3D打印

3D打印技术也称为增材制造技术，是快速成型领域的一种新兴技术^[1]。它是一种通过数字模型逐层逐点加工物体的快速成型技术，利用计算机将成形零件的3D模型切成一系列一定厚度的“薄片”，3D打印设备自下而上地制造出每一层“薄片”最后叠加成形出三维的实体零件^[1]。它可以在单个设备上快速准确地制造任意复杂形状的零件，在解决传统制造方式难以实现的复杂结构零件成形问题的同时，大大减少了生产成本，简化了处理程序，缩短了处理周期，真正实现“自由制造”。^[8]

随着技术的不断发展，3D打印技术逐渐在各种领域实现应用。在加工制造业，它可以完成零部件打印，提高生产率，实现大批量精准化生产^[8]；在医疗行业，3D打印可以帮助完成使用金属、塑料等非活体组织材料定制牙科、骨科植入物、助听器外壳医疗器械，甚至打印人工肝脏等^[9]；在教育领域，3D打印技术可以使教学更有趣，助力学生空间思维能力、团队协作能力及时间规划能力。^[9]

未来3D打印技术涉足的领域将不断扩展，所占据的市场规模会继续增大^[10]。新材料、新工艺的涌现不断刺激着3D打印的创新和升级，使其在航空、汽车、医疗等领域的应用占据主导地位^[10]。同时，3D打印将提供精准垂直的个性化服务，加速产业链整合，提高竞争力和降低生产成本。^[10]

3D打印（3D Printing），又称为增材制造或添加制造，是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，是减材制造后衍生的快速成型技术^[11]。根据美国材料与试验协会( ASTM) 2009 年成立的3D打印技术委员会( F42委员会) 公布的定义，3D打印是一种与传统的材料加工方法截然相反，基于三维CAD（Computer Aided Drafting，电脑制图）模型数据，通过增加材料逐层制造的方式。^[3]

3D打印相比于传统技术来说在小批量生产时的生产成本，个性化，复杂设计，材料利用率，加工便利性等方面都具有明显优势^[12]。虽然其在航天航空、汽车、医疗、教育等领域应用愈加广泛，但多年来的应用领域并未触达使用广泛普及的状态^[12]。随着打印设备原材料价格的下调，激光打印策略等新技术工艺的开发，以及电子消费等应用场景的推动，3D打印产业化将持续推进，应用于更多行业和领域中，助力科技不断发展。^[12]

3D打印的实现服务的技术架构及整体流程主要可包括建模、切片、物理转换（打印）和后处理四个步骤。^[13]

三维建模：三维建模是制造物体的第一步，可以使用计算机辅助设计（CAD）软件或扫描仪来生成三维模型^[14]。在设计过程中，需要考虑物体的大小、形状、结构、表面质量等因素^[14]。设计完成后，可以对模型进行检查和修正，以确保最终打印的物体符合预期要求。^[14]

切片处理：在进行3D打印前，需要将三维模型分割成多层薄片，每个薄片都是一层^[15]。这个过程叫做切片处理。切片软件根据打印机和材料的特性，确定每层的厚度和其他打印参数，以便于最终打印物体的构建和品质。^[15]

物理转化（打印）：在将切片数据传输到3D打印机前，需要进行一些准备工作，如清洁打印床、预热打印头等^[15]。然后，需要设置打印参数，如温度、速度、填充密度等。这些参数将影响打印物体的外观、强度和精度等方面^[15]。3D打印机根据打印参数逐层打印，并将熔融的材料沉积到打印床上，逐渐建立起物体的形状。在打印过程中，需要监控打印机的状态，确保打印过程中没有异常发生，例如打印头堵塞、打印床移动不良等。^[15]

后处理：打印完成后，可以对打印出来的零件进行后处理，如去除支撑结构、打磨等，以满足具体的需求和使用要求。^[13]

1859年，法国雕塑家Franois Willème以自己站立的位置为中心，每隔15°放置一台照相机，形成360°的圆后在同一时间进行拍摄得到不同角度的影像，通过绘制出24个不同角度的轮廓，得到了自己的三维图像 ，并将其取名为照相雕刻（Photosculpture），并以该方法成功申请了专利^[16][17]。这一概念的出现指导了后续3D打印技术的理论架构，也为其实践提供了参考案例。^[17]

1892年，Joseph Blanther在多个蜡板上印压地形等高线，并切割蜡板后层层堆叠得到了地形图模型。1935年，Morioka开发了一种照片雕塑和地形学结合的技术，使用结构光来创建物体的轮廓线，将其显影成片材并且被切割和堆叠^[16]；1940年，Perera通过在硬纸片上切割等高线，堆叠粘贴得到了一个完整的三维地图模型^[16]；1964年，Zang在此基础上将硬纸板换成了方便标记数据的透明版。^[16]

1972年，Matsubara首次提出可以尝试使用光固化材料，以这种方式形成的许多薄片随后堆叠在一起以形成铸模^[16]；1974年，DiMatteo意识到这种堆叠技术能够替代传统加工制造方法，用于零件模具的成型生产，便将其应用到实际当中，这种加工工艺与19世纪3D打印的早期工作有明显的相似性。^[16]

1977年，Swainson提出可以通过激光选择性照射光敏聚合物的方法直接制造立体模型，并开展了相关的研究工作^[16]；1979年中川威雄（Takeo Nakagawa）教授发明了叠层模型造型法，使用层压技术生产实际工具，并提到了注塑模具中复杂冷却通道的可能性^[16]；1981年，名古屋市工业研究所的Hideo Kodama发明了利用光固化聚合物的三维模型增材制造方法^[16]。同年，Ross F.Housholder注册了类似于激光烧结（SLS）的专利，利用三维软件程序创建3D模型，将数据发送到打印设备实现3D打印。^[16]

3D打印技术的实践落地中，贡献较为突出的是发明家比尔·马斯特斯和查尔斯·赫尔曼。^[2]他们分别产出了世界上首个3D打印专利，以及首台3D打印机，为后续3D打印技术的发展提供了理论和实践基础。^[2]

1984年7月2日，历史上首个3D打印专利（专利号为US4665492A，专利名称为“计算机自动制造过程和系统”）正式授予，该专利的持有人是一位名叫比尔·马斯特斯（Bill Master）的发明家，其中的思想及方法均为后续3D打印系统的出现及发展奠定了基础。^[2]

随后，在该专利的指导下，世界上首台3D打印机问世，出自比尔·马斯特斯之手。其技术底层架构基于计算机自动制造过程和系统，主要由计算机辅助设计和接收坐标信息文件的相关机器控制器组成^[2]。它在运行时首先利用计算机辅助设计编制三维坐标信息并储存为数据文件，而后这些坐标信息被输入到控制伺服和极坐标系统的机器控制器，伺服电机进一步控制工作头和工作头的位置，随后注入材料颗粒，在坐标系中的预定坐标点用固态物体打印材料打印出相关物品。^[2]

在前人的思想概念体系架构之上，3D打印技术的真正出现可以追溯到20世纪80年代，美国发明家查尔斯·赫尔曼（Charles Hull）发明出名为“立体打印”的技术^[18]。1984年，数字资源与打印技术被结合在一起形成了三维立体建模技术^[19]；1986年，立体光刻工艺由查尔斯·赫尔曼发明并进行了实践，该技术主要利用紫外线照射将树脂凝固成形，以此来制造物体，并获得了专利^[19]；随后专注发展3D打印技术的公司3D System正式成立，该。^[17]

查尔斯·赫尔曼经营的3D System打印公司于1988年推出的世界上第一台可实现3D打印的大体型打印机SLA-250，这台打印机是世界上第一台采用立体光刻技术实现3D打印的商用快速成型机^[18]。1984年8月，以查尔斯·赫尔曼为发明人，UVP公司（现改名为美国Analytik Jena US LLC，生命科学产品的全球领导者）申请了世界上第一件SLA专利。1986年3月11日，在查尔斯·赫尔曼获得的专利授权中，术语“stereolithography”（光固化立体打印，简称SLA）公开问世。但由于当时的3D打印技术还存在速度慢、精度低、材料单一等问题，该技术并没有得到较多发展和广泛应用。

进入20世纪90年代后期，随着计算机技术和材料科学的进步，3D打印技术开始迅速发展。^[19]

1988年，Scott Crump发明了一种名为热熔解积压成形（FDM）的3D打印技术，该打印方法是利用蜡、ABS、PC、尼龙等热塑性材料作为打印原料进行物体的制作，后来他还发明了熔融沉积成形（FDM）技术，并且成立了一家名为Stratasys的3D打印公司^[19][20]；1989年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard博士首先研制成功选择性激光烧结技术（SLS），这种技术利用离强度激光将尼龙、蜡、ABS、金属和陶瓷等材料粉来烤结，直至成形。^[19]

1992年，美国麻省理工学院的科学家恩斯特·卡斯特（Ernst Kampf）发明了选择性激光烧结（SLS）技术，这种技术可以在粉末床上逐点烧结粉末材料，从而实现高精度的三维打印^[18]；1993年，麻省理工学院教授EmanuaI Sachs创造7三维打印技术（3DP），该技术将金属、陶瓷的粉末通过粘接剂粘在一起完成物体成形打印。

随后，1995年，麻省理工学院毕业生Jim Bredt和TimAnderson对喷墨打印机的工作方式进行了修改，将把墨水挤压在纸张上的打印方法更新变为把约束溶剂挤压到粉末床^[19]。经过后续的研究和发展，二人共同创立了三维打印企业Z Corporation，该企业是世界上速度最快三维成型机的开发商、制造商和营销商。^[21]

1996年，3D  Systems、Stratasys、Z Corporation三家企业分别推出了型号为Actua 2100、Genisys、2402的三款3D打印机产品，这是“3D打印机”这一专业名称首次出现在打印行业中。^[19]

1998年，Autostrade发布了全球第一台商业化个人用的桌面型立体光固化成型机，同时，该机也是全球首台下照实式立体光固化成型机^[16]；1999年，3D打印技术首次被用于医学方面，将实验室生长的膀胱成功移植到患者体内。^[16]

3D打印技术在20世纪得到高速发展，进入21世纪之后，人们开始注重于3D打印机的制造和产业化。^[17]

2001年，Solido开发出第一代桌面级3D打印机^[17]；2003年，EOS（德国3D金属打印公司）开发出DMLS（Direct metal laser sintering，直接金属激光烧结）激光烧结技术^[17]；2005年，ZCorp公司推出世界上第一台高精度彩色3D打印机Spectrum Z510，3D打印开始能够打印状态更加丰富的物体^[17]；2007年，3D打印服务创业公司Shapeways正式成立，Shapeways公司提供给用户一个个性化产品定制的网络平台。^[17]

2008年，第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布，其源于英国巴恩大学高级讲师Adrian Bowyer在2005年发起的开源3D打印机项目，该项目和RepRap的开发目的是使能自我复制的3D打印机成为现实，同时使全球各地的每个人都能以低成本打印RepRap的组装件，进而使3D打印支持下的工业生产变得更加大众化，制造出更多人类生活所需的日常用品^[17]；同年，Objet Geometries公司推出了一款Connex500快速成型系统架构下的3D打印机，它是历史上第一台能够同时使用不同打印原料进行工作的3D打印机。^[17]

2009年，Bre Pettis带领团队创立了桌面级3D打印机公司──MakerBot。该公司出售3D打印机DIY套件，购买者可以根据安装说明自行组装3D打印机，完成打印流程。^[17]

2010年12月，注重生物打印技术的再生医学研究公司Organovo，向世界公开了其利用生物3D打印技术制造出的完整血管及其数据资源^[17]。

2011年7月，英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机，3D打印技术开始进入食品生产加工行业^[17]；8月，世界上第一架3D打印飞机由英国南安营敦大学的工程师剑建完成并进行了试驾，此次试验的成功，使采用普通技术制造、成本较高的椭圆形机翼能够被3D打印技术制造出来，降低成本的同时，提高了制造效率和灵活性^[17]；同年，Kor Ecologic在Stratasys公司数字生产服务项目提供的Fortus3D成型系统支持下，使用巨型3D打印机制造出世界首台所有外部组件都是3D打印的汽车Urbee。^[22]

2012年，中国3D打印技术产业联盟正式宣告成立，11月中国宣布是世界上唯一掌握大型结构关键件激光成型技术的国家^[17]。同期，苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织。^[17]

随着技术的不断发展，3D打印技术逐渐应用于各个领域^[18]。在制造业领域，3D打印技术可以制造出复杂形状的零部件和原型件等，例如，2019年通用航空研发出世界上第一台采用3D打印组件的涡轮螺旋桨发动机^[23]；在建筑领域，3D打印技术可以用于制造建筑模型和构件^[18]；在医疗领域，3D打印技术可以制造出个性化的医疗器械和人体组织模型^[18]，如2022年，生物3D打印机制造出了心肌组织与毛细血管^[23]；在艺术、珠宝设计等领域，艺术家可以使用3D打印技术创造出独特的艺术品和雕塑作品，珠宝设计师能够制造出更加精美的珠宝首饰^[18]。2023年，Meta（原Facebook）宣布开发一款配备最新版OpenAI人工智能的3D打印机器人。^[23]

此外，3D打印技术还在教育、科研等领域得到了广泛应用^[18]。学校可以利用3D打印技术为学生提供更加生动、直观的学习体验；科研人员可以利用3D打印技术制造出更加精准的实验模型和样品。^[18]

3D打印技术中用于复合材料生产的关键技术主要有5大类，包括熔融沉积成形技术（FDM）、立体光固化成型技术（SLA）、选择性激光烧结技术（SLS）、直接金属粉末激光烧结技术（DMLS）和选择性激光熔化技术（SLM），不同 3D 打印技术在打印工艺方面存在差异^[24]。

概念及实现原理

熔融沉积成型（FDM技术）是对丝状材料进行熔融后由喷头逐层挤出堆积成型的一种快速成型方法，由美国 Stratasys 公司研发，主要包括硬件系统和软件系统两部分^[24]。被广泛应用于建筑、汽车、航空航天和医疗领域。^[23]

实现熔融沉积成形技术的工作原理是：将热熔性丝状材料通过送丝装置送至喷头，在计算机软件的控制下，由喷头对其进行加热融化与挤出操作，然后沿着某物体二维截面的轮廓开始运动，直至完成半流动材料的填充与凝固，形成 3D 打印成品。^[24]

概念及实现原理

立体光固化成型技术（SLA 技术）是通过激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线，由线到面顺序凝固，循环往复进行该操作，使打印材料层层叠加构成三维实体的打印方法^[25]。被广泛应用到复杂零件、医疗器械的生产加工中。^[24]

SLA 技术的实现原理主要是：利用紫外激光，对液态光敏树脂由点到线、由线到面进行照射，使液态光敏树脂发生光聚合反应，来促进 2D 截面的堆叠与固化成形，其打印过程类似于调色液的堆积^[24]。在对液态光敏树脂展开立体光固化之前，要利用计算机CAD软件构建数字模型，过程中还需要与DLP（Digital Light Processing，数字光处理）技术相结合，为整个打印流程奠定数据与技术基础。^[24]

概念及实现原理

选择性激光烧结技术（SLS技术）也被称为聚合物覆膜金属粉末技术，其是运用红外激光束，对不同粉末材料进行铺平、烧结的技术，通常用于金属、ABS、陶瓷、橡胶等粉末烧结^[24]。

SLS技术的成型原理是：在开始加工前，需要把充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下^[26]。成型时，送料桶上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机的控制下按照截面轮廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末融化继而形成一层固体轮廓^[26]。第一层烧结完成后，工作台下降一截面层的高度，再铺上一层粉末，进行下一层烧结，依次循环，从而形成所打印的模型。^[26]

概念及实现原理

直接金属粉末激光烧结技术，与选择性激光烧结技术较为类似，也是一种通过激光照射进行 3D 打印的技术^[24]。相比于SLS 技术，直接金属粉末激光烧结技术在粉末烧结时，可以对致密度较高的零部件进行加工，生产出金属部件的硬度、精度高，生产前后也无需进行材料的预处理、后处理，能够满足工业产品的生产需要。^[24]

DMLS技术实现的主要工作原理是：通过CO₂（二氧化碳）激光器产生激光，对激光进行传输，并通过振镜进行控制，最后使粉末融化，从而一层一层叠加而成最终产品。^[27]

概念及实现原理

选择性激光熔化（SLM）技术，是由德国 Fraunhofer ILT研究所研发的打印技术，其实现原理也与选择性激光烧结技术（SLS）相似^[24]。该技术的独特之处在于它使用高能量激光束将尼龙粉末逐层固化，从而制造出具有复杂几何形状的物体。^[28]

利用选择性激光熔化（SLM）技术进行 3D 产品打印的工作流程为，首先将金属或其他材料粉末均匀铺设在 3D 打印加工室的基板上，然后通过计算机软件控制激光器，使其有选择性地对打印材料的粉末进行照射，熔化基板上的粉末并使其凝固成型，再进行下一图层厚度金属粉末的铺设，如此循环往复直至整个三维零部件加工完毕。^[29]

电子束自由成形制造技术（EBF）是由美国NASA兰利研究中心与Sciaky合作开发的一项3D打印技术^[30]。该技术主要采用电子束作为热源，利用离轴金属丝建造零件的工艺，使用的打印材料基本覆盖全部合金，在航空航天领域应用最为广泛。^[30]

该技术的工艺流程主要经历以下阶段：首先，在真空环境中，高能量密度的电子束轰击金属表面形成熔池，金属丝材通过送丝装置送入熔池并熔化^[31]；同时熔池按照预先规划的路径运动，金属材料逐层凝固堆积，形成致密的冶金结合，直至制造出金属零件或毛坯。^[31]

电子束熔化成型技术（EBM）是一种与SLS非常相似打印技术，但该技术的能量来源是电子束，使用的打印材料是导电金属^[32]。最常使用的材料是钛合金，由于控制整个过程的是电荷，因此无法打印塑料或陶瓷等材料部件。^[32]

其工艺流程由三个阶段构成：该工艺首先开始于用所需的金属粉末填充粉末仓，完成该步骤后，粉末箱被送至3D打印机中进行加热以使粉末的温度低于其熔点^[32]；接着，将一层预热粉末沉积到构建平台上，待粉末凝固后，电子束熔化正式开始^[32]；完成一个层的打印后，构建平台向下移动一个层的高度，重复上述操作，直至整个部件制作完成。^[32]

分层实体制造技术（LOM）是由一家名为Helisys的公司创新推出的，该技术是一种将材料片层熔合在一起的过程，并使用数字引导激光切割出所需的物体^[33]。与常见的3D打印技术不同，分层实体制造技术打印过程涉及使用激光切割机切掉材料以达到最终成品形状，同时结合了增材制造和减材制造技术。^[33]

LOM首先进行的是使用粘合剂物质将材料层粘合在一起的增材工艺^[33]。各个层面相互堆叠，形成一个坚固的层块；待模块组装完毕，减材部件就开始发挥作用，高精度激光切割机会从每一层精心雕刻出所需的形状和轮廓。^[33]

数字化面投影微纳3D打印，其打印精度可达微米、纳米级别，应用于器官芯片、复刻人体器官微结构，为精准靶向治疗奠定基础，还可应用于国防军工、半导体天线等方面。^[38]

3D打印在教育、医疗、汽车、航天等领域的应用正不断深入，其在商业落地过程中的价值也不断体现^[7]。由于独特的原材料及制造打印流程，3D打印有着与传统制造及打印业务不同的优势及特点，也使其在不同行业和领域之中的应用更加广泛和深入^[7]。但同时，3D打印技术也有着不足之处，如成品效果受原料限制、成品耐用程度有待考量等。^[7]

对于传统的生产制造方式，工件的形状越复杂，生产成本就越高^[39]。但对于3D打印技术而言，却能够较为快速、准确地打印出稍显复杂的零件及物品^[39]。

随着技术的不断发展，3D打印技术已经作为一项引领科技潮流的前沿技术，引起了全球范围内各领域的高度关注^[40]。它以其高效、灵活、可定制等特点，在制造业、医疗、航空航天、建筑等领域得到广泛应用，为各行各业带来了深刻的变革。^[40]

由于3D打印技术能够打印出越来越多样化的产品，该技术很可能改变计算制造成本的方式。^[39]

3D打印技术不需要机械加工或任何模具，就可以直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件^[7]。这样做，可以大大地缩短产品研制周期，提高生产率、降低生产成本^[7]。和传统技术相比，3D打印技术通过摒弃生产线而降低了成本，减少了材料浪费。^[7]

传统减材制造方法原材料的利用率仅为7%，而3D打印技术突破了结构几何约束，能够制造出传统方法无法加工的非常规结构特征，3D打印仅在需要的地方堆积材料，材料利用率接近100%，不仅节约了时间更极大节约了材料和制造成本。^[39]

3D打印技术可以弥补传统制造业无法顺利制造的零件^[41]。传统工业制造方法是将毛坯根据零件需要进行切除,这种制造方法属于多维加工^[41]；另一种零件制造方法就是使用对应的模具，将相关的材料融化后进行浇筑，这种零件制造方法只能生产一些构造简单的零件，但对于构造复杂精密的零件传统制造方法无法有效完成。^[41]

3D打印技术相较于传统的制造方法有着可以根据需要打印物品的优势，能够根据三维设计图快速精准地构造出复杂零件，因此3D打印可以有效转变精密零件的生产效率和生产质量，提高精密零件的生产效益。^[41]

3D打印技术的实现只需按客户需求收集和处理数据，然后经过三维建模设计，设计完成后便可利用3D打印机自动快速完成产出^[41]。3D打印技术还可以使工件一体化成型，因此不需要组装，降低了组装与运输成本^[41]。同时，其针对相关零件的制作也无需大量时间进行前期制作准备和数据转换，对所要完成的打印目标体进行快速制作，使单件试制或小批量生产的成本大幅下降，有助于满足不同针对各种设备零件的需求。^[41]

另外，3D打印技术也有效实现了首件的净型成形，这样一来就可以将零件的后期制作工程大大减少，而大幅减小进一步加工的数据泄密及时间需求，更加适用于高保密性行业，如军工行业、核电工业等。^[41]

3D打印技术可快速、精准地将建筑师的设计理念转为实体建筑模型，使得建筑设计的表现更加具体直接。传统制造技术的产品形状固定，制造形状的能力受制于所使用的工具^[39]。例如，传统的木制车床只能制造圆形物品，轧机只能加工用铣刀组装的部件，制模机仅能制造模铸形状^[39]。3D打印机可以突破这些局限，为设计者开辟更大的创新设计空间，有助于发挥设计者的想象力。^[39]

同时，3D打印能使部件一体化成型，减少了零件组装的步骤，缩短了供应链，减少了劳动力成本与运输成本，污染也随之减少，生产更加绿色环保^[39]。与传统制造机器相比，3D打印机占据的空间更少，而且3D打印机制造金属时产生较少的副产品，材料利用率高，污染少。^[39]

3D打印虽然可以实现对塑料、某些金属或者陶瓷制品的打印，但是仍无法对较为昂贵和稀缺的材料实现制造^[7]。在整个行业范围，材料质量的稳定性、易用性等还有待提高^[7]。此外，一些3D打印设备还没有达到成熟的水平，无法支持在日常生活中人们所接触到的各种材料。^[7]

由于3D打印中较常用的材料都属于高分子材料，且每种材料都有不同的熔点及流体等各种性能^[7]。因此3D打印不同原料支持下的打印成品的坚固及耐用条件都不尽相同，难以实现各种材料间的配合生产，从而导致打印的成品脆性大等不足^[7]。例如，3D打印轿车能否在雨雪天气抵御湿度、3D打印食品能否在潮热的储存空间中保质等问题，都是亟待解决的。^[7]

由于3D打印设备容易安装，操作流程也较为简便，只要获取了相应的三维数据，就能够方便地进行物品的制作与打印^[7]。因此，如何保证3D打印出来的产品具有正当的版权，不受盗用和冒用，已经成为行业发展过程中必须解决的问题^[7]。有关部门如何制定3D打印相关法律法规来保护3D打印知识产权，也是3D打印能否得到合理运用的关键。^[7]

在3D打印室内，通常由于空气净化不足、机器上存在的缝隙以及金属粉末材料中混有的杂质等，导致打印室内的氧气含量发生变化，进而导致打印系统中的某些构件出现机械性能下降的问题，还可能导致部件中的化学成分发生变化，从而使3D打印流程受阻，产出的制品精度和耐用性能等指标下降等^[7]。因此，如何保持打印室内空气成分稳定及卫生安全是重要的问题之一。^[7]

3D打印的应用适用于任何需要模型和原型的行业，21世纪以来，3D打印技术已实现在机械制造业、工业设计、航空航天、医学医疗、考古修复，以及食品加工等领域都得到了广泛应用^[3]。未来，随着技术自身的发展与更新，其应用领域将不断拓展。^[3]

3D打印的显著特点是不需要机械加工便可利用计算机数据打印制造出不同形状的物体，因此能够广泛应用于各类制造业，如轿车、飞机等零件结构的制造^[42]。同时，其具有生产效率高、用料种类多等优势，可以节约生产的时间及物质成本，能够大幅度改善生产情况；生产前期依靠计算机软件快速生成三维设计稿，在缩短工业产品设计周期的同时，还能够确保精准度^[42]。此外，打印的整个流程都有数据进行保障，且自动化程度较高，无需人力过多投入现场生产，既提高了生产的安全性，还能够保证设计的可靠性。^[42]

在3D打印的普及过程中，涌现出一批专业的3D打印服务提供商^[42]。中国铂力特是具有产业化规模的金属增材制造企业之一^[43]。公司专注于工业级金属增材制造，为客户提供全套解决方案，从3D打印定制化产品服务、设备研发及生产、原材料研发及生产等均包含在其业务范围内。^[43]

3D打印技术的出现，使工业设计在计算机和打印方式的支持下发生了大变革^[44]。首先，该技术优化了工业设计的全流程，实现了降本增效^[44]。其次，3D打印技术首先为工业设计减少了设计压力，它不仅可以为设计师提供一个可以存储相关数据的平台，还能够通过前期运行的CAD等三维绘制软件等，实现模型的仿真呈现，可以减少设计返工次数，同时也减少了设计师的工作时间，节约各项成本。^[44]同时，3D打印还能够提升空间工业设计，促进工业设计思维进行开拓创新^[44]。转变传统的工业设计制造因装配、生产等因素，限制了设计师的想象力和创造力^[44]。

日本动漫玩具将3D打印技术与工业设计相结合，设计人员主要致力于动画人物的建模，利用PROE、3DMAX、PS等程序进行开发，最终通过3D打印来产出结果，并得倒相关问题的反馈。减少的工业师作业时间的同时，解放人力。^[44]

航空航天工业需要采用重量轻、质量高的零部件，同时还需要使用高比强度的材料，以确保安全性能，提高燃油效率，因此，航空航天设计工作者需要减少每个零部件的材料用量，无形之中增加了结构设计、功能设计等方面的复杂程度和困难性^[45]。3D打印可以实现零件的整合打印，不会出现焊接、螺栓等紧固件连接和装配，大大减少了用于检查、加工和威化零部件的成本^[45]。通常情况下制造成本较高，3D打印技术在不断的发展过程中，能够打印出越来越多的额优质材料，并将其用于航空航天零部件的使用中^[45]。

美国航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，简称NASA ）将3D打印复杂涡轮机械零件的技术推广普及，集成有3D打印叶轮、泵蜗壳、叶盘、涡轮定子、出口导向叶片和喷嘴的火箭发动机涡轮泵进行了成功实践^[46]。该部件的零件数量相比传统制造方法减少了45%，并完成了转速超过 90000 转/分钟的旋转和发动机测试。^[46]

医学医疗中重要的领域之一是构建组织工程（外界干涉支持组织再生的方法）再造人工器官，该领域涉及的病例大多情况下需要借助外部支持以完成修复过程，需要三个要素支持，分别是种子细胞、支架材料和细胞生长因子^[47]。其中，支架材料是极为重要的关键因素，需要良好的生物相容性和机械强度，才能够对细胞活性和细胞增殖产生积极影响。^[47]其最主要的应用集中于制备骨科植入物、皮肤代用品、神经修复、辅助肢制造、打印卵巢和药物释放等方面；另外，也可用于稀缺药物的打印。^[47]

2022年11月，北京积水潭医院手外科陈山林团队应用3D打印第一腕掌关节+掌骨技术，完成一例重度拇指缺损的再造手术^[48]；2023年8月，美国运用3D打印技术实践了PEEK（聚醚醚酮，一种特种工程塑料）脊柱植入物的打印制造，拓展了PEEK材料在医疗领域的应用范围和机会。^[49]

3D打印技术能够通过三维数据的获取快速对目标文物进行绘制及复制，因此在考古学和文物保护和修复的应用较为广泛。^[50]首先，该技术能够实现对文物和考古现场几何模型的全真保存，使用3D打印技术能够将考古现场发现的文物通过三维视图等比例放大或缩小，从微小的颗粒物到巨大的古建筑都可以完整的储存下来^[50]；其次，对于一些易碎、无法近距离接触的文物，如瓷器、玉器、易氧化青铜器等，3D打印技术能够实现完美复刻，方便考古学家近距离进行观察和研究，为后续考古提供物理史料^[50]；最后，通过3D打印技术制出的文物模型能够永久保存，对于某些因受到自然环境或人为因素而被破坏的文物后续修复提供了原型参考，不仅可以将三维空间数据存储在云端，方便查阅，采用的材料耐用度较高，不易被破坏。^[50]

15世纪中期的景德镇瓷器青花方胜纹绣墩就采用了3D打印技术进行修复还原^[51]。经过病害分析和瓷片清洗后，对瓷片与器物进行了3D扫描，并在CAD软件还原瓷器三维视图的指导下，用黏土做出补配样品，最后通过3D打印技术打印出类似材质的瓷片进行预拼接，对打印出的配件进行打磨抛光处理后，便可以进行最终的粘接和表面清洁。^[51]

3D打印技术已经被作为一种新技术应用在食品加工领域，在帮助食品加工行业推陈出新的同时，有着营养健康、绿色环保和可持续发展等优势，能够减少粮食浪费，减轻世界范围内的饥饿问题^[52]。3D食品打印技术按照前期设计和后期制作可分为生物驱动型、自下而上型和自上而下型三种^[52]。生物驱动型3D食品打印可以为细胞培养肉提供高效繁殖平台；自下而上型3D食品打印能够有效利用现有范围内的新食品资源；自上而下型3D食品打印主要是对于可食性原料的制作，如面糊、巧克力汁、砂糖等。^[52]

2020年，以色列初创公司Redefine Meat（肉类再定义）推出过一款3D打印的植物肉牛排“Alt-Steak”（Alt-牛排）^[52]。打印牛排所用到的原料由植物成分制成，含有来自豆类和谷物的蛋白质，用来代替牛肉的肌肉结构；来自植物的脂肪则模拟牛肉的脂肪^[52]。最终得到的高蛋白、无胆固醇的植物肉牛排，外观和口感上都与真实的肉质牛排非常相似。知名市场研究公司MARKETS and MARKETS（市场和市场）也在此前发布研究报告预测，到2025年，3D打印食品市场的全球规模将达到4.25亿美元。^[52]

2020年12月23日，3D打印产业创新发展高峰论坛在杭州召开^[53]。浙商研究院副院长、浙大管院院长助理邬爱其在会上表示，3D打印技术快速崛起为许多行业注入了新活力，尤其在数字化、成型整体化等方面具备独特优势，能有效缩短产品研发周期，同时提供了复杂异型设计工艺手段，提升了产品和零件性能，已在相关领域展现出巨大优越性。^[53]

2022年12月3日，第二届增材制造（3D打印）研究前沿国际会议在南京召开^[54]。会上，南京理工大学机械工程学院教授陈龙淼表示：“随着3D打印越来越普及，首先设备会越来越普及，其次材料会越来越便宜。3D打印一定能解决成本的问题和效率的问题，这两个问题解决之后，3D打印肯定是今后加工制造的主流方式。”^[54]

2023年2月16日，第二届科创中国·天府科技云服务大会在成都落幕。该会议召开期间，自贡第四人民医院数字医学中心主任吴超主任曾谈到：“当下的3D打印技术是走在政策的前面，最重要的还是伦理问题。100个医生可能就有100个想法，但不可能每一个想法都会有一个医疗器械注册号，所以说这方面还有一个政策同步跟进的过程，有时候甚至可以研发出来，但不一定敢应用于临床。”^[55]

来自南洋理工大学机械与航空航天工程学院(MAE)和SC3DP的项目联合领导副教授——Murukeshan Vadakke曾在采访中告诉记者则：“3D打印柔性电子产品为更舒适、更移动的可穿戴设备铺平了道路，因为它们可以更轻、更小。我们现在可以创建以前传统刚性电子产品无法实现的独特结构。”^[56]

2023年6月，位于美国佛罗里达州梅波特的美国海军东南地区维护中心的工作人员合作发明了一种全新的工具，能够解决最新版本的MK15Phalanx近防系统(CWIS)存在的问题^[57]。指挥官Justin Dowd表示：“3D打印技术为水手们提供创造性的问题解决方案，借此机会，使我们组织中的人们有了更好的机会去探索技术。我们组织能够继续不断提升技术能力，也因此有了更好的工作方式，并充分利用我们3D打印的能力。”^[57]

2023年10月，第19届杭州亚运会召开。在此次亚运会中，3D打印技术以多种形式参与到采火、开幕式，以及亚运村的建设中^[58]。如采火使者腰封、开幕式引导牌都是使用3D打印制作的，不仅可以使这些配件的设计更加灵活化，也可以拓展使用材料的范围，使材料的使用更具有针对性。另外，亚运村中也配置了3D打印技术参与制造的元宇宙体验舱，为中外运动员、新闻记者等提供了全新的视听和沉浸体验，实现了科技与体育的完美结合，也使世界见证了科幻设想成为现实的震撼。^[58]

2013年10月，英国警方在突击检查时发现了可能是3D打印制造的枪支零件；2013年5月，英国《星期日邮报》的两名卧底记者将一支他们根据设计图自行制作的3D打印塑料手枪藏在衣服中，顺利通过了火车站的安检。这些事件使人们开始担心枪支持有合法性，尤其是对于某些法律不允许公民持有枪支的国家，构成了安全威胁，由于其材质的可选择性，更加便于逃避机器性安全检查，因此在国际社会也引发了较大争议。^[59]

美国匹兹堡的建筑师兼雕塑家彼得斯，通过3D打印技术进行相关创作，其作品虽然精美新颖，但也饱受争议^[60]。不仅观赏者对这种通过技术打印出的作品能否称为真正的艺术品，业内人士也对其于知识产权、版权等的保护构成一定的威胁^[60][61]。比如，未经授权就对他人创作的进行复制、拷贝，就可能构成假冒侵权，但由于3D打印技术涉及的流程较复杂，所需设备和专业人员也较多，到底在哪一步构成了侵权或对侵权行为进行取证，都是较为困难的。^[61]

中国解放军总医院利用3D打印技术，在体外构建的皮肤接近正常皮肤。当士兵在战场上在烧伤后，可以助其快速恢复。此法已推广到连队。^[62]