3D打印发展趋势
(一)数据方面
3D打印技术是数字化驱动的制造过程，其数据化发展趋势体现在两个方面：
一是分层方法的演变。早期的数字分层技术和路径规划直接决定了后续物理分层的效率和精度。
3D打印的未来：塑造3D技术行业的趋势
目前，3D打印主要采用简单的平面切片，但代顿大学、斯坦福大学等大学已经开展了以分层方法为重点的数据处理研究，试图从传统的二维平面切片过渡到共形曲面切片。
在国内，该研究计划于2018年被列入科技部“增材制造与激光制造重点专项”。
其次，数据来源多样化。用于打印的3D模型可以通过3D建模或逆向工程方法获得，甚至利用CT扫描和数码相机的数据进行模型重建，这在3D打印中越来越多地使用。但数据存在一定失真，有待进一步研究。
(2) 实质性方面
3D打印的进步越来越依赖于材料的发展，有两个重要趋势：
一是组织工程材料。基于血管和负载细胞的生物材料构建活体组织和器官是3D打印材料发展最关键的方向，也是最值得期待的应用领域。
其次，特种功能材料。超导体、磁存储介质等具有特定电、磁性能的材料以及梯度功能材料也是3D打印材料研发的重点，代表了工业领域的前沿应用。
(3)结构方面
3D打印机的机械结构也至关重要，决定着精度、效率和应用范围，有两个重要的发展趋势：
一是大型化。打印尺寸的限制一直是3D打印设备的弱点。
增大3D打印机的机械结构尺寸，在保持精度的同时，可以提升整体制造能力，避免模型分割，提高打印效率，显着拓展应用领域。对近年来主要企业的产品线进行分析，发现制造规模有向大型化的趋势。
进一步调查显示，这些公司的各类3D打印机的最大打印尺寸被限制在1米以内。中国的一些公司正在尝试开发大型打印机，并已经看到了良好的市场反应。
其次，与传统制造方法的融合。这包括与成型、铸造、锻造、电化学精密加工等传统方法的有效、深入的融合。
科技部2018年“增材制造和激光制造重点专项”就包含此类研究项目，旨在推动3D打印在传统制造业赋能发展，拓展3D打印本身的应用领域。
另请参见 选择齿轮钢材：5 种类型比较
(4) 制造模型
首先，“分布式制造”模式的出现。随着3D打印变得更具成本效益和技术普及，它正趋于广泛采用，每个家庭都有可能拥有和使用3D打印机，使其成为社会创新、众筹和众包的工具和平台。这导致了一种新的社会行为形式和“分布式制造”的出现。
从本质上讲，分布式制造重新构想了整个生产过程，深刻改变了供应链和需求链，包括消费者模式。
其次，“功能第一”的设计理念正在兴起。传统制造受到零件复杂性的限制，需要设计人员考虑可行性和成本。然而，3D打印设计可以忽视产品的复杂性，只关注所需的功能，从而创造出以前难以想象的工业产品。
随着这些积累，它们将彻底改变制造业，特别是航空航天、造船和汽车等行业的复杂和精密零部件。
3D打印“功能优先”的设计理念为产品设计师拓展了创意和创新的可能性，不受传统工艺和制造资源的束缚，在“设计等于生产”、“设计等于产品”的范式下追求无限的创造。
因此，可以采用优化的结构设计，而无需考虑加工问题，解决高端、复杂、精密部件的制造挑战。由于3D打印中数字化设计、制造和分析的高度集成，这一理念也显着缩短了新产品开发周期并降低了研发成本，实现了“今天的设计，明天的产品”。
三是“微纳制造”大力推进。随着3D打印应用从宏观制造延伸到微米和纳米制造，这种形式的制造将发挥重要作用。目前，用于制造传感器的微电子工艺需要生产模具和晶圆加工，这意味着一条生产线需要数十亿甚至数百亿美元的投资。
对于只需要几百个的定制传感器来说，如此巨大的前期投资使得小规模生产变得不可行。3D打印完全可以满足这种微纳制造的需求。加拿大西部大学的研究人员开发了一种使用 3D 打印技术制造的植入式设备，可以监测患者的心脏状况。
这种无线植入系统集成了血压传感器和心血管压力监测器（包括支架），体积仅为2.475 cm3，重量略高于4克。
(5) 自我进化
未来，3D打印将演变为4D和5D打印。这些方法以 3D 打印为基础，考虑随时间的变化，允许模型逐渐改变形状和功能，从而产生所谓的 4D 和 5D 打印。
首先，4D 打印允许打印的模型随着时间的推移而改变形状。通常，模型在打印时可能是平坦的，但在温度、磁场和其他环境因素的影响下会逐渐变形。其优点包括简化 3D 打印过程并轻松将打印模型集成到设备中。
另请参见 真空炉的类型及其应用
其次，5D 打印使模型在打印后能够随着时间的推移改变功能和形状。5D 打印骨骼实验已经在动物身上取得了成功。如果这项技术成熟并普及，其社会影响将远远大于智能制造、3D打印或4D打印。
(六)应用前景
显然，3D 打印在完全个性化或小批量生产的应用中具有更大的潜力。
首先，生物医学领域是个性化应用的典型例子。2016年，国务院办公厅印发的《关于促进医药行业健康发展的指导意见》强调，要推动生物打印技术和数据芯片在植入类产品中的应用。
国务院发布的《国家战略性新兴产业发展“十三五”规划》强调，利用增材制造（3D打印）等新技术，加快组织器官修复、植入式医疗等领域创新和产业化。设备。
2021年2月9日，工业和信息化部印发《医疗器械产业发展规划（2021-2025年）》草案，鼓励发展“3D打印+医疗健康”新产品。倡导推进医疗器械、康复器械、植入物、软组织修复等领域的个性化定制，强调3D打印技术在各领域的应用。
该计划还呼吁应用先进材料和3D打印技术，增强血管支架、骨科植入物、牙种植体等产品的生物相容性和机械性能。
支持跨界合作，将传统医疗设备与5G、人工智能、工业互联网、云计算、3D打印等新技术融合，培育原创智能医疗设备发展，推广智慧医疗健康云服务。
这表明，从国家政策角度来看，“3D打印+医疗”是近年来的研究热点，受到高度重视和支持，展现出巨大的发展潜力。这也体现了中国对人民健康福祉的承诺。
其次，航空航天代表小批量生产。航空航天部件的生产量通常比商业产品少，而且往往具有由高强度、难以加工且昂贵的合金制成的复杂结构。
显然，3D 打印将对该行业产生相当大的影响。国内外对3D打印在这两个领域都抱有很高的期望，“十三五”期间实施的“增材制造和激光制造重点专项”研究计划清楚地体现了这一点。
(7)基础科学
显然，基于增材制造的基本原理，基础理论研究持续推动着3D打印技术的发展。以下五个科学领域逐渐受到国内外学者的广泛关注。
另请参阅 电动机如何工作？综合指南
首先是金属成形中强非平衡凝固的研究。3D打印过程中材料与能源之间的相互作用时间极短，导致瞬时熔化-凝固循环。
对于金属材料来说，这种非平衡凝固机制无法用传统的平衡凝固理论来充分解释，因此建立强非平衡条件下的金属凝固理论是3D打印领域需要解决的重要科学问题。
其次是开发极端条件下3D打印的新机制。随着人类探索外太空的迫切需求不断增长，3D打印技术越来越多地应用于太空探索领域。
甚至有人希望在外太空实现原位3D打印，这使得研究这种极端条件下的3D打印机制以及这些服务环境中组件的寿命和失效机制显得尤为重要。
三是梯度材料和结构的3D打印机理。3D打印是一种集结构和功能于一体的制造技术，允许材料成分的连续梯度变化以及同一组件内多种结构的组合。实现这样的设计对材料力学和结构力学提出了挑战。
第四，组织器官个性化3D打印及功能再生原理。无论是在制造过程中维持生命体的生命力，还是在使用过程中研究器官功能的再造机制，这项研究都还处于起步阶段，需要跨学科、跨领域的专家学者的共同努力。
第五，形属性一体化3D打印的控制机制。3D打印正在从形状控制制造过渡到形状和属性控制集成制造。例如，在打印金属零件时，不仅可以打印零件的形状，而且可以以高精度和强度控制复杂的内部结构，接近或超过锻造零件。
未来，打印飞机发动机叶片可能会形成柱状晶体，设计师将柱状晶体按预定方向堆叠，最终形成与锻造相比具有更优越综合性能的最终产品。
综上所述，3D打印未来的作用将发生重大变化，从制造业的补充形态演变为智能制造的支柱。它将重新定义制造流程，促使专业人士以 3D 打印思维重新评估该领域的现有实践。
尽管3D打印生产的零件数量可能无法与模具制造和数控加工相比，但它创造的价值可能远远超过这些传统方法。因此，3D打印的趋势和应用前景非常被看好。