3D打印：帶動新產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

作為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù)之一的3D打印，其獨特的設(shè)計方法與顛覆性的工藝技術(shù)正在制造業(yè)內(nèi)形成一股熱潮，以飛快的發(fā)展速度占據(jù)著制造業(yè)市場，以3D打印為中心的原材料市場,、工業(yè)設(shè)計、軟件模擬,、3D掃描,、服務(wù)等正在蓬勃發(fā)展,，形成以3D打印為中心的新產(chǎn)業(yè)集群。本文圍繞3D打印產(chǎn)業(yè)鏈,，介紹了3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈組成及市場發(fā)展概況,，顛覆性的技術(shù)是否能動搖傳統(tǒng)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(shù)概況
3D打印技術(shù)，也稱“增材制造”或“增量制造”,。它是一種基于三維CAD模型數(shù)據(jù),，通過增加材料逐層制造，是一種直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)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(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”和全生產(chǎn)周期的“快速制造”相關(guān)的所有打印工藝,、技術(shù)、設(shè)備類別和應(yīng)用,。

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

圖1 3D打印7種子技術(shù)原理示意圖

來源：EY

二、 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈組成
1.  3D打印生產(chǎn)制造商
3D打印制造商主要生產(chǎn)3D打印機和開發(fā)增材制造子技術(shù),。設(shè)備制造是3D市場最重要的組成部分,，占據(jù)市場最大份額。其中著名的生產(chǎn)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(chǎn)3D打印配套設(shè)備外,，還提供相關(guān)軟件、材料,、技術(shù),、咨詢和其他服務(wù)等。

3D打印設(shè)備制造商與與其它供應(yīng)商實現(xiàn)捆綁,，包括軟件,、材料和咨詢服務(wù),，可以更好地實現(xiàn)根據(jù)客戶需求為客戶定制，包括設(shè)備和軟件等,。

2.  原材料供應(yīng)商
原材料供應(yīng)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(jié)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(yīng)用于桌面級的3D打印機,，而金屬類原材料主要應(yīng)用于工業(yè)級的3D打印。隨著3D打印應(yīng)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(wù)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(wù)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(chǎn)品實物掃描錄入電腦使其成為3D打印設(shè)計模型,，該項技術(shù)在建筑、汽車和工程上被廣泛應(yīng)用,。該技術(shù)的目的主要是用來測試和產(chǎn)品驗證,，是3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的一部分。

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

二,、 3D打印市場發(fā)展
Canalys 預(yù)測，全球3D打印市場價值（包括原材料及服務(wù)）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(yù)計為43.5%，達到224億美元,。其中3D打印機的年增率預(yù)計為67.2%,，到2020年將達到240萬臺，詳見圖2,。

圖2 3D打印設(shè)備年需求量

來源：Canalys

2015年,，全球3D打印機供應(yīng)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(wù),，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(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計,。除此之外,，手機制造商也逐漸使用3D技術(shù)制造產(chǎn)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(shù)大批量定制產(chǎn)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(shè)備制造商占據(jù)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(wù)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(shè)備制造商和服務(wù)商市場份額分布情況,。

圖4 3D打印設(shè)備制造商和服務(wù)商市場份額分布

來源：EY

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

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

圖5 3D打印零部件產(chǎn)品分類市場份額

來源：UPS

3D打印市場已經(jīng)越來越成熟,，使用3D打印精簡了生產(chǎn)工藝過程,，從而提高生產(chǎn)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(tǒng)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(yīng)用方面,，傳統(tǒng)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(shè)計（25%）,、產(chǎn)品開發(fā)（16%）,、想法驗證（11%），詳見圖6,。

圖6 3D打印優(yōu)勢及應(yīng)用范圍

來源：UPS

3D打印的優(yōu)勢在于：①加速定制產(chǎn)品的開發(fā)和交付,；②提高庫存的靈活性，可以實現(xiàn)實時生產(chǎn)具有可變需求的產(chǎn)品,；③小批量制造優(yōu)勢明顯,；④在特定應(yīng)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(chǎn)品的品質(zhì)，使其更好的符合人體工學(xué)設(shè)計,，增加更多的設(shè)計自由度,。

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

最后,，對于傳統(tǒng)行業(yè)和3D打印,，在不同的應(yīng)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(jù)自身的需求和產(chǎn)品性質(zhì)去決定是否選擇3D打印或傳統(tǒng)制造,，圖7顯示了3D打印與傳統(tǒng)行業(yè)在不同方面的優(yōu)勢,。

圖7 3D打印與傳統(tǒng)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(jīng)在新產(chǎn)品開發(fā),、產(chǎn)品概念設(shè)計和零部件原型制造等方面對電子消費行業(yè)產(chǎn)生積極的影響,。例如，大型消費電子公司使用3D打印將產(chǎn)品設(shè)計驗證時間從一周縮短至一天,，顯著提高產(chǎn)品的設(shè)計完成效率,，并通過3D打印短時間內(nèi)創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品。大型電腦配件公司使用3D打印技術(shù),，僅僅8個月就可以實現(xiàn)盈利,。

在未來，下一個3D打印機遇將出現(xiàn)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(shù)成熟之后，智能手機制造商將逐漸從原型設(shè)計轉(zhuǎn)向3D打印產(chǎn)品,。

2.汽車行業(yè)
汽車行業(yè)最早將3D打印實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,。今天，汽車生產(chǎn)制造商主要將該技術(shù)用于原型設(shè)計,，而在零部件生產(chǎn)方面,，并沒有大規(guī)模使用3D打印技術(shù)，主要是因為3D打印尺寸限制,，目前還不能很好實現(xiàn)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(chǎn)周期,，使用3D打印展示產(chǎn)品的概念原型,、預(yù)生產(chǎn)原型和最終產(chǎn)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(chǎn)速度
未來，在整個產(chǎn)品供應(yīng)鏈上,，3D打印的前景廣闊,，預(yù)計到2023年，3D打印的平均生產(chǎn)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(fù)合材料,，以及改進的現(xiàn)有材料，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的3D打印應(yīng)用,，也有助于降低產(chǎn)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(diào)查報告顯示，金屬材料3D打印預(yù)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(shù)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(shù)及增材制造能力提高,，進一步擴大3D打印應(yīng)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(shù)目前能滿足創(chuàng)新發(fā)展的需要,，但其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)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(shù)來支撐,，例如模型收集裝置和軟件,、模擬技術(shù)、計算機圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等,，這些技術(shù)還未與3D打印實現(xiàn)完美結(jié)合,。如果沒有這些技術(shù)應(yīng)用，3D打印將會停留在原型設(shè)計層面,。因此,，企業(yè)在使用3D打印的同時，也應(yīng)注重這些支撐技術(shù)的研究投入,，以提高3D打印產(chǎn)品的研究,、生產(chǎn)及實際應(yīng)用效率。

相關(guān)的工業(yè)設(shè)計和藝術(shù)設(shè)計與智能制造對3D打印的影響已經(jīng)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(shè)計者成為行業(yè)主流，促使產(chǎn)品造型行業(yè)位于整個3D打印產(chǎn)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(wù)和完整的行業(yè)鏈條，以促進整個產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展,。

我國3D打印產(chǎn)業(yè)在國際上已經(jīng)有了立足之地,，但是創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展除了技術(shù)競爭外，還取決于國家大環(huán)境的影響,。國內(nèi)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(chǎn)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