来确定肿瘤的位置和周围血管、神经的关系，制定最佳的手术方案。②手术导板。3D打印手术导板是根据患者的解剖结构定制的辅助手术工具，可以帮助医生在手术中更准确地定位和操作。例如，在骨科手术中，手术导板可以帮助医生确定骨折部位的复位位置和植入物的放置位置，提高手术的精度和效率。

（2）植入物　①骨科植入物。3D打印技术可以制造出与患者骨骼结构完美匹配的骨科植入物，如人工关节（髋关节、膝关节等）、脊柱融合器等。这些植入物与患者的骨骼贴合度更高，能够提高手术的成功率和患者的康复效果。目前，3D打印的骨科植入物已经在临床上得到了广泛的应用，并取得了良好的治疗效果。②口腔植入物。在口腔医学领域，3D打印技术可以用于制作种植牙、牙冠和牙桥等口腔植入物。与传统的制造方法相比，3D打印的口腔植入物具有更高的精度和更好的适配性，可以提高患者的咀嚼功能和口腔美观度。3D打印技术在正畸领域的应用也越来越广泛，例如隐形牙套、舌侧牙套等。3D打印可以根据患者的牙齿排列情况，定制化生产正畸矫治器，使矫治器更加贴合牙齿，提高正畸治疗的效果和舒适性。③心血管植入物。3D打印技术用于制造心血管植入物，如心脏支架、血管支架等。这些植入物可以根据患者的血管解剖结构进行定制，具有更好的贴合性和生物相容性，可以减少并发症的发生。目前在临床上应用较多。

（3）康复器械　①矫形器。3D打印技术可以根据患者的身体形态和康复需求，定制个性化的矫形器，如脊柱侧弯矫形器、足踝矫形器等。这些矫形器具有更好的舒适性和矫正效果，可以帮助患者更快地恢复健康。②假肢。对于截肢患者，3D打印技术可以制造出高度个性化的假肢，不仅可以恢复患者的肢体功能，还可以提高患者的生活质量。3D打印的假肢可以根据患者的残肢形状、肌肉力量等因素进行定制，具有更好的适配性和美观度。③辅助器具。3D打印还可以用于制作各种辅助器具，如轮椅配件、拐杖等。这些辅助器具可以根据患者的需求进行定制，提高患者的生活质量。

（4）生物组织和器官打印　目前，生物3D打印技术仍处于研究阶段，但已经取得了一些重要的进展。研究人员可以利用3D打印技术制作简单的生物组织，如皮肤、血管和软骨等。未来，生物3D打印技术有望用于制造复杂的器官，如心脏、肝脏和肾脏等，为器官移植提供新的解决方案。增材制造技术在医疗器械行业应用的未来发展趋势如下。

1）定制化与精准医疗服务的普及。①个人定制化医疗器械。3D打印技术能够根据患者的具体需求，快速准确地制造出个性化的医疗器械和设备，如假肢、矫形器和牙科器械等，满足患者的定制需求，提高器械的佩戴舒适度和治疗效果。②定制化植入物。在骨科、牙科等领域，3D打印技术能够制造出与患者骨骼或牙齿结构完美匹配的植入物，提高手术的成功率和患者的康复速度。

2）技术与材料创新进步。①高精度打印技术。随着技术的不断创新，3D打印的精度和效率将持续提升，使得更多复杂结构的医疗器械得以实现。②多材料打印技术的发展。实现多种材料在同一部件上同时打印，能够制造出具有多种功能和性能的医疗器械。例如，在一个骨科植入物上，同时打印出具有不同硬度和弹性的区域，以更好地适应人体骨骼的力学环境。③生物相容性材料。材料科学的发展将推动更多生物相容性材料的应用，这些材料不仅安全无害，还能促进组织修复和再生，为3D打印医疗器械提供更多可能性。

3）应用领域不断拓展。除了现有的骨科、牙科等领域，3D打印在心血管、神经外科和眼科等更多专科领域的应用将不断拓展。例如，定制化的心脏瓣膜、颅内植入物和人工晶状体等医疗器械将为患者提供更精准的治疗方案。同时，针对儿童、老年人等特殊人群的定制化医疗器械也将不断拓展应用。另外，生物3D打印技术在组织和器官打印方面的研究将不断深入，有望在未来实现功能性组织和器官的打印。生物3D打印技术为组织器官再造提供了使能技术，为再生医学注入了新的活力^[6]。例如，打印出具有血管网络的肝脏组织、肾脏组织等，为器官移植提供新的来源；打印出皮肤、软骨等组织，用于创伤修复和再生医学。

4）智能化与自动化生产的推进。①智能制造。3D打印技术与智能制造技术的结合，将推动医疗器械生产向智能化、自动化方向发展，降低生产成本，提高生产效率和产品质量。②自动化生产线。预计未来将有更多的自动化生产线应用于3D打印医疗器械的生产中，实现从设计到制造的全流程自动化。

4.5 消费电子行业

（1）产品创新设计　在消费电子行业中，产品的更新换代速度极快，生产企业需要不断推出新的产品来满足市场需求。3D打印技术可以快速地将设计人员的创意转化为实体模型，帮助企业在产品设计阶段进行验证和优化。例如，苹果、华为和联想等公司在新产品开发设计中，使用3D打印技术打印复杂结构原型，突破了传统制造方式的技术限制。

（2）零部件生产　3D打印技术可以制造出复杂形状的零部件，对于一些传统制造方法难以加工的零部件，3D打印技术具有独特的优势。如微型传感器、精密连接器和散热组件等，这些零部件通常具有复杂的形状和高精度要求，传统制造方法难以实现。

另外，近年来钛合金材料的导入使产品具备了轻薄耐用的优势，会给行业细分领域带来成长机会，尤其是各大品牌多款新机已开始使用钛合金3D打印的零部件。

华为、三星和OPPO折叠屏手机中的钛合金铰链采用3D打印技术制作，苹果iPhone 15 Pro、小米14Pro的边框加入钛金属材质，带来更轻的机身质量。另外，苹果公司针对其产品线进行了多项3D打印制造创新，预计后期会生产大量的iPhone和iPad的外壳部件。

（3）定制化生产　消费者对电子产品的个性化需求日益增长，定制化生产成为消费电子行业的发展趋势。3D打印技术可以根据消费者的需求，快速制造出个性化的电子产品。例如，用户可以通过3D打印技术定制自己的手机外壳、耳机、键盘、鼠标及鼠标垫等，满足自己的独特需求。对于企业来说，可以做到小批量生产与按需制造，具有更高的经济效益。

（4）后市场服务　消费电子产品拥有庞大的后市场规模，维修和零部件替换是3D打印技术在消费电子行业的另一个重要应用领域。通过3D打印技术，企业可以快速制造所需的零部件，满足客户的维修需求，提高了售后服务效率，降低了成本。

（5）其他应用　3D打印技术在可穿戴设备行业的应用，如智能手表、手环、眼镜及智能家居等产品的制造，满足消费者对个性化、轻量化和舒适性的要求。

另外，无人机、人形机器人的主要零部件制作也使用3D打印技术，满足其零部件轻量化且结构复杂的生产需求。

增材制造技术在消费电子行业应用的未来发展趋势如下。

1）新材料的研发与应用。预测未来将有更多高性能、多功能的3D打印材料被研发出来，以满足消费电子行业对材料的多样化需求，例如具有更高强度、更好的导电性以及更高的耐热性的材料，且具有价格低的特点。

2）工艺技术的改进与创新。在消费电子行业中，电子产品的零部件对精度和表面质量要求较高，单一的3D打印技术目前还难以满足这些要求，都是在打印完成后需要进行后续的加工和处理，从而提高工件的加工精度及表面质量。预计未来3D打印技术在工艺方面会有较大的改进，如提高打印精度，加快打印速度，以及优化表面质量等。

3）设备的智能化与自动化。随着人工智能、物联网等技术的发展，3D打印设备将朝着智能化、自动化方向发展，实现设备的远程监控、自动调整参数及故障预警等功能，提高设备的稳定性和生产效率。

4）应用领域的拓展与深化。预测3D打印技术将在消费电子产品创新方面发挥更大的作用，实现更多新颖的设计和功能集成，如嵌入式传感器、一体化结构设计及多功能复合材料等，为消费者带来全新的使用体验。例如苹果的混合现实MR设备后期将会由3D打印技术制造完成。

4.6 机床行业

（1）复杂零部件的制造　3D打印技术能够制造出传统制造方法无法实现的复杂形状的零件，这对于机床行业来说具有重要的意义。例如，德国某机床制造商利用3D打印技术制造了一种用于高精度数控机床的复杂零部件——蜗轮蜗杆。传统工艺制造该零件需要多道工序，且加工难度大、成本高。而通过3D打印技术，能够一体成形制造出具有复杂内部结构的蜗轮蜗杆，不仅提高了零件的精度和性能，还将制造周期缩短了50%以上。

（2）大型参展机床的模型制造　3D打印技术可以快速、精确地制作展会机床模型，帮助机床厂商更好地展示大型机床产品、解决方案，与客户进行沟通和交流。大型机床模型可以展示机床的外观、结构、空间布局及主要零部件等，为客户的采购决策提供依据。

（3）机床的维修和维护　在机床的维修和维护过程中，3D打印技术也可以发挥重要作用。3D打印技术能够快速制造出备件，缩短维修和维护时间，降低备件的成本，提高维修和维护质量。例如，一些老旧进口机床的零部件已经停产，通过3D打印技术可以制造出相应的备件，延长机床的使用寿命。

（4）绿色制造　3D打印技术在绿色制造方面也具有一定的优势。3D打印技术能够减少材料浪费，降低能源消耗，减少污染排放，从而降低对环境的危害。在机床行业中，可以通过3D打印技术实现机床零部件的轻量化设计和制造。近年来，随着工业需求的不断变化，单一的加工技术已经难以满足现代制造业对复杂零件生产的高精度和高效率要求，在这种背景下，增材制造和切削加工的结合成为一种新的趋势。这种混合加工技术显著改善了难加工材料（如钛合金）的可加工性，减少了过程力和刀具的磨损，并对加工零件的表面完整性和表面质量起到了积极的改善作用。增材制造机床作为3D打印技术在机床行业的具体体现，由于在同一台数控机床上同时集成了传统的减材制造与先进的增材制造技术，因此在制造复杂零件时展现出前所未有的潜力与灵活性^[7]。它通过结合这两种技术的优势，正逐渐改变着传统制造方式，引领着生产技术的新格局。未来3D打印技术与机床会更加融合和高效，为复杂零件的生产提供全新的解决方案。例如，德马吉森精机公司推出的增减材一体机床，一套软件满足全工艺链（设计、增材制造、减材加工及精加工）要求，将激光堆焊技术与五轴铣削技术集于一体。这款机床配有2kW的激光器进行激光堆焊打印，同时借助高刚性的单体结构五轴联动数控铣床进行高精度的铣削加工。

# 05

结束语

增材制造技术作为一种具有创新性和变革性的制造工艺，在众多重点行业中展现出了独特的应用价值和巨大的发展潜力。在航空航天领域，助力飞行器的轻量化设计与高性能零部件制造，推动了行业的技术进步和创新发展。在医疗器械领域，为个性化医疗植入物和复杂手术模型的制作提供了可能，改善了患者的治疗效果和生活质量。在汽车制造行业，加快了新产品的开发速度，提升了产品的性能和个性化程度。

然而，我们也要清醒地认识到，增材制造技术目前仍面临着一些挑战，例如材料的局限性，设备成本较高，生产效率有待提升，以及行业标准不完善等。相信随着科技的不断进步和研究的深入开展，这些问题必将逐步得到解决。

展望未来，增材制造技术将继续与其他先进制造技术深度融合，不断拓展其应用领域和范围，有望在更多的行业中发挥关键作用，实现高质量发展，为制造业转型升级注入新活力。

专家点评

‍‍‍‍‍文章的亮点是增材制造技术的成形原理与各行业应用现状，通过三维建模、逐层叠加材料形成三维物体，解决了复杂形状和曲面加工难题，适合轻量化设计与高性能零件的小批量制造，具备独特的技术优势和持续的发展潜力。

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