什么是3D打印
点击量 ：639 发布时间：2017-02-21 作者：恒行娱乐（上海）增材制造技术有限公司
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基本原理
3D打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广。中国物联网校企联盟把它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。三维打印通常是采用数字技术材料 打印机来实现。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长 ，其价格也正逐年下降。
使用打印机就像打印一封信：轻点电脑屏幕上的“打印”按钮 ，一份数字文件便被传送到一台喷墨打印机上，它将一层墨水喷到纸的表面以形成一副二维图像。而在3D打印时 ，软件通过电脑辅助设计技术（CAD）完成一系列数字切片，并将这些切片的信息传送到3D打印机上，后者会将连续的薄型层面堆叠起来，直到一个固态物体成型 。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料。
堆叠薄层的形式有多种多样。有些3D打印机使用“喷墨”的方式。例如 ，一家名为Objet的以色列3D打印机公司使用打印机喷头将一层极薄的液态塑料物质 喷涂在铸模托盘上，此涂层然后被置于紫外线下进行处理。之后铸模托盘下降极小的距离，以供下一层堆叠上来。另外一家总部位于美国明尼阿波利斯市的公司Stratasys使用一种叫做“熔积成型”的技术 ，整个流程是在喷头内熔化塑料 ，然后通过沉积塑料纤维的方式才形成薄层。
还有一些系统使用粉末微粒作为打印介质。粉末微粒被喷撒在铸模[2]托盘上形成一层极薄的粉末层 ，然后由喷出的液态粘合剂进行固化。它也可以使用一种叫做“激光烧结”的技术熔铸成指定形状 。这也正是德国EOS公司在其叠加工艺制造机上使用的技术。而瑞士的Arcam公司则是利用真空中的电子流熔化粉末微粒。以上提到的这些仅仅是许多成型方式中的一部分 。当遇到包含孔洞及悬臂这样的复杂结构时 ，介质中就需要加入凝胶剂或其他物质以提供支撑或用来占据空间 。这部分粉末不会被熔铸，最后只需用水或气流冲洗掉支 撑物便可形成孔隙。如今可用于打印的介质种类多样 ，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另 一头柔软 。
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发展历程
3D打印源自100多年前的照相雕塑和地貌成形技术 ，上世纪80年代已有雏形，其学名为“快速成型” 。它的原理是：把数据和原料放进3D打印机中 ，机器会按照程序把产品一层层造出来 。打印出的产品，可以即时使用 。中国物联网校企联盟形象的将它称作“上上个世纪的思想，上个世纪的技术 ，这个世纪的市场”。
据报道 ，美国科学家发明了一种可打印出三维效果的打印机 ，并已将其成功 可打印出塑料制成的固体制品推向市场。普通打印机能打印一些报告等平面纸张资料。而这种最新发明的打印机，它不仅使立体物品的造价降低，且激发了人们的想象力 。未来3D打印机的应用将会更加广泛。
在此之前，三维打印机数量很少 ，大多集中在“科学怪人”和电子产品爱好者手中 。他们主要用来打印像珠宝 、玩具、工具、厨房用品之类的东西。甚至有汽车专家打印出了汽车零部件 ，然后根据塑料模型去订制真正市面上买不到的零部件。人们可以在一些电子产品商店购买到这类打印机 ，工厂也在进行直接销售 。不过物以稀为贵，一套三维打印机的价格从一般的750美元到上等质量的27000美元不等。科学家们表示，三维打印机的使用范围还很有限，不过在未来的某一天人们一定可以通过3D打印机打印出更实用的物品。
在20世纪80年代中期，SLS被在美国德州大学奥斯汀分校的卡尔Deckard博士开发出来并获得专利，项目由DARPA赞助的 。1979年，类似过程由RF Housholder得到专利，但没有被商业化。 1995年 ，麻省理工创造了“三维打印”一词 ，当时的毕业生Jim Bredt和Tim Anderson修改了喷墨打印机方案 ，变为把约束溶剂挤压到粉末床的解决方案，而不是把墨水挤压在纸张上的方案。
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国产3D打印机
随着3D打印技术的不断成熟，国内3D打印研发人员也在不断更新与改进，随着3D打印技术的热度不断升温，3D打印便是一项时尚的话题。国内众多打印设备品牌厂家也在着力研发3D打印产品 ，例如深圳武腾3D打印机 、乐彩3D打印机等国内新兴3D打印机厂家 。
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主流3D打印技术简介
熔融沉积快速成型（Fused Deposition Modeling，FDM）
熔融沉积又叫熔丝沉积，它是将丝状热熔性材料加热融化 ，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出 ，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上 ，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。
在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易 ，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术，而工业级FDM机器，主要以Stratasys公司产品为代表。
FDM技术的桌面级3D打印机主要以ABS和PLA为材料，ABS强度较高，但是有毒性，制作时臭味严重，必须拥有良好通风环境 ，此外热收缩性较大，影响成品精度；PLA是一种生物可分解塑料 ，无毒性，环保，制作时几乎无味，成品形变也较小，所以国外主流桌面级3D打印机均以转为使用PLA作为材料 。
FDM技术的优势在于制造简单，成本低廉，但是桌面级的FDM打印机，由于出料结构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM成型效果影响非常大 ，而桌面级FDM 3D打印机通常都缺乏恒温设备，因此基于FDM的桌面级3D打印机的成品精度通常为0.3mm-0.2mm，少数高端机型能够支持0.1mm层厚，但是受温度影响非常大，成品效果依然不够稳定 。此外，大部分FDM机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的“台阶效应”，较难达到所见即所得的3D打印效果，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用FDM。
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基本步骤
打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状 、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。
打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米 ，也有部分打印机如Objet Connex 系列还有三维 Systems' ProJet 系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米 。 用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定。而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时 ，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的 。
传统的制造技术如注塑法可以以较低的成本大量制造聚合物产品，而三维打印技术则可以以更快 ，更有弹性以及更低成本的办法生产数量相对较少的产品。一个桌面尺寸的三维打印机就可以满足设计者或概念开发小组制造模型的需要。
目前三维打印机的分辨率对大多数应用来说已经足够（在弯曲的表面可能会比较粗糙，像图像上的锯齿一样），要获得更高分辨率的物品可以通过如下方法 ：先用当前的三维打印机打出稍大一点的物体，再稍微经过表面打磨即可得到表面光滑的“高分辨率”物品。
有些技术可以同时使用多种材料进行打印 。有些技术在打印的过程中还会用到支撑物，比如在打印出一些有倒挂状的物体时就需要用到一些易于除去的东西（如可溶的东西）作为支撑物 。
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基本特点
3D打印技术对于生产者来说，可大幅降低生产成本，提高原材料和能源的使用效率，减少对环境的影响，它还使消费者能根据自己的需求量身定制产品 。
3D打印机既不需要用纸，也不需要用墨 ，而是通过电子制图、远程数据传输、激光扫描、材料熔化等一系列技术，使特定金属粉或者记忆材料熔化，并按照电子模型图的指示一层层重新叠加起来，最终把电子模型图变成实物。其优点是大大节省工业样品制作时间，且可以“打印”造型复杂的产品 。因此许多专家认为，这种技术代表制造业发展新趋势 。
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相关技术
7.1 技术影响
有些业内人认为，三维打印技术对制造业的影响将可与喷墨打印机对文件打印的影响相媲美 。三维打印技术带来的变化或将改变制造业的经济面貌。许多人认为，这项技术将让商业完全去中心化 ，逆转伴随着工业化到来的城市化进程 ，人们将不再需要工厂，届时，每个村庄都将拥有一个由打印机组成的制造厂，制造所需的物品 。但是，也有人认为，城市的经济和社会利益远远超出吸引工人到装配线上工作的能力。
有人坚持认为 ，三维打印技术减少了对工厂工人的需求，削减低成本、低工资国家的优势，因而会增加发达国家的生产能力。不过 ，也有人对此表示怀疑 ，他们称 ，亚洲制造商也有能力采用该技术，而且 ，即使三维打印技术确实会让生产重回发达国家，它也无法提供更多的工作机会，因为与标准的制造过程相比 ，它并非劳动密集型的技术。而三维打印技术给物流公司带来的威胁是显而易见的，2010年在由DHL公司组织的一次大会上，有人就提出了这种可能性：当公司能够在需求产品的地方打印出急需的零部件时 ，为什么还会从国外空运呢？
7.2 面临问题
现在三维打印技术的精度约为0.1毫米，而且打印机本身的售价偏高，不过，随着技术的进步和成本的降低 ，一台普通三维打印机的成本有望比1985年的激光打印机还要低。
但生物三维打印机也面临着诸多挑战，其中之一是其打印出的物体如何与身体其他器官尤其是大的组织更好地结合，因为任何打印出来的器官或身体组织都需要同身体的血管相连 ，而这可能非常难实现 。一旦克服了这个技术障碍，在未来几十年内 ，生物打印技术将成为一项标准技术 。
7.3 产权保护
三维打印技术的意义不仅在于改变资本和工作的分配模式 ，而且也在于它能改变知识产权的规则。该技术的出现使制造业的成功不再取决于生产规模 ，而取决于创意 。然而 ，单靠创意也不够，模仿者和创新者都能轻而易举地在市场上快速推出新产品 。因此，竞争优势可能将前所未有地变得比以前更短 。
一旦物品能用数字文件来描述，它们就会变得很容易复制和传播，当然，盗版也会变得更加猖獗 ，就像音乐工业出现的情况一样 。当一个新玩具的草图或一双鞋的设计方案在网上流传时 ，其知识产权的拥有者会失去更多，因此，人们在知识产权领域进行的斗争会更加激烈。并且，随着开源软件、新的非商业模式的出现 ，三维打印技术需要比目前更加严谨还是更加宽松的法规还有待验证 。
3D打印机可制作枪支 ，安全问题引发争议,从网上免费下载示意图 ，然后在3D打印机上制作枪支 ，所有一切都只通过点击按钮完成。点击打印，然后走开 ，几小时后你就拥有一支枪了 。这样制作枪支不需要接受背景调查，没有年龄限制 ，枪支身上也不需要刻上序列号或需要跟踪枪支去处的销售收据。所以3D打印技术带来的安全问题也是存在争议的，未来如何发展，还需进一步明确 。
7.4 税务问题
过去税务局 、海关对交易征税都是基于商品的价值 。如果将来货物的制造模式都是通过购买3D打印机和“耗材”，从网上下载设计文件（大多数将是免费的）自行打印出所需的物品 ，那么传统的征税模式将难以为继。未来的税基将很可能从增值税 、消费税转向个人所得税和营业税 。
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应用范畴
8.1 医疗行业
一位83岁的老人由于患有慢性的骨头感染，因此换上了由3D打印机“打印”出来的下颚骨，这是世界上首位使用3D打印产品做人体骨骼的案例。
8.2 骨骼打印
据国外媒体报道，在不久的将来外科医生们或许就将可以在手术中现场利用打印设备打印出各种尺寸的骨骼用于临床使用。这种神奇的3D打印机已经被制造出来了 ，而用于替代真实人体骨骼的打印材料则正在紧锣密鼓地测试之中。
在实验室测试中，这种骨骼替代打印材料已经被证明可以支持人体骨骼细胞在其中生长，并且其有效性也已经在老鼠和兔子身上得到了验证 。未来数年内 ，打印出的质量更好的骨骼替代品或将帮助外科手术医师进行骨骼损伤的修复，用于牙医诊所，甚至帮助骨质疏松症患者恢复健康。
3D打印技术迅速兴起，成为炙手可热的新型产业，它可以打印的立体产品种类正迅速增加。为了打印骨骼材料，博斯和她的同事们使用了一台商业销售的ProMetal 3D打印机进行测试。这种3D打印机最初的设计目的是为了打印金属件 。它会逐层喷洒塑料胶粒在一层粉末基底之上并逐层成型。每一层的厚度仅相当于人的头发丝宽度的一半。
这种骨骼支架的主要材料成分是磷酸钙，其中还额外添加了硅和锌以便增强其强度。当它被植入人体内之后可以暂时起到骨骼的支撑作用 ，并在此过程中帮助正常骨骼细胞生长发育并由此修复之前的损伤，随后这种材料可以在人体内自然溶解。
科学家们花费4年时间才找出这种材料的合适配方，其中涉及化学，材料学，生物学和工艺科学的诸多学科 。
8.3 科学研究
美国德雷塞尔大学的研究人员通过对化石进行3D扫描 ，利用3D打印技术做出了适合研究的3D模型，不但保留了原化石所有的外在特征，同时还做了比例缩减，更适合研究 。
8.4 文物保护
博物馆里常常会用很多复杂的替代品来保护原始作品不受环境或意外事件的伤害 ，同时复制品也能将艺术或文物的影响更多更远的人。史密森尼博物馆就因为原始的托马斯·杰弗逊要放在弗吉尼亚州展览，所以博物馆用了一个巨大的3D打印替代品放在了原来雕塑的位置。
8.5 建筑设计
在建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低 、环保，同时制作精美。完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。
8.6 制造业
制造业也需要很多3D打印产品 ，因为3D打印无论是在成本、速度和精确度上都要比传统制造好很多 。而3D打印技术本身非常适合大规模生产，所以制造业利用3D技术能带来很多好处，甚至连质量控制都不再是个问题。
8.7 食品产业
没错 ，就是“打印”食品。研究人员已经开始尝试打印巧克力了。或许在不久的将来 ，很多看起来一模一样的食品就是用食品3D打印机“打印”出来的。当然，到那时可能人工制作的食品会贵很多倍 。
8.8 汽车制造业
不是说你的车是3D打印机打印出来的（当然或许有一天这也有可能），而是说汽车行业在进行安全性测试等工作时 ，会将一些非关键部件用3D打印的产品替代 ，在追求效率的同时降低成本 。
8.9 配件 、饰品
这是最广阔的一个市场。在未来不管是你的个性笔筒 ，还是有你半身浮雕的手机外壳，抑或是你和爱人拥有的世界上独一无二的戒指 ，都有可能是通过3D打印机打印出来的。甚至不用等到未来，就可以实现 。
8.10 美容护肤
3D打印技术未来也可能会帮助爱美人士进行整容，说不定未来最有效果的青春痘的治疗方法就是通过3D打印技术来实现呢 ！不仅青春痘,包括祛斑,美白等领域都有希望使用到3D打印技术的！
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相关背景
3D打印已经成为一种潮流，并开始广泛应用在设计领域，尤其是工业设计，数码产品开模等，可以在数小时内完成一个模具的打印，节约了很多产品从开发到投入市场的时间 。而事实上，3D打印并非是新鲜的技术，这个思想起源于19世纪末的美国，并在20世纪80年代得以发展和推广 。
3D 打印机可以用各种原料打印三维模型，使用3D 辅助设计软件 ，工程师设计出一个模型或原型之后，无论设计的是一所房子还是人工心脏瓣膜，之后通过相关公司生产的3D打印机进行打印，打印的原料可以是有机或者无机的的材料 ，例如橡胶、塑料 ，不同的打印机厂商所提供的打印材质不同。
3D打印机，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。过去其常在模具制造 、工业设计等领域被用于制造模型，现正逐渐用于一些产品的直接制造。特别是一些高价值应用（比如髋关节或牙齿，或一些飞机零部件）已经有使用这种技术打印而成的零部件。“三维打印”意味着这项技术的普及。
3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现 。这种打印机的产量以及销量在二十一世纪以来就已经得到了极大的增长 ，其价格也正逐年下降。
该技术珠宝，鞋类，工业设计，建筑，工程和施工（AEC） ，汽车 ，航空航天 ，牙科和医疗产业，教育 ，地理信息系统，土木工程以及其他领域都有所应用 。
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发展前景
科学家们正在利用3D打印机制造诸如皮肤、肌肉和血管片段等简单的活体组织 ，很有可能将有一天我们能够制造出像肾脏、肝脏甚至心脏这样的大型人体器官。如 果生物打印机能够使用病人自身的干细胞 ，那么器官移植后的排异反应将会减少。人们也可以打印食品 ，比如康奈尔大学的科学家们已经成功打印出了杯形蛋糕 。几乎所有人都相信，食品界的杀手级应用将是能够打印巧克力的机器。[2]
3D打印被用作《经济学人》杂志封面 ，主题为《看制造业新技术如何改变世界》 ，详细介绍了3D打印的历史和发展，可见人们对于3D打印成为一项可以改变世界的影响力日益关注 。回顾2011年，3D打印市场并购整合成为主流，业内主流3D打印公司完成了大规模收购 ，建立未来3D打印全方位服务平台 ，以拓展更广的用户与合作伙伴群及联合研发更多适合市场推广的产品。
而3D打印的价值体现在想象力驰骋的各个领域，3D打印正让“天马行空”转变为“脚踏实地”的可能，人们利用3D打印为自己所在的领域贴上了个性化的标签。人们纷纷展示了如何3D打印马铃薯、巧克力、小镇模型，甚至扩展到用3D打印汽车和飞机。3D打印行业的发展犹如其定义本身，始终凸显着“创新突破”这一关键特质 。
创新突破1：3D打印应用领域扩展延伸
3D打印的优势在2011年被充分应用于生物医药领域，利用3D打印进行生物组织直接打印的概念日益受到推崇 。比较典型的包括Open3DP创新小组宣布3D打印在打印骨骼组织上的应用获得成功，利用3D打印技术制造人类骨骼组织的技术已经成熟；哈佛大学医学院的一个研究小组则成功研制了一款可以实现生物细胞打印的设备；另外 ，3D打印人体器官的尝试也正在研究中。
随着3D打印材料的多样化发展以及打印技术的革新，3D打印不仅在传统的制造行业体现出非凡的发展潜力，同时其魅力更延伸至食品制造 、服装奢侈品、影视传媒以及教育等多个与人们生活息息相关的领域 。
创新突破2 ：3D打印速度、尺寸及技术日新月异
在速度突破上，2011年 ，个人使用3D打印机的速度已突破了送丝速度300mm每秒的极限，达到350mm每秒 。在体积突破上 ，3D打印机体积为适合不同行业的需求 ，也呈现“轻盈”和“大尺寸”的多样化选择。目前已有多款适合办公室打印的小巧3D打印机，并在不断挑战“轻盈”极限，为未来进入家庭奠定基础。
在Vienna University of Technology的一个研究项目中 ，该团队设计了迄今为止世界上最小的3D打印设备 ，并且降低了打印设备的制造成本，也有望未来进驻家庭。 在“大尺寸”领域，在德国的3D打印公司发布了4000x2000x1000mm尺寸的3D打印机，该款大尺寸3D打印机使打印大尺寸部件一次成型成为可能。
3D打印技术日新月异，在2011年Lexus对外发布了新3D打印技术，该技术基于高科技循环编织技术，使用激光进行3D打印， 能够以编织的方式制作复杂的3D模型 。
据国外媒体报道，对于大多数消费者来说，3D打印机可以算是一种奢侈品。为了让更多消费者感受到3D打印机的神奇 ，玩具厂商 WobbleWorks在互联网上发起活动筹集3万美元，投资研发出了一种廉价的3D打印技术可以打印出一些复杂结构物体的“3D涂鸦手”。据了解 ，这支价值50美元的“3D涂鸦手”通过利用特殊“墨水”塑料线来书写，当用笔尖画出一个图形后，会立即冷却，随后出现一个3D结构模型 。WobbleWorks公司希望该“3D涂鸦手”在2013年年末就可上市 ，而且还让艺术家为该“3D涂鸦手”模型设计出更多的图形 ，从3D动物到壮观的埃菲尔铁塔 。该公司发言人表示，每个人都会用笔，所以他们设计了这款3D打印笔。如果你喜欢乱涂鸦 、描绘或者在空中比划手势，都可以在这支“3D涂鸦手”中发现乐趣。使用者用这支“3D涂鸦手”画出一个东西，随后就会有一个相应的塑料3D模型“拔地而生” 。同时 ，研究人员还表示 ，这支“3D涂鸦手”还可以作为塑料焊接工具使用 。使用者甚至可以在任何表面上绘制图像 ，绘制时将笔尖向上抬，就会出现逼真的3D物体了，十分神奇。
利用3D打印技术改善艺术及生活的例子屡见不鲜。例如荷兰时尚设计师Iris van Herpen 展示了它的服装设计作品 ，这些服装作品全部使用3D打印机一次成型。通过3D打印技术制造的服装，突破了传统服装剪裁的限制，帮助设计师完整地展现其灵感 。而在Cornell大学的一个项目中，研究团队制造了一台3D打印机用于打印食物，展现了烹调的独特方式。其优势在于能够精确控制食物内部材料分布和结构，将原本需要经验和技术的精细烹调转换为电子屏幕前的简单设计。
创新突破3：设计平台革新
基于3D打印民用化普及的趋势 ，3D打印的设计平台正从专业设计软件向简单设计应用发展，其中比较成熟的平台有基于WEB的3D设计平台3D Tin ，另外，微软、谷歌以及其他软件行业巨头也相继推出了基于各种开放平台的3D打印应用 ，大大降低了3D设计的门槛 ，甚至有的应用已经可以让普通用户通过类似玩乐高积木的方式设计3D模型 。
由于3D打印设备、耗材昂贵 ，更加适合企业和个人的3D打印在线服务平台 ，如雨后春笋般出现 ，包括shapeways、imaterialise 、微小网等平台 ，以较高性价比的服务价格 ，让更多人可以直接使用3D打印服务 ，制作自己喜爱的工艺品和产品 ，相信 ，未来的3D打印和3D打印会更加成熟，走进寻常百姓家. 。
创新突破4：色彩绚烂形态逼真
3D打印机的创造物除了色彩丰富之外也相当精美。
Warner说道 ：“目前为止 ，大多数创造物的最高分辨率为100微米。但是我们能够以25微米的分辨率进行打印，创造出非常光洁的表面 。”打印出色彩逼真而且没有任何毛刺的物体，不仅会受到3D打印发烧友的喜爱，对于普通消费者来说也是大受欢迎 。MikeDuma说道：“其中一个有趣的推广就是家庭使用，我们把它称为家庭实用替代物。当你想要灯泡或者任何有着塑料支架的东西时，它们都可以打印出来。家庭用户也可以使用打印机打印玩具和临时需要的东西，25微米的分辨率甚至可以让你使用足够牢固的材料来打印假牙。”
Duma说道：“普通消费者所使用的3D打印机技术 ，最令人激动的发展莫过于家庭机器人的出现。3D打印使你能够进入机器人的世界。如果使用者能够快速重新设计并开发技术原型，那么他们就能够制造出多功能的简单机器人来做家务 。那真的能够创造出接近于终端用户、消费者和普通家庭成员的机器人。”Warner相信 ，3D打印技术在技术领域所带来轰动 ，不会逊色于80年代的台式机和最近几年的平板电脑。
