一、3D打印——制造技術革命性創(chuàng)新

1.1、3D打印技術改變傳統(tǒng)制造生產模式

增材制造(Additive Manufacturing，簡稱 AM) 俗稱 3D 打印技術，有別于傳統(tǒng)減材制造， 是一種快速成型技術，通過對模型數(shù)字化立體掃描、分層處理，借助于類似打印機的數(shù)字 化制造設備，利用材料不斷疊加形成所需的實體模型。目前已經廣泛應用到航空航天、醫(yī) 療器械、建筑、汽車、能源、珠寶設計等領域，美國《時代》周刊將增材制造列為“美國 十大增長最快的工業(yè)”，英國《經濟學人》雜志則認為它將“與其他數(shù)字化生產模式一起 推動實現(xiàn)第三次工業(yè)革命”，改變未來生產與生活模式，改變制造商品的方式，并改變世 界的經濟格局，進而改變人類的生活。

與傳統(tǒng)制造技術（減材制造）相比，3D 打印不需要事先制造模具，不必在制造過程中去 除大量的材料，也不必通過復雜的鍛造工藝就可以得到最終產品，具有“去模具、減廢料、 降庫存”的特點。在生產上可以優(yōu)化結構、節(jié)約材料和節(jié)省能源，極大地提升了制造效率。 該技術適用于新產品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、復雜形狀零件的制造、模具的設 計與制造等，同時也適用于難加工材料的制造、外形設計檢查、裝配檢驗和快速反求工程。 3D 打印另一個顯著的優(yōu)點是，區(qū)別于傳統(tǒng)加工技術理念“制造引導設計”，其可以實現(xiàn)“設 計引導制造”，完全實現(xiàn)創(chuàng)意驅動，制造出符合特定消費者需求的產品。

上個世紀八十年代，增材制造技術開始在歐美國家爆發(fā)式增長，3D 打印技術應用最早可 追溯到 1986 年由美國 Charles Hull 開發(fā)的立體光固化(SLA)技術。接下來的 20 年內，多 項 3D 打印技術專利如：分層實體制造法（LOM）、熔融沉積成型(FDM)相繼問世，同時歐 美逐漸形成一批具有創(chuàng)新能力的 3D 打印公司，3D Systems、Stratasys、SLM solution 等。由于 3D 打印技術在歐美國家起步較早，經歷 30 多年的發(fā)展，SLA（立體光固化）、 SLS（選擇性激光燒結）等技術已經相對成熟。在高溫金屬材料、設備研發(fā)制造方面相對 完善。

進入 21 世紀以來，增材制造技術各細分領域有了進一步的發(fā)展，諸如數(shù)字光處理（DLP）、 多頭噴射技術(PloyJet)等被研發(fā)出來。特殊的 3D 打印材料、3D 打印設備也應運而生。目 前，世界各國的 3D 打印行業(yè)大體已經形成了涵蓋原材料、零件、工藝、設備、服務的完 整產業(yè)鏈，部分重點企業(yè)已由單一的設備制造商升級為從設計到終端零件制造的綜合解決 方案提供商。

1.2、3D打印技術：基礎技術日趨成熟、新技術不斷涌現(xiàn)

3D 打印技術最初由 Charles Hull 在 1986 年在被稱為立體光固化(SLA)過程中開發(fā)出來， 隨后又發(fā)展出選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、微噴射粘結技術（3DP） 等技術。進入 21 世紀以來，3D 打印技術有了新的突破與發(fā)展，在大類技術的細分下催生 出許多滿足特定行業(yè)需求的小類技術。如 SLA 技術：數(shù)字光處理（DLP）、多頭噴射技術 (PloyJet)，SLM 技術：直接金屬激光燒結（DMLS）。

1.2.1、選擇性激光燒結（SLS)

其原理是，激光選擇地逐層燒結固體粉末（材料除了主體金屬粉末外還需要添加一定比例 的熔點較低的粘結劑粉末，粘結劑粉末一般為熔點較低的金屬粉末或是有機樹脂等），同 時將燒結成型的粉末疊加至已固化的粉末層上，最終形成所需形狀的零件。這種技術依賴 的核心器件是紅外激光器，能源工作環(huán)境為氬氣或氮氣氣氛。具有制造工藝簡單、生產效 率較高、成型材料種類多、材料利用率高、成品用途廣泛、無需考慮支撐系統(tǒng)等優(yōu)勢。缺 點是由于粘接劑的作用，實體存在孔隙，力學性能差，需要高溫重熔再加工。此外，當產 品存儲時間過長時，會因為內應力釋放而變形，表面質量一般。運營成本較高，設備費用 較貴。

1.2.2、選擇性激光熔化(SLM)

該技術與 SLS 技術主要區(qū)別在于 SLM 通過激光器對金屬粉末直接進行熱作用，不依賴粘結 劑粉末，金屬粉末通過熔化、凝固從而達到冶金結合的效果，最終獲得所設計結構的金屬 零件。SLM 技術為了更好的融化金屬需要使用金屬有較高吸收率的激光束，所以一般使用 的是 Nd-YAG 激光器（1.064 微米）和光纖激光器（1.09 微米）等波長較短的激光束。優(yōu) 點是 SLM 技術使用純金屬粉末，成型的金屬零件致密度可達接近 100%；抗拉強度等機械性 能指標優(yōu)于鑄件，甚至可達到鍛件水平；致密度力學性能與成型精度上都要比SLS好一些。

另一種技術——選區(qū)電子束熔煉技術（EBM）與 SLM 技術相似，不同之處是 EBM 利用高速 電子束流的動能轉換為熱能作為熱源來進行金屬熔煉，工作環(huán)境為真空。電子束做熱源， 相比于激光可實現(xiàn)更高的熔煉溫度，且爐子功率和加熱速度可調，能熔煉難熔金屬，并且 能將不同的金屬熔合。但是也存在金屬收得率較低、比電耗較大、嚴格真空要求等缺點。

1.2.3、定向能量沉積(DED)

這項技術工作原理類似 SLM，由激光或其他能量源在沉積區(qū)域產生熔池并高速移動，材料 以粉末或絲狀通過噴嘴直接噴射到高功率激光器的焦點上，熔化后逐層沉積，形成所需零 件。相比于 SLM 技術的優(yōu)勢之處在于，第一，該技術允許激光頭和工件更靈活地移動，從 而增加設計自由度。第二，在 DED 設備運行中，惰性氣體直接從激光頭流出并包圍粉末流 和熔池，不依賴于充滿惰性氣體的壓力室，3D 打印加工過程可以立即開始，大大壓縮了生 產準備時間。第三，能生產大型零件，且不需要任何支撐結構。缺點在于熔化過程不如 SLM 精確，成品部件通常必須進行再加工。

1.2.4、微噴射粘結技術（3DP）

3DP 技術與 SLS 工藝類似，采用陶瓷、石膏粉末成形。不同之處在于，材料粉末不是通過 激光器燒結固體粉末連接起來的，而是通過粘接劑打印頭沿零件截面路徑噴射透明或者彩 色粘結劑并將粉末凝固，其他位置的粉末作為支撐，之后再鋪設一層粉末，循環(huán)該過程直 至打印完成。3DP 技術主要依賴的核心器件是粘接劑打印頭，優(yōu)點在于成型材料范圍廣， 能耗小，設備體積小。但是缺點也顯而易見，粘接劑粘接的零件強度較低，需要后處理， 產品疏松多孔。

以色列 Objet 公司研制的 Polyjet3D 技術與 3DP 類似，不過噴射的不是粘合劑而是光敏聚 合成型材料。目前，Polyjet3D 技術已經成為美國 Stratasys 公司的亮點。首先，多種基礎 材料可在機外混合，組合可得到性能更為優(yōu)異的新材料。其次，產品精確度可達 16 微米的分辨率，可獲得流暢且非常精細的部件與模型。最后，該技術用途廣泛，可適用于不同 幾何形狀、機械性能及顏色部件的打印，例如：Polyjet Matrix 技術還支持多種型號、多種 顏色材料同時噴射。

1.2.5、熔積成型法（FDM）

其工作原理是將絲狀原材料（一般為熱塑性材料）通過送絲機送入熱熔噴頭，然后在噴頭 內加熱熔化，熔化的熱塑材料絲通過噴頭擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準確運動， 擠出半流動的熱塑材料沉積固化成精確的實際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，這樣 逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個實體模型或零件。

該項技術主要依賴微細噴嘴（直徑一般為 0.2～0.6mm）以及加熱器（保持半流動成型材 料的溫度剛好在熔點之上 1℃)。其優(yōu)點是 1、無需激光器等貴重原件，成本低、速度快。 2、對使用環(huán)境沒有限制，可以放在辦公室或者家庭環(huán)境使用，維護簡單、體積小無污染 3、材料易更換、強度韌性較高，極大地縮短了產品開發(fā)周期，從而能夠快速響應市場變 化，滿足顧客的個性化需求。但是也存在零件精度低以及難以形成復雜構件和大型零件等 缺陷。

1.2.6、分層實體制造法（LOM）

這種方法以片材（如紙或塑料薄膜等）為原材料，根據(jù)計算機掃描得出的零件橫截面，通 過激光裁剪，將背面涂有熱熔膠的片材按零件的輪廓裁剪，之后將裁剪好的片層疊加至已 裁好的片層上，利用熱壓裝置將其粘結在一起，然后再進行下一層零件橫截面的裁剪、粘 合，最終形成實體零件。

LOM 技術主要依賴熱熔膠的性能，具有模型支撐性好，廢料易剝離，制件尺寸大，成本 低，效率高等優(yōu)點。缺點是抗拉強度和彈性差，不能制造中空件；受制于材料影響，利用 LOM 技術打印的零件易吸濕膨脹，表面有臺階紋。

1.2.7、立體光固化成型法（SLA）

SLA 技術的原理是，在計算機控制下，紫外激光按零件各分層截面數(shù)據(jù)對液態(tài)光敏樹脂表 面逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產生光聚合反應而固化，形成零件的一個薄層，一 層層固化直到整個零件制作完畢。該技術主要依賴紫外激光器和適合的光敏材料。

一方面，液態(tài)樹脂材料成型，固化方式由點到線，由線到面，制作的產品精度較高，表面 質量較好。另一方面，樹脂類材料本身存在一些缺陷，例如：強度，剛度，耐熱性有限， 不利于長時間保存，樹脂固化過程中產生收縮，不可避免地會產生應力或引起形變。雖然 SLA 技術發(fā)展較早，目前較為成熟，但是 SLA 設備造價依舊高昂，維護和使用成本高， 而且需要設計工件的支撐結構。

國際標準化組織轄下增材制造技術委員會發(fā)布 ISO/ASTM 52900：2015 標準將增材技術 分為 7 大類，分別是：立體光固化（SLA）、粘結劑噴射(3DP)、定向能量沉積(DED)、薄 材疊層（LOM）、材料擠出(FDM)、材料噴射（PloyJet）、粉末床熔融（SLM、SLS、EBM）。

由以上對市場上常見的 3D 打印方法總結可得，不同的增材制造技術通常存在材料、能量 源、成型方法的差異。而增材制造技術的選擇依賴下游行業(yè)的制件用途，金屬增材制造技 術一般運用在航天航空領域，而非金屬增材制造技術用途更加廣泛，主要運用在工業(yè)工藝 設計的其他領域：如汽車家電、醫(yī)學器械、文創(chuàng)用品等。

1.3、3D打印材料：金屬材料、復合材料成為未來發(fā)展趨勢

3D 打印材料是 3D 打印技術發(fā)展的重要物質基礎，材料是 3D 打印發(fā)展的重要制約因素。 根據(jù) Wohlers Associates Inc 發(fā)布的 2019 年 3D 打印下游應用行業(yè)統(tǒng)計顯示，汽車工業(yè) 占比最大，為 16.4%；消費電子以及航空航天以 15.4%和 14.7%占據(jù)第二、第三位。根據(jù) 下游領域制件品的特性，金屬、復合材料需求空間大，有望成為 3D 打印材料的“引爆點”。

一般 3D 打印所用的原材料都是專門針對 3D 打印設備和工藝而研發(fā)的，與普通的金屬材 料、塑料、石膏、樹脂等有所區(qū)別，其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等?？?從材料屬性的角度出發(fā)對增材制造技術進行歸類：如立體光固化（SLA）采用液態(tài)光敏樹 脂材料；分層實體制造法（LOM）需要紙、塑料膜等片狀材料，而選擇性激光燒結（SLS） 和選擇性激光熔化（SLM）則以金屬、陶瓷粉末材料為主。

1.3.1、金屬材料

重工業(yè)產品通常依賴耐高溫耐腐蝕的金屬材料，3D 打印為了滿足重工業(yè)產品的需求，最 早研發(fā)、投資最多在金屬粉末。金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧 含量低。目前，應用于 3D 打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合 金材料等，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。

鈦合金得益于強度高、耐蝕性好、耐熱性高，廣泛應用于飛機發(fā)動機冷端壓氣機部件以及 火箭、導彈和飛機的各種結構件制作。此外，不銹鋼粉末以其耐腐蝕性而得到廣泛應用， 3D 打印的不銹鋼模型具有較高的強度，而且適合打印尺寸較大的物品。

目前，歐美等國已經實現(xiàn)了小尺寸不銹鋼、高溫合金等零件的激光直接成形，未來高溫合 金、鈦合金材質大型金屬構件的激光快速成形是主要的技術攻關方向。

1.3.2、工程塑料

工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強度、耐沖擊性、耐熱性、硬度 及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當前應用最廣泛的一類 3D 打印材料，常見的有 ABS 類材料、PC 類材料、尼龍類材料等。

PC-ABS 材料是一種應用最廣泛的熱塑性工程塑料。其具備了 ABS 的韌性和 PC 材料的 高強度及耐熱性，大多應用于汽車、家電及通信行業(yè)。使用該材料制作的樣件強度比傳統(tǒng) 制作的部件強度高出 60%左右，工業(yè)上通常使用 PC-ABS 材料打印出概念模型、功能原 型、制造工具及最終零部件等熱塑性部件。

PC-ISO 是一種通過醫(yī)學衛(wèi)生認證的白色熱塑性材料，具有很高的強度，被廣泛應用于藥 品及醫(yī)療器械行業(yè)，用于手術模擬、顱骨修復、牙科等專業(yè)領域。

1.3.3、光敏樹脂材料

光敏樹脂一般為液態(tài)，其在一定波長的紫外光照射下能立刻引起聚合反應完成固化，可用 于制作高強度、耐高溫、防水材料。

Somos 19120 材料為粉紅色材質，是一種鑄造專用材料，成型后可直接代替精密鑄造的 蠟膜原型，避免開發(fā)模具的風險，具有低留灰率和高精度等特點。

Somos Next 材料為白色材質，是一種類 PC 新材料，韌性非常好，基本可達到選擇性激 光燒結（SLS）制作的尼龍材料性能，而精度和表面質量更佳，該材料制作的部件擁有迄 今最優(yōu)的剛性和韌性，同時保持了光固化立體造型材料做工精致、尺寸精確和外觀漂亮的 優(yōu)點，主要應用于汽車、家電、電子消費品等領域。

1.3.4、陶瓷材料

陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐高溫、低密度、化學穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在 航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應用。在傳統(tǒng)工藝下，復雜陶瓷件需通過模具來 成形，模具加工成本高、開發(fā)周期長，難以滿足產品不斷更新的需求。而 3D 打印用選擇 性激光燒結（SLS）對陶瓷粉末進行加工處理，能夠刪減繁瑣的設計步驟，實現(xiàn)產品快速 成型。

該材料存在一定的缺陷，SLS 采用激光燒結陶瓷粉末和某一種粘結劑粉末所組成的混合物， 在激光燒結之后，還需要將陶瓷制品放入到溫控爐中進行后處理。而且陶瓷粉末在激光直接快速燒結時液相表面張力大，在快速凝固過程中會產生較大的熱應力，從而形成較多微 裂紋。

1.3.5、其他材料

近年來，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 打印領域 得到了應用。彩色石膏材料是一種全彩色的 3D 打印材料?；谠诜勰┙橘|上逐層打印的 成型原理，3D 打印成品在處理完畢后，表面可能出現(xiàn)細微的顆粒效果，外觀很像巖石， 在曲面表面可能出現(xiàn)細微的年輪狀紋理，因此，多應用于動漫玩偶等領域。

美國賓夕法尼亞大學打印出來的鮮肉，是先用實驗室培養(yǎng)出的細胞介質，生成類似鮮肉的 代替物質，以水基溶膠為粘合劑，再配合特殊的糖分子制成。還有尚處于概念階段的用人 體細胞制作的生物墨水，以及同樣特別的生物紙，打印的時候，生物墨水在計算機的控制 下噴到生物紙上，最終形成各種器官。

食品材料方面，目前，砂糖 3D 打印機可通過噴射加熱過的砂糖，直接做出具有各種形狀， 美觀又美味的甜品。

現(xiàn)有增材制造專用材料包括金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和生物材料四大 類，但單一材料種類較少和性能不足嚴重制約了增材制造技術應用。目前，行業(yè)領軍企業(yè) 以及一些材料企業(yè)紛紛布局專用材料領域，突破了一批新型高分子復合材料、高性能合金 材料、生物活性材料、陶瓷材料等專用材料。相關企業(yè)將納米材料、碳纖維材料等與現(xiàn)有 材料體系復合，開發(fā)多功能納米復合材料、纖維增強復合材料、無機填料復合材料、金屬 填料復合材料和高分子合金等復合材料，不僅賦予材料多功能性特點，而且拓寬了增材制 造技術的應用領域，使復合材料成為專用材料發(fā)展趨勢之一。

二、政策扶持助力3D打印，標準體系規(guī)范行業(yè)發(fā)展

2.1、發(fā)達國家爭相出臺政策扶持3D打印技術發(fā)展

歐美國家 3D 打印技術起步較早，在政策的扶持下，產業(yè)化進程較快。2012 年，美國國防 部、能源部、宇航局、商務部等政府部門與企業(yè)、學校、非營利組織共同出資成立了國家 增材制造創(chuàng)新研究所。

在歐洲，歐盟委員會早在上世紀 80 年代就開始為 3D 打印項目提供資金，并在 2004 年組 建了歐洲 3D 打印技術平臺，該平臺已經制定了包括歐盟 3D 打印技術路線圖、產業(yè)路線 圖和校準路線圖等多項 3D 打印發(fā)展計劃方針。德國 Fraunhofer 增材制造聯(lián)盟是較為著名 的 3D 打印聯(lián)盟之一，由 10 個著名研究所組成，配備了數(shù)千萬歐元的資金用于基礎研究， 為初入 3D 打印行業(yè)的企業(yè)提供合適的解決方案。英國早在 2007 年推出了促進 3D 打印發(fā) 展的政策，政府計劃在 2007-2016 年期間，投入 9500 萬英鎊的公共和私人基金用于 3D 打印合作研發(fā)項目。此外，日本、韓國、俄羅斯、澳大利亞、新加坡等國家也紛紛出臺相 關政策，支持“增材制造”產業(yè)的發(fā)展。

2.2、中國起步雖晚，但政策發(fā)力迅速

3D 打印技術自上個世紀九十年代傳入我國，首先在各高校、科研機構展開初步研究。清 華大學激光快速成形中心、西安交通大學先進制造技術研究所、華中科技大學快速制造中 心等科研機構在增材制造技術的成形設備、工藝原理、數(shù)據(jù)處理軟件、分層算法、掃描路 徑及加工材料等方面取得了重大進展。進入 2000 年，我國自研 3D 打印技術相對成熟后， 初步實現(xiàn) 3D 打印設備的工業(yè)化。在國家和地方的支持下，全國建立了 20 多個增材制造 服務中心，用戶遍布醫(yī)療、航空航天、汽車、軍工、模具、電子電器、造船等行業(yè)。

2015 年以后，我國增材制造產業(yè)在“中國制造”引導下迎來高速發(fā)展契機，《中國制造 2025》、《十三五規(guī)劃》、《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020 年）》、《增材制造產業(yè)發(fā)展行動 計劃（2017-2020 年》等一系列產業(yè)政策描繪了增材制造行業(yè)的發(fā)展路線圖，并相繼成立 了基于企業(yè)、科研機構及高等院校合作的研究中心和技術聯(lián)盟，有力地促進了這一技術在 各領域的應用。

2.3、行業(yè)標準不斷細化，促進3D打印規(guī)范化發(fā)展

進入 21 世紀以來，3D 打印行業(yè)進入快速發(fā)展階段，規(guī)范化的行業(yè)標準不斷形成。2009 年，美國材料與實驗協(xié)會（ASTM）成立增材制造技術委員會（F42），并在此基礎上設多 個分委會，從標準實驗方法、設計標準、材料工藝、專業(yè)術語等方面為不同的增材制造技 術首次提供了通用的標準。

最初的標準主要針對增材制造過程中的原材料——金屬粉末（鎳基合金、鈦鋁合金、不銹鋼合金）；粉末床熔融設備的安裝、操作、性能。例如，2012 年發(fā)布的 F2924 標準對使 用粉末床熔化（例如電子束熔化和激光熔化）技術進行增材制造的鈦鋁合金原料和供應鏈 制定規(guī)范。

2011 年，國際標準化組織（ISO）創(chuàng)建了 ISO/TC 261 增材制造及標準化技術委員會。2015 年，ISO/TC 261 與 ASTM-F42 簽署了合作協(xié)議，共同展開增材制造技術領域的標準化工 作。ISO/ASTM 標準從技術設計、材料與工藝、術語、成品測試方法幾個層面對增材技術 行業(yè)進行約束，將全球標準系統(tǒng)化、統(tǒng)一化。目前，ISO/TC261 和 ASTM F42 編制新標 準 40 余項，從增材制造的材料與工藝、測試方法、設計、安全防護等多方面展開，進一 步完善增材制造標準體系。

在增材制造的重大用途領域——航空航天，2015 年，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）委托 美國機動車工程師學會（SAE）制定特殊認證的增材制造技術標準。標準針對航空航天產 品制造過程制定推薦慣例、規(guī)范與標準，為原材料及成品材料的采購定制規(guī)范，同時積極 與其他組織協(xié)調，推動標準在工業(yè)界的采用。截至目前，SAE 已經發(fā)布及正在制定的標準 共計 30 項，涉及激光及電子束能量源、等離子弧熔絲、激光熔絲、熔融擠出工藝，以及 鈦、鋁、不銹鋼等材料。

我國的增材技術標準建立起步較晚，主要是在《十三五規(guī)劃》的推動下，于 2016 年 4 月 成立全國增材制造標準化技術委員會(SAC/TC 562)，隨后由該組織逐步建立和完善的相關 標準體系。截至目前，關于增材制造的標準（含起草、批準和已發(fā)布）共計 50 余項，現(xiàn) 行標準共計 15 項，主要是從技術、原材料、專業(yè)術語層面進行基本規(guī)范。特別地，中國 重視塑料、鈦合金零件制造，著力發(fā)展熔積成型法（FDM）和選擇性激光熔化(SLM)技術， 此外還有針對醫(yī)療器械生產質量的標準。

三、3D打印有望從導入期進入快速成長期

3.1、全球3D打印年均增幅20%，預計2026年規(guī)模突破370億美元

自 20 世紀 80 年代起，3D 打印有了初步發(fā)展。而 3D 打印技術真正開始產業(yè)化發(fā)生在 20 世紀 90 年代。自 2013 年至 2020 年，全球 3D 打印產值增長近 4.2 倍，到 2020 年達到 126 億美元。預計 2020-2026 年間 將保持 20%的年均復合增幅，到 2026 年有望達到 372 億美元。

3.1.1、3D打印設備占主導地位，全球競爭加劇

歐美國家 3D 打印產業(yè)起步于上世紀 80 年代，其他地區(qū)則普遍起步于 20 世紀 90 年代中 后期。中國在技術方面起步并不算晚，但在產業(yè)化方面相對落后。根據(jù)沃勒斯全球 3D 打 印細分產業(yè)調查結果顯示，2019 年，3D 打印設備實現(xiàn) 52.97 億美元產值，占比 44.3%， 為三項產業(yè)占比最大。其次是 3D 打印服務與 3D 打印材料，分別占 31.6%與 24.1%。

產業(yè)化方面，美國和歐洲在產業(yè)化方面優(yōu)勢明顯，3D 打印產業(yè)鏈中多為歐美企業(yè)。2019 年，美國以 34.4%份額占據(jù)全球 3D 打印設備數(shù)量首位，而中國以 10.8%位居其次。日本、 德國緊跟其后，分別占據(jù) 9.3%與 8.2%。

全球 3D 打印產業(yè)區(qū)域結構占比顯示，目前美國以 40.40%的比例占據(jù) 3D 打印行業(yè)的主導 地位，第二位為德國，占 22.5%的市場份額。中國在全球 3D 打印產業(yè)中占 18.6%，大約 是美國的一半。日本和英國占據(jù)全球 3D 打印市場的比例大于 5%，位居中國之后。

3.1.2、中國市場超速發(fā)展，有望保持30%的年均增長率

上個世紀九十年代，我國的一批科研院所開啟了 3D 打印研究工作，經過近三十多年的科 技攻關，中國 3D 打印產業(yè)已初具規(guī)模，產值在全球的占比也不斷上升。在全球市 場的比重也不斷上升，2016 年占比將近 18%。 自 2015 年，在黨的十七大“加快建設制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)”思想的指導下，我 國發(fā)布了一系列推動“增材制造”產業(yè)發(fā)展的政策，并且將“增材制造”納入國家重點發(fā) 展領域。“十三五規(guī)劃”為國內 3D 打印技術進一步開展指明了方向，在政策的指導和科研 人員的不斷努力下，近五年來我國的 3D 打印產業(yè)發(fā)展迅猛。

2020 年 2 月，國家標準化管理委員會聯(lián)合六部門發(fā)布《增材制造標準領航行動計劃 (2020-2022 年)》，提出“到 2022 年，立足國情、對接國際的增材制造新型標準體系基本 建立”。此外，為提升國際競爭水平，計劃研制出 80-100 項增材制造“領航”標準，并推動國內標準國際化，轉化率將達到 90%。結合國家層面政策指導以及國內近 6 年 3D 打印 產業(yè)發(fā)展態(tài)勢，前瞻產業(yè)研究院預測，到 2025 年，我國 3D 打印市場規(guī)模將超過 630 億 元，2021-2025 年復合年均增速 20%以上。

從產業(yè)細分結構來看，根據(jù)賽迪顧問（CCID）公布的數(shù)據(jù)顯示，我國的 3D 打印設備市場 規(guī)模最大，2020 年產值達到 92.54 億元，這主要是因為設備單價高、部分依賴進口導致。 由于許多工業(yè)零部件存在唯一適配性，許多公司為客戶提供定制化服務，目前規(guī)模第二大 的是 3D 打印服務市場，2020 年的產值為 64.46 億元。由于我國對 3D 打印材料研發(fā)水平 較為局限，加上 3D 打印材料整體單價相對較低，因此目前規(guī)模最小、增速最慢。在 2020 總產值為 50.59 億元。

2019 年，我國 3D 打印材料產業(yè)規(guī)模達 40.94 億元，從市場細分情況來看，金屬材料產業(yè) 規(guī)模為 15.56 億元，非金屬材料產業(yè)規(guī)模 25.38 億元，分別占 38.01%與 61.99%。非金屬 材料主要為塑料、陶瓷、光敏樹脂等，廣泛應用于消費品、醫(yī)療教育等行業(yè)。而目前，我 國工業(yè)級應用的金屬粉末（鈦、不銹鋼等）研發(fā)較少，相關的 3D 打印技術（SLS、SLM 等）對金屬粉末的形狀、大小要求較為嚴格，金屬 3D 打印制作技術與設備還較為缺乏。

從我國 3D 打印下游市場細分情況來看，主要集中在民用消費、工業(yè)設計、航天軍工三大 板塊。在 2019 年，中國 3D 打印應用服務產業(yè) 結構中，工業(yè)領域應用服務產業(yè)規(guī)模達 29.23 億元，占比達 64%，消費領域產業(yè)規(guī)模 16.44億元，占比 36%。

3.2、行業(yè)由導入期步入成長期，迎來快速增長階段

綜合 3D 打印技術、產值等分析情況來看，根據(jù)波特的行業(yè)生命周期理論，我們推測目前 3D 打印處在成長初期。從產值角度看，目前行業(yè)增長率超過 20%，在中國年均增長率甚 至超過 25%，根據(jù)相關機構預測，未來五年內還將加快增長速度。從技術的角度來看， 3D 打印經歷過產品新、質量差，專攻研發(fā)與技術改進的“負盈利”導入期，目前部分技 術較為成熟、銷量開始攀升、市場份額不斷擴大、競爭者不斷涌入，符合成長期的特征。 在未來還將有一段較長的成長期，最終過渡到成熟期，達到最高的產值和利潤總量。

四、航空航天、汽車、醫(yī)療有望成為3D打印應用藍海

4.1、核心專利到期釋放新機會，新一輪專利搶占開啟

1985 年 3D 打印之父 Hull 提交了名為“UVP INC”的專利申請（US4575330B1），這也 是大眾熟知的立體光固化成型技術。1987 年，Scott Crump 發(fā)明了熔融沉積成型（FDM） 技術并申請了相關專利。從 3D 打印專利申請趨勢來看，早期的年專利申請量較為穩(wěn)定， 在 1985-2011 年間，年均申請量僅為 2000 件，年均復合增速 3.6%。2012 年后，隨著各 大高校院所積極參與研究、3D 打印公司深入布局核心專利，3D 打印專利申請量迎來了爆 發(fā)小高潮。

4.1.1、核心專利退出，激發(fā)市場活力

根據(jù)上個世紀美國的《專利法》，申請的專利有兩種到期計算方法，從專利申請日開始計 算的 17 年后，或者從專利備案日開始的 20 年。結合時間線，可以看出許多領先的工業(yè) 3D 打印專利在 2009-2015 年已經退出霸主地位。3D 打印核心技術的釋放，將大大減少 相關企業(yè)的生產成本，降低準入門檻，鼓勵更多的企業(yè)參與市場競爭，激發(fā)市場活力。

由歷史可見，2009 年熔融層積成型（FDM）專利到期后，3D 打印機的銷量迅速增長，售 價從數(shù)千美元跌到最低 300 美元，市場上涌現(xiàn)了不少中國制造的低價 3D 打印機。2014 年是專利到期的“高峰年”，3D Systems 的 3 項專利（涉及 SLA 光固化方法）、Stratasys 的 6 項專利（涉及 FDM、支撐移除和優(yōu)化調整）陸續(xù)到期，全球 3D 列印制造商紛紛搶攻 這項 3D 打印技術市場。同年，Deckard 在 20 世紀 90 年代初申請的激光燒結技術(SLS) 的專利到期。2016 年 12 月選擇性激光熔化技術（SLM）到期。同年 12 月，Z Corp 公司 關于“制作三維立體物體原型的方法和設備”的專利到期。

過去 5 年內，3D 打印工藝核心專利的到期為行業(yè)帶來了新的活力。伴隨著舊專利逐漸退 出歷史舞臺，許多 3D 打印巨頭在全球范圍內對新專利進行緊鑼密鼓的布置。Innography 平臺公布的數(shù)據(jù)顯示，全球綜合競爭力排名前 20 的專利權人只有中國科學院是中國機構， 沒有中國企業(yè)出現(xiàn)。而在中國區(qū)域綜合競爭力排名前 100 的專利權人中，有通用電氣、西 門子、Stratasys 公司等大量國外公司。這說明國外企業(yè)比較注重通過專利技術實現(xiàn) 3D 打 印在中國市場的全面布局。

從 INCOPAT 平臺整理數(shù)據(jù)來看，全球專利申請量最大的企業(yè)前三名分別是德國巴斯夫、 韓國 LG、美國通用。在專利申請量排名前十名中，美國企業(yè)占據(jù)一半，主要領域是航空 航天。而中國僅有西安交通大學上榜，未出現(xiàn)專營 3D 打印的公司。從專利價值度的分析 結果看，德國巴斯夫專利價值最高；而韓國 LG、美國通用、韓國三星、STRATASYS 公 司也有較多的高價值專利。西安交通大學的專利價值分布為中等水平，高價值專利比例不 多。

4.2、資源并購整合加劇、新模式出現(xiàn)

近年來，隨著行業(yè)從導入期逐漸過渡至成長初期，資源搶占、行業(yè)整合加劇。收購對象涵 蓋包括服務商、軟件公司、材料和設備廠商在內的 3D 打印生產鏈企業(yè)。

在中國，資本主要流向金屬 3D 打印技術，對微米級電板 3D 打印、生物醫(yī)療 3D 打印的 投資也比較多。在國外，化工材料巨頭加大對 3D 打印復合材料的投資；此外還有一些創(chuàng) 新性的 3D 打印技術得到種子輪、A 輪資本支持；針對 3D 打印的生產管理、后處理等產 業(yè)配套方向，逐漸成長出優(yōu)質創(chuàng)業(yè)公司。

總體來說，3D 打印相關企業(yè)融資案例主要發(fā)生在美國、德國、英國、以色列等 3D 打印 技術較為成熟的國家；3D 打印公司的技術，更注重生產制造的質量和效率的提升，劍指 批量化生產；金屬 3D 打印相關企業(yè)融資案例不多，但發(fā)生融資的一般金額都很大，產業(yè) 已逐步發(fā)展成熟，市場格局初具形態(tài)。

2016 年，GE Additive 收購瑞典 Arcam 公司和德國 Concept Laser 公司。2017 年，3D Systems 收購了牙科材料公司 Vertex-Global Holding 公司。2019 年，蔡司收購了德國 GOM 公司。資源的整合有利于 3D 打印企業(yè)市場布局，為客戶提供“一站式”服務。

與此同時，應用領域不斷拓展，新的行業(yè)模式也在不斷演進。全球各地的增材制造工廠形 態(tài)緩慢成型，從“原型制造”階段過渡到了根據(jù)需要、可靈活的進行工業(yè)規(guī)?；可a 階段。如 2016 年西門子投資 2000 多萬歐元，將芬斯蓬一處學校舊址改造成了西門子工業(yè) 型燃氣輪機 3D 打印研發(fā)基地和工廠，負責燃氣輪機零部件的快速原型設計、快速維修和 快速生產。

預計在成熟期，3D 產業(yè)鏈上的專業(yè)分工會進一步深化，專業(yè) 3D 數(shù)字化服務商、材料供 應商和專業(yè) 3D 打印企業(yè)會出現(xiàn)，產品設計服務會獨立或向下游消費企業(yè)轉移。同時還會 出現(xiàn)為 3D 打印產業(yè)提供支持服務的第三方檢測驗證、金融、電子商務、知識產權保護等 服務平臺。

4.3、航空航天、汽車、醫(yī)療器械有望成為3D打印應用藍海

起初，3D 打印問世時設計的桌面級打印機主要服務于消費領域，規(guī)模較小，增速較慢。 近年來，3D 打印技術已經成為航空航天等高端設備制造及修復領域的重要技術手段，并逐 步向建筑、服裝、食品等領域擴展，成為產品研發(fā)設計、創(chuàng)新創(chuàng)意及個性化產品的實現(xiàn)手 段以及新藥研發(fā)、臨床診斷與治療的工具。

從總體情況來看，航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)療齒科三大領域是 3D 打印未來重點應用領域。

4.3.1、航空航天：3D打印應用日趨成熟

3D 打印技術已成為提高航天器設計和制造能力的一項關鍵技術，主要應用于設計模具鑄造、 功能性零部件制造、重要構件修復。近年來，由于航空航天構件對于材料的性能（如硬度、 熔點等）要求較高，國內外 3D 打印技術的研究主要集中在形狀復雜的功能性金屬材料（包 括金屬、合金和金屬基復合材料）方面。目前，航空發(fā)動機是 3D 打印重點應用領域，在 一些技術較為成熟的國家，3D 打印也開始用于導彈、無人機以及衛(wèi)星的零部件。

在模具鑄造方面，由于 3D 打印技術 SLS 熔模鑄造工藝無需制造蠟模壓型，縮短了鑄造用 熔模的準備時間，具有速度快、成本低的優(yōu)勢，十分適用于航空發(fā)動機復雜鑄件研制階段 所需進行的反復鑄造工藝試驗。普惠公司采用 3D 打印生產了超過 10 萬件部件和原型件， 包括鑄模、設備工具以及試驗臺架硬件等。普惠公司在 PW1100G 發(fā)動機的部件設計中， 采用增材制造技術極大地減少了部件的研制時間以及原材料和成本的浪費，發(fā)動機單個零 件的制造速度提高 4-8 倍，相比鍛造，部分零部件最多節(jié)約 90%的材料。

在零部件制造方面，采用 3D 打印技術能夠減少大量零件的焊接組裝工作，同時能實現(xiàn)更 復雜內部結構，提高零部件性能。GE 公司采用 3D 打印技術制作航空發(fā)動機的燃油噴射 系統(tǒng)，其將傳統(tǒng)工藝的 20 片部件組裝或焊接的結構制造為一個部件，這種方法得到的制 件具有接近鍛造的材料性能。而且 3D 打印工藝能夠避免產生變形和形成微裂紋，提高了 燃油噴射系統(tǒng)壽命將近４倍，重量減輕 25%，研制成本進一步降低，預計能夠通過 50-100 個增材機械實現(xiàn)每年 40000 個噴嘴的產量，這一生產率將能夠確保每月 175 臺發(fā)動機交 付量。

在修復制件方面，利用 3D 打印技術修復的航空發(fā)動機整體葉盤的高周疲勞性能優(yōu)于原始 材料。通過大量基礎技術研究工作，國外已經初步建立起整體葉盤的激光修復裝備、技術 流程和相應數(shù)據(jù)庫，推動了整體葉盤激光修復技術的工程化應用，我國的相關科研機構也 積極布局 3D 打印激光修復技術。德國弗朗恩霍夫協(xié)會與 MTU 公司合作利用激光修復技 術修復鈦合金整體葉盤。北京航空制 造工程研究所采用激光修復技術修復了某鈦合金整體葉輪的加工超差，并成功通過了試車 考核。

在航天領域，歐洲航天局(ESA)和瑞士 SWISS to 12 公司開發(fā)出專門為未來空間衛(wèi)星設計 的首個 3D 打印雙反射面天線原型，通過采用 3D 打印，不僅顯著增加天線的 精度，還可降低成本，縮短交付時間，增加射頻設計的靈活性，最重要的是減輕部件質量。 美國航空噴氣發(fā)動機洛克達因公司(AerojetＲocketdyne)完成首批“獵戶座”載人飛船 12 個噴管擴張段的 3D 打印任務，使為期 3 周的制造時間比傳統(tǒng)制造工藝技術縮短了約 40%。

法國泰勒斯·阿萊尼亞航天公司將歐洲最大的 3D 打印零件(遙測和指揮天線支撐結構，尺 寸約 45cm×40cm×21cm)用于 Koreasat 5A 和 Koreasat 7 遠程通信衛(wèi)星，通 過 3D 打印實現(xiàn)了質量減輕 22%、成本節(jié)約 30%、生產周期縮短 1–2 個月。俄羅斯托木 斯 克 理 工 大 學 (TPU) 設 計 并 制 造 的 首 枚 外 殼 由 3D 打印的 CubeSat 納 米 衛(wèi) 星 Tomsk-TPU-120 于 2016 年 3 月底搭載進步 MS-02 太空貨運飛船被送往國際空間站。

4.3.2、汽車工業(yè)：3D打印助力汽車輕量化

汽車零部件：3D 打印可以制造很多傳統(tǒng)工藝無法實現(xiàn)的復雜結構零件，例如點陣結構、 一體化結構、異形拓撲優(yōu)化結構等，這些復雜結構不僅降低零件的質量，還能發(fā)揮其他功 能性的作用。美國加利福尼亞州的 FIT 公司通過選擇性激光熔化 3D 打印技術制造充滿點 陣結構的仿生發(fā)動機氣缸蓋，該氣缸蓋質量減少了 66%，表面面積從 823 平方厘米增加 到 6052 平方厘米 ，顯著提高了氣缸蓋的冷卻性能，從而改善了賽車的發(fā)動機性能。法拉 利 668 賽車應用了 3D 打印的鋼合金活塞，該零件內部添加了復雜的點陣結構，不僅可以 減少材料的使用，減輕零件質量，又可以保證高沖擊區(qū)域的強度，使發(fā)動機實現(xiàn)更充分地 燃燒。

內外飾應用：汽車外形和內飾風格與消費者的購買決策是息息相關的，3D 打印技術的應 用，可以為汽車提供更舒適的環(huán)境或更個性的造型。法國標致曾有一款 Fractal 的純電動 概念車，該車的內飾件表面具有凹凸不平的結構，這些結構是將白色尼龍粉末通過選擇性 激光燒結 3D 打印方式制成，這種內飾不僅可以減少聲波和噪聲水平，而且會使聲波從一 個表面反射到另一個表面，從而實現(xiàn)對聲音環(huán)境的調整。

寶馬 Mini 已經開始將 3D 打印運用到了汽車內飾的定制上，客戶可以在側舷窗以及內飾板 兩個零件上，充分發(fā)揮自己的創(chuàng)意，將彰顯個性的簽名，圖案、顏色整合到零件的設計中， 然后采用 3D 打印制造出來。

整車制造：3D 打印不僅可以直接制造汽車零部件，甚至可以顛覆傳統(tǒng)的整車設計理念和 制造方式，用于整車制造。Blade 跑車是一款顛覆傳統(tǒng)設計的全新跑車，它的底盤和支撐 結構是通過將 3D 打印的鋁合金節(jié)點與現(xiàn)成的碳纖維管材連接而成，整個裝配過程像搭建 積木一樣。汽車底盤大約由 70 個 3D 打印的鋁節(jié)點組成，這種結構不僅質量減輕 90%， 并且可以經受住五星級碰撞，承受得了在公路上的顛簸。

4.3.3、生物醫(yī)療：3D打印使個性化醫(yī)療成為現(xiàn)實

人體組織主要由自組裝聚合物(蛋白質)和骨礦物質組成，金屬以微量元素的形式存在，具 有分子尺度的功能。金屬生物材料是人類應用最早也是目前使用最多的醫(yī)用生物材料之一， 目前臨床使用的金屬生物材料包括不銹鋼、鈷鉻合金(Co-Cr 合金)、鈦(Ti)等不可降解金屬 及鎂(Mg)、鐵(Fe)、鋅(Zn)等可降解金屬。近年來隨著 3D 打印技術的進步和 3D 打印材料 的發(fā)展，有學者提出利用 3D 打印技術克服傳統(tǒng)制作工藝缺陷，這在一定程度上促進了外 科手術規(guī)劃和外科金屬植入物的進步。目前已有大量體內外實驗證實 3D 打印金屬基生物 材料在實踐應用中的可行性，為推進個性化醫(yī)學提供了前所未有的可能性。目前，3D 打 印金屬基生物材料主要用于口腔科、組織修復、骨科植入及心血管設備的應用。

齒科：隨著生活水平的提升，大眾對于自身外觀的重視度不斷提升，加之三維影像和光學 掃描儀設備的研發(fā)以及 SLA、DLP 技術的成熟，3D 打印在口腔數(shù)字化加工、個性化定制、 特別是數(shù)字化種植導板，通過口掃、設計、3D 打印，來實現(xiàn)真正的精準種植和精準醫(yī)療， 減少了患者的等待時間，提高了患者的舒適度，降低了手術風險，給患者帶去更快捷安全 的體驗。3D 打印目前主要用于口腔正畸、口腔修復、口腔種植。

Technavio 公司《2019-2023 年全球牙科 3D 打印設備市場》指出，2019 年至 2023 年， 全球牙科 3D 打印設備市場將增長至 6.67 億美元。據(jù)國家統(tǒng)計局《第三次全國口腔流行病 抽樣調查結果》顯示，全國有 94%的人口存在某種形式的牙齒問題，85%的人口患有牙周 病，在 35-45 歲的人群當中僅有 14.5%的人口擁有健康的牙周組織，30%-50%的人口存 在牙齒咬合問題。由此可見，中國齒科產品市場前景非常廣闊，預計隱形矯正市場將迎來 爆發(fā)式增長。

2017 年聯(lián)泰科技正式成立口腔應用事業(yè)部，投入了一千多萬元的研發(fā)資金，從硬件、軟 件、材料三大維度投入，研發(fā)出專業(yè)用于口腔齒科 EvoDent 系列數(shù)字化牙科專用的 3D 打 印設備，為深挖口腔應用進一步助力。目前，聯(lián)泰科技 SLA 技術的隱形正畸市場已經占 據(jù) 30%以上市場應用份額，DLP 技術也占到市場的近 20%。

輔助治療及解剖模型：中山大學的學者通過計算機斷層掃描患者骨盆三維模型，并運用 3D 打印技術構建 3D 物理模型，為繼發(fā)于髖關節(jié)發(fā)育不良（DDH）患者實施全髖關節(jié)置 換術（THA），模型的使用讓手術有更好的計劃從而簡化了外科手術過程，組件在術前計 劃和手術中使用的實際大小之間的一致性較高。

支架與假體：因為鈦表面有致密的氧化鈦（TiO2）保護膜，具有高強度重量比，非磁性和 高耐腐蝕性的優(yōu)點，通常永久性骨組織假體采用金屬鈦或其他材料，并在表面附加凝膠材 質涂層，增強生物相容性，促進植入物假體周圍的細胞生長并降低鈦或其他永久性材料可 能造成的炎癥和感染風險。Winder 等將 3D CT 成像和 3D 打印技術相結合，通過制作出 患者頭骨模型得到定制鈦板，實現(xiàn)對患者顱骨缺損部分進行修復。

生物 3D 打?。荷?3D 打印是利用快速成型技術(RP)將生物材料和生物單元按仿生形態(tài) 學、生物體功能、細胞生長微環(huán)境等要求，使得細胞單個或串聯(lián)打印，一層一層，直接創(chuàng) 建三維組織或器官的制造方法，細胞直接打印是對組織工程的一種延伸，相比于支架，生 物打印可以在支架不同位置實現(xiàn)不同種類、不同密度的細胞沉積，直接對組織或器官進行 打印。人造血管具有較好的灌注能力和很高的滲透性，可以使介質沿徑向擴散，類似于天 然血管。

五、風險提示

1、新冠疫情反復 印度國內發(fā)現(xiàn)一種新型變異新冠病毒，該毒株出現(xiàn)了雙重突變，可能會弱化當前疫苗免疫 效果，且傳染性更強，在新冠疫情反復的情況下會對下游高端制造業(yè)需求造成打擊；

2、項目建設不及預期 3D 打印材料及設備產線建設需要時間，且由于其配套加工設備較復雜可能在項目建設過 程中出現(xiàn)問題，影響進度；

3、行業(yè)競爭加劇 3D 打印核心專利保護期結束后布局 3D 打印業(yè)務的公司逐漸增加，受技術端影響行業(yè)具 有后發(fā)優(yōu)勢，從而引起行業(yè)競爭加劇。