第四次工业革命，也被称为工业4.0，是继蒸汽技术革命（第一次工业革命）、电力技术革命（第二次工业革命）、计算机及信息技术革命（第三次工业革命）之后的又一次重大科技革命。其核心特点包括利用人工智能、大数据、物联网、云计算等先进技术，实现制造业的智能化、网络化、服务化转型。这次革命不仅深刻改变了生产方式，还极大地提升了生产效率和产品质量，推动了全球经济结构的优化升级。增材制造技术是第四次工业革命的重要组成部分，结合核心技术如人工智能、大数据、物联网等核心技术，使得这种全新的制造方式得以在制造业中引发了革命性的变革。因此增材制造技术已经成为各强国在科技前沿竞争的焦点。
图1 四次工业革命开端及技术重点
在传统产品研发设计过程中，从思考设计、样件制造、检测评价到最终设计方案与工艺确定将经历一系列漫长的周期。而在整个新产品研发周期中，样品试制花费了50-80%的时间与费用。而增材制造技术能够快速将设计转化为实体原型，大大缩短了传统原型制作所需的时间。这使企业能够在短时间内对多个设计方案进行评估和验证，从而快速确定最终方案。
拜登政府曾提出“90%的公司可以通过3D打印技术将材料成本削减90%，并把能源消耗减少一半，这些都有利于降低成本。”不仅如此，企业还可以在产品开发过程中进行快速迭代，快速响应市场变化和客户需求。设计师可以根据用户反馈快速修改设计并重新打印原型，从而加快产品优化和完善的过程。
图2 增材制造可节约样件试制中所花费的大量时间与费用
传统制造业的生产环节是一个复杂且系统化的过程，一件产品的制造可能需要经历多道工序，从最初的坯锭铸造，可能经历多道冷加工如轧制、锻压、拉拔，以及保证精度与表面光洁的机械加工如车削、铣削、磨削等多环节不同工序。因此传统制造模式是一个相互关联、相互作用的系统。各个环节之间需要紧密配合和协调，才能确保生产活动的顺利进行和产品质量的稳定提升。因此对传统制造业企业来说，就需要具备多个车间多种设备来承担不同工序的加工任务才能得到最终产品。
而增材制造的出现使得产品加工从多个车间向一台增材设备转变，启动资金也从数种设备的千万级资金缩减为一台设备的百万级资金。除此之外，增材设备的高自动化也将带动创业从专业向普及发展。从客户角度来说，产品也将从批量生产的制式产品改进为根据不同需求个性化定制的差异化产品。以上因素都对创业提供了新的机遇。
图3 增材制造技术推动企业制造从多车间多设备转向一台设备降低了创业门槛
从制造技术的发展历程来看，3000多年前人类掌握了等材制造技术（铸、锻、焊等），300多年前随着材料进步发展出了减材制造技术。而近百年来，数字化与制造技术的逐步发展与融合带来了新的机遇，一项新的制造技术应运而生，这就是增材制造技术。
图4 增材制造从最初的点成形发展出了面成形与体成形等不同方式
在增材制造的概念提出后，经过国内外学者不懈研究，新技术与新原理不断涌现。增材制造从最开始的逐点成形逐渐发展到面成形甚至体成形。而其高自由度柔性设计的方式促进了功能结构一体化的进一步完善，推动了学科交叉与各类新型产业的发展。也为各行业设计创新提供了新的途径，例如某型号发动机可以借助增材制造在一体化方面的优势，将20余个零件集成为一个，同时减重25%，使得工作效率提升15%。摩托罗拉公司采用3D打印技术生产了可以个性化订制的手机外壳。新技术对产业带来变革和创新的同时，也对相关学科的人才培养提出了新的挑战。
图5 一体化发动机与个性化定制手机外壳
增材制造技术的发展推动了正向设计思维的应用。正向设计以产品的功能需求为导向，通过优化设计来降低成本和提高性能。由于增材制造不受传统制造工艺的限制，为正向设计提供了技术支撑，使得设计师能够更加自由地发挥创新力，创造出具有颠覆性设计的产品，探索新的设计领域和应用场景。增材制造所带来的设计变革是多方面的、深远的。它不仅提升了设计自由度、加速了设计迭代、转变了设计思维，还拓展了设计生态和创新了设计服务。这些变革为工业设计和制造业的发展注入了新的活力和动力。
增材制造在生物医学领域的应用也得到了广泛关注，对于未来医疗技术发展的方向起到主导作用。对于我国来说，在人民生命健康成为小康社会重大需求的前提下，我国90%以上的高端医疗器械仍然依赖进口，由此导致的高消费等产生了众多因病返贫的现象，造成严重的国家和社会难题。增材制造在医学应用中的最初由辅助制造医学模型和各类器械，发展到各类假体替代物与再生支架制造。21世纪随着3D打印技术的完善目前已经可以进行活性组织的打印。例如，功能化活性心肌补片的3D打印，主要针对心肌梗死这一严重威胁人民生命健康的疾病，我国每年都有超过50万患者遭受心肌梗死威胁，需求十分迫切。通过3D打印技术制造出适配的活性心肌补片并植入，可以促进梗死区域再生并修复心脏的功能。而其中的多尺度生物纤维/活性细胞复合打印并实现跳动能力成为了该技术的难点和挑战。
图6 活性心肌补片的结构及植入示意图
最终通过研发高精度、多喷头的活性组织3D打印系统，成功打印出了纤维线宽在0.2-10微米，细胞活性＞95%的活性心肌补片材料。通过植入，可以有效促进梗死的心肌组织再生，为严重心肌梗死患者的治疗开辟新的途径。
图7 活性心肌补片修复策略与修复前后效果对比
增材制造技术（3D打印技术）目前已经成为创新创业的工具和利器，也是世界强国科技竞争的前沿技术。目前该技术已经取得了显著的产业成效，已经对各行各业产生了重大影响，也将使得未来产业社会的模式产生重大变革。该技术的发展也对于教育行业与学科也提出了新的要求，应以培养新型工程融合人才为目标。想要持续推动增材制造这一新兴技术的发展与应用，不仅需要激发天马行空的思想，也需要脚踏实地勇敢探索。