3D打印技術(shù)有望顛覆傳統(tǒng)制造

增材制造又稱(chēng)“3D打印”，是基于三維模型數(shù)據(jù)，采用與傳統(tǒng)減材制造技術(shù)（對(duì)原材料去除、切削、組裝的加工模式）完全相反的逐層疊加材料的方式，直接制造與相應(yīng)數(shù)字模型完全一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法，將對(duì)傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合產(chǎn)生深刻影響，是制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，集合了信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、先進(jìn)材料技術(shù)與數(shù)字制造技術(shù)，是先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分。

3D打印的基本原理為：以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成形系統(tǒng)，將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末、樹(shù)脂等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成形，制造出實(shí)體產(chǎn)品。增材制造將復(fù)雜的零部件結(jié)構(gòu)離散為簡(jiǎn)單的二維平面加工，解決同類(lèi)型零部件難以加工難題。

增材制造高效、環(huán)保，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)

增材制造技術(shù)和傳統(tǒng)精密加工技術(shù)均是制造業(yè)的重要組成部分，目前增材制造加工與傳統(tǒng)精密加工相比還存在加工精度、表面粗糙度和可加工材料等方面的差距，但增材制造其全新的技術(shù)原理和特點(diǎn)，在多種應(yīng)用場(chǎng)景具備使用優(yōu)勢(shì)：

1）縮短新產(chǎn)品研發(fā)及實(shí)現(xiàn)周期。3D打印工藝成形過(guò)程由三維模型直接驅(qū)動(dòng)，無(wú)需模具、夾具等輔助工具，可以極大的降低產(chǎn)品的研制周期，并節(jié)約昂貴的模具生產(chǎn)費(fèi)用，提高產(chǎn)品研發(fā)迭代速度。

2）可高效成形更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。3D打印的原理是將復(fù)雜的三維幾何體剖分為二維的截面形狀來(lái)疊層制造，故可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)精密加工較難實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜構(gòu)件成形，提高零件成品率，同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3）實(shí)現(xiàn)一體化、輕量化設(shè)計(jì)。金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)經(jīng)變換重新設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果，3D打印技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件一體化成形，從而提升產(chǎn)品的可靠性。

4）材料利用率較高。與傳統(tǒng)精密加工技術(shù)相比，金屬3D打印技術(shù)可節(jié)約大量材料，特別是對(duì)較為昂貴的金屬材料而言，可節(jié)約較大的成本，在ESG方向上有優(yōu)勢(shì)。

5）實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的力學(xué)性能?；?D打印快速凝固的工藝特點(diǎn)，成形后的制件內(nèi)部冶金質(zhì)量均勻致密，無(wú)其他冶金缺陷；同時(shí)快速凝固的特點(diǎn)，使得材料內(nèi)部組織為細(xì)小亞結(jié)構(gòu)，成形零件可在不損失塑性的情況下使強(qiáng)度得到較大提高。

3D打印工藝類(lèi)型多樣，金屬打印較為成熟

3D打印工藝技術(shù)路線多樣，主要取決于材料特性和形態(tài)，粗略可分為金屬類(lèi)與非金屬類(lèi)（無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料）。進(jìn)一步，按照成型原理的不同，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織又將其分為7大類(lèi)，分別是：立體光固化、粘結(jié)劑噴射、定向能量沉積(DED)、薄材疊層、材料擠出、材料噴射、粉末床熔融。不同工藝技術(shù)的區(qū)別主要體現(xiàn)在材料疊加的方式上，而疊加方式又主要取決于不同材料的特性和形態(tài)。

在技術(shù)路線方面，設(shè)備選區(qū)激光熔融（SLM）與選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）工藝， 具有取材范圍廣、力學(xué)性能好、成形精度高、材料利用率高、可成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度高等優(yōu)勢(shì)，是增材制造的主流工藝。而金屬3D與非金屬3D打印相比，由于其工藝特點(diǎn)，具有成形結(jié)構(gòu)精細(xì)和力學(xué)性能優(yōu)越的突出優(yōu)勢(shì)，因此應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)更廣，工業(yè)化應(yīng)用最成熟，尤其在航空航天、汽車(chē)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域。

3D打印材料是技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一

3D打印材料是3D打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，材料的性能、種類(lèi)等因素決定著3D打印產(chǎn)品的質(zhì)量和功能。目前，盡管各國(guó)均在大力開(kāi)展有關(guān)3D打印材料的研發(fā)工作，但與已有的數(shù)萬(wàn)種不同性能和用途的材料相比，能夠真正實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的3D打印材料尚存在種類(lèi)和品種少、性能無(wú)法滿足各種應(yīng)用要求等問(wèn)題。

因此，破解材料對(duì)3D打印技術(shù)制約的瓶頸，對(duì)于推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。當(dāng)前，圍繞宏微觀結(jié)構(gòu)制造的結(jié)構(gòu)性能、力學(xué)性能、生物學(xué)性能和物理學(xué)性能需求，3D 打印涉及的主要材料有聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料、復(fù)合材料和智能材料等。除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

根據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)，我國(guó)3D打印市場(chǎng)中，鈦合金、鋁合金、不銹鋼分別占20.2%、10.0%、9.1%，合計(jì)占比39.3%，PLA、PA、ABS占比分別為15.2%、14.1%、11.1%，樹(shù)脂占比6.1%。據(jù)南極熊3D打印援引的Voxel Matters Research數(shù)據(jù)，金屬3D打印市場(chǎng)2022年創(chuàng)造超過(guò)28億美元的收入，預(yù)計(jì)市場(chǎng)將以30%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)到2032年，達(dá)到400億美元以上。

金屬3D打印玩家包括第一梯隊(duì)的EOS、SLMSolutions、3DSystems；第二梯隊(duì)的Desktop Metal、GE Additive、鉑力特；第三梯 隊(duì)的Velo3D、DMGMori和TRUMPF。華曙高科、EPlus3D等國(guó)內(nèi)玩家也在擴(kuò)大市場(chǎng)份額。

3D打印的發(fā)展歷史

1）20世紀(jì)70年代末到80年代初，其特點(diǎn)是出現(xiàn)了一些可視為AM技術(shù)先驅(qū)的孤立實(shí)例。

2）1980~1990年，光固化成型(SLA)，熔融沉積成型(FDM)、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)(SLS)等三項(xiàng)重要的基礎(chǔ)3D打印技術(shù)誕生并投入使用，第一批3D打印公司也相繼成立，3D System、EOS、Stratasys等公司至今仍是行業(yè)的主要參與者。

3）1990~2005年，新的關(guān)鍵3D打印技術(shù)不斷涌現(xiàn)，LENS激光凈成形技術(shù)和SLM技術(shù)誕生，計(jì)算機(jī)和3D成像技術(shù)也同步發(fā)展和進(jìn)步。

4）2005~2012年，恰逢3D打印技術(shù)FDM部分原始專(zhuān)利到期，降低了企業(yè)進(jìn)入門(mén)檻，第一代3D打印設(shè)備換代升級(jí)；伴隨“創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)”開(kāi)始，3D打印被社交媒體廣泛介紹，催生了桌面級(jí)3D打印機(jī)市場(chǎng)，并被傳統(tǒng)大型參與者以外的受眾接受。

5）2012~2017年， 2012年英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》提出3D打印將會(huì)推動(dòng)第三次工業(yè)革命，新的增材技術(shù)、3D可打印材料，甚至生物打印開(kāi)始流行。

3D打印設(shè)備廠商在產(chǎn)業(yè)鏈中占主導(dǎo)地位

上游：3D打印產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括3D建模工具和原材料。其中，3D建模工具包括3D建模軟件、3D建模掃描儀和3D模型數(shù)據(jù)平臺(tái)。與此相對(duì)應(yīng)，聚集在產(chǎn)業(yè)鏈上游的企業(yè)包括三維軟件開(kāi)發(fā)商以及耗材生產(chǎn)商等。增材制造原材料主要包括金屬增材制造材料、無(wú)機(jī)非金屬增材制造材料、有機(jī)高分子增材制造材料以及生物增材制造材料等幾類(lèi)。

中游：增材制造設(shè)備是牽動(dòng)增材制造行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之一。增材制造設(shè)備可分為桌面級(jí)打印機(jī)和工業(yè)級(jí)打印機(jī)。近年來(lái)隨著國(guó)外桌面級(jí)打印機(jī)相關(guān)專(zhuān)利保護(hù)到期，技術(shù)壁壘下降，國(guó)內(nèi)桌面級(jí)打印機(jī)廠家數(shù)量急劇增長(zhǎng)，新進(jìn)企業(yè)增多，加大了國(guó)內(nèi)桌面級(jí)增材制造市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)程度。與桌面級(jí)打印機(jī)市場(chǎng)相比，工業(yè)級(jí)打印機(jī)技術(shù)壁壘高，資本投入大，但隨著當(dāng)前工業(yè)級(jí)增材制造產(chǎn)業(yè)受到國(guó)家政策大力支持，整個(gè)市場(chǎng)目前已呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)形勢(shì)。

3D打印的核心專(zhuān)利大多被設(shè)備廠商掌握，因此在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)主導(dǎo)地位，這些設(shè)備生產(chǎn)廠商大多亦提供打印服務(wù)業(yè)務(wù)，近年來(lái)，3D打印行業(yè)整合加劇，通過(guò)并購(gòu)3D打印軟件公司、材料公司、服務(wù)提供商等，設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合方案提供商，加強(qiáng)了對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈的整體掌控能力。

下游：增材制造技術(shù)的下游應(yīng)用以航空航天、軍工、船舶工業(yè)、核工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)、軌道交通及醫(yī)療為主。目前該技術(shù)在下游行業(yè)的應(yīng)用方式主要分為直接制造、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和原型制造。直接制造是指根據(jù)三維模型，直接用增材制造技術(shù)生產(chǎn)最終產(chǎn)品，具有產(chǎn)品定制性強(qiáng)與產(chǎn)品精度硬度高的特點(diǎn)，是未來(lái)增材制造技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

與傳統(tǒng)制造相比，采用增材制造技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證及原型制造，可節(jié)約時(shí)間與經(jīng)濟(jì)成本。此外，增材制造在維修領(lǐng)域也具有市場(chǎng)，使用增材制造技術(shù)不僅能簡(jiǎn)化維修程序，還可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高還原度與制造材料原型匹配的功能。

3D打印市場(chǎng)規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)

經(jīng)過(guò)30多年發(fā)展，增材制造產(chǎn)業(yè)正從起步期邁入成長(zhǎng)期。根據(jù)Wohlers Associates數(shù)據(jù)，2023年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模（包括產(chǎn)品和服務(wù)）約200億美元同比增長(zhǎng)11.1%，2012-2022年CAGR為23%，Wohlers Associates預(yù)計(jì)2026年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模有望增長(zhǎng)至362億美元。預(yù)計(jì)未來(lái)十年，全球增材制造產(chǎn)業(yè)仍將處于高速增長(zhǎng)期，發(fā)展?jié)摿薮?。?jù)麥肯錫預(yù)測(cè)，到2025年全球增材制造產(chǎn)業(yè)可能產(chǎn)生高達(dá)2,000-5,000億美元經(jīng)濟(jì)效益。

中國(guó)是全球最具潛力的3D打印市場(chǎng)。中國(guó)增材制造行業(yè)相對(duì)歐美國(guó)家起步較晚，在經(jīng)歷了初期產(chǎn)業(yè)鏈分離、原材料不成熟、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一與不完善及成本昂貴等問(wèn)題后，當(dāng)前中國(guó)增材制造已日趨成熟，市場(chǎng)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。據(jù)中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，在2015-2017年的3年間，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模年均增速超過(guò)30%。思瀚產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)2022年中國(guó)3D打印市場(chǎng)規(guī)模約為320億元，同比增長(zhǎng)20.75%，2023年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)367億元，2024年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)415億元。

3D打印下游應(yīng)用領(lǐng)域占比

下游應(yīng)用不斷擴(kuò)展，航空航天、醫(yī)療、汽車(chē)和消費(fèi)/電子為主流應(yīng)用場(chǎng)景。經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，3D打印下游應(yīng)用逐漸拓展，已覆蓋航空航天、汽車(chē)工業(yè)、船舶制造、能源動(dòng)力、軌道交通、電子工業(yè)、模具制造、醫(yī)療健康、文化創(chuàng)意、建筑等領(lǐng)域。根據(jù)Wohlers Report數(shù)據(jù)，2024年全球3D打印下游應(yīng)用中，航空航天（13.3%）、醫(yī)療（13.7%）、汽車(chē)（14.0%）、消費(fèi)/電子產(chǎn)品（14.0%）等領(lǐng)域占比較高。

國(guó)內(nèi)3D打印應(yīng)用以工業(yè)級(jí)為主，2023年工業(yè)級(jí)3D打印產(chǎn)值占國(guó)內(nèi)整體應(yīng)用的65-70%。細(xì)分領(lǐng)域來(lái)看，航空航天（17%）、汽車(chē)（15%）、消費(fèi)電子（12%）、醫(yī)療（15%）等下游應(yīng)用占比較高。

國(guó)內(nèi)3D打印設(shè)備廠商迎頭趕上

在3D打印設(shè)備環(huán)節(jié)，EOS、3D Systems等公司起步較早，占據(jù)領(lǐng)先地位，隨著GE、HP等的快速發(fā)展，逐步取得較高市場(chǎng)份額。根據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)，聯(lián)泰科技、華曙高科、鉑力特近年來(lái)快速發(fā)展，市場(chǎng)占比在2022年分別達(dá)到16.4%、6.6%、4.9%。

此外，根據(jù)Wohlers Report報(bào)告，中國(guó)公司的3D打印設(shè)備尺寸已位列全球前列，是不可忽視的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。