读2025世界前沿技术发展报告133D打印技术(上)

1. 3D打印技术

1.1. 2024年，全球3D打印（增材制造）行业继续保持快速增长的趋势

1.2. 3D打印技术持续取得新突破，包括打印效率进一步提高、应用的多样化、多材料和混合3D打印的快速发展、可持续3D打印

1.3. 国防军事、航空航天、生物医疗等领域越来越多地将3D打印技术集成到工作流程中

1.4. 生物3D打印、4D打印（3D打印+智能材料）​、人工智能增强型3D打印等新兴技术也展现出重塑3D打印行业的巨大潜力，有望成为产业变革的核心驱动力

2. 整体发展态势

2.1. 3D打印在国家产业布局中的重要地位，是推动智能制造、生物医疗、新能源汽车机械、有色金属等多个关键产业创新发展与转型升级的重要力量

2.2. 在3D打印技术的应用方面，用于最终零件生产的比例达到35.3%，且呈逐年上升趋势

• 2.2.1. 表明3D打印在实际生产中的应用越来越广泛

• 2.2.2. 其中航空航天领域尤为典型，一些3D打印的结构零部件获得了适航认证，表明3D打印技术在需要高可靠性的领域正在加速落地

2.3. 服务商提供最多的服务类型为聚合物3D打印（67.1%）​，其次为金属3D打印（29.7%）​

2.4. 中国在聚合物3D打印应用上增长强劲，特别是在电动汽车、新能源和医疗（如牙科）等领域，以及在工业和服务业中的模具制造

2.5. 中国的3D打印系统供应商以较低的成本提供了类似西方国家高端3D打印系统的功能，使大规模金属3D打印更易被航空航天、国防军事和重工业等领域应用，亚洲地区大型金属3D打印系统需求大幅上升

2.6. 金属3D打印技术类型排名前三

• 2.6.1. 激光粉末床熔融（Powder Bed Fusion，PBF）​（89.4%）

• 2.6.2. 黏结剂喷射（Binder jetting）​（4.6%）

• 2.6.3. 定向能量沉积（Directed Energy Deposition）​（2.2%）

2.7. 在持续的政府政策支持、快速工业化进程和研究机构不断加力的研究举措等共同推进下，中国已从3D打印技术的追随者转变为领导者和创新者，在高产量生产、多材料打印和大型系统开发等领域处于前沿

2.8. 中国3D打印设备进口量下降，出口量大幅增长，反映出中国制造的设备在国内外市场竞争力增强。

3. 航空航天3D打印应用

3.1. 航空航天工业正面临高性能材料和新型设计的迫切需求，同时也面临生产周期长、成本高、性能要求高和制造难度大的挑战

3.2. 3D打印技术凭借其在航空航天领域的应用优势，包括提高产品性能、快速原型制造、缩短研发周期、提高材料利用率、降低制造成本、优化零部件结构等，正在成为航空航天工业的理想选择

3.3. 随着复杂构件一体化成型、大尺寸构件制造、极端环境性能验证等方面不断取得突破，以及生产周期大幅缩短，未来3D打印技术在航空航天工业中将发挥更加重要的作用

4. 为现代航空航天装备复杂需求提供更优的定制化解决方案

4.1. Intuitive Machines公司3D打印的火箭喷嘴部件登陆月球

4.2. 全尺寸、可操作的3D打印超燃冲压发动机原型

• 4.2.1. 普渡大学的研究人员利用3D打印技术制造出全尺寸、可操作的超燃冲压发动机原型，这种发动机可让高超声速飞行器以5倍声速以上的速度飞行

• 4.2.2. 使用GE Concept Laser X Line 2000R金属3D打印机完成了打印工作，制造出全尺寸、可操作的超燃冲压发动机原型，整个过程高效、快速且成本低

4.3. 3D打印贮箱首次实现在轨应用

• 4.3.1. 探月工程用鹊桥通导技术试验卫星—天都二号卫星冷推系统工作正常，为卫星绕月提供了高精度轨道姿态控制，标志着液氨冷气微推进系统在深空探测领域实现首次成功应用，同时标志着中国3D打印贮箱首次实现在轨应用

• 4.3.2. 采用3D打印铝合金贮箱一体化成型，不仅所有组件均在贮箱上实现高度集成一体化安装，贮箱内部也通过3D打印流道实现了各组件之间的连通，无需导管连接，研制周期大幅缩短，成本有效降低

4.4. 3D打印太空低温储罐

• 4.4.1. Elementum 3D公司的铝合金通过定向能量沉积技术制造了一种用于太空燃料补给的低温储罐

• 4.4.2. 采用传统方式制造此类低温储罐需经历储罐成型、储罐焊接以及冷却通道的加工和钎焊等流程，或需耗时1年多才可完工

• 4.4.3. 使用3D打印技术仅需两周即可完成制造，整体生产周期显著缩短，效率得到明显提升

4.5. 3D打印多材料火箭喷嘴通过严苛测试

• 4.5.1. INSSTEK公司与韩国航空宇宙研究院（Korea Aerospace Research Institute）合作，采用激光定向能量沉积技术制造出重达3吨的多材料混合火箭喷嘴

4.6. Agnikul Cosmos公司成功完成印度首个3D打印火箭亚轨道飞行测试，标志着印度太空前沿技术取得新突破

• 4.6.1. 首个3D打印火箭“亚轨道技术演示器”​（Agnibaan SOrTeD）亚轨道飞行测试，标志着印度太空前沿技术取得新突破

• 4.6.2. 由碳纤维复合材料制成，高6.2米，升空质量约575千克。该火箭核心推进系统是由该公司自主研制的全3D打印半低温发动机，采用非低温精炼煤油液体推进剂提供动力，其中每个发动机可提供约6.2千牛的推力，并将1000余个零件打印成1个整体零件

4.7. 九天行歌公司完成国内首次3D打印铝合金火箭贮箱箱底

• 4.7.1. 利用3D打印技术，成功制造出中国首件铝合金火箭贮箱箱底

• 4.7.2. 火箭贮箱箱底作为火箭结构中的关键组件，不仅决定了火箭结构安全，也是推动火箭技术创新和性能提升的关键因素之一

• 4.7.3. 制造贮箱箱底涉及精密成型、精细机械加工、热处理、表面处理、焊接和测试等多种高技术手段，制造工艺难度高

• 4.7.4. 具有设计更灵活、降本增效、性能提升及一体化制造等关键优势，这是中国公司在航天制造技术领域的一次重要突破

4.8. 首台量产版GE9X航空发动机，其中大量使用3D打印技术

• 4.8.1. 是全球推力最大的喷气发动机之一，额定推力110000磅（约合49.9吨）​，最大推力134300磅（约合61吨）​

• 4.8.2. 使用了304个3D打印零部件

• 4.8.2.1. 28个燃油喷嘴（钴铬合金3D打印）

• 4.8.2.2. 228片低压涡轮叶片（钛铝合金3D打印）

• 4.8.2.3. 1个T25传感器外壳（钴铬合金3D打印）

• 4.8.2.4. 1个燃烧室混合器（钴铬合金3D打印）

• 4.8.2.5. 8个导流器（钴铬合金3D打印）

• 4.8.2.6. 1个热交换器（铝合金3D打印）

• 4.8.3. 3D打印的零部件显著提升了发动机的性能、减轻了整体重量

4.9. 利用3D打印技术制造出液氧/液氢推力室硬件

• 4.9.1. “快速分析与制造推进技术”​（Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology，RAMPT）项目取得新成果

• 4.9.2. 利用RAMPT项目的新型合金及大规模3D打印技术，开发出了全尺寸的RS-25发动机模型，有望将成本降低高达70%

4.10. 太空探索技术公司利用3D打印技术显著提升火箭发动机性能

• 4.10.1. 全新“猛禽3”​（Raptor 3）火箭发动机

• 4.10.2. 采用金属3D打印等先进制造技术，在外观设计上，大幅简化了发动机的结构，使得大量外部部件被移到内部，减少了潜在的故障点，提高了发动机的可靠性

• 4.10.3. 在发动机性能上，​“猛禽3”火箭发动机内部结构极其复杂，包含众多细小而曲折的流道、错综复杂的管路系统以及形状各异的零部件，传统方式制造“猛禽”发动机的某些部件不仅极其复杂，精度难以满足要求，还容易在连接部位产生应力集中、密封不严等问题

4.11. 大型3D打印火箭推力器

• 4.11.1. 火箭推力器高1.3米，或是全球最大的（单件）3D打印火箭推进器

• 4.11.2. 利用金属粉末床熔融工艺连续打印354小时制成，具备200千牛的强大推力

• 4.11.3. 该火箭推力器表面光洁度极佳，兼具功能性与美观性，无需任何后处理

5. 太空3D打印实验取得重要进展

5.1. 有限的安装空间、打印安全性、微重力制造可行性等

5.2. 首件完全在太空3D打印的金属部件制造，标志着人类在太空自主制造能力取得突破

5.3. 2024年1月，由空中客车公司联合合作伙伴制造的金属3D打印机成功抵达国际太空站，成为全球首台安装在太空的金属3D打印机

• 5.3.1. 8月，该打印机在微重力环境下生产出首个3D金属部件，该部件高9厘米、宽5厘米，整个制作过程耗时约40小时，展示了金属3D打印技术在太空环境中的可行性

5.4. 首次在零重力下成功3D打印出随机存取存储器设备单元，向半导体等电子组件的太空制造迈出了重要一步

5.5. 美国Rosotics公司已开发出一种太空电磁感应3D打印技术，并正在推进在轨应用

5.6. 美国Stratasys公司准备向月球发送三种3D打印材料，并测试其在月球表面的性能与耐久性等

5.7. 除在航天工业领域应用3D打印技术外，中国也在积极布局太空3D打印

• 5.7.1. 2024年11月，​“月壤砖”首次搭乘天舟八号货运飞船升空，将验证三大关键性能，包括力学性能、热学性能的变化，以及宇宙辐射作用对“月壤砖”的影响

• 5.7.2. 开发首台可以在月球“打砖”的机器，该机器聚集太阳能，产生1400～1500摄氏度的高温，把月壤熔融，然后利用3D打印技术将月壤“打印”成不同规格的“月壤砖”​，未来建造月球科研站的时候就可以实现“就地取材”​

• 5.7.3. 高能束流发生器实验室在太空3D打印技术领域取得突破性进展，在模拟微重力环境下，成功应用冷阴极电子枪实现了钛合金精密成型，完成“太空级”3D打印