3D打�。簬�動新產業(yè)鏈發(fā)展

作為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術之一的3D打印，其獨特的設計方法與顛覆性的工藝技術正在制造業(yè)內形成一股熱潮，以飛快的發(fā)展速度占據著制造業(yè)市場，以3D打印為中心的原材料市場、工業(yè)設計、軟件模擬、3D掃描、服務等正在蓬勃發(fā)展，形成以3D打印為中心的新產業(yè)集群。本文圍繞3D打印產業(yè)鏈，介紹了3D打印的產業(yè)鏈組成及市場發(fā)展概況，顛覆性的技術是否能動搖傳統制造業(yè)的根基，3D打印的未來所面臨的挑戰(zhàn)。

一、 3D打印技術概況
3D打印技術，也稱“增材制造”或“增量制造”。它是一種基于三維CAD模型數據，通過增加材料逐層制造，是一種直接制造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。它涵蓋了產品生命周期前端的“快速原型”和全生產周期的“快速制造”相關的所有打印工藝、技術、設備類別和應用。

增材制造技術第一次出現于1980年，第一次應用是在汽車的原型設計方面。通過研究者和企業(yè)近30年來的努力，3D打印技術已經漸趨成熟，衍生出7種重要的子技術，詳見圖1。3D打印的直接制造將成為技術發(fā)展史上重要的里程碑。

圖1 3D打印7種子技術原理示意圖

來源：EY

二、 3D打印產業(yè)鏈組成
1.  3D打印生產制造商
3D打印制造商主要生產3D打印機和開發(fā)增材制造子技術。設備制造是3D市場最重要的組成部分，占據市場最大份額。其中著名的生產制造商有斯川塔斯(Stratasys)、3Dsystems、EOS、Concept Laser、SLM Solutions、ExOne和Ultimaker。這些制造商除了生產3D打印配套設備外，還提供相關軟件、材料、技術、咨詢和其他服務等。

3D打印設備制造商與與其它供應商實現捆綁，包括軟件、材料和咨詢服務，可以更好地實現根據客戶需求為客戶定制，包括設備和軟件等。

2.  原材料供應商
原材料供應商提供3D打印所需原材料，其中涵蓋材料制備、材料熱處理和后續(xù)燒結工藝等各個方面。材料的種類有高分子材料和金屬材料，其中金屬材料包括粉末和線材。

目前，高分子類原材料主要應用于桌面級的3D打印機，而金屬類原材料主要應用于工業(yè)級的3D打印。隨著3D打印應用越來越工業(yè)化，金屬材料的3D打印將具有廣闊的前景。

3. 3D打印軟件
3D打印機所用軟件主要還是來源于大型的軟件公司和一些特定的3D打印服務商。例如，西門子（Siemens）公司在PLM NX軟件中新增用于3D打印模塊。惠普（HP）公司的3D打印機使用的是Siemens公司的增材制造軟件。歐特克（Autodesk）、達索（Dassault Systemes）和奧多比（Adobe）公司也開始進入這個市場，3D打印服務商Materialise也開始為3D打印提供軟件方面解決方案。

4. 3D掃描/逆向工程
此類公司主要是將產品實物掃描錄入電腦使其成為3D打印設計模型，該項技術在建筑、汽車和工程上被廣泛應用。該技術的目的主要是用來測試和產品驗證，是3D打印產業(yè)鏈中不可或缺的一部分。

5. 產品服務商
3D打印服務商主要負責3D打印原型和產品的交付，他們處于整個3D打印供應鏈的中間位置，既是產品供應商的顧客，也為其他公司或個體提供3D打印產品。

二、 3D打印市場發(fā)展
Canalys 預測，全球3D打印市場價值（包括原材料及服務）在2016年底將達到49億美元，從2015年到2020年，全球市場的年增長率預計為43.5%，達到224億美元。其中3D打印機的年增率預計為67.2%，到2020年將達到240萬臺，詳見圖2。

圖2 3D打印設備年需求量

來源：Canalys

2015年，全球3D打印機供應商總共售出18.2萬臺3D打印機，同比增長37%，其中，企業(yè)和個體的需求明顯增加。

研究人員估計，2016年3D打印市場將達到73億美元，主要包括3D打印機、材料、咨詢及服務，從2012年到2014年，每年至少以30%的速度增長。

在市場份額方面，如圖3所示，西方國家占到整個3D打印市場的2/3（68%），亞太地區(qū)僅占到27%。在行業(yè)方面，消費電子和汽車行業(yè)各自貢獻了3D打印總收入的20%，這些行業(yè)將3D打印技術應用于產品的原型設計。除此之外，手機制造商也逐漸使用3D技術制造產品零部件。醫(yī)療器械行業(yè)作為第3大3D打印市場，需求量正在迅速增長，他們使用3D打印技術大批量定制產品例如人體助聽器等。

圖3 3D打印市場分布

來源：UPS

盡管增長顯著，但3D市場的潛力還未完全開發(fā)。事實上，3D僅占到全球制造業(yè)市場的0.04%，其中僅有的幾家3D設備制造商占據3D打印市場很大份額。例如，2015年，Stratasys、3D Systems和EOS三家公司市場份額占到整個3D打印市場的70%；同樣，3D打印服務商也是2家獨大：Materialise和ProtoLabs，市場份額占到10%。圖4詳細展示了3D打印設備制造商和服務商市場份額分布情況。

圖4 3D打印設備制造商和服務商市場份額分布

來源：EY

目前3D打印應用最大的市場在于零部件生產。在2003年，使用3D打印生產的零部件幾乎呈現零增長趨勢，但截至2014年，3D零件生產已經占到全球3D打印產品和服務收入的43%（約18億美元）。

在零部件生產方面，如圖5所示，其中功能性零部件占據29%，原型設計占據10%，模具設計占到10%，成品組合占到18%。

圖5 3D打印零部件產品分類市場份額

來源：UPS

3D打印市場已經越來越成熟，使用3D打印精簡了生產工藝過程，從而提高生產效率。對于公司來說，這無疑是一個巨大的機遇。

四、 3D打印VS 傳統制造業(yè)
雖然3D打印發(fā)展迅猛，但是并不是一刀切的解決方案，在高容量，標準化應用方面，傳統制造業(yè)有著不可替代的優(yōu)勢。目前，3D打印的適用方面主要有：原型設計（25%）、產品開發(fā)（16%）、想法驗證（11%），詳見圖6。

圖6 3D打印優(yōu)勢及應用范圍

來源：UPS

3D打印的優(yōu)勢在于：①加速定制產品的開發(fā)和交付；②提高庫存的靈活性，可以實現實時生產具有可變需求的產品；③小批量制造優(yōu)勢明顯；④在特定應用開發(fā)方面，效率高，成本低；⑤在新市場開拓方面，靈活性高。除此之外，3D打印也可以提高輕量化產品的品質，使其更好的符合人體工學設計，增加更多的設計自由度。

然而，工藝穩(wěn)定性和重現性低對產品的質量和耐久性產生極大的負面影響。

最后，對于傳統行業(yè)和3D打印，在不同的應用方面，有著各自獨特的優(yōu)勢。因此，對于企業(yè)來說，必須根據自身的需求和產品性質去決定是否選擇3D打印或傳統制造，圖7顯示了3D打印與傳統行業(yè)在不同方面的優(yōu)勢。

圖7 3D打印與傳統行業(yè)比較

五、 3D打印行業(yè)未來發(fā)展機遇
1.電子消費行業(yè)
3D打印已經在新產品開發(fā)、產品概念設計和零部件原型制造等方面對電子消費行業(yè)產生積極的影響。例如，大型消費電子公司使用3D打印將產品設計驗證時間從一周縮短至一天，顯著提高產品的設計完成效率，并通過3D打印短時間內創(chuàng)造出更好的產品。大型電腦配件公司使用3D打印技術，僅僅8個月就可以實現盈利。

在未來，下一個3D打印機遇將出現在手機行業(yè)，它將占到整個電子消費市場的35%，當先進的材料和制造技術成熟之后，智能手機制造商將逐漸從原型設計轉向3D打印產品。

2.汽車行業(yè)
汽車行業(yè)最早將3D打印實現商業(yè)化應用。今天，汽車生產制造商主要將該技術用于原型設計，而在零部件生產方面，并沒有大規(guī)模使用3D打印技術，主要是因為3D打印尺寸限制，目前還不能很好實現大型零部件的直接打印。但是，在其他方面，3D打印為汽車行業(yè)帶來了便利。例如，縮短了汽車發(fā)動機原型件生產周期，使用3D打印展示產品的概念原型、預生產原型和最終產品模型。

汽車使用零部件更便宜、更輕、制造更快速將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的目標，這為3D打印在汽車行業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的前景。

六、3D打印未來發(fā)展方向
1.  更快的生產速度
未來，在整個產品供應鏈上，3D打印的前景廣闊，預計到2023年，3D打印的平均生產速度有望提高88%，此外，隨著打印速度的提高，打印尺寸及容量也很有可能隨之提高。

2. 新型的3D打印材料
3D打印新型復合材料，以及改進的現有材料，不僅能夠實現前所未有的3D打印應用，也有助于降低產品價格。在這方面，金屬材料的3D打印需求將快速增長。

2015年，Stratasys公司調查報告顯示，金屬材料3D打印預計增長速度快于塑料，其中84%的受訪者表示希望看到金屬材料3D打印在未來的進一步發(fā)展（圖8）。

3. 先進的打印技術和增材制造能力
隨著裝備制造能力的發(fā)展，將促進3D打印技術及增材制造能力提高，進一步擴大3D打印應用范圍。

圖8 3D打印用材料未來發(fā)展趨勢

來源：UPS

七、3D打印未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
雖然3D打印技術目前能滿足創(chuàng)新發(fā)展的需要，但其中涉及到的關鍵技術問題還未完全解決。在打印過程中，模型掃描和運動捕捉工具需要多方面技術來支撐，例如模型收集裝置和軟件、模擬技術、計算機圖形技術和數據傳輸技術等，這些技術還未與3D打印實現完美結合。如果沒有這些技術應用，3D打印將會停留在原型設計層面。因此，企業(yè)在使用3D打印的同時，也應注重這些支撐技術的研究投入，以提高3D打印產品的研究、生產及實際應用效率。

相關的工業(yè)設計和藝術設計與智能制造對3D打印的影響已經不能忽視。對于軟件行業(yè)，隨著圖形軟件的日益發(fā)展，3D打印促使模型設計者成為行業(yè)主流，促使產品造型行業(yè)位于整個3D打印產業(yè)鏈的上游。

3D打印在發(fā)展的過程中需要共享這些工業(yè)資源、服務和完整的行業(yè)鏈條，以促進整個產業(yè)集群的發(fā)展。

我國3D打印產業(yè)在國際上已經有了立足之地，但是創(chuàng)新型產業(yè)的長遠發(fā)展除了技術競爭外，還取決于國家大環(huán)境的影響。國內3D打印行業(yè)在商業(yè)化過程中發(fā)展仍相對較慢，而且完整的產業(yè)鏈尚未形成，在迅速發(fā)展的過程中，仍然暴露出很多問題，這迫切需要國家的政策和財政支持。

文/張鵬（中航邁特粉冶科技（北京）有限公司）
來源：新材料在線