3D打印产业研究:高端制造需求将成为3D打印应用蓝海 

由 3D打印新闻 发布于 2021-07-14 08:55 

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报告出品方/作者:西部证券,李伟峰)
一、3D打印——制造技术革命性创新

1.1、3D打印技术改变传统制造生产模式

增材制造(Additive Manufacturing,简称 AM) 俗称 3D 打印技术,有别于传统减材制造, 是一种快速成型技术,通过对模型数字化立体扫描、分层处理,借助于类似打印机的数字 化制造设备,利用材料不断叠加形成所需的实体模型。目前已经广泛应用到航空航天、医 疗器械、建筑、汽车、能源、珠宝设计等领域,美国《时代》周刊将增材制造列为“美国 十大增长最快的工业”,英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起 推动实现第三次工业革命”,改变未来生产与生活模式,改变制造商品的方式,并改变世 界的经济格局,进而改变人类的生活。

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与传统制造技术(减材制造)相比,3D 打印不需要事先制造模具,不必在制造过程中去 除大量的材料,也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品,具有“去模具、减废料、 降库存”的特点。在生产上可以优化结构、节约材料和节省能源,极大地提升了制造效率。 该技术适用于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设 计与制造等,同时也适用于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程。 3D 打印另一个显著的优点是,区别于传统加工技术理念“制造引导设计”,其可以实现“设 计引导制造”,完全实现创意驱动,制造出符合特定消费者需求的产品。

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上个世纪八十年代,增材制造技术开始在欧美国家爆发式增长,3D 打印技术应用最早可 追溯到 1986 年由美国 Charles Hull 开发的立体光固化(SLA)技术。接下来的 20 年内,多 项 3D 打印技术专利如:分层实体制造法(LOM)、熔融沉积成型(FDM)相继问世,同时欧 美逐渐形成一批具有创新能力的 3D 打印公司,3D Systems、Stratasys、SLM solution 等。由于 3D 打印技术在欧美国家起步较早,经历 30 多年的发展,SLA(立体光固化)、 SLS(选择性激光烧结)等技术已经相对成熟。在高温金属材料、设备研发制造方面相对 完善。

进入 21 世纪以来,增材制造技术各细分领域有了进一步的发展,诸如数字光处理(DLP)、 多头喷射技术(PloyJet)等被研发出来。特殊的 3D 打印材料、3D 打印设备也应运而生。目 前,世界各国的 3D 打印行业大体已经形成了涵盖原材料、零件、工艺、设备、服务的完 整产业链,部分重点企业已由单一的设备制造商升级为从设计到终端零件制造的综合解决 方案提供商。

1.2、3D打印技术:基础技术日趋成熟、新技术不断涌现

3D 打印技术最初由 Charles Hull 在 1986 年在被称为立体光固化(SLA)过程中开发出来, 随后又发展出选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、微喷射粘结技术(3DP) 等技术。进入 21 世纪以来,3D 打印技术有了新的突破与发展,在大类技术的细分下催生 出许多满足特定行业需求的小类技术。如 SLA 技术:数字光处理(DLP)、多头喷射技术 (PloyJet),SLM 技术:直接金属激光烧结(DMLS)。

1.2.1、选择性激光烧结(SLS)

其原理是,激光选择地逐层烧结固体粉末(材料除了主体金属粉末外还需要添加一定比例 的熔点较低的粘结剂粉末,粘结剂粉末一般为熔点较低的金属粉末或是有机树脂等),同 时将烧结成型的粉末叠加至已固化的粉末层上,最终形成所需形状的零件。这种技术依赖 的核心器件是红外激光器,能源工作环境为氩气或氮气气氛。具有制造工艺简单、生产效 率较高、成型材料种类多、材料利用率高、成品用途广泛、无需考虑支撑系统等优势。缺 点是由于粘接剂的作用,实体存在孔隙,力学性能差,需要高温重熔再加工。此外,当产 品存储时间过长时,会因为内应力释放而变形,表面质量一般。运营成本较高,设备费用 较贵。

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1.2.2、选择性激光熔化(SLM)

该技术与 SLS 技术主要区别在于 SLM 通过激光器对金属粉末直接进行热作用,不依赖粘结 剂粉末,金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果,最终获得所设计结构的金属 零件。SLM 技术为了更好的融化金属需要使用金属有较高吸收率的激光束,所以一般使用 的是 Nd-YAG 激光器(1.064 微米)和光纤激光器(1.09 微米)等波长较短的激光束。优 点是 SLM 技术使用纯金属粉末,成型的金属零件致密度可达接近 100%;抗拉强度等机械性 能指标优于铸件,甚至可达到锻件水平;致密度力学性能与成型精度上都要比SLS好一些。

另一种技术——选区电子束熔炼技术(EBM)与 SLM 技术相似,不同之处是 EBM 利用高速 电子束流的动能转换为热能作为热源来进行金属熔炼,工作环境为真空。电子束做热源, 相比于激光可实现更高的熔炼温度,且炉子功率和加热速度可调,能熔炼难熔金属,并且 能将不同的金属熔合。但是也存在金属收得率较低、比电耗较大、严格真空要求等缺点。

1.2.3、定向能量沉积(DED)

这项技术工作原理类似 SLM,由激光或其他能量源在沉积区域产生熔池并高速移动,材料 以粉末或丝状通过喷嘴直接喷射到高功率激光器的焦点上,熔化后逐层沉积,形成所需零 件。相比于 SLM 技术的优势之处在于,第一,该技术允许激光头和工件更灵活地移动,从 而增加设计自由度。第二,在 DED 设备运行中,惰性气体直接从激光头流出并包围粉末流 和熔池,不依赖于充满惰性气体的压力室,3D 打印加工过程可以立即开始,大大压缩了生 产准备时间。第三,能生产大型零件,且不需要任何支撑结构。缺点在于熔化过程不如 SLM 精确,成品部件通常必须进行再加工。

1.2.4、微喷射粘结技术(3DP)

3DP 技术与 SLS 工艺类似,采用陶瓷、石膏粉末成形。不同之处在于,材料粉末不是通过 激光器烧结固体粉末连接起来的,而是通过粘接剂打印头沿零件截面路径喷射透明或者彩 色粘结剂并将粉末凝固,其他位置的粉末作为支撑,之后再铺设一层粉末,循环该过程直 至打印完成。3DP 技术主要依赖的核心器件是粘接剂打印头,优点在于成型材料范围广, 能耗小,设备体积小。但是缺点也显而易见,粘接剂粘接的零件强度较低,需要后处理, 产品疏松多孔。

以色列 Objet 公司研制的 Polyjet3D 技术与 3DP 类似,不过喷射的不是粘合剂而是光敏聚 合成型材料。目前,Polyjet3D 技术已经成为美国 Stratasys 公司的亮点。首先,多种基础 材料可在机外混合,组合可得到性能更为优异的新材料。其次,产品精确度可达 16 微米的分辨率,可获得流畅且非常精细的部件与模型。最后,该技术用途广泛,可适用于不同 几何形状、机械性能及颜色部件的打印,例如:Polyjet Matrix 技术还支持多种型号、多种 颜色材料同时喷射。

1.2.5、熔积成型法(FDM)

其工作原理是将丝状原材料(一般为热塑性材料)通过送丝机送入热熔喷头,然后在喷头 内加热熔化,熔化的热塑材料丝通过喷头挤出,挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动, 挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层,覆盖于已建造的零件之上,这样 逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。

该项技术主要依赖微细喷嘴(直径一般为 0.2~0.6mm)以及加热器(保持半流动成型材 料的温度刚好在熔点之上 1℃)。其优点是 1、无需激光器等贵重原件,成本低、速度快。 2、对使用环境没有限制,可以放在办公室或者家庭环境使用,维护简单、体积小无污染 3、材料易更换、强度韧性较高,极大地缩短了产品开发周期,从而能够快速响应市场变 化,满足顾客的个性化需求。但是也存在零件精度低以及难以形成复杂构件和大型零件等 缺陷。

1.2.6、分层实体制造法(LOM)

这种方法以片材(如纸或塑料薄膜等)为原材料,根据计算机扫描得出的零件横截面,通 过激光裁剪,将背面涂有热熔胶的片材按零件的轮廓裁剪,之后将裁剪好的片层叠加至已 裁好的片层上,利用热压装置将其粘结在一起,然后再进行下一层零件横截面的裁剪、粘 合,最终形成实体零件。

LOM 技术主要依赖热熔胶的性能,具有模型支撑性好,废料易剥离,制件尺寸大,成本 低,效率高等优点。缺点是抗拉强度和弹性差,不能制造中空件;受制于材料影响,利用 LOM 技术打印的零件易吸湿膨胀,表面有台阶纹。

1.2.7、立体光固化成型法(SLA)

SLA 技术的原理是,在计算机控制下,紫外激光按零件各分层截面数据对液态光敏树脂表 面逐点扫描,使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化,形成零件的一个薄层,一 层层固化直到整个零件制作完毕。该技术主要依赖紫外激光器和适合的光敏材料。

一方面,液态树脂材料成型,固化方式由点到线,由线到面,制作的产品精度较高,表面 质量较好。另一方面,树脂类材料本身存在一些缺陷,例如:强度,刚度,耐热性有限, 不利于长时间保存,树脂固化过程中产生收缩,不可避免地会产生应力或引起形变。虽然 SLA 技术发展较早,目前较为成熟,但是 SLA 设备造价依旧高昂,维护和使用成本高, 而且需要设计工件的支撑结构。

国际标准化组织辖下增材制造技术委员会发布 ISO/ASTM 52900:2015 标准将增材技术 分为 7 大类,分别是:立体光固化(SLA)、粘结剂喷射(3DP)、定向能量沉积(DED)、薄 材叠层(LOM)、材料挤出(FDM)、材料喷射(PloyJet)、粉末床熔融(SLM、SLS、EBM)。

由以上对市场上常见的 3D 打印方法总结可得,不同的增材制造技术通常存在材料、能量 源、成型方法的差异。而增材制造技术的选择依赖下游行业的制件用途,金属增材制造技 术一般运用在航天航空领域,而非金属增材制造技术用途更加广泛,主要运用在工业工艺 设计的其他领域:如汽车家电、医学器械、文创用品等。

1.3、3D打印材料:金属材料、复合材料成为未来发展趋势

3D 打印材料是 3D 打印技术发展的重要物质基础,材料是 3D 打印发展的重要制约因素。 根据 Wohlers Associates Inc 发布的 2019 年 3D 打印下游应用行业统计显示,汽车工业 占比最大,为 16.4%;消费电子以及航空航天以 15.4%和 14.7%占据第二、第三位。根据 下游领域制件品的特性,金属、复合材料需求空间大,有望成为 3D 打印材料的“引爆点”。

一般 3D 打印所用的原材料都是专门针对 3D 打印设备和工艺而研发的,与普通的金属材 料、塑料、石膏、树脂等有所区别,其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。可 从材料属性的角度出发对增材制造技术进行归类:如立体光固化(SLA)采用液态光敏树 脂材料;分层实体制造法(LOM)需要纸、塑料膜等片状材料,而选择性激光烧结(SLS) 和选择性激光熔化(SLM)则以金属、陶瓷粉末材料为主。

1.3.1、金属材料

重工业产品通常依赖耐高温耐腐蚀的金属材料,3D 打印为了满足重工业产品的需求,最 早研发、投资最多在金属粉末。金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧 含量低。目前,应用于 3D 打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合 金材料等,此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。

钛合金得益于强度高、耐蚀性好、耐热性高,广泛应用于飞机发动机冷端压气机部件以及 火箭、导弹和飞机的各种结构件制作。此外,不锈钢粉末以其耐腐蚀性而得到广泛应用, 3D 打印的不锈钢模型具有较高的强度,而且适合打印尺寸较大的物品。

目前,欧美等国已经实现了小尺寸不锈钢、高温合金等零件的激光直接成形,未来高温合 金、钛合金材质大型金属构件的激光快速成形是主要的技术攻关方向。

1.3.2、工程塑料

工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料,是强度、耐冲击性、耐热性、硬度 及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类 3D 打印材料,常见的有 ABS 类材料、PC 类材料、尼龙类材料等。

PC-ABS 材料是一种应用最广泛的热塑性工程塑料。其具备了 ABS 的韧性和 PC 材料的 高强度及耐热性,大多应用于汽车、家电及通信行业。使用该材料制作的样件强度比传统 制作的部件强度高出 60%左右,工业上通常使用 PC-ABS 材料打印出概念模型、功能原 型、制造工具及最终零部件等热塑性部件。

PC-ISO 是一种通过医学卫生认证的白色热塑性材料,具有很高的强度,被广泛应用于药 品及医疗器械行业,用于手术模拟、颅骨修复、牙科等专业领域。

1.3.3、光敏树脂材料

光敏树脂一般为液态,其在一定波长的紫外光照射下能立刻引起聚合反应完成固化,可用 于制作高强度、耐高温、防水材料。

Somos 19120 材料为粉红色材质,是一种铸造专用材料,成型后可直接代替精密铸造的 蜡膜原型,避免开发模具的风险,具有低留灰率和高精度等特点。

Somos Next 材料为白色材质,是一种类 PC 新材料,韧性非常好,基本可达到选择性激 光烧结(SLS)制作的尼龙材料性能,而精度和表面质量更佳,该材料制作的部件拥有迄 今最优的刚性和韧性,同时保持了光固化立体造型材料做工精致、尺寸精确和外观漂亮的 优点,主要应用于汽车、家电、电子消费品等领域。

1.3.4、陶瓷材料

陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性,在 航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。在传统工艺下,复杂陶瓷件需通过模具来 成形,模具加工成本高、开发周期长,难以满足产品不断更新的需求。而 3D 打印用选择 性激光烧结(SLS)对陶瓷粉末进行加工处理,能够删减繁琐的设计步骤,实现产品快速 成型。

该材料存在一定的缺陷,SLS 采用激光烧结陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物, 在激光烧结之后,还需要将陶瓷制品放入到温控炉中进行后处理。而且陶瓷粉末在激光直接快速烧结时液相表面张力大,在快速凝固过程中会产生较大的热应力,从而形成较多微 裂纹。

1.3.5、其他材料

近年来,彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在 3D 打印领域 得到了应用。彩色石膏材料是一种全彩色的 3D 打印材料。基于在粉末介质上逐层打印的 成型原理,3D 打印成品在处理完毕后,表面可能出现细微的颗粒效果,外观很像岩石, 在曲面表面可能出现细微的年轮状纹理,因此,多应用于动漫玩偶等领域。

美国宾夕法尼亚大学打印出来的鲜肉,是先用实验室培养出的细胞介质,生成类似鲜肉的 代替物质,以水基溶胶为粘合剂,再配合特殊的糖分子制成。还有尚处于概念阶段的用人 体细胞制作的生物墨水,以及同样特别的生物纸,打印的时候,生物墨水在计算机的控制 下喷到生物纸上,最终形成各种器官。

食品材料方面,目前,砂糖 3D 打印机可通过喷射加热过的砂糖,直接做出具有各种形状, 美观又美味的甜品。

现有增材制造专用材料包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和生物材料四大 类,但单一材料种类较少和性能不足严重制约了增材制造技术应用。目前,行业领军企业 以及一些材料企业纷纷布局专用材料领域,突破了一批新型高分子复合材料、高性能合金 材料、生物活性材料、陶瓷材料等专用材料。相关企业将纳米材料、碳纤维材料等与现有 材料体系复合,开发多功能纳米复合材料、纤维增强复合材料、无机填料复合材料、金属 填料复合材料和高分子合金等复合材料,不仅赋予材料多功能性特点,而且拓宽了增材制 造技术的应用领域,使复合材料成为专用材料发展趋势之一。

二、政策扶持助力3D打印,标准体系规范行业发展

2.1、发达国家争相出台政策扶持3D打印技术发展

欧美国家 3D 打印技术起步较早,在政策的扶持下,产业化进程较快。2012 年,美国国防 部、能源部、宇航局、商务部等政府部门与企业、学校、非营利组织共同出资成立了国家 增材制造创新研究所。

在欧洲,欧盟委员会早在上世纪 80 年代就开始为 3D 打印项目提供资金,并在 2004 年组 建了欧洲 3D 打印技术平台,该平台已经制定了包括欧盟 3D 打印技术路线图、产业路线 图和校准路线图等多项 3D 打印发展计划方针。德国 Fraunhofer 增材制造联盟是较为著名 的 3D 打印联盟之一,由 10 个著名研究所组成,配备了数千万欧元的资金用于基础研究, 为初入 3D 打印行业的企业提供合适的解决方案。英国早在 2007 年推出了促进 3D 打印发 展的政策,政府计划在 2007-2016 年期间,投入 9500 万英镑的公共和私人基金用于 3D 打印合作研发项目。此外,日本、韩国、俄罗斯、澳大利亚、新加坡等国家也纷纷出台相 关政策,支持“增材制造”产业的发展。

2.2、中国起步虽晚,但政策发力迅速

3D 打印技术自上个世纪九十年代传入我国,首先在各高校、科研机构展开初步研究。清 华大学激光快速成形中心、西安交通大学先进制造技术研究所、华中科技大学快速制造中 心等科研机构在增材制造技术的成形设备、工艺原理、数据处理软件、分层算法、扫描路 径及加工材料等方面取得了重大进展。进入 2000 年,我国自研 3D 打印技术相对成熟后, 初步实现 3D 打印设备的工业化。在国家和地方的支持下,全国建立了 20 多个增材制造 服务中心,用户遍布医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器、造船等行业。

2015 年以后,我国增材制造产业在“中国制造”引导下迎来高速发展契机,《中国制造 2025》、《十三五规划》、《智能制造发展规划(2016-2020 年)》、《增材制造产业发展行动 计划(2017-2020 年》等一系列产业政策描绘了增材制造行业的发展路线图,并相继成立 了基于企业、科研机构及高等院校合作的研究中心和技术联盟,有力地促进了这一技术在 各领域的应用。

2.3、行业标准不断细化,促进3D打印规范化发展

进入 21 世纪以来,3D 打印行业进入快速发展阶段,规范化的行业标准不断形成。2009 年,美国材料与实验协会(ASTM)成立增材制造技术委员会(F42),并在此基础上设多 个分委会,从标准实验方法、设计标准、材料工艺、专业术语等方面为不同的增材制造技 术首次提供了通用的标准。

最初的标准主要针对增材制造过程中的原材料——金属粉末(镍基合金、钛铝合金、不锈钢合金);粉末床熔融设备的安装、操作、性能。例如,2012 年发布的 F2924 标准对使 用粉末床熔化(例如电子束熔化和激光熔化)技术进行增材制造的钛铝合金原料和供应链 制定规范。

2011 年,国际标准化组织(ISO)创建了 ISO/TC 261 增材制造及标准化技术委员会。2015 年,ISO/TC 261 与 ASTM-F42 签署了合作协议,共同展开增材制造技术领域的标准化工 作。ISO/ASTM 标准从技术设计、材料与工艺、术语、成品测试方法几个层面对增材技术 行业进行约束,将全球标准系统化、统一化。目前,ISO/TC261 和 ASTM F42 编制新标 准 40 余项,从增材制造的材料与工艺、测试方法、设计、安全防护等多方面展开,进一 步完善增材制造标准体系。

在增材制造的重大用途领域——航空航天,2015 年,美国联邦航空管理局(FAA)委托 美国机动车工程师学会(SAE)制定特殊认证的增材制造技术标准。标准针对航空航天产 品制造过程制定推荐惯例、规范与标准,为原材料及成品材料的采购定制规范,同时积极 与其他组织协调,推动标准在工业界的采用。截至目前,SAE 已经发布及正在制定的标准 共计 30 项,涉及激光及电子束能量源、等离子弧熔丝、激光熔丝、熔融挤出工艺,以及 钛、铝、不锈钢等材料。

我国的增材技术标准建立起步较晚,主要是在《十三五规划》的推动下,于 2016 年 4 月 成立全国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC 562),随后由该组织逐步建立和完善的相关 标准体系。截至目前,关于增材制造的标准(含起草、批准和已发布)共计 50 余项,现 行标准共计 15 项,主要是从技术、原材料、专业术语层面进行基本规范。特别地,中国 重视塑料、钛合金零件制造,着力发展熔积成型法(FDM)和选择性激光熔化(SLM)技术, 此外还有针对医疗器械生产质量的标准。

三、3D打印有望从导入期进入快速成长期

3.1、全球3D打印年均增幅20%,预计2026年规模突破370亿美元

自 20 世纪 80 年代起,3D 打印有了初步发展。而 3D 打印技术真正开始产业化发生在 20 世纪 90 年代。自 2013 年至 2020 年,全球 3D 打印产值增长近 4.2 倍,到 2020 年达到 126 亿美元。预计 2020-2026 年间 将保持 20%的年均复合增幅,到 2026 年有望达到 372 亿美元。

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3.1.1、3D打印设备占主导地位,全球竞争加剧

欧美国家 3D 打印产业起步于上世纪 80 年代,其他地区则普遍起步于 20 世纪 90 年代中 后期。中国在技术方面起步并不算晚,但在产业化方面相对落后。根据沃勒斯全球 3D 打 印细分产业调查结果显示,2019 年,3D 打印设备实现 52.97 亿美元产值,占比 44.3%, 为三项产业占比最大。其次是 3D 打印服务与 3D 打印材料,分别占 31.6%与 24.1%。

产业化方面,美国和欧洲在产业化方面优势明显,3D 打印产业链中多为欧美企业。2019 年,美国以 34.4%份额占据全球 3D 打印设备数量首位,而中国以 10.8%位居其次。日本、 德国紧跟其后,分别占据 9.3%与 8.2%。

全球 3D 打印产业区域结构占比显示,目前美国以 40.40%的比例占据 3D 打印行业的主导 地位,第二位为德国,占 22.5%的市场份额。中国在全球 3D 打印产业中占 18.6%,大约 是美国的一半。日本和英国占据全球 3D 打印市场的比例大于 5%,位居中国之后。

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3.1.2、中国市场超速发展,有望保持30%的年均增长率

上个世纪九十年代,我国的一批科研院所开启了 3D 打印研究工作,经过近三十多年的科 技攻关,中国 3D 打印产业已初具规模,产值在全球的占比也不断上升。在全球市 场的比重也不断上升,2016 年占比将近 18%。 自 2015 年,在党的十七大“加快建设制造强国,加快发展先进制造业”思想的指导下,我 国发布了一系列推动“增材制造”产业发展的政策,并且将“增材制造”纳入国家重点发 展领域。“十三五规划”为国内 3D 打印技术进一步开展指明了方向,在政策的指导和科研 人员的不断努力下,近五年来我国的 3D 打印产业发展迅猛。

2020 年 2 月,国家标准化管理委员会联合六部门发布《增材制造标准领航行动计划 (2020-2022 年)》,提出“到 2022 年,立足国情、对接国际的增材制造新型标准体系基本 建立”。此外,为提升国际竞争水平,计划研制出 80-100 项增材制造“领航”标准,并推动国内标准国际化,转化率将达到 90%。结合国家层面政策指导以及国内近 6 年 3D 打印 产业发展态势,前瞻产业研究院预测,到 2025 年,我国 3D 打印市场规模将超过 630 亿 元,2021-2025 年复合年均增速 20%以上。

从产业细分结构来看,根据赛迪顾问(CCID)公布的数据显示,我国的 3D 打印设备市场 规模最大,2020 年产值达到 92.54 亿元,这主要是因为设备单价高、部分依赖进口导致。 由于许多工业零部件存在唯一适配性,许多公司为客户提供定制化服务,目前规模第二大 的是 3D 打印服务市场,2020 年的产值为 64.46 亿元。由于我国对 3D 打印材料研发水平 较为局限,加上 3D 打印材料整体单价相对较低,因此目前规模最小、增速最慢。在 2020 总产值为 50.59 亿元。

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2019 年,我国 3D 打印材料产业规模达 40.94 亿元,从市场细分情况来看,金属材料产业 规模为 15.56 亿元,非金属材料产业规模 25.38 亿元,分别占 38.01%与 61.99%。非金属 材料主要为塑料、陶瓷、光敏树脂等,广泛应用于消费品、医疗教育等行业。而目前,我 国工业级应用的金属粉末(钛、不锈钢等)研发较少,相关的 3D 打印技术(SLS、SLM 等)对金属粉末的形状、大小要求较为严格,金属 3D 打印制作技术与设备还较为缺乏。

从我国 3D 打印下游市场细分情况来看,主要集中在民用消费、工业设计、航天军工三大 板块。在 2019 年,中国 3D 打印应用服务产业 结构中,工业领域应用服务产业规模达 29.23 亿元,占比达 64%,消费领域产业规模 16.44亿元,占比 36%。

3.2、行业由导入期步入成长期,迎来快速增长阶段

综合 3D 打印技术、产值等分析情况来看,根据波特的行业生命周期理论,我们推测目前 3D 打印处在成长初期。从产值角度看,目前行业增长率超过 20%,在中国年均增长率甚 至超过 25%,根据相关机构预测,未来五年内还将加快增长速度。从技术的角度来看, 3D 打印经历过产品新、质量差,专攻研发与技术改进的“负盈利”导入期,目前部分技 术较为成熟、销量开始攀升、市场份额不断扩大、竞争者不断涌入,符合成长期的特征。 在未来还将有一段较长的成长期,最终过渡到成熟期,达到最高的产值和利润总量。

四、航空航天、汽车、医疗有望成为3D打印应用蓝海

4.1、核心专利到期释放新机会,新一轮专利抢占开启

1985 年 3D 打印之父 Hull 提交了名为“UVP INC”的专利申请(US4575330B1),这也 是大众熟知的立体光固化成型技术。1987 年,Scott Crump 发明了熔融沉积成型(FDM) 技术并申请了相关专利。从 3D 打印专利申请趋势来看,早期的年专利申请量较为稳定, 在 1985-2011 年间,年均申请量仅为 2000 件,年均复合增速 3.6%。2012 年后,随着各 大高校院所积极参与研究、3D 打印公司深入布局核心专利,3D 打印专利申请量迎来了爆 发小高潮。

4.1.1、核心专利退出,激发市场活力

根据上个世纪美国的《专利法》,申请的专利有两种到期计算方法,从专利申请日开始计 算的 17 年后,或者从专利备案日开始的 20 年。结合时间线,可以看出许多领先的工业 3D 打印专利在 2009-2015 年已经退出霸主地位。3D 打印核心技术的释放,将大大减少 相关企业的生产成本,降低准入门槛,鼓励更多的企业参与市场竞争,激发市场活力。

由历史可见,2009 年熔融层积成型(FDM)专利到期后,3D 打印机的销量迅速增长,售 价从数千美元跌到最低 300 美元,市场上涌现了不少中国制造的低价 3D 打印机。2014 年是专利到期的“高峰年”,3D Systems 的 3 项专利(涉及 SLA 光固化方法)、Stratasys 的 6 项专利(涉及 FDM、支撑移除和优化调整)陆续到期,全球 3D 列印制造商纷纷抢攻 这项 3D 打印技术市场。同年,Deckard 在 20 世纪 90 年代初申请的激光烧结技术(SLS) 的专利到期。2016 年 12 月选择性激光熔化技术(SLM)到期。同年 12 月,Z Corp 公司 关于“制作三维立体物体原型的方法和设备”的专利到期。

过去 5 年内,3D 打印工艺核心专利的到期为行业带来了新的活力。伴随着旧专利逐渐退 出历史舞台,许多 3D 打印巨头在全球范围内对新专利进行紧锣密鼓的布置。Innography 平台公布的数据显示,全球综合竞争力排名前 20 的专利权人只有中国科学院是中国机构, 没有中国企业出现。而在中国区域综合竞争力排名前 100 的专利权人中,有通用电气、西 门子、Stratasys 公司等大量国外公司。这说明国外企业比较注重通过专利技术实现 3D 打 印在中国市场的全面布局。

从 INCOPAT 平台整理数据来看,全球专利申请量最大的企业前三名分别是德国巴斯夫、 韩国 LG、美国通用。在专利申请量排名前十名中,美国企业占据一半,主要领域是航空 航天。而中国仅有西安交通大学上榜,未出现专营 3D 打印的公司。从专利价值度的分析 结果看,德国巴斯夫专利价值最高;而韩国 LG、美国通用、韩国三星、STRATASYS 公 司也有较多的高价值专利。西安交通大学的专利价值分布为中等水平,高价值专利比例不 多。

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4.2、资源并购整合加剧、新模式出现

近年来,随着行业从导入期逐渐过渡至成长初期,资源抢占、行业整合加剧。收购对象涵 盖包括服务商、软件公司、材料和设备厂商在内的 3D 打印生产链企业。

在中国,资本主要流向金属 3D 打印技术,对微米级电板 3D 打印、生物医疗 3D 打印的 投资也比较多。在国外,化工材料巨头加大对 3D 打印复合材料的投资;此外还有一些创 新性的 3D 打印技术得到种子轮、A 轮资本支持;针对 3D 打印的生产管理、后处理等产 业配套方向,逐渐成长出优质创业公司。

总体来说,3D 打印相关企业融资案例主要发生在美国、德国、英国、以色列等 3D 打印 技术较为成熟的国家;3D 打印公司的技术,更注重生产制造的质量和效率的提升,剑指 批量化生产;金属 3D 打印相关企业融资案例不多,但发生融资的一般金额都很大,产业 已逐步发展成熟,市场格局初具形态。

2016 年,GE Additive 收购瑞典 Arcam 公司和德国 Concept Laser 公司。2017 年,3D Systems 收购了牙科材料公司 Vertex-Global Holding 公司。2019 年,蔡司收购了德国 GOM 公司。资源的整合有利于 3D 打印企业市场布局,为客户提供“一站式”服务。

与此同时,应用领域不断拓展,新的行业模式也在不断演进。全球各地的增材制造工厂形 态缓慢成型,从“原型制造”阶段过渡到了根据需要、可灵活的进行工业规模化批量生产 阶段。如 2016 年西门子投资 2000 多万欧元,将芬斯蓬一处学校旧址改造成了西门子工业 型燃气轮机 3D 打印研发基地和工厂,负责燃气轮机零部件的快速原型设计、快速维修和 快速生产。

预计在成熟期,3D 产业链上的专业分工会进一步深化,专业 3D 数字化服务商、材料供 应商和专业 3D 打印企业会出现,产品设计服务会独立或向下游消费企业转移。同时还会 出现为 3D 打印产业提供支持服务的第三方检测验证、金融、电子商务、知识产权保护等 服务平台。

4.3、航空航天、汽车、医疗器械有望成为3D打印应用蓝海

起初,3D 打印问世时设计的桌面级打印机主要服务于消费领域,规模较小,增速较慢。 近年来,3D 打印技术已经成为航空航天等高端设备制造及修复领域的重要技术手段,并逐 步向建筑、服装、食品等领域扩展,成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手 段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具。

从总体情况来看,航空航天、汽车工业、医疗齿科三大领域是 3D 打印未来重点应用领域。

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4.3.1、航空航天:3D打印应用日趋成熟

3D 打印技术已成为提高航天器设计和制造能力的一项关键技术,主要应用于设计模具铸造、 功能性零部件制造、重要构件修复。近年来,由于航空航天构件对于材料的性能(如硬度、 熔点等)要求较高,国内外 3D 打印技术的研究主要集中在形状复杂的功能性金属材料(包 括金属、合金和金属基复合材料)方面。目前,航空发动机是 3D 打印重点应用领域,在 一些技术较为成熟的国家,3D 打印也开始用于导弹、无人机以及卫星的零部件。

在模具铸造方面,由于 3D 打印技术 SLS 熔模铸造工艺无需制造蜡模压型,缩短了铸造用 熔模的准备时间,具有速度快、成本低的优势,十分适用于航空发动机复杂铸件研制阶段 所需进行的反复铸造工艺试验。普惠公司采用 3D 打印生产了超过 10 万件部件和原型件, 包括铸模、设备工具以及试验台架硬件等。普惠公司在 PW1100G 发动机的部件设计中, 采用增材制造技术极大地减少了部件的研制时间以及原材料和成本的浪费,发动机单个零 件的制造速度提高 4-8 倍,相比锻造,部分零部件最多节约 90%的材料。

在零部件制造方面,采用 3D 打印技术能够减少大量零件的焊接组装工作,同时能实现更 复杂内部结构,提高零部件性能。GE 公司采用 3D 打印技术制作航空发动机的燃油喷射 系统,其将传统工艺的 20 片部件组装或焊接的结构制造为一个部件,这种方法得到的制 件具有接近锻造的材料性能。而且 3D 打印工艺能够避免产生变形和形成微裂纹,提高了 燃油喷射系统寿命将近4倍,重量减轻 25%,研制成本进一步降低,预计能够通过 50-100 个增材机械实现每年 40000 个喷嘴的产量,这一生产率将能够确保每月 175 台发动机交 付量。

在修复制件方面,利用 3D 打印技术修复的航空发动机整体叶盘的高周疲劳性能优于原始 材料。通过大量基础技术研究工作,国外已经初步建立起整体叶盘的激光修复装备、技术 流程和相应数据库,推动了整体叶盘激光修复技术的工程化应用,我国的相关科研机构也 积极布局 3D 打印激光修复技术。德国弗朗恩霍夫协会与 MTU 公司合作利用激光修复技 术修复钛合金整体叶盘。北京航空制 造工程研究所采用激光修复技术修复了某钛合金整体叶轮的加工超差,并成功通过了试车 考核。

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在航天领域,欧洲航天局(ESA)和瑞士 SWISS to 12 公司开发出专门为未来空间卫星设计 的首个 3D 打印双反射面天线原型,通过采用 3D 打印,不仅显著增加天线的 精度,还可降低成本,缩短交付时间,增加射频设计的灵活性,最重要的是减轻部件质量。 美国航空喷气发动机洛克达因公司(AerojetRocketdyne)完成首批“猎户座”载人飞船 12 个喷管扩张段的 3D 打印任务,使为期 3 周的制造时间比传统制造工艺技术缩短了约 40%。

法国泰勒斯·阿莱尼亚航天公司将欧洲最大的 3D 打印零件(遥测和指挥天线支撑结构,尺 寸约 45cm×40cm×21cm)用于 Koreasat 5A 和 Koreasat 7 远程通信卫星,通 过 3D 打印实现了质量减轻 22%、成本节约 30%、生产周期缩短 1–2 个月。俄罗斯托木 斯 克 理 工 大 学 (TPU) 设 计 并 制 造 的 首 枚 外 壳 由 3D 打印的 CubeSat 纳 米 卫 星 Tomsk-TPU-120 于 2016 年 3 月底搭载进步 MS-02 太空货运飞船被送往国际空间站。

4.3.2、汽车工业:3D打印助力汽车轻量化

汽车零部件:3D 打印可以制造很多传统工艺无法实现的复杂结构零件,例如点阵结构、 一体化结构、异形拓扑优化结构等,这些复杂结构不仅降低零件的质量,还能发挥其他功 能性的作用。美国加利福尼亚州的 FIT 公司通过选择性激光熔化 3D 打印技术制造充满点 阵结构的仿生发动机气缸盖,该气缸盖质量减少了 66%,表面面积从 823 平方厘米增加 到 6052 平方厘米 ,显著提高了气缸盖的冷却性能,从而改善了赛车的发动机性能。法拉 利 668 赛车应用了 3D 打印的钢合金活塞,该零件内部添加了复杂的点阵结构,不仅可以 减少材料的使用,减轻零件质量,又可以保证高冲击区域的强度,使发动机实现更充分地 燃烧。

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内外饰应用:汽车外形和内饰风格与消费者的购买决策是息息相关的,3D 打印技术的应 用,可以为汽车提供更舒适的环境或更个性的造型。法国标致曾有一款 Fractal 的纯电动 概念车,该车的内饰件表面具有凹凸不平的结构,这些结构是将白色尼龙粉末通过选择性 激光烧结 3D 打印方式制成,这种内饰不仅可以减少声波和噪声水平,而且会使声波从一 个表面反射到另一个表面,从而实现对声音环境的调整。

宝马 Mini 已经开始将 3D 打印运用到了汽车内饰的定制上,客户可以在侧舷窗以及内饰板 两个零件上,充分发挥自己的创意,将彰显个性的签名,图案、颜色整合到零件的设计中, 然后采用 3D 打印制造出来。

整车制造:3D 打印不仅可以直接制造汽车零部件,甚至可以颠覆传统的整车设计理念和 制造方式,用于整车制造。Blade 跑车是一款颠覆传统设计的全新跑车,它的底盘和支撑 结构是通过将 3D 打印的铝合金节点与现成的碳纤维管材连接而成,整个装配过程像搭建 积木一样。汽车底盘大约由 70 个 3D 打印的铝节点组成,这种结构不仅质量减轻 90%, 并且可以经受住五星级碰撞,承受得了在公路上的颠簸。

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4.3.3、生物医疗:3D打印使个性化医疗成为现实

人体组织主要由自组装聚合物(蛋白质)和骨矿物质组成,金属以微量元素的形式存在,具 有分子尺度的功能。金属生物材料是人类应用最早也是目前使用最多的医用生物材料之一, 目前临床使用的金属生物材料包括不锈钢、钴铬合金(Co-Cr 合金)、钛(Ti)等不可降解金属 及镁(Mg)、铁(Fe)、锌(Zn)等可降解金属。近年来随着 3D 打印技术的进步和 3D 打印材料 的发展,有学者提出利用 3D 打印技术克服传统制作工艺缺陷,这在一定程度上促进了外 科手术规划和外科金属植入物的进步。目前已有大量体内外实验证实 3D 打印金属基生物 材料在实践应用中的可行性,为推进个性化医学提供了前所未有的可能性。目前,3D 打 印金属基生物材料主要用于口腔科、组织修复、骨科植入及心血管设备的应用。

齿科:随着生活水平的提升,大众对于自身外观的重视度不断提升,加之三维影像和光学 扫描仪设备的研发以及 SLA、DLP 技术的成熟,3D 打印在口腔数字化加工、个性化定制、 特别是数字化种植导板,通过口扫、设计、3D 打印,来实现真正的精准种植和精准医疗, 减少了患者的等待时间,提高了患者的舒适度,降低了手术风险,给患者带去更快捷安全 的体验。3D 打印目前主要用于口腔正畸、口腔修复、口腔种植。

Technavio 公司《2019-2023 年全球牙科 3D 打印设备市场》指出,2019 年至 2023 年, 全球牙科 3D 打印设备市场将增长至 6.67 亿美元。据国家统计局《第三次全国口腔流行病 抽样调查结果》显示,全国有 94%的人口存在某种形式的牙齿问题,85%的人口患有牙周 病,在 35-45 岁的人群当中仅有 14.5%的人口拥有健康的牙周组织,30%-50%的人口存 在牙齿咬合问题。由此可见,中国齿科产品市场前景非常广阔,预计隐形矫正市场将迎来 爆发式增长。

2017 年联泰科技正式成立口腔应用事业部,投入了一千多万元的研发资金,从硬件、软 件、材料三大维度投入,研发出专业用于口腔齿科 EvoDent 系列数字化牙科专用的 3D 打 印设备,为深挖口腔应用进一步助力。目前,联泰科技 SLA 技术的隐形正畸市场已经占 据 30%以上市场应用份额,DLP 技术也占到市场的近 20%。

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辅助治疗及解剖模型:中山大学的学者通过计算机断层扫描患者骨盆三维模型,并运用 3D 打印技术构建 3D 物理模型,为继发于髋关节发育不良(DDH)患者实施全髋关节置 换术(THA),模型的使用让手术有更好的计划从而简化了外科手术过程,组件在术前计 划和手术中使用的实际大小之间的一致性较高。

支架与假体:因为钛表面有致密的氧化钛(TiO2)保护膜,具有高强度重量比,非磁性和 高耐腐蚀性的优点,通常永久性骨组织假体采用金属钛或其他材料,并在表面附加凝胶材 质涂层,增强生物相容性,促进植入物假体周围的细胞生长并降低钛或其他永久性材料可 能造成的炎症和感染风险。Winder 等将 3D CT 成像和 3D 打印技术相结合,通过制作出 患者头骨模型得到定制钛板,实现对患者颅骨缺损部分进行修复。

生物 3D 打印:生物 3D 打印是利用快速成型技术(RP)将生物材料和生物单元按仿生形态 学、生物体功能、细胞生长微环境等要求,使得细胞单个或串联打印,一层一层,直接创 建三维组织或器官的制造方法,细胞直接打印是对组织工程的一种延伸,相比于支架,生 物打印可以在支架不同位置实现不同种类、不同密度的细胞沉积,直接对组织或器官进行 打印。人造血管具有较好的灌注能力和很高的渗透性,可以使介质沿径向扩散,类似于天 然血管。

五、风险提示

1、新冠疫情反复 印度国内发现一种新型变异新冠病毒,该毒株出现了双重突变,可能会弱化当前疫苗免疫 效果,且传染性更强,在新冠疫情反复的情况下会对下游高端制造业需求造成打击;

2、项目建设不及预期 3D 打印材料及设备产线建设需要时间,且由于其配套加工设备较复杂可能在项目建设过 程中出现问题,影响进度;

3、行业竞争加剧 3D 打印核心专利保护期结束后布局3D打印业务的公司逐渐增加,受技术端影响行业具 有后发优势,从而引起行业竞争加剧。
来源:未来智库
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