ISO/ASTM 52900标准对增量制造，即3D打印，作出了如下定义：该过程涉及利用3D模型数据将材料连接起来，从而形成产品，这一过程通常采用层叠成型技术。在增量制造过程中，可以采用塑料、金属、陶瓷、玻璃以及复合材料等材料来制作物理模型、原型、样板、模具部件以及大批量生产的器件。3D打印涵盖了七种不同的制造工艺。制件通过挤出、喷射、光固化、层合或熔结的方式制成。
3D打印技术作为数字制造业的一种重要形式，其市场规模与增长速度呈现出几何级数的上升。这一领域融合了计算机科学和机械工程，而材料科学的进步，尤其是复合材料的创新，对增材制造自动化产生了深远影响。据预测，至2026年，全球3D打印复合材料的收入将突破5亿美元大关，在未来十年内，复合材料有望成为3D打印市场的主要增长点。
3D打印被业界公认为一种能够简化并自动化生产流程的技术，它不仅保留了纤维复合材料在减轻重量和增强强度方面的特点，而且对于聚合物3D打印行业来说，采用3D打印技术制造的复合材料部件，提供了一条更加直接通往工业终端部件生产的路径，这其中包括了用于制造轻量化飞机和汽车的大型且复杂的几何形状部件。
目前市面上应用的3D打印技术中，涉及复合材料的种类主要有两种，它们分别是熔融沉积技术（FDM）和粉床熔融技术（PBF），其中粉床熔融技术主要特指选择性激光烧结（SLS）这一工艺。
复合材料被视为未来材料的代表。它们在强度和性能方面相较于其他材料展现出令人惊叹的优越性。随着波音787、空中客车A350和宝马i系列的惊艳亮相，复合材料逐渐成为主流的制造手段。尽管如此，金属工业依然是复合材料行业持续发展和成功的重要挑战。美铝公司生产的第三代铝锂合金使得众多企业转而采用了复合材料，而这些合金正被广泛应用于各类新兴航空航天项目中。鉴于复合材料的大规模生产线在近年才得以实现，这种金属的显著进步或许会对复合材料市场持续扩张的渗透率带来挑战。
3D打印技术成为金属与复合材料竞争的新战场。金属3D打印技术发展成熟，能够应用于多种合金材料；然而，复合材料3D打印技术尚处于起步阶段，其性能指标几乎为零，与最优质的金属材料相比，复合材料的性能尚无法达到同等水平，更别提那些采用带状铺叠技术的产品了。在过去十年间，金属3D打印技术的研究持续深入，这一进展也使得它在航空航天以及高性能汽车等行业得到了广泛的应用和发展。以固体棒作为打印材料，现有的钛3D打印机已能达成与机械加工钛相似的性能标准，尽管这些打印出的部件仍需进行后续处理，但它们在制造复杂高强度部件方面展现出显著优势。选择性激光烧结（SLS）打印机采用粉末状材料进行打印，省去了传统加工中的某一步骤，因而能够生产出高精度的零部件，例如CFM公司LEAP发动机上的燃料喷嘴。然而，这种粉末成型技术也存在一些不足，比如孔隙率问题。
一台功能完备的碳纤维3D打印机理应具备制造复杂、精细且坚固部件的能力，其性能远超铝材及3D打印金属，且成本介于两者之间。此外，它还支持用户利用先进的CFRP（碳纤维增强聚合物）结构来定制部件的性能。复合原料的价格低于部分金属3D打印机所采用的精密粉末合金，同时，在加热热塑性或反应性聚合物时，所需的能量也远小于熔化金属的能量。这一领域的投资相对较少，且工程上存在诸多挑战，这些因素共同导致复合材料的潜力尚未得到充分发挥，并非因为其固有的物理特性有所限制。
金属的性质在各个方向上保持一致，表现为各向同性，故而其弹性特征得以通过杨氏模量和泊松比这两个关键参数来全面体现。相对而言，复合材料在各个方向上的性质则存在差异，表现为各向异性，因此描述其弹性行为时，需要引入更多的常数来进行详细描述。若有人以为，在某一统一标准下，仅凭某种3D打印材料在单向拉伸测试中勉强超越了特定铝合金，便断言其“优于金属”，那么这种比较显得尤为成疑。金属普遍具备相近的压缩和拉伸强度，而复合材料在抗压强度方面通常远逊于其抗拉强度。此外，复合材料的各向异性还与拉伸、压缩以及剪切载荷等多种静态强度性能紧密相连。可以说，在 3D 打印领域，这两种材料各有所长。
3D 打印技术：熔融沉积（FDM）和粉床熔融（PBF）
熔融沉积成形技术，即FDM，是应用最为广泛的3D打印技术之一。它主要采用ABS、PLA等材料进行操作。其运作机制是将这些材料加热至熔融状态，随后冷却固化，最终形成所需的形状。材料首先被输送至挤出机构，随后进入热熔喷头进行加热并熔化。喷头在集成化电路系统的控制下，精确地沿着零件的截面轮廓和填充轨迹移动。在此过程中，半熔融状态的物料按照软件提供的分层数据进行路径控制，被挤出并沉积在预定位置，逐渐凝固成形。这些层与周围的材料紧密结合，从而实现逐层堆积，最终形成完整的零件。
粉床熔融技术，亦称选择性激光烧结，是由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R. Dechard教授所创，其核心在于运用粉末材料在红外激光照射下高温融接的原理。该技术通过计算机精确控制光源定位设备，实现对粉末材料的精确定位，并逐层进行烧结，最终形成所需的堆积成型结构。首先，利用铺粉滚轴均匀地铺设一层粉末材料，然后借助打印设备内置的恒温装置将其加热至略低于粉末烧结温度的特定温度，随后，激光束对粉末层进行照射，使受照粉末的温度升高至熔点以上，进而完成烧结过程并与下方已形成的部件实现牢固结合。在完成某一层的烧结后，打印平台会降低至下一层的高度，此时铺粉系统会为平台覆盖一层新的粉末材料，接着，激光束被重新引导以对材料进行烧结处理，这一过程不断重复，每一层都会叠加在上一层之上，直到整个三维打印任务得以圆满完成。
近年来，若干企业在3D打印技术领域实现了显著的进展和创新。比如，美国辛辛那提公司携手橡树岭国家实验室共同研发出“大尺寸增材制造”技术，其打印效率可达每小时45至48公斤。这项技术特别适用于复合材料的批量生产。此外，美国EnvisionTEC公司亦推出了适用于中小型打印的体系，它能够成功制造出玻璃纤维增强的高强度塑料。美国 Markforged 公司推出了世界上第一
这款商业化的三维打印机，能够使用连续碳纤维、芳纶纤维或是玻璃纤维来制作产品。此外，美国的Arevo公司也研发了一种增材制造技术，该技术能够生产出由连续纤维增强材料与热塑性基体组成的复合材料。
欧文斯科宁公司提供的玻璃纤维复合材料XSTRAND™ 系列产品，适用于FFF/FDM 3D打印机，其性能显著，强度和韧性均超越碳纤维增强的ABS、纯PP以及常规的PA6材料。欧文斯科宁公司生产的3D打印玻璃纤维复合材料主要有两种类型：一种是GF30-PP，这是一种增强型的聚丙烯纤维材料，其中玻璃纤维的占比达到30%，它不仅硬度出色，还能有效应对温度波动和化学品的侵蚀，同时具备良好的抗紫外线老化性能。另一种是GF30-PA6。
GF30-PA6 是一种强化型PA6尼龙材料，其中玻璃纤维占比达到30%，其显著特点在于优异的高强度和耐高温性能。因其卓越的耐磨性，GF30-PA6 能够在汽车生产线上替代原先使用的钢制夹具和固定装置。同时，该材料适用的温度区间宽广，从-20℃至120℃均可适用。
Stratasys公司作为增材制造技术领域的佼佼者，其FDM 3D打印技术所采用的尼龙12CF材料，含有高达35%的碳纤维，这使得该材料在各项性能上表现出色。例如，其最终拉伸强度可达76兆帕（MPA），拉伸模量为7529兆帕，抗弯强度为142兆帕。凭借这些优异的性能，该材料在很多应用场景中都能替代金属，特别适用于汽车、航空航天等众多行业。这种碳纤维增强热塑性材料，用于生产
该高性能原型在设计验证阶段能够承受生产级零件的严格检验，符合生产环境的严格标准，且适用于生产线上夹具的制造。
Stratasys 与迈凯轮达成了合作关系。该合作已取得显著成效，例如，迈凯伦的F1赛车中已装备了部分由3D打印技术制成的零件。
在Formnext展会上，陶氏杜邦公司展出了全新的玻璃与碳纤维增强型3D打印耗材丝。自陶氏化学与杜邦公司合并，原本的竞争对手如今携手合作，在3D打印耗材领域频繁发力，充分利用材料领域的优势，积极抢占市场份额。杜邦的Zytel 3D打印专用尼龙材料本身即具备高效率和优良强度的特点，而经过改良的新材料Zytel 3D12G30FL BK309与Zytel 3D10C20FL BK544更是将强度提升，足以与现有的增强注塑材料相提并论。这种新型耗材丝的研制，正是为了迎合工业界对更硬、更坚固材料的需求。
索尔维最近推出了含有10%碳纤维的KetaSpire® PEEK（聚醚醚酮）和纯Radel®PPSU（聚苯砜）两种材料，这些材料被设计用于配合e-Xstream engineering公司最新发布的Digimat®-AM（增材制造）软件版本2019.0。索尔维在保持原有纯KetaSpire® PEEK AM材料的基础上，进一步丰富了线材产品线，并增加了适用于e-Xstream engineering公司Digimat®-AM软件的多种型号。
3D 打印的混凝土复合材料最新技术
美国陆军的研究人员成功研制了一种新型的复合材料，这种材料适用于混凝土的3D打印技术。特别值得关注的是，采用这种材料打印出的结构不仅更加坚固耐用，而且显著减少了生产所需的时间。
以往在3D打印过程中，普遍采用常规混凝土，然而，由于其中夹杂沙子、沙砾及石块等杂质，常常导致打印设备发生堵塞。为此，美国国防部下辖的陆军工程兵团（USACE）研发了一种含有多种成分的粘合剂，从而显著提升了3D打印建筑物的效率。
混凝土主要由两部分构成：固态混合物与液态混合物。固态混合物由粘土、煤灰（煤粒）和硅灰等成分构成，随后与沙子、砾石、石头等材料以及粘合剂混合，进而形成完整的固态混合物。粘合剂的使用不仅延长了混凝土的流动性时间，还提升了其凝固性能。该混合液体成分涵盖了多种在混凝土中常用的化学物质及液体，旨在提升其流动性及粘稠度，确保能够高效进行泵送作业。此外，它还包含有助于减少干燥后裂缝产生和尺寸变化的化学产品，以及用于降低混合物粘稠度的塑化剂。
得益于这种新型的粘合剂，混凝土混合物无需经过任何调整便能够展现出更加优异的特性。据美国陆军工程兵团（USACE）指出，该粘合剂赋予材料极高的强度，非常适合用于制作对强度有较高要求的网格结构。
航空发动机将用上 3D 打印复合材料结构件
牛津性能材料公司，即 Oxford Performance Materials（OPM），向 CST-100“星际客机”太空飞船提供3D打印部件，该飞船是由波音和NASA联合研发的，旨在专门执行空间近地轨道的短途运输任务。这些部件属于大型且结构复杂的复合材料承载结构件。在此之前，OPM公司已经成功生产了波音CST-100空气新生系统的3D打印复合材料结构用承载管道部件。
牛津性能材料推出了OXFAB 3D打印材料，包括OXFAB-N和OXFABESD两款。这些材料因其惰性特性，展现出卓越的化学耐受性和热稳定性，并能实现电性能的定制化。此外，它们还能有效抵御火焰和辐射，这对于航空航天和工业领域的高性能零部件至关重要。牛津性能材料通过镀镍技术，成功研发出一种新型材料，其性能介于钛合金与高性能航空铝之间。大量机械试验数据的验证表明，这种名为 OXFAB 的材料适用于 3D 打印，能够制造出功能完备、可直接使用的零部件。
在制造阶段，OPM公司采用了具备优异抗热性能和承重能力的高性能碳纤维短纤维来增强热塑性聚醚酮酮（PEKK），通过增材制造技术生产了该部件。该部件通过激光烧结3D打印技术成型，将碳纤维短纤维融入PEKK材料中，显著提升了材料的强度并赋予了其导电特性。公司计划将这项技术引入民用飞机领域，首先将其应用于涡扇发动机的推力转向叶栅和风扇出口导向叶片，这些部件属于次承力结构件。相较于传统的手工铺放工艺，这一应用有望节省高达50%的成本，同时减少劳动力需求并简化部分加工流程。
OPM公司期望通过回收增材制造过程中未消耗的粉末材料来降低成本。在制造过程中，每次作业仅利用了10%至12%的粉末，剩余的85%以上未使用的粉末具备回收潜力。目前，公司已具备单次回收的能力，并且正与多家企业共同探索，以研发出能够实现三次或更多次回收的技术。