Wohlers Report 2019报告预计全球在所有3D打印产品和服务方面的支出在2020年将达到158亿美元，并会继续加速增长，到2022年将达到239亿美元，而到2024年则达到356亿美元。

市场扩张在很大程度上是源于打印技术的发展和打印材料的创新进一步开辟了新的应用领域，其中一些大学和研究机构身处创新技术的最前沿，不断突破现有限制。

采用激光反转技术实现多种材料打印

选择性激光烧结（SLS）是3D打印最常用的工艺之一，其采用激光由微米级材料粉末打印零件。传统方法是利用朝向下方的激光将材料颗粒在加热打印平台上融合在一起，从下向上制造实体，由打印机放置均匀的粉末层，并使用激光选择性地熔化粉末层中的一些材料。然后，打印机将第二层粉末沉积到第一层上，激光将新材料熔结到前一层材料上，再反复重复此过程，直到完成零件。

如果工艺中仅使用一种材料，则该过程会顺利进行。然而，在一次打印过程中使用多种材料变得极具挑战性，因为一旦粉末层沉积到打印平台上，就不能将其回收或用不同的粉末代替。

通过反转激光使其指向上方，纽约哥伦比亚工程学院（New York Columbia Engineering）发明了一种在SLS工艺中能够同时使用多种材料的方法。

简而言之，研究人员设置了多个透明玻璃板，每个玻璃板上都涂有不同塑料粉末的薄层。他们将打印平台下落到一种粉末的上表面，然后引导激光光束从玻璃板下面穿过玻璃板底部。

该工艺根据虚拟蓝图以预编程设计的模式将一些粉末选择性地烧结到打印平台上。融合材料将平台抬高，再移至另一块涂有不同粉末的板上，然后重复该过程。因此，采用该工艺可将多种材料合并到单个层中或堆叠在一起。

研究人员表示，该技术具有打印嵌入式电路、机电部件，甚至机器人部件的潜力，可以使用梯度合金（从一端到另一端材料组成变化）制造机械零件，例如涡轮机叶片，其中一种材料用于芯层，另一种材料用于表面覆层。

由于采用这种工艺无需组装即可制造复杂的多材料零件，所以可将激光烧结技术推广到更多行业。换句话说，这可能是使3D打印行业从仅打印被动均匀零件到打印主动集成系统的关键。

使用可编程设计长丝和常规打印机打印多材料

除了SLS外，使用常规的3D打印机打印包含多种材料的单个制品也不容易。得益于创新“可编程设计长丝”技术，现在可以更轻松地实现。该新型系统由日本明治大学、大阪大学和得克萨斯A&M大学的科学家合作开发。

大多数消费级3D打印机通过称为“熔融沉积成型”的过程来制造制产品，即打印机装入一卷聚合物细丝，然后将它们加热到熔点，再从其打印喷嘴中挤出，这样就可以一次成型一个水平层来制造产品。

如果希望3D打印产品包含多种类型的聚合物（例如不同颜色的聚合物），则在打印产品不同部分时，需要更换打印机中的各种聚合物细丝卷。以花瓶两侧打印不同颜色的分隔号为例，便需要在打印每个层时更换细丝。

采用“可编程设计长丝”技术的新型系统首先分析待打印产品的计算机模型，确定产品各部分要使用的聚合物以及打印顺序。然后利用常规的3D打印机打印一个定制长丝卷，丝卷的不同部分采用不同的聚合物，丝卷被打印为平坦的水平螺旋形式。之后，将需要用第一类聚合物制成的所有部分都打印出来，各部分之间留有采用其他聚合物的空隙。再将其他聚合物沉积到这些空隙中，将长丝不同部分之间的接头拼接在一起。

尽管该工艺仍然需要使用者手动更换不同的丝卷，但对于每种类型的聚合物只需要更换一次。而且，如果将制成的多种聚物复合材料丝卷装入打印机后，即可一次性打印产品。

可修复人体组织的3D打印生物墨水

新型3D打印技术和材料创新在医学领域也做了很多贡献，例如，威克森林再生医学研究所（WFIRM）的科学家最近取得了技术突破，开发了3D生物打印一种软骨的技术，该技术有朝一日可以帮助恢复受损的膝盖功能。

3D生物打印软骨

在最近的概念验证中，科学家们用两种特种生物墨水打印了用于软骨再生的混合组织构造。两种生物墨水中含有包含细胞的水凝胶，共同构成了一种可实现细胞友好的微环境和结构完整性的新配方。

该过程由WFIRM研究人员开发的3D生物打印机“综合组织和器官打印系统”完成，其将可生物降解的类似于塑料的材料打印组织形状，再由含有细胞的生物墨水打印新组织和器官。

第一种生物墨水是结冷胶和纤维蛋白原的复合墨水，其可以促进人体自身的细胞重新住入。第二种生物墨水是一种丝素蛋白甲基丙烯酸酯，有助于保持结构强度和柔韧性。两种生物墨水组成的配方墨水以逐层共同打印，形成网状结构。

WFIRM指出，将需要进行更大的临床前研究来进一步研究人体的反应，以及使用这种再生药物治疗的关节功能恢复情况。这将有助于医学工作在正确的方向上发展，未来一日将能够为患者设计这种至关重要的组织。

Wohlers Report 2019报告预计全球在所有3D打印产品和服务方面的支出在2020年将达到158亿美元，并会继续加速增长，到2022年将达到239亿美元，而到2024年则达到356亿美元。

市场扩张在很大程度上是源于打印技术的发展和打印材料的创新进一步开辟了新的应用领域，其中一些大学和研究机构身处创新技术的最前沿，不断突破现有限制。

采用激光反转技术实现多种材料打印

选择性激光烧结（SLS）是3D打印最常用的工艺之一，其采用激光由微米级材料粉末打印零件。传统方法是利用朝向下方的激光将材料颗粒在加热打印平台上融合在一起，从下向上制造实体，由打印机放置均匀的粉末层，并使用激光选择性地熔化粉末层中的一些材料。然后，打印机将第二层粉末沉积到第一层上，激光将新材料熔结到前一层材料上，再反复重复此过程，直到完成零件。

如果工艺中仅使用一种材料，则该过程会顺利进行。然而，在一次打印过程中使用多种材料变得极具挑战性，因为一旦粉末层沉积到打印平台上，就不能将其回收或用不同的粉末代替。

通过反转激光使其指向上方，纽约哥伦比亚工程学院（New York Columbia Engineering）发明了一种在SLS工艺中能够同时使用多种材料的方法。

简而言之，研究人员设置了多个透明玻璃板，每个玻璃板上都涂有不同塑料粉末的薄层。他们将打印平台下落到一种粉末的上表面，然后引导激光光束从玻璃板下面穿过玻璃板底部。

该工艺根据虚拟蓝图以预编程设计的模式将一些粉末选择性地烧结到打印平台上。融合材料将平台抬高，再移至另一块涂有不同粉末的板上，然后重复该过程。因此，采用该工艺可将多种材料合并到单个层中或堆叠在一起。

研究人员表示，该技术具有打印嵌入式电路、机电部件，甚至机器人部件的潜力，可以使用梯度合金（从一端到另一端材料组成变化）制造机械零件，例如涡轮机叶片，其中一种材料用于芯层，另一种材料用于表面覆层。

由于采用这种工艺无需组装即可制造复杂的多材料零件，所以可将激光烧结技术推广到更多行业。换句话说，这可能是使3D打印行业从仅打印被动均匀零件到打印主动集成系统的关键。

使用可编程设计长丝和常规打印机打印多材料

除了SLS外，使用常规的3D打印机打印包含多种材料的单个制品也不容易。得益于创新“可编程设计长丝”技术，现在可以更轻松地实现。该新型系统由日本明治大学、大阪大学和得克萨斯A&M大学的科学家合作开发。

大多数消费级3D打印机通过称为“熔融沉积成型”的过程来制造制产品，即打印机装入一卷聚合物细丝，然后将它们加热到熔点，再从其打印喷嘴中挤出，这样就可以一次成型一个水平层来制造产品。

如果希望3D打印产品包含多种类型的聚合物（例如不同颜色的聚合物），则在打印产品不同部分时，需要更换打印机中的各种聚合物细丝卷。以花瓶两侧打印不同颜色的分隔号为例，便需要在打印每个层时更换细丝。

采用“可编程设计长丝”技术的新型系统首先分析待打印产品的计算机模型，确定产品各部分要使用的聚合物以及打印顺序。然后利用常规的3D打印机打印一个定制长丝卷，丝卷的不同部分采用不同的聚合物，丝卷被打印为平坦的水平螺旋形式。之后，将需要用第一类聚合物制成的所有部分都打印出来，各部分之间留有采用其他聚合物的空隙。再将其他聚合物沉积到这些空隙中，将长丝不同部分之间的接头拼接在一起。

尽管该工艺仍然需要使用者手动更换不同的丝卷，但对于每种类型的聚合物只需要更换一次。而且，如果将制成的多种聚物复合材料丝卷装入打印机后，即可一次性打印产品。

可修复人体组织的3D打印生物墨水

新型3D打印技术和材料创新在医学领域也做了很多贡献，例如，威克森林再生医学研究所（WFIRM）的科学家最近取得了技术突破，开发了3D生物打印一种软骨的技术，该技术有朝一日可以帮助恢复受损的膝盖功能。

3D生物打印软骨

在最近的概念验证中，科学家们用两种特种生物墨水打印了用于软骨再生的混合组织构造。两种生物墨水中含有包含细胞的水凝胶，共同构成了一种可实现细胞友好的微环境和结构完整性的新配方。

该过程由WFIRM研究人员开发的3D生物打印机“综合组织和器官打印系统”完成，其将可生物降解的类似于塑料的材料打印组织形状，再由含有细胞的生物墨水打印新组织和器官。

第一种生物墨水是结冷胶和纤维蛋白原的复合墨水，其可以促进人体自身的细胞重新住入。第二种生物墨水是一种丝素蛋白甲基丙烯酸酯，有助于保持结构强度和柔韧性。两种生物墨水组成的配方墨水以逐层共同打印，形成网状结构。

WFIRM指出，将需要进行更大的临床前研究来进一步研究人体的反应，以及使用这种再生药物治疗的关节功能恢复情况。这将有助于医学工作在正确的方向上发展，未来一日将能够为患者设计这种至关重要的组织。