3D打印产业调研

3D打印技术即快速成型技术的一种，它是一种以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，通过逐层逐层增加材料的方式来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又被称为添加制造(AM，Additive Manufacturing)。

作为一种综合性应用技术，3D打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。

一、3D打印的发展

3D打印技术主要经历了5个阶段。包括概念阶段、实验室阶段、萌芽阶段、培育阶段、发展阶段。1892年J.E.Blanther首创了叠层制造原理3D打印技术标志着3D打印技术的产生。之后，1986年Charles Hull发明SLA 3D打印技术与1988年Scott Crump发明熔融沉积制造工艺（FDM），这两次事件标志着3D打印技术开始进入实验室阶段。1992年3D Systems公司推出了SLS工艺的商业打印机，1993年麻省理工大学发明了三维印刷技术（3DP），3D打印技术开始萌芽。2004年纳米复合材料用于3D打印，2006年Reprap启动3D打印开源合作项目，3D打印技术不断发展。2012年Stratasys与Objet合并，2014年Shapeways月订单量突破10万，3D打印技术的运用与市场在不断拓宽。

目前，3D打印技术主要被应用于产品原型、模具制造以及艺术创作、珠宝制作等领域，替代这些领域传统依赖的精细加工工艺。3D打印可以在很大程度上提升制作的效率和精密程度。除此之外，在生物工程与医学、建筑、服装等领域，3D打印技术的引入也为创新开拓了广阔的空间。

随着3D打印技术的发展。3D打印机也逐渐分化为两类——桌面级打印机和工业级打印机。桌面级打印机占用空间小；成本低；打印速度快。面向个人消费者；中小企业；教育机构等。主要工艺为FDM、SLA打印工艺；耗材为PLA、ABS等线材。工业级打印机精度高；成品率高；刚度高。主要面向航天航空；工业制造；科研机构等。工艺为SLA、SLS、FDM等打印工艺；耗材为金属、纳米材料、碳纤维等。

2009年以来，随着3D打印技术的迭代，新材料的不断涌现以及专利技术的解禁，全球3D打印市场呈现快速增长，主要需求来自美国、德国、日本、中国等市场。桌面级3D打印机的使用成本逐渐下降，以美国为例，3D打印已形成以材料、软件、装备、服务等核心业务较为成熟的产业生态，同时，工业级3D打印机在航天航空、工业制造等领域的应用逐渐增多，为3D产业的发展注入强劲的资本支持。

二、3D打印的现状

3D打印机厂商

全球知名的3D打印厂商主要位于美国。主要的厂商有美国的3DSystems、Stratasys、ExOne；德国的Voxeljet、EOS；瑞典的ArcamAB等。其主营业务大都包括3D打印装备、材料、软件、服务等。各厂商的打印技术各有各的特点，主要包括光固化成型（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、熔融沉积成型（FDM）、PolyJet喷墨技术、混合喷射技术、粉末粘合（powder binding）、电子束熔炼（EBM）等。涉及的领域有航空、建筑、艺术、汽车、消费、教育、医疗、珠宝等。

作为世界上最大的分布式3D打印服务平台——3D Hubs，如今已经有超过2万台3D打印机在该网站上注册。根据自己网站上产生的相关数据，每个月，该公司都会发布一份全球3D打印机市场的趋势报告。这份报告也日益受到3D打印行业的重视。

根据3DHubs对其平台上注册的3D打印机的统计分析，在2014年，Stratasys公司以25.5％的市场保有量成为领导者，这很大一部分要归功于对MakerBot公司的收购。紧随其后的是RepRap和Ultimaker，其保有量市场占有率分别为21.9％和18.4％。而3DSystems的设备保有量占10.8％，位居第四。“基于开放源码的RepRaps和Ultimakers的市场设备保有量超过了3D打印行业的两大巨头Stratasys公司（市值51亿美元）和3DSystems公司（市值65亿美元）”。看来开源硬件设备的商业价值并不输于基于专利权的厂商设备。

3D打印机

根据3D Hubs刚刚发布的2015年8月份《全球3D打印趋势报告》。

在8月份的桌面3D打印机质量排行榜上，名列榜首的是Prusa Steel 3D打印机，获得4.87分（总分5分），这款机器是Josef Prusa的i3机型的重新设计版。 Rapide Lite 200则以4.84的评分紧随其后，第三名是Kossel XL，得分4.8。

而对于工业级3D打印机的评价，Stratasys公司的Objet Eden 260 3D打印机获得了完美的5分，理所当然地居于首位；其次是3D Systems公司的Projet 3500 HDMax，以4.98的高分屈居第二；该公司的另一款3D打印系统ProJet 460Plus排名第三。

在3D打印机增长趋势榜上，排在前三位的是Ultimaker 2 Extended、M3D Micro和Objet24 3D打印机。Ultimaker 2 Extended以高达115％月度增速当仁不让地具有8月份增长首位。

第二位的M3D Micro则是一款典型的低价机，天工社曾经多次报道过它，这款机器去年在众筹平台Kickstarter上的标价低至199美元，在这个众筹过程中，他们卖出了超过1万台机器，目前正在出货。他们的月度增幅达到了104.5％，居第二。 至于3D打印机的型号分布，本月的前10名依然保持不变，Ultimaker 2、Prusa i3和MakerBot Replicator 2一路领先。MakerBot Replicator 2在美国拥有雄厚的客户基础；而Ultimaker 2则在欧洲和亚洲居于领先位置；在南美，则要数Prusa i3独占鳌头。 3D打印的用户分布

根据3D Hubs在2015年7月份发布的报告显示，3D打印专业人士在“Who"s 3D printing”项目中占据第一的位置。

3D Hubs解释为使用3D打印作为工作一部分的群体。该群体占据受访者的三分之一以上，其中高达57%以上的人为设计人员和工程师。其中85%的人员承认其平时接触的3D模型比较多，32%的人承认他们使用3D打印机是为了研究3D打印。

3D打印爱好者在此次调查中占据使用者的第二大群体。3D Hubs表示，该群体占据总调查人数的34.9%。这个群体的共同特征为处于个人爱好，这类群体比较喜欢和技术有关的东西，喜欢研究。3D打印使用最多的情况下，制作自己喜欢的物体。

新进者占据占据21.7%的比重，成为使用3D打印设备的第三大群体。3D Hubs将该群体解释为刚接触3D打印的群体。该群体缺乏3D建模的经验，一般从相关网站上下载，然后通过3D打印机进行打印。

三、中国3D打印的发展现状

近年来，我国积极探索3D打印技术的研发，初步取得成效。自20世纪90年代初以来，清华大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校，在3D打印设备制造技术、3D打印材料技术、3D设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面，开展了积极的探索，已有部分技术处于世界先进水平。其中，激光直接加工金属技术发展较快，已基本满足特种零部件的机械性能要求，有望率先应用于航天、航空装备制造；生物细胞3D打印技术取得显著进展，已可以制造立体的模拟生物组织，为我国生物、医学领域尖端科学研究提供了关键的技术支撑。

目前，依托高校的研究成果，对3D打印设备进行产业化运作的公司实体主要有：北京殷华(依托于清华大学)、陕西恒通智能机器 (依托西安交通大学)、湖北滨湖机电(依托华中科技大学)。这些企业都已实现了一定程度的产业化，部分企业生产的便携式桌面3D打印机的价格已具备国际竞争力，成功进入欧美市场。

但是与美国相比，中国3D打印市场人才匮乏，尤其对工业级3D打印机的操控，从业人员需要具备较高的专业素养，在产业尚未形成规模之前，需加大在教育培训领域的投入力度，以弥补相关从业人才缺口。中国消费级市场对3D打印装备的认知度低，市场还需较长教育阶段。在企业商用上，工业级3D打印机的高昂成本和维护费用让多数中小企业望而却步，当前3D打印装备主要用于科研教育培训、航天航空等领域。盈利模式主要是3D装备的销售和代理，在产业服务模式上与美国市场存在较大差距。材料是制约3D产业发展的重要因素之一，当前全球可打印材料种类远低于传统材料，不能满足工业生产、军工等全领域需求。中国材料生产商多集中在ABS、PLA等价值较低的产业，在金属、纳米材料等科技含量高、高价值领域的研发企业少，对国际厂商依赖度高。

不过中国3D打印市场的发展空间很大。近年国家部委出台相关政策推动中国3D打印市场发展，同时各地区3D打印研究院和技术产业联盟的落地为3D产业带来发展环境，规范中国3D打印市场产品及服务标准化。美国是3D打印技术的发源地，也是拥有3D技术专利最多的国家，中国本土企业受限于技术专利壁垒和自主研发能力弱等瓶颈，长期在产业链中承担代理商、OEM等附件值低的角色，随着近年FDM、SLA等技术专利解禁，促进3D打印市场多元化、规模化发展。中国零部件厂商的自主研发能力提升，在热熔喷头、激光器等关键零部件市场逐渐打破国际厂商垄断，大幅降低了国内3D生产商的采购成本，同时依托成本优势迅速抢占海外市场。2014年中国3D打印市场迎来投资热潮，出现超过5起千万级人民币以上的投资，强劲的资本注入助力中国3D市场的快速发展。但多数企业融资还停留在天使A轮阶段，3D产业链条较长，未来仍需持续性的资本注入。

四、3D打印技术的趋势与前景

随着智能制造的进一步发展成熟，新的信息技术、控制技术、材料技术等不断被广泛应用到制造领域，3D打印技术也将被推向更高的层面。未来， 3D打印技术的发展将体现出精密化、智能化、通用化以及便捷化等主要趋势。提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印的工艺方法，提高成品的表面质量、力学和物理性能，以实现直接面向产品的制造；开发更为多样的3D打印材料，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料等，特别是金属材料直接成型技术有可能成为今后研究与应用的又一个热点；3D打印机的体积小型化、桌面化，成本更低廉，操作更简便，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；软件集成化，实现CAD／CAPP／RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网控制的远程在线制造；拓展3D打印技术在生物医学、建筑、车辆、服装等更多行业领域的创造性应用。

目前3D打印技术仍面临着多方面的瓶颈和挑战：一是成本方面，现有3D打印机造价仍普遍较为昂贵，给其进一步普及应用带来了困难。二是打印材料方面，目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物，选择的局限性较大，成型品的物理特性较差，而且安全方面也存在一定隐患。三是精度、速度和效率方面，目前3D打印成品的精度还不尽人意，打印效率还远不适应大规模生产的需求，而且受打印机工作原理的限制，打印精度与速度之间存在严重冲突。四是产业环境方面，3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散，制造业面对的盗版风险大增，现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求。

Gartner公司20“年发布的最新技术发展展望报告判断：3D打印技术目前正在进入概念炒作的高峰阶段，其技术还有待充分成熟，主流市场也有待进一步培育。Gartner公司研究人员认为，3D打印技术成熟到适应市场需求还将需要5～10年的时间。在这一较为漫长的发展过程中，产业可能会面临增长期望落空、技术遭遇瓶颈以及投资撤离等风险。

总之，从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，对于3D打印市场规模的短期发展不宜过分高估。因此，现阶段产业界对3D打印领域的投入应以加强创新研发、技术引进和储备为主，尤其要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来的市场竞争中占据有利地位。如受到概念炒作影响，在技术尚未充分完善的现阶段大规模投入产能扩张，则投资回报将面临着较大的风险。