3D打印技術(shù)有望顛覆傳統(tǒng)制造

增材制造又稱“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體模型的制造方法，將對傳統(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)、先進材料技術(shù)與數(shù)字制造技術(shù)，是先進制造業(yè)的重要組成部分。

3D打印的基本原理為：以計算機三維設(shè)計模型為藍本，通過軟件分層離散和數(shù)控成形系統(tǒng)，將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將粉末、樹脂等特殊材料進行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成形，制造出實體產(chǎn)品。增材制造將復(fù)雜的零部件結(jié)構(gòu)離散為簡單的二維平面加工，解決同類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，在多種應(yīng)用場景具備使用優(yōu)勢：

1）縮短新產(chǎn)品研發(fā)及實現(xiàn)周期。3D打印工藝成形過程由三維模型直接驅(qū)動，無需模具、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疊層制造，故可以實現(xiàn)傳統(tǒng)精密加工較難實現(xiàn)的復(fù)雜構(gòu)件成形，提高零件成品率，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3）實現(xiàn)一體化、輕量化設(shè)計。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)計成簡單結(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。

5）實現(xiàn)優(yōu)良的力學性能。基于3D打印快速凝固的工藝特點，成形后的制件內(nèi)部冶金質(zhì)量均勻致密，無其他冶金缺陷；同時快速凝固的特點，使得材料內(nèi)部組織為細小亞結(jié)構(gòu)，成形零件可在不損失塑性的情況下使強度得到較大提高。

3D打印工藝類型多樣，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)，粗略可分為金屬類與非金屬類（無機材料和有機材料）。進一步，按照成型原理的不同，國際標準化組織又將其分為7大類，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，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，具有成形結(jié)構(gòu)精細和力學性能優(yōu)越的突出優(yōu)勢，因此應(yīng)用場景相對更廣，工業(yè)化應(yīng)用最成熟，尤其在航空航天、汽車和消費電子等領(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，盡管各國均在大力開展有關(guān)3D打印材料的研發(fā)工作，但與已有的數(shù)萬種不同性能和用途的材料相比，能夠真正實現(xiàn)應(yīng)用的3D打印材料尚存在種類和品種少、性能無法滿足各種應(yīng)用要求等問題。

因此，破解材料對3D打印技術(shù)制約的瓶頸，對于推動3D打印技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。當前，圍繞宏微觀結(jié)構(gòu)制造的結(jié)構(gòu)性能、力學性能、生物學性能和物理學性能需求，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)中商情報網(wǎng)數(shù)據(jù)，我國3D打印市場中，鈦合金、鋁合金、不銹鋼分別占20.2%、10.0%、9.1%，合計占比39.3%，PLA、PA、ABS占比分別為15.2%、14.1%、11.1%，樹脂占比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2022年創(chuàng)造超過28億美元的收入，預(yù)計市場將以30%的復(fù)合年增長率增長到2032年，達到400億美元以上。

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

3D打印的發(fā)展歷史

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

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，計算機和3D成像技術(shù)也同步發(fā)展和進步。

4）2005~2012年，恰逢3D打印技術(shù)FDM部分原始專利到期，降低了企業(yè)進入門檻，第一代3D打印設(shè)備換代升級；伴隨“創(chuàng)客運動”開始，3D打印被社交媒體廣泛介紹，催生了桌面級3D打印機市場，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《經(jīng)濟學人》提出3D打印將會推動第三次工業(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。與此相對應(yīng)，聚集在產(chǎn)業(yè)鏈上游的企業(yè)包括三維軟件開發(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、無機非金屬增材制造材料、有機高分子增材制造材料以及生物增材制造材料等幾類。

中游：增材制造設(shè)備是牽動增材制造行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之一。增材制造設(shè)備可分為桌面級打印機和工業(yè)級打印機。近年來隨著國外桌面級打印機相關(guān)專利保護到期，技術(shù)壁壘下降，國內(nèi)桌面級打印機廠家數(shù)量急劇增長，新進企業(yè)增多，加大了國內(nèi)桌面級增材制造市場的競爭程度。與桌面級打印機市場相比，工業(yè)級打印機技術(shù)壁壘高，資本投入大，但隨著當前工業(yè)級增材制造產(chǎn)業(yè)受到國家政策大力支持，整個市場目前已呈現(xiàn)快速增長形勢。

3D打印的核心專利大多被設(shè)備廠商掌握，因此在整個產(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，3D打印行業(yè)整合加劇，通過并購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，加強了對產(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)計驗證和原型制造。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)品定制性強與產(chǎn)品精度硬度高的特點，是未來增材制造技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。

與傳統(tǒng)制造相比，采用增材制造技術(shù)進行設(shè)計驗證及原型制造，可節(jié)約時間與經(jīng)濟成本。此外，增材制造在維修領(lǐng)域也具有市場，使用增材制造技術(shù)不僅能簡化維修程序，還可實現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的高還原度與制造材料原型匹配的功能。

3D打印市場規(guī)模快速增長

經(jīng)過30多年發(fā)展，增材制造產(chǎn)業(yè)正從起步期邁入成長期。根據(jù)Wohlers Associates數(shù)據(jù)，2023年全球3D打印市場規(guī)模（包括產(chǎn)品和服務(wù)）約200億美元同比增長11.1%，2012-2022年CAGR為23%，Wohlers Associates預(yù)計2026年全球3D打印市場規(guī)模有望增長至362億美元。預(yù)計未來十年，全球增材制造產(chǎn)業(yè)仍將處于高速增長期，發(fā)展?jié)摿薮蟆?jù)麥肯錫預(yù)測，到2025年全球增材制造產(chǎn)業(yè)可能產(chǎn)生高達2,000-5,000億美元經(jīng)濟效益。

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

3D打印下游應(yīng)用領(lǐng)域占比

下游應(yīng)用不斷擴展，航空航天、醫(yī)療、汽車和消費/電子為主流應(yīng)用場景。經(jīng)過近四十年的發(fā)展，3D打印下游應(yīng)用逐漸拓展，已覆蓋航空航天、汽車工業(yè)、船舶制造、能源動力、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（14.0%）、消費/電子產(chǎn)品（14.0%）等領(lǐng)域占比較高。

國內(nèi)3D打印應(yīng)用以工業(yè)級為主，2023年工業(yè)級3D打印產(chǎn)值占國內(nèi)整體應(yīng)用的65-70%。細分領(lǐng)域來看，航空航天（17%）、汽車（15%）、消費電子（12%）、醫(yī)療（15%）等下游應(yīng)用占比較高。

國內(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，逐步取得較高市場份額。根據(jù)中商情報網(wǎng)數(shù)據(jù)，聯(lián)泰科技、華曙高科、鉑力特近年來快速發(fā)展，市場占比在2022年分別達到16.4%、6.6%、4.9%。

此外，根據(jù)Wohlers Report報告，中國公司的3D打印設(shè)備尺寸已位列全球前列，是不可忽視的競爭對手。