杨继全：3D打印在建筑领域的应用-中国3D打印技术产业联盟
杨继全：3D打印在建筑领域的应用
来源：&&作者：& 17:14:17
杨继全：非常抱歉，隔壁有一个节目录制，让各位久等了。我首先介绍一下我们这个团队所做的一些事情。我们这个团队包括一个大学，我是在南京师范大学做一些基础性研究和基础性开发的，我们有一个江苏省的三维打印重点实验室，这个是面向3D打印产业做关键技术研发的。我们还有两个公司、两个工厂，也是做3D打印产品、生产以及销售和服务的。我们还有两个创新中心，一个是南京市的三维打印创新中心，是做成果转化以及技术服务、平台建设的。还有一个协同创新中心，这个3D打印机的协同创新中心是把各个相关的学科资源进行一个整合，面向产业协同进行一些基础性的技术研究和开发工作的。所以总体来说，我们这个团队现在有200号人跟技术相关的。
我今天主要的重点，向各位汇报一下以及讨论一下关于我们其中做的一个方向是建筑打印，建筑打印这一块，我相信各位也不陌生，在这个领域里面其实出现的比较晚，也是最近这两三年左右的时间，之前更多的还都是一些关于其他的小型的桌面式的，或者是工业级的3D打印设备。
我主要向各位共同讨论一下这几个方面，一个就是建筑打印它的一些特点，另外一个建筑打印所涉及到的几个关键核心技术以及我个人认为在3D建筑打印领域的一些发展趋势或者需求。我刚才简单介绍一下我们这个团队主要的情况，我就不再详细介绍了，我们还有一些研究生的工作站，还有几个产品的品牌。
这是我们一个公司其中的研发场所，我们还有一个重点实验室的研发场所，5000个平米。这是我们的两个工厂，生产各种3D打印设备，包括桌面级的小型设备、工业化的设备以及这种大型的设备。这是我们的产业创新中心，里面有各种各样3D打印的设备，以及3D打印的应用成果和案例。右下角的那个图你会看到一个辟邪，那是南京的象征，只进不出，能够有理财的寓意。这个是我们打印的，3.5斤重的辟邪，用打印的方式去复制，表面做旧，跟实物一模一样的东西。
我们也取得了一系列的资质。
在小型设备上面我们做FDM系列和SLA系列的小设备，在市场上已经形成了一定的销量，主要是出口。我们还在彩色3D打印上面，4年以来一直在做彩色打印设备的研发和生产。它可以在玩具以及对动漫有更好的应用。
我们还有一些做UV的，当然它的寿命也比较长，采用的是一种支撑材料和实体材料相结合的方式。我们研发了各种各样成形的材料，为各种成形工艺提供各种各样的支撑。基于前面的研发工作，我们做了一个云制造平台，这个平台一方面是为那些买不起设备的用户提供各种各样设计和制造的服务，另外希望能够把现在的这种已经购买设备的用户，它的设备的效率利用起来。大家知道很多的高校和科研机构买很多很贵重的设备，但是设备的利用率绝大多数情况下都是空的，怎么有效利用这些设备的利用率，为社会，为用户提供更好的服务，这是我们现在做这个云制造平台所要做的一个基础性工作，我们可以把这些闲置的设备，通过我们的云平台联系起来作为我们的下端，作为它的一个网络群。我们要搭建这样的一个网络平台和前期的数据架构，就能够为各种各样的用户提供各种各样的技术支持和服务。
我们在全国建了好几个科技馆，这些都是义务性的，全年是免费的，对青少年进行一个科普。更重要的是我们希望把这些设备的资源通过网络联系起来，面向广大的社会提供各种各样3D打印个性化的服务。
我们在建筑领域里做了一部分工作，这工作还在进行时，还有许多需要完善的地方。我们也认为在建筑领域里它还有很多的挑战，但是它的优势也应该比较明显。首先一个优势，它抗冲击性能和抗震性能比传统的建筑大幅度增强，因为我们知道3D打印它从头到尾变成了一个零件，是混凝土的，相对于传统的这个建筑来讲，它有很多的砖、混凝土、钢筋，不同的材质组成。首先如果我把一个建筑看成一个机器的话，这样的一套机器应该是有几千、上万个零件组成的，任何一个零件的损害都会影响整个机器的一个结构和性能。建筑打印机就不一样，从毛坯上来讲只有一个零件，这一个零件损坏了才会影响整体的性能，建筑打印它整体的性能要比传统的高很多倍，但是怎么实现这样一个力学结构或者抗冲击性能，对于防止实体建筑来讲，从功能要求出发，我们达到这个要求，就是后面我们要通过关键核心技术要解决的问题。3D打印它可以自由成形，在整个结构里面通过节省材料的方式，类似于右下角一样的方式，可以大量的节省材料。我们可以节省20%到30%的建筑材料。
第三个方面，它就可以有更好的保温的性能和环保的性能。还有一个就是对于很多的设计师来讲，怎么去设计出和制造出他想要的一种造型的建筑，当然这个本身就是艺术和功能的结合体。对于现在的这种技术来讲很难做得到。很多的建筑师的梦想是一个造型非常有别致的，让人看过就不会忘记的造型。但是对于施工方来讲，可能是无法承受的，或者是无法施工的。对于3D打印来说，解决这个问题是一个非常容易的事情，因为3D打印解决的重点就是结构的形状的问题。所以如果我们通过建筑打印的这种方式来去实现实体建筑的话，它可以非常有机地很好地结合，把一个工艺或者艺术给一个实体功能相结合的方式。当然，对于建筑来讲我们很关心成本问题，我们经过一段时间的研究和测试，我们发现采用传统的房子跟现在的建筑打印的房子，它的这个成本是接近的，我想扣除这个建筑设备而言，从材料以及施工、工作时间方面来讲，我想它的成本应该是没有明显的改变或者明显的差异化。
左下角这个图就是我们现在正在打印的一栋房子，它是别墅的一部分，它是一个实体的建筑具备的基本功能，就是居住的功能，结构符合我们现在实体对房子要求的功能。我们有一个小的视频，关于建筑打印的工艺流程。
从这个成形工艺上来讲，它是材料、设计、结构、力学、功能完整的一体。
这是一个示意图，也是采用了这种普通的喷头来喷射这种混凝土的形式，一层层实现三维打印的。这个喷头在做的时候有多种，有的采用单喷头，有的采用多喷头，有的采用另外的这种塑料丝，也有石膏粉等等不同的方式，就是根据这个建筑本题所需要的特点去使用的一种工艺方法。
这是我们现在做的那栋房子大致的示意图，两只手捧起一个地球的造型，我们想塑造的概念就是给建筑师一个梦想，只要给他一个工具，一个3D打印的设备，他就可以用自己的双手托起这个地球，改变这个地球。包括这个事，也是我们希望能够尽快打印出来的。但是树的造型，它内部的结构是完全具备结构的特点和实用的特点。
现在3D打印机技术虽然是一个新技术，但是它在继承传统的3D打印机技术以及工艺的基础上也有相应新的要求。在这几个方面，我认为建筑打印它现在面临着几个关键核心技术。第一个关键核心技术就是它的结构和功能的一个设计问题。我相信在座的有很多是做建筑的、做设计出身的，现在市场上还没有针对3D打印的一种设计软件，我们用的更多的是平面设计图做平面的结构设计，施工图，但是在设计的时候根本没有考虑到材料的问题、工艺的问题以及结构、硬力分析方面的问题。怎么去开发基于3D打印这种建筑工艺的设计系统，这是我想可以跟在座共同探讨的问题。
第二个，在建筑打印的领域里，它的这种房子结构往往是非常复杂的，需要的数据量非常庞大，怎么解决大数据量的数据处理？我想对于做机械产品设计的或者做传统的3D打印设备的这种工程师来讲，它有一个很深刻的体会，就是当模型的结构程度非常复杂的时候，它的数据量非常庞大，你处理起来的话花大量的时间，甚至系统很难解决，更不要说房子，远远比我们现在看到的小模型，十几公分、几十公分模型的结构和数据量大得多，所以如何能够有效地解决这种大数据量的模型的设计和工作量，这是一个非常大的挑战。我们现在加工的左下角这个别墅，它的这个数据量是几百兆、上G的数据，普通的计算机很难承受得了，而且在运算模拟的时候，在仿真的时候，在进行运力分析的时候往往会遇到很多的问题，这都不是短期内靠我们一家或者某一个工程师能解决的问题，这是一个行业性的问题。
另外这个建筑模型在分析和优化方面，我想现在也是一个空白，我们知道现在的建筑打印它的这个模型能不能实用化，是取决于它的性能，满足不满足这种实用的需求，你怎么能够在打印之前就考虑到？
我们在这方面做了一部分工作，我们认为未来的建筑不是单一材料的，是多种材料组成的东西。所以我们认为未来建筑的设计领域里头就应该考虑到多种材料，它有钢筋，有混凝土，还有管道、电路，这里面各种材质的分布跟建筑是有机的整体，我们可以把它看作系统，由多种有机的材料完美的整合在一起的。你对它的一种建模和设计，我想这是非常大的挑战。我们在这个领域里面可以借鉴机械工程方面方面的建模，这个方面我们做了很多的研究，也积累了大量研究的成果和软件的设计，我想它们本身是相通的。
在3D打印建筑里面它是有机的整体，不像传统的制造里面结构往往是分离的，而是有机的整体，所以如何能够建立这种材料空间和结构空间有机的对应，我想这是在我们设计领域里面要克服的问题。这是我们做的一部分的探索，我们希望能够基于现在传统的3D设计软件支持现在建筑打印的模型，从单色到多色，从单材质到多材质的建模的过程，以及从这种最原始的平面的设计和工程的计算，到工程的自动化的这样的结构分析，我想这也是我们在做的一部分工作。
第二个关键技术是关于3D打印技术的装备和研究的开发。大家都知道现在3D打印的设备往往都是小设备，它不足以去实现大工程的建筑物的设计和生产，或者是相应工艺的处理，必须要开发出专用的工艺设备。它其实就是一种大型的数控机床，它的这种设计、制造及其工艺，其实对于业界里面是很大的挑战。我们现在做的设备最大可以20米，就像这样的大厅一样，这对工程机械的工程师和设计师来讲是非常大的挑战，如何进行结构和加工，这东西都是在业界提出来新的问题。当然还牵扯到一些工艺的问题，是用这种粉末铺平连接的形式，还是用类似FDM，用塑料丝、混凝土喷射的方式，我想这两种方式在业界里面都有一定的应用。左边这个它是用3DP的方式，右边那种它是用混凝土，是用喷头来喷射的方式。它这两种方式各有优缺点。当然还有其他混合的工艺，像刚才说到多材质、多材料的方式，它的结构比这个复杂的多。我们有另外的设备能够支持多材料的方式。
第三个方面遇到的问题就是关于3D打印建筑、设备还有成形积累的研究，一个就是解决悬臂的问题，比如对于我们现在右边设计的建筑来说，它的穹顶相当于是一个悬臂的东西，相当于没有支撑，对于这种如果采用刚才看到的类型于FDM的方式来说，它的这种支撑没有办法添加或者很难添加的，这种悬臂的问题现在行业里很难解决，你很难在市场和报道上看到用混凝土的方式做悬挑或者直接做天花板的，垂直横平竖直的结构，所以这个是在行业内要考虑的问题。
第二个就是它本身固化性能的问题。在传统的性能里面，混凝土大家都很清楚，今天浇灌，到明天，24小时甚至更长的时间让它去固化。3D打印里面不允许，几秒钟一定要让它固化，从喷出到初凝状态以及到完全固化状态是需要经过时间的，这样一个时间它的利用率有没有，会不会影响你的使用，这都是要研究的问题。
下面一个就是系统的集成问题，它包含了很多问题，材料、工艺、检测、安全问题，因为是一个施工，它必须有大量安全的问题。怎么能够把这个建筑装备去设计和加工出来，还有一些标准的问题。
我想对于建筑打印，还有另外一个关键问题需要解决，就是材料本身的问题。我们都知道它是每一层每一层叠加的，层层之间承接怎么样，这是一个急需要解决的问题。右上角是我们做的微观的分析。
第四个方面我要简单的给各位探讨一下，关于3D打印建筑发展趋势的问题。我想趋势首先是柔性化的问题，这样一个打印能适应于不同的形态，包括大的城市雕塑，室内的装饰品，怎么能适应不同的结构形态，首先是整个过程要自动化，还有就是你结构要做的模块化，这是大致的一个模块化的结构形态。另外就是实用性，如果仅仅这样还远远不能进入产业的状态，它可能不是一个很有用的东西，一定要解决实用性的问题。我们也打印了相应的雕塑，但是这个雕塑离实用还有一定的距离，希望共同探讨。
第三个方面就是人文的问题，建筑打印它是个性化的东西，不是解决高楼大厦的问题，解决的是个性化的私人定制的一些问题。什么时候我们可以做到Hobbits的屋子，是一个景观而不是雕塑，这是一个人文建筑，这是一个目标。
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常年法律顾问：林文静（北京高通律师事务所合伙人）上海新材料企业3D打印出实体建筑 _打印版_中国行业研究网_
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　　　　上海盈创新材料公司(以下简称盈创公司)通过3D打印机成功“试印”出了十栋实体房屋。该公司董事长马义和对称，国内知名房企汤臣集团已与盈创公司展开接洽，计划尝试用这项新技术建造整栋别墅。不过，试图采访该项目汤臣方面的负责人，对方以时机尚不成熟为由婉拒。
　　在马义和看来，3D打印会像数码相机替代胶片相机那样，颠覆传统的建筑行业。
　　不过，对于3D打印在建筑领域的走向，南京师范大学电气与自动化工程学院副院长杨继全表示，该技术目前尚处于探索阶段，短期内并不具备产业化条件。
　　建筑业5年内普及3D打印？
　　据了解，3D打印建筑的原理，类似厨师使用奶油笔为蛋糕绘制雕饰。3D打印机在挤出“油墨”时，也形成了类似雕饰纹路的“分层”。这个一眼就能为人所识别的特点，也出现在那十栋 “试印”出的实体房屋上，与普通建筑形成明显差异。
　　现在，十栋“样板房”矗立在上海远郊的一处园区内，经过简单的内部装修后，将作为园方的办公室。其中最大的一幢两层建筑长10米、宽6米、高4米，只花了不到三小时就“打印”完成，速度远快于传统的建筑方式。
　　实际上，打印出类似的完整建筑，一直是3D打印界的目标。马义和告诉，3D打印建筑的核心在于找到合适的“油墨”。从事建材研究十多年的他，使用了一种以改良水泥混合玻璃纤维制成的材料，以实现3D打印建筑的所需功能。
　　在马义和看来，这一新兴建筑方式在“打印”过程中不会产生建筑垃圾，与传统建筑相比，能有效节省材料和人工，估计其综合成本可下降30%以上。“就像数码相机出现后，现在还有多少人用胶片相机？”对于3D打印建筑的前景，马义和颇为乐观。他预计，5年内，国内建筑都会用上3D打印技术。
　　中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军在接受采访时称，到2016年，国内3D打印市场规模有望达到100亿元。不过对于3D打印建筑这一细分领域，并未有相关的市场规模预测，但值得注意的是，2012年，全国建筑业总产值就达到了13.7万亿元。
　　专家：3D打印建筑性价比存疑
　　马义和介绍称，最近已有房地产企业与盈创公司接洽，尝试3D打印建筑这一新技术。汤臣集团就计划与盈创合作，使用3D打印技术建造整栋别墅，目前用于该项目的相关技术尚处于试验阶段。试图采访该项目汤臣方面的负责人，不过对方以时机尚不成熟为由婉拒。
　　事实上，3D打印技术能在多大程度上改变传统的建筑行业，业界并未形成统一看法。在南京师范大学电气与自动化工程学院副院长杨继全看来，虽然已有样板房的成功建成，但3D打印建筑在技术上还远不成熟。
　　“3D打印建筑在设计领域还处于空白阶段，相对而言，有一定进展的是装备领域，虽然已经有了3D打印样机，但还不是成熟的设备。”杨继全认为，3D打印出来的建筑，应该以毛坯房作为衡量的标准，看它是否能像毛坯房一样拥有居住或办公功能。而目前3D打印出来的建筑还缺乏实体建筑功能，更像是模型而非可以实际应用的产品，况且现在也没有行业标准来检验这些建筑的抗震、环保等性能。
　　杨继全称，“(3D打印建筑)是一个好东西，但是没有必要过度拔高它。”他预计，3~5年后，3D打印技术才能应用到具有功能性的建筑体中，与传统建筑方式互为补充。
　　上海市建筑科学研究院总工程师徐强对于3D打印的经济性，也表示了一定程度的疑虑，出于成本的考量，3D打印技术在零部件领域主要用于个性化、小批量的产品，而建筑领域大批量使用该技术，在经济上是否可行？
　　杨继全对此也颇为谨慎。按照他的估计，3D打印建筑能节约30%以上的材料损耗，但是如果综合考虑电能消耗、设备损耗以及研发成本，批量化生产的3D打印建筑，相比于传统建筑来说，性价比如何，目前还很难说。DF127)
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　 　　
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距“3D打印建筑”这一概念问世短短三四年时间里，世界各国的建筑设计公司都在进行自己的实践和研究，尽管3D打印仍停留在打印样板房阶段，但凭借着省人力、成本低、速度快、环保，其潜在发展前景已获得业内认可。3D打印自1983年查克?赫尔(ChuckHull)发明3D打印技术以来，该技术陆续在交通运输、工业设计、电子机械、生物医学以及其他领域都有所应用，不断刷新着人们的现有认知。历数近几年来3D打印技术的发展成果，会发现该技术从未中断过亲近人类的脚步。目前全球范围内的3D打印建筑基本都是事先在工厂预置好，然后运送到施工现场进行拼装，人力物力耗费巨大。2016年3月，公司盈创科技完工两幢面积分别为80、130平方米的3D打印中式庭院，造价为40万元。
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2013年4月，公司与西安交大苏州研究院签署了三维打印技术合作协议，双方加强在产学研方面的合作，拟在先进三维打印领域进行前沿合作，具体实施方为全资子公司苏州江南创意机电技术研究院。2013年年报披露，2013年6月试制成功FDM（熔融挤压）桌面型3D打印机，目前已进入批量生产。8月，研发制造SLA（光固化树脂）工业级3D打印机产品样机。同时，在SLS（激光烧结）、SLM（激光熔融）等前沿技术方面正在投入人力、资金进行产品研发。产品（技术）水平达到国内领先，主要应用于三维实物模型零件加工领域，在航空、航天、汽车、医疗、动漫、消费品等领域中可取得了较好的应用成效。截至报告期，公司在三维打印机产品实现销售10万元，利润3万元。此外，除了民用级的3D打印机的研制，公司全资子公司江南嘉捷机电技术研究院还在实施“约束型紫外光固化快速成型机床”项目，该项目主要针对低成本、高精度三维打印方法和工艺进行研究，为小型精细零件的三维打印提供可能的方法。
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2014年1月，为迅速实现3D打印技术产业化，由华中科技大产业集团牵头，联合公司、合旭控股等五家公司共同组建华科三维，实施华中大3D打印产业化项目。华科三维注册资本6000万元，华中科技大产业集团专利作价出资600万元，占10.00%；公司出资400万元，占6.67%。公司利用数控系统成套技术优势，与华中科技大学综合学科及科技成果优势相结合，共同建立3D打印产业技术协同创新平台。华科三维计划购买位于武汉市东湖高新技术区未来城150亩土地，建设3D打印产业园，拟建厂房10000平方米。目建设期为2年(年)，建成后，公司主要产品包括金属零件3D打印产品、桌面型喷头打印产品、全印制电子打印产品等。
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2013年9月，公司出资1200万元(占60%)与王博文共同成立3D打印合资公司。王博文为上海悦瑞总经理，上海悦瑞为德国EOS(全球最大的激光3D打印设备制造商)中国代理商，销售EOS激光3D打印全系列产品,并建立了外包加工服务平台，提供激光3D打印加工服务。王博文带领的应用团队在汽车、模具等应用方面具有设计优化+数据处理+快速制造+多样化后处理等强大的技术优势，并在汽车工业、模具等领域奠定了良好的客户基矗合资公司设立后，上海悦瑞将保留德国EOS设备代理业务，而工业3D打印加工服务的团队及现有业务、客户将全部转移至合资公司。2013年10月，公司与比利时Materialise公司签订3D打印赛车合作框架协议，Materialise公司致力于快速成型领域的开发与研究，现已发展成为全球RP快速成型/RT快速模具/RM快速制造解决方案的最大供应商。双方将借助3D打印技术，用一年时间完成一辆可驾驶的电动或太阳能赛车的制作。
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3d打印激光设备，国内激光行业龙头，公司被认定为深圳市高新技术企业、深圳市重点软件企业和深圳国家科技成果推广示范基地重点推广示范企业。具备年产3000台激光加工设备的生产能力，是国内最大的激光信息标记设备制造企业。公司激光PCB设备取得突破性进展。激光PCB钻孔机、PCB激光PP剪裁机、UV激光PCB软板切割机等PCB激光设备成功实现商业化，随着激光在PCB设备领域应用需求不断增加，公司在PCB激光设备竞争优势地位将会得到强化，激光PCB设备将成为公司在PCB设备领域重点发展的产品。
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3D打印建筑，离我们还有多远？
来源：中国建设报&&&&
被称为推动“第三次工业革命”重要力量的3D打印技术，最近因为万科董事局主席王石的一席公开发言，再次被国内聚焦。“三年后在万科建筑研究中心出现用3D打印机建房子一点也不奇怪。”王石表示，3D打印建筑在万科看来并非遥不可及，也是将来万科住宅生产方式的升级方向。作为行业大佬，王石此言一出，让不少业内人士惊觉，3D打印建筑真的要来了吗？
对此，记者通过走访了解发现，目前无论是国内还是国外，3D打印建筑都还停留在实验室阶段，国内3D打印企业在建筑领域的应用也大多是制造建筑模型，鲜有实体建筑的案例。“随着关键技术研究的突破，用3D打印机建房子的案例将逐渐出现，但是离成熟化、产业化发展还有相当的距离。”中国3D打印技术产业联盟顾问、南京师范大学电气与自动化工程学院副院长杨继全在接受《中国建设报·中国住房》记者采访时表示，相比起传统建造方式，使用3D打印技术造房子有诸多优势，但在设计体系、成型材料、制造设备、相关标准等方面依然面临着不少挑战。
从“制造”到“创造”
“3D打印的好处就是可以将计算机中的设计精确转化为实体，甚至直接制造零件或模具，一次成型整体样件。也就是说，可以大大节省把设计转化成模型的时间和金钱。”杭州铭展网络科技有限公司CEO金涛告诉记者，传统的成品模型都是通过机械切割、手工等方式制造，在精度和表现形式上有一定局限性，而使用3D打印机，不管多么复杂的设计模型，只要有相关的三维数据，3D打印机都可以精确地制造出来，而且速度要快很多。
据了解，“3D打印”学名为“快速成型技术”，也称为“增材制造技术”，是一种不再需要传统刀具、夹具和机床就可以打造出任意形状，根据零件或物体的三维模型数据通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。该技术近几年颇受国内关注，金涛所在的铭展公司成立于2009年，是国内最早从事3D打印服务的公司之一，目前销售业绩已过千万元。
只要一台打印机，从设计到制造就可以一步完成。金涛介绍，使用者只要把产品的三维数据文件存储到3D打印机中，然后操作3D打印机执行打印命令，打印机就直接打印出想要的样品。“这不仅大大降低了制造的门槛和时间周期，同时也能够更好地满足消费者个性化、定制化的需求。”他认为，由于定制化市场得到激发，一些新的商业模式也随之产生，建筑师可以利用在线定制的方式更活跃地参与到行业设计中，这将给建筑设计带来更大的创意和施展空间。
不仅如此，3D打印还将因此更深刻地改变我们的生活。有专家指出，传统的制造方式依靠规模生产降低成本，但绝大多数的需求并不需要规模生产，过去只能由手工制作或归为奢侈品来满足。“从3D打印的技术原理来看，设计师设计的任何复杂的、高难度的、传统制造方式不能生产的产品，利用3D打印都可以轻松地打印出来。但是，传统制造业所擅长的批量化生产，恰恰是3D打印的短板。比较来看，3D打印技术擅长解决个性化、复杂化、高难度的生产技术，而传统制造业则擅长的是批量化和规模化，彼此之间优劣态势正好形成互补关系。”中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军如此认为。