作为21世纪最具发展潜力的新兴技术之一的3D打印，其独特的设计方法与颠覆性的工艺技术正在制造业内形成一股热潮，以飞快的发展速度占据着制造业市场，以3D打印为中心的原材料市场、工业设计、软件模拟、3D扫描、服务等正在蓬勃发展，形成以3D打印为中心的新产业集群。本文围绕3D打印产业链，介绍了3D打印的产业链组成及市场发展概况，颠覆性的技术是否能动摇传统制造业的根基，3D打印的未来所面临的挑战。

 

　　一、3D打印技术概况

 

　　3D打印技术，也称“增材制造”或“增量制造”。它是一种基于三维CAD模型数据，通过增加材料逐层制造，是一种直接制造与相应数学模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。它涵盖了产品生命周期前端的“快速原型”和全生产周期的“快速制造”相关的所有打印工艺、技术、设备类别和应用。

 

　　增材制造技术第一次出现于1980年，第一次应用是在汽车的原型设计方面。通过研究者和企业近30年来的努力，3D打印技术已经渐趋成熟，衍生出7种重要的子技术，详见图1。3D打印的直接制造将成为技术发展史上重要的里程碑。

 

　　二、3D打印产业链组成

 

　　1.3D打印生产制造商

 

　　3D打印制造商主要生产3D打印机和开发增材制造子技术。设备制造是3D市场最重要的组成部分，占据市场最大份额。其中著名的生产制造商有斯川塔斯(Stratasys)、3Dsystems、EOS、ConceptLaser、SLMSolutions、ExOne和Ultimaker。这些制造商除了生产3D打印配套设备外，还提供相关软件、材料、技术、咨询和其他服务等。

 

　　3D打印设备制造商与与其它供应商实现捆绑，包括软件、材料和咨询服务，可以更好地实现根据客户需求为客户定制，包括设备和软件等。

 

　　2.原材料供应商

 

　　原材料供应商提供3D打印所需原材料，其中涵盖材料制备、材料热处理和后续烧结工艺等各个方面。材料的种类有高分子材料和金属材料，其中金属材料包括粉末和线材。

 

　　目前，高分子类原材料主要应用于桌面级的3D打印机，而金属类原材料主要应用于工业级的3D打印。随着3D打印应用越来越工业化，金属材料的3D打印将具有广阔的前景。

 

　　3.3D打印软件

 

　　3D打印机所用软件主要还是来源于大型的软件公司和一些特定的3D打印服务商。例如，西门子（Siemens）公司在PLMNX软件中新增用于3D打印模块。惠普（HP）公司的3D打印机使用的是Siemens公司的增材制造软件。欧特克（Autodesk）、达索（DassaultSystemes）和奥多比（Adobe）公司也开始进入这个市场，3D打印服务商Materialise也开始为3D打印提供软件方面解决方案。

 

　　4.3D扫描/逆向工程

 

　　此类公司主要是将产品实物扫描录入电脑使其成为3D打印设计模型，该项技术在建筑、汽车和工程上被广泛应用。该技术的目的主要是用来测试和产品验证，是3D打印产业链中不可或缺的一部分。

 

　　5.产品服务商

 

　　3D打印服务商主要负责3D打印原型和产品的交付，他们处于整个3D打印供应链的中间位置，既是产品供应商的顾客，也为其他公司或个体提供3D打印产品。

 

　　二、3D打印市场发展

 

　　Canalys预测，全球3D打印市场价值（包括原材料及服务）在2016年底将达到49亿美元，从2015年到2020年，全球市场的年增长率预计为43.5%，达到224亿美元。其中3D打印机的年增率预计为67.2%，到2020年将达到240万台。

 

　　2015年，全球3D打印机供应商总共售出18.2万台3D打印机，同比增长37%，其中，企业和个体的需求明显增加。

 

　　研究人员估计，2016年3D打印市场将达到73亿美元，主要包括3D打印机、材料、咨询及服务，从2012年到2014年，每年至少以30%的速度增长。

 

　　在市场份额方面，如图3所示，西方国家占到整个3D打印市场的2/3（68%），亚太地区仅占到27%。在行业方面，消费电子和汽车行业各自贡献了3D打印总收入的20%，这些行业将3D打印技术应用于产品的原型设计。除此之外，手机制造商也逐渐使用3D技术制造产品零部件。医疗器械行业作为第3大3D打印市场，需求量正在迅速增长，他们使用3D打印技术大批量定制产品例如人体助听器等。

 

　　尽管增长显著，但3D市场的潜力还未完全开发。事实上，3D仅占到全球制造业市场的0.04%，其中仅有的几家3D设备制造商占据3D打印市场很大份额。例如，2015年，Stratasys、3DSystems和EOS三家公司市场份额占到整个3D打印市场的70%；同样，3D打印服务商也是2家独大：Materialise和ProtoLabs，市场份额占到10%。图4详细展示了3D打印设备制造商和服务商市场份额分布情况。

 

　　目前3D打印应用最大的市场在于零部件生产。在2003年，使用3D打印生产的零部件几乎呈现零增长趋势，但截至2014年，3D零件生产已经占到全球3D打印产品和服务收入的43%（约18亿美元）。

 

　　在零部件生产方面，如图5所示，其中功能性零部件占据29%，原型设计占据10%，模具设计占到10%，成品组合占到18%。

 

　　3D打印市场已经越来越成熟，使用3D打印精简了生产工艺过程，从而提高生产效率。对于公司来说，这无疑是一个巨大的机遇。

 

　　四、3D打印VS传统制造业

 

　　虽然3D打印发展迅猛，但是并不是一刀切的解决方案，在高容量，标准化应用方面，传统制造业有着不可替代的优势。目前，3D打印的适用方面主要有：原型设计（25%）、产品开发（16%）、想法验证（11%）。

 

　　3D打印的优势在于：①加速定制产品的开发和交付；②提高库存的灵活性，可以实现实时生产具有可变需求的产品；③小批量制造优势明显；④在特定应用开发方面，效率高，成本低；⑤在新市场开拓方面，灵活性高。除此之外，3D打印也可以提高轻量化产品的品质，使其更好的符合人体工学设计，增加更多的设计自由度。

 

　　然而，工艺稳定性和重现性低对产品的质量和耐久性产生极大的负面影响。

 

　　最后，对于传统行业和3D打印，在不同的应用方面，有着各自独特的优势。因此，对于企业来说，必须根据自身的需求和产品性质去决定是否选择3D打印或传统制造，图7显示了3D打印与传统行业在不同方面的优势。

 

　　1.电子消费行业

 

　　3D打印已经在新产品开发、产品概念设计和零部件原型制造等方面对电子消费行业产生积极的影响。例如，大型消费电子公司使用3D打印将产品设计验证时间从一周缩短至一天，显著提高产品的设计完成效率，并通过3D打印短时间内创造出更好的产品。大型电脑配件公司使用3D打印技术，仅仅8个月就可以实现盈利。

 

　　在未来，下一个3D打印机遇将出现在手机行业，它将占到整个电子消费市场的35%，当先进的材料和制造技术成熟之后，智能手机制造商将逐渐从原型设计转向3D打印产品。

 

　　2.汽车行业

 

　　汽车行业最早将3D打印实现商业化应用。今天，汽车生产制造商主要将该技术用于原型设计，而在零部件生产方面，并没有大规模使用3D打印技术，主要是因为3D打印尺寸限制，目前还不能很好实现大型零部件的直接打印。但是，在其他方面，3D打印为汽车行业带来了便利。例如，缩短了汽车发动机原型件生产周期，使用3D打印展示产品的概念原型、预生产原型和最终产品模型。

 

　　汽车使用零部件更便宜、更轻、制造更快速将成为未来汽车行业发展的目标，这为3D打印在汽车行业的发展提供了广阔的前景。

 

　　六、3D打印未来发展方向

 

　　1.更快的生产速度

 

　　未来，在整个产品供应链上，3D打印的前景广阔，预计到2023年，3D打印的平均生产速度有望提高88%，此外，随着打印速度的提高，打印尺寸及容量也很有可能随之提高。

 

　　2.新型的3D打印材料

 

　　3D打印新型复合材料，以及改进的现有材料，不仅能够实现前所未有的3D打印应用，也有助于降低产品价格。在这方面，金属材料的3D打印需求将快速增长。

 

　　2015年，Stratasys公司调查报告显示，金属材料3D打印预计增长速度快于塑料，其中84%的受访者表示希望看到金属材料3D打印在未来的进一步发展（图8）。

 

　　3.先进的打印技术和增材制造能力

 

　　随着装备制造能力的发展，将促进3D打印技术及增材制造能力提高，进一步扩大3D打印应用范围。

 

　　七、3D打印未来发展面临的挑战

 

　　虽然3D打印技术目前能满足创新发展的需要，但其中涉及到的关键技术问题还未完全解决。在打印过程中，模型扫描和运动捕捉工具需要多方面技术来支撑，例如模型收集装置和软件、模拟技术、计算机图形技术和数据传输技术等，这些技术还未与3D打印实现完美结合。如果没有这些技术应用，3D打印将会停留在原型设计层面。因此，企业在使用3D打印的同时，也应注重这些支撑技术的研究投入，以提高3D打印产品的研究、生产及实际应用效率。

 

　　相关的工业设计和艺术设计与智能制造对3D打印的影响已经不能忽视。对于软件行业，随着图形软件的日益发展，3D打印促使模型设计者成为行业主流，促使产品造型行业位于整个3D打印产业链的上游。

 

　　3D打印在发展的过程中需要共享这些工业资源、服务和完整的行业链条，以促进整个产业集群的发展。

 

　　我国3D打印产业在国际上已经有了立足之地，但是创新型产业的长远发展除了技术竞争外，还取决于国家大环境的影响。国内3D打印行业在商业化过程中发展仍相对较慢，而且完整的产业链尚未形成，在迅速发展的过程中，仍然暴露出很多问题，这迫切需要国家的政策和财政支持。

 

　　文/张鹏（中航迈特粉冶科技（北京）有限公司）