3D打印（增材制造）行業(yè)深度研究報(bào)告

來(lái)源：中信建設(shè)證券,；
分析師：黎韜揚(yáng),、劉永旭

增材制造(Additive manufacturing)是快速成型技術(shù)的一種，又稱(chēng)增材制造(3DP),，屬于高端制造行業(yè),。它的基本原理是離散- 堆積原理，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可 粘合材料,，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。增材制造工作過(guò)程 主要包括三維設(shè)計(jì)和逐層打印兩個(gè)過(guò)程,。先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件 建模,，再將建成的三維模型分區(qū)成為逐層的截面，指導(dǎo)打印機(jī)逐 層進(jìn)行打印,。

相比于傳統(tǒng)的減材制造方式具備很多優(yōu)勢(shì):
1,、縮短生產(chǎn)制造的 時(shí)間,，提高效率;
2、提高原材料的利用效率;
3,、完成復(fù)雜結(jié)構(gòu) 的實(shí)現(xiàn)以提升產(chǎn)品性能,。

技術(shù)工藝主要由應(yīng)用材料決定
增材制造存在著許多不同的技術(shù)，不同之處在于可用的材料的方 式及不同層構(gòu)建部件,。在目前已有的技術(shù)中,，增材制造的常用材 料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料,、石膏材料,、鋁材料、鈦合金,、 不銹鋼,、鍍銀、鍍金,、橡膠等,。目前，增材制造產(chǎn)業(yè)主要主流技 術(shù)主要包括 SLA,、LOM,、SLS 和 FDM 四種技術(shù)。

增材制造產(chǎn)業(yè)鏈:設(shè)備研制是核心環(huán)節(jié)
增材制造產(chǎn)業(yè)鏈主要由 5 個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成,，其中上游為原材料,、核心 硬件和輔助運(yùn)行設(shè)備，產(chǎn)業(yè)鏈中游為增材制造設(shè)備的研制和生 產(chǎn),，下游需求涉及航空航天,、汽車(chē)、醫(yī)療等多個(gè)具體應(yīng)用領(lǐng)域,。整體來(lái)看,，位于產(chǎn)業(yè)鏈中游的設(shè)備研制和制造商處于核心地位， 在制造技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用和提供產(chǎn)品服務(wù)方面起到?jīng)Q定性作用,。

市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)提升,，航空航天、汽車(chē)應(yīng)用前景廣闊
預(yù)計(jì)全球工業(yè)增材制造市場(chǎng)將從 2018 年的 17.3 億美元增長(zhǎng)到 2023 年的 56.6 億美元,，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 27.21%;2018 年,，我 國(guó)增材制造行業(yè)總收入超過(guò) 110 億元，預(yù)計(jì) 2020 年產(chǎn)業(yè)規(guī)模將 達(dá)到 240 億元,，年均增速在 30%以上,。

目前在中國(guó)增材制造行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)構(gòu)情況中，工業(yè)機(jī)械占比最 高，占比為 20%,，其次為航天航空領(lǐng)域,，占比為 17%，排名第三 的是汽車(chē)領(lǐng)域,，占比為 14%,。伴隨著中國(guó)增材制造技術(shù)的相應(yīng)成 熟，在航天航空,、汽車(chē)等行業(yè)需求將持續(xù)增加,。

報(bào)告內(nèi)容：
一、增材制造介紹:快速成型技術(shù),，較減材制造優(yōu)勢(shì)突出
1.1增材制造技術(shù)介紹
增材制造(Additive manufacturing)是快速成型技術(shù)的一種,，又稱(chēng)增材制造(3DP)，屬于高端制造行業(yè),。它的基本原理是離散-堆積原理,，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,，通過(guò)逐層打印 的方式來(lái)構(gòu)造物體,。

增材制造技術(shù)起源于 20 世紀(jì) 80 年代。當(dāng)時(shí),，美國(guó)的科研人員正在研究照相雕塑及地貌成型技術(shù),，但在20世紀(jì) 80 年代以前，增材制造機(jī)的數(shù)量非常少,，主要功能是用來(lái)打印珠寶,、玩具、廚房用品等,。在 20 世紀(jì) 80 年 代以后，隨著在下游應(yīng)用領(lǐng)域的不斷滲透,，增材制造技術(shù)才得以真正的發(fā)展和推廣。

1.2增材制造的基本原理
增材制造工作過(guò)程主要包括三維設(shè)計(jì)和逐層打印兩個(gè)過(guò)程,。先通過(guò)計(jì)算機(jī)建模軟件建模,，再將建成的三維模型分區(qū)成為逐層的截面，指導(dǎo)打印機(jī)逐層進(jìn)行打印,。

1,、三維設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)軟件和打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是 STL 文件格式。一個(gè) STL 文件使用三角面來(lái) 近似模擬物體的表面,，三角面越小其生成的表面分辨率越高,。PLY 是一種通過(guò)掃描產(chǎn)生的三維文件的掃描器， 其生成的 VRML或者 WRL 文件經(jīng)常被用作全彩打印的輸入文件。


2,、逐層打印:打印機(jī)通過(guò)讀取文件中的橫截面信息,，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印 出來(lái),，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái)從而制造出一個(gè)實(shí)體,，可以造出任何形狀的物品。

增材制造機(jī)與普通打印機(jī)工作原理基本相同,，但打印材料差別較大,。普通打印機(jī)的打印材料是墨水和紙張， 而增材制造機(jī)內(nèi)裝有金屬,、陶瓷,、塑料、砂等不同的“打印材料”,。打印機(jī)與電腦連接后,，通過(guò)電腦控制可以把材料逐層疊加起來(lái)(分層加工的過(guò)程與噴墨打印十分相似)，最終把計(jì)算機(jī)上的藍(lán)圖變成實(shí)物,。增材制造機(jī) 是可以“打印”出真實(shí)的3D物體的一種設(shè)備,。

相比于傳統(tǒng)的減材制造方式(通過(guò)刀具去除材料的加工方式)，增材制造(增材制造)具備很多優(yōu)勢(shì):

• 1,、縮短生產(chǎn)制造的時(shí)間,，提高效率:用傳統(tǒng)方法制造出一個(gè)模型通常需要數(shù)天，根據(jù)模型的尺寸以及復(fù)雜 程度而定,，而用三維打印的技術(shù)則可以將時(shí)間縮短為數(shù)小時(shí),，當(dāng)然其是由打印機(jī)的性能以及模型的尺寸和復(fù)雜 程度而定的。
• 2,、提高原材料的利用效率:與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比,，增材制造機(jī)制造金屬時(shí)只產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。隨 著打印材料的進(jìn)步,，“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式,。
• 3、完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)以提升產(chǎn)品性能: 傳統(tǒng)減材制造方式在復(fù)雜外形和內(nèi)部腹腔結(jié)構(gòu)的加工上具有局 限性,，而增材制造可以通過(guò)進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造來(lái)提升產(chǎn)品性能,，在航空航天、模具加工等領(lǐng)域具備減材制造 方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),。
  

二,、增材制造技術(shù)分類(lèi):技術(shù)工藝主要由應(yīng)用材料決定
增材制造存在著許多不同的技術(shù)，不同之處在于可用的材料的方式及不同層構(gòu)建部件,。在目前已有的技術(shù) 中,，增材制造的常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料,、鋁材料,、鈦合金、不銹鋼,、鍍銀,、鍍金、 橡膠等,。

增材制造材料一般是由具體工藝技術(shù)決定的,。選擇不同的材料，也就決定了所使用的工藝,，也就決定了工 藝技術(shù)所帶來(lái)的缺點(diǎn),，如尺寸精度、最小細(xì)節(jié),、壁厚的限制,。反之，如果知道目標(biāo)成品必須要達(dá)到的尺寸精度,、 最小細(xì)節(jié)和壁厚,，也可以據(jù)此選擇合適的增材制造材料。

目前,，增材制造產(chǎn)業(yè)主要主流技術(shù)主要包括 SLA,、LOM、SLS 和 FDM 四種技術(shù),。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示,，增材制造 的發(fā)展嚴(yán)重依賴(lài)于技術(shù)的進(jìn)步和突破，目前全球增材制造應(yīng)用最受歡迎的技術(shù)為 FDM 技術(shù),，占平臺(tái)總收入的 63.9%;SLA+DLP 技術(shù)以 18.1%的平臺(tái)總收入排名第二,，排名第三的是SLS技術(shù)，平臺(tái)收入占比為 11.1%,。

2.1熔融沉積技術(shù) FDM
FDM熔融層積成型技術(shù)是將絲狀的熱熔性材料加熱融化,，同時(shí)三維噴頭在計(jì)算機(jī)的控制下，根據(jù)截面輪廓 信息,，將材料選擇性地涂敷在工作臺(tái)上,，快速冷卻后形成一層截面。一層成型完成后,，機(jī)器工作臺(tái)下降一個(gè)高 度(即分層厚度)再成型下一層，直至形成整個(gè)實(shí)體造型,。

FDM 的優(yōu)點(diǎn)在于:操作環(huán)境干凈,、安全，材料無(wú)毒，可以在辦公室,、家庭環(huán)境下進(jìn)行,，沒(méi)有產(chǎn)生毒氣和化 學(xué)污染的危險(xiǎn);無(wú)需激光器等貴重元器件，因此價(jià)格便宜;原材料為卷軸絲形式,，節(jié)省空間,，易于搬運(yùn)和替換; 材料利用率高，可備選材料很多,，價(jià)格也相對(duì)便宜,。

2.2光固化快速成型 SLA
SLA是用激光聚焦到光固化材料表面，使之由點(diǎn)到線,、由線到面順序凝固,，層層疊加構(gòu)成一個(gè)三維實(shí)體。SLA技術(shù)可使用的打印材料為光敏樹(shù)脂,，多應(yīng)用于制造多種模具和模型當(dāng)中,，也可以在原料中通過(guò)加入其它成 分，用 SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)�,。SLA 工藝的制作過(guò)程分為三步:

(1)設(shè)計(jì)模型:通過(guò) CAD 軟件設(shè)計(jì)出需要打印的模型,，然后利用離散程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行切片處理，然后設(shè) 置掃描路徑,，運(yùn)用得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行控制激光掃描器和升降臺(tái),。

(2)打印:激光光束通過(guò)數(shù)控裝置控制的掃描器，按設(shè)計(jì)的掃描路徑照射到液態(tài)光敏樹(shù)脂表面,，使表面特 定區(qū)域內(nèi)的一層樹(shù)脂固化后,，當(dāng)一層加工完畢后，就生成零件的一個(gè)截面;然后,，升降臺(tái)下降到一定距離,，固化 層上覆蓋另一層液態(tài)樹(shù)脂，再進(jìn)行第二層掃描,，第二固化層牢固地粘結(jié)在前一固化層上,，逐層疊加而成三維工 件原型。

(3)后處理:待打印完成之后,，從樹(shù)脂液體中取出模型,，然后對(duì)模型進(jìn)行最終的固化和對(duì)表面進(jìn)行噴漆等 處理，以達(dá)到需求的產(chǎn)品,。

2.3箔材疊層實(shí)體制造 LOM
箔材疊層實(shí)體制作是根據(jù)三維 CAD 模型中每個(gè)截面的輪廓線,，由計(jì)算機(jī)控制發(fā)出控制激光切割系統(tǒng)的指令，使切割頭作 X 和 Y 方向的移動(dòng),，進(jìn)而生產(chǎn)三維產(chǎn)品的方法,。

由于 LOM 技術(shù)在制作中多使用紙材,，其成本低而且制造出來(lái)的木質(zhì)原型具有特殊質(zhì)感，所以該技術(shù)在產(chǎn)品 概念設(shè)計(jì)可視化,、造型設(shè)計(jì)評(píng)估,、裝配檢驗(yàn)、熔模鑄造型芯,、砂型鑄造木模,、快速制模母模以及直接制模等方 面得到廣泛的應(yīng)用。

2.4粉末材料選擇性燒結(jié)
SLS分層制造技術(shù)于 1989 年研制成功,。目前德國(guó) EOS 公司推出了自己的 SLS 工藝成形機(jī) EOSINT,，分為適用 于金屬、聚合物和砂型三種機(jī)型,，我國(guó)的北京隆源自動(dòng)成形系統(tǒng)有限公司和華中科技大學(xué)也相繼開(kāi)發(fā)出了商品 化的設(shè)備,。

SLS技術(shù)的基本工作原理:在開(kāi)始加工前，需要把充有氮?dú)獾墓ぷ魇疑郎�,，并保持在粉末的熔點(diǎn)以下,。成型 時(shí)，送料桶上升,，鋪粉滾筒移動(dòng),，先在工作平臺(tái)上鋪一層粉末材料，然后激光束在計(jì)算機(jī)的控制下按照截面輪 廓對(duì)實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行燒結(jié),，使粉末融化繼而形成一層固體輪廓,。第一層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一截 面層的高度,，在鋪上一層粉末,，進(jìn)行下一層燒結(jié)，依次循環(huán),，從而形成所打印的模型,。該技術(shù)可以使用的材料 是可以使用的打印耗材有尼龍粉末、PS 粉末,、PP 粉末,、金屬粉末、陶瓷粉末,、樹(shù)脂砂和覆膜砂,。

二、增材制造產(chǎn)業(yè)鏈:設(shè)備研制是核心環(huán)節(jié)
2.1增材制造產(chǎn)業(yè)鏈
增材制造產(chǎn)業(yè)鏈主要由 5 個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成,，其中上游為原材料,、核心硬件和輔助運(yùn)行設(shè)備，產(chǎn)業(yè)鏈中游為增材 制造設(shè)備的研制和生產(chǎn),，下游需求涉及航空航天,、汽車(chē),、醫(yī)療等多個(gè)具體應(yīng)用領(lǐng)域。整體來(lái)看,，位于產(chǎn)業(yè)鏈中 游的設(shè)備研制和制造商處于核心地位，在制造技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用和提供產(chǎn)品服務(wù)方面起到?jīng)Q定性作用,。

增材制造行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上游為塑料,、金屬、蠟,、石膏,、砂等其他各種材料。材料技術(shù)是增材制造技術(shù)的核心 之一,，決定了增材制造的發(fā)展進(jìn)程,。從增材制造技術(shù)的發(fā)展歷程可以看出，一種新的打印技術(shù)出現(xiàn),，必須依賴(lài) 材料的固有特性,。由于材料在物理形態(tài)，化學(xué)性能等方面的千差萬(wàn)別,，才形成了增材制造材料的多品種和增材 制造的不同成型方法,。

增材制造產(chǎn)業(yè)中游主要為設(shè)備及制造服務(wù)，參與者包括增材制造機(jī)設(shè)備商和增材制造制造服務(wù)商,，這個(gè)階 段主要任務(wù)是將增材制造產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái),。增材制造設(shè)備是整個(gè)產(chǎn)業(yè)中最重要的一環(huán)。首先,，設(shè)備商是增材制造 技術(shù)的推動(dòng)者,，要實(shí)現(xiàn)增材制造，首先要完成設(shè)備的制造,，每一種新的增材制造設(shè)備出現(xiàn),，都意味著一種新的 增材制造技術(shù)出現(xiàn);其次，每一臺(tái)增材制造設(shè)備就是一個(gè)加工制造中心,，設(shè)備商掌握整個(gè)增材制造過(guò)程的核心 技術(shù),，因此，在增材制造領(lǐng)域,，設(shè)備商往往同時(shí)扮演者增材制造加工制造服務(wù)的角色;同時(shí),，設(shè)備商是增材制 造技術(shù)應(yīng)用的推廣者，可以直接為終端用戶(hù)提供綜合解決方案,。

下游領(lǐng)域主要是增材制造服務(wù)延伸到各個(gè)細(xì)分的實(shí)際應(yīng)用方向,。增材制造的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，主要包括制造,、 醫(yī)療,、軍事,、建筑等領(lǐng)域。隨著增材制造行業(yè)的快速發(fā)展,，增材制造技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景將不斷拓展,。

2.2 增材制造設(shè)備分類(lèi)介紹
增材制造設(shè)備主要分為兩大類(lèi)型:工業(yè)級(jí)設(shè)備和桌面級(jí)設(shè)備。

工業(yè)級(jí)設(shè)備是生產(chǎn)價(jià)格在數(shù)萬(wàn)美元到數(shù)十萬(wàn)美元之間的設(shè)備,，價(jià)格昂貴,，主要用于加工大尺寸的產(chǎn)品。一 般使用 SLS/SLM,、SLA,、FDM 等技術(shù)，應(yīng)用領(lǐng)域主要有汽車(chē),、國(guó)防航空航天,、機(jī)械設(shè)備、消費(fèi)品,、家電等工業(yè)領(lǐng) 域,。工業(yè)級(jí)的增材制造機(jī)主要分為快速原型制造和直接產(chǎn)品制造兩種。國(guó)際上工業(yè)級(jí)打印機(jī)巨頭3D systems,、 Stratasys,、EOS 等在近30年里不斷推出適用于不同領(lǐng)域的新產(chǎn)品，將增材制造植入工業(yè)化制造中,，使增材制造 成功成為推動(dòng)國(guó)際工業(yè)化的重要力量,。

另一類(lèi)是主要針對(duì)個(gè)人消費(fèi)者的設(shè)備，這類(lèi)設(shè)備價(jià)格低廉,，售價(jià)通常在數(shù)千美元甚至是數(shù)百美元,，通常稱(chēng) 其為桌面級(jí)設(shè)備。桌面級(jí)是增材制造技術(shù)的初級(jí)階段和入門(mén)階段,，能夠很直觀地表現(xiàn)出增材制造技術(shù)的工藝原 理,。這類(lèi)設(shè)備價(jià)格低廉，售價(jià)通常在數(shù)千美元甚至是數(shù)百美元,，在市面上種類(lèi)繁多,，但其基本的工作原理相似。桌面級(jí)增材制造設(shè)備最初由 Stratasys公司于 2002 年推出,，2008 年,，第一款開(kāi)源的桌面級(jí)增材制造機(jī)RepRap發(fā) 布，此后涌現(xiàn)出各類(lèi)桌面增材制造設(shè)備商,。

隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇,，桌面打印機(jī)價(jià)格逐步下降，國(guó)外眾籌創(chuàng)業(yè)平臺(tái)已經(jīng)出現(xiàn)了 3000 元人民幣左右的增材制造機(jī),。性能指標(biāo)及外觀方面,，桌面機(jī)也在不斷完善,，甚至部分桌面增材制造設(shè)備開(kāi)始向工業(yè)級(jí)打印機(jī)看齊，大型工業(yè) 級(jí)打印機(jī)生產(chǎn)公司也逐步涉入桌面領(lǐng)域,。

工業(yè)級(jí)設(shè)備與桌面級(jí)設(shè)備在打印精度,、速度、尺寸等各方面都有不同,，其中,，打印支撐和打印實(shí)體可分參數(shù)打印的設(shè)計(jì)是區(qū)分工業(yè)機(jī)和桌面機(jī)的最重要標(biāo)志。

增材制造機(jī)組成結(jié)構(gòu)主要分為機(jī)身框架和控制系統(tǒng),。以FDM技術(shù)個(gè)人桌面級(jí)增材制造機(jī)CR-2020 為例。打 印機(jī)整機(jī)采用全鋼激光航焊接框架,，剛性好,、精度高，特殊行走機(jī)構(gòu)架構(gòu)設(shè)計(jì)采用十字軸滑動(dòng)型的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),， 能夠使打印機(jī)速度得到很大的提升,。機(jī)械框架部分，現(xiàn)在大部分采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶的方式,，而有的打印 機(jī)則使用滑臺(tái)組成XYZ 軸,，具體需要的部件有電機(jī)、支架,、同步輪,、同步帶等。

增材制造過(guò)程主要是由電路來(lái)控制的,，控制系統(tǒng)部分主要由主板,、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī),、限位開(kāi)關(guān),、風(fēng)扇、 加熱器,、熱電偶組成,。增材制造機(jī)所使用的是一塊專(zhuān)門(mén)定制而成的電路主板，它將所需的電子元器件,、驅(qū)動(dòng)器 以及控制器等都整合在主控制器上,，能夠?qū)崿F(xiàn)與打印機(jī)的即插即用，并且兼容性和課擴(kuò)展性較強(qiáng),。主板作為增 材制造機(jī)的心臟,，控制著打印機(jī)的一切工作過(guò)程，進(jìn)行數(shù)據(jù)文件的傳輸以及對(duì)主板的固件升級(jí)等工作,。步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)器,、步進(jìn)電機(jī),、限位器、加熱器,、熱電偶及風(fēng)扇都可以直接與主板相連,，主板由外界電源直接供電。

3.3全球增材制造產(chǎn)業(yè)格局
增材制造產(chǎn)業(yè)是一個(gè)生態(tài)圈體系,，增材制造推動(dòng)分布式制造業(yè)的發(fā)展是設(shè)備硬件,、設(shè)計(jì)軟件、打印材料,、后處理,、質(zhì)量控制技術(shù)綜合發(fā)展的結(jié)果。

國(guó)際上增材制造企業(yè)大致可分為硬件制造商(塑料增材制造機(jī),、專(zhuān)業(yè)級(jí)桌面機(jī),、金屬增材制造機(jī)、陶瓷增 材制造機(jī)及電子增材制造機(jī)),、軟件供應(yīng)商(設(shè)計(jì)和CAD,，仿真軟件、工作流程軟件和安全類(lèi)軟件),、材料供 應(yīng)商(塑料與復(fù)合材料,、金屬)、質(zhì)量控制與檢測(cè)(過(guò)程中質(zhì)量控制軟件,、質(zhì)量檢測(cè)),、其他(增材制造服務(wù) 企業(yè))等類(lèi)別。

3.3.1硬件制造商
隨著將增材制造技術(shù)集成到生產(chǎn)中的制造企業(yè)的數(shù)量不斷增加,，增材制造硬件制造商正在持續(xù)研發(fā)更快,、 更準(zhǔn)確的工業(yè)級(jí)增材制造設(shè)備。這些企業(yè)不僅僅包括了在業(yè)內(nèi)具有獨(dú)角獸地位的公司,，也包括一些有意愿布局 增材制造技術(shù)的傳統(tǒng)制造公司,。

目前，硬件制造商企業(yè)都具有各自擅長(zhǎng)的領(lǐng)域,，據(jù)此可大致分為三類(lèi):(1)塑料增材制造設(shè)備,，如德國(guó)工 業(yè)級(jí)增材制造設(shè)備制造商 voxeljet-維捷，推出了 HSS-高速燒結(jié)設(shè)備VX200,，這一設(shè)備目前可用于尼龍 12 或TPU材料的高速制造,，其速度實(shí) SLS 激光燒結(jié)的 100 倍;(2)面向?qū)�業(yè)的桌面增材制造機(jī)，滿(mǎn)足需要小型增材制造 設(shè)備,、但性能不低于工業(yè)級(jí)系統(tǒng),，成本低于同類(lèi)型工業(yè)級(jí)增材制造設(shè)備的專(zhuān)業(yè)用戶(hù)或企業(yè)的需求，例如Formlabs提供的立體光固化(SLA)增材制造設(shè)備Form 2 價(jià)格為 3350 美元，而同類(lèi)型的大型 SLA 設(shè)備售價(jià)通常要高一個(gè) 量級(jí);(3)金屬增材制造,，2017 年金屬增材制造系統(tǒng)的銷(xiāo)售額增長(zhǎng) 80%,，驅(qū)動(dòng)增長(zhǎng)的力量主要來(lái)自于兩個(gè)方面， 一方面是像 Concept Laser 和 Arcam 這樣的老牌品牌,，而另一方面來(lái)自于金屬增材制造的新的參與者,，包括 Desktop Metal、Digital Alloys 等初創(chuàng)公司,。

3.3.2軟件供應(yīng)商
隨著增材制造技術(shù)走向工業(yè)生產(chǎn),，除了設(shè)計(jì)軟件和仿真軟件之外，與增材制造相關(guān)的軟件中出現(xiàn)了兩個(gè)關(guān) 鍵的類(lèi)別,，即工作流程和安全軟件,。設(shè)計(jì)和仿真軟件對(duì)于增材制造至關(guān)重要，增材制造技術(shù)提供了傳統(tǒng)制造方 法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀的可能,，同時(shí)這也為拓?fù)鋬?yōu)化,、創(chuàng)成式設(shè)計(jì)等先進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化工具增加了需求。目前,， 設(shè)計(jì)和 CAD軟件、仿真軟件仍由市場(chǎng)上主流 CAD 軟件公司主導(dǎo),。

作為一種數(shù)字制造技術(shù),，增材制造引發(fā)了有關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和數(shù)據(jù)安全的關(guān)鍵問(wèn)題，安全類(lèi)軟件的出現(xiàn)則 有效地解決了此類(lèi)問(wèn)題,。目前,，三家公司正在領(lǐng)導(dǎo)增材制造數(shù)據(jù)安全的軟件解決方案。LEO Lane 提供安全和 IP 加密解決方案,，GROW 提供“安全分布式制造”,，以實(shí)現(xiàn)安全的增材制造工作流程，保護(hù)設(shè)計(jì)文件的知識(shí)產(chǎn)權(quán),。雖然保護(hù)數(shù)據(jù)安全類(lèi)的軟件目前仍是一個(gè)非常小的細(xì)分領(lǐng)域,，隨著增材制造技術(shù)在生產(chǎn)中應(yīng)用的增加，對(duì)數(shù)據(jù) 安全解決方案的需求也在增加,。

3.3.3材料供應(yīng)商
增材制造材料通常對(duì)耐熱性,、靈活性、穩(wěn)定性及敏感性有著極高的要求,，均需要針對(duì)增材制造工藝和設(shè)備 而研發(fā),，目前大約有 200余種。作為增材制造的“墨水”,，增材制造專(zhuān)用材料開(kāi)發(fā)難度大,、成本高，因此在供應(yīng) 方面需要供應(yīng)商有針對(duì)性地進(jìn)行研發(fā)和生產(chǎn)。

目前全球排名前列的增材制造材料供應(yīng)商有:(1)位于瑞典的Arcam公司,，該公司提供一系列的增材制造 技術(shù)和 增材制造解決方案,，并擁有金屬增材制造技術(shù)EBM的專(zhuān)利，公司目前主要銷(xiāo)售 EBM 硬件,、EBM 構(gòu)建材 料,、金屬粉末和粉末處理設(shè)備;(2)總部設(shè)在德國(guó)的EOS公司，主要提供金屬制造(材料,、系統(tǒng)和設(shè)備)等,， 其 M290 和 M100 金屬增材制造解決方案都是很受歡迎的 DMLS 機(jī)器，除此之外該公司也提供鋁,、鈷/鉻合金和 鋼等增材制造材料;(3)瑞典的 Hoganas 公司是世界領(lǐng)先的鐵和金屬粉末制造商;(4)位于瑞典的Sandvik公 司,，主要使用的材料是特殊合金和先進(jìn)的不銹鋼，其旗下的 Sandvik Materials Technology 主要從事增材制造業(yè)務(wù),， 并在 2015 年初成立了 Sandvik 增材制造中心,。另外，該公司還為醫(yī)學(xué),、航天以及快速模具部門(mén)生產(chǎn)用于增材制 造應(yīng)用的氣體霧化金屬粉末,。同時(shí)，材料市場(chǎng)也以發(fā)生了多起收購(gòu),。例如,，2018 年 7 月，巴斯夫新業(yè)務(wù)有限公 司(BNB)收購(gòu)了德國(guó)公司Advanc3D,，將公司整合到其增材制造部門(mén);Carpenter 收購(gòu)了金屬材料的領(lǐng)先供應(yīng)商 LPW,。

3.3.4后處理
增材制造工作原理是通過(guò)逐層疊加成型，那么分層制造就會(huì)存在臺(tái)階效應(yīng),。雖然每層都分解的非常薄,，但 在微觀尺寸下仍會(huì)存在一定厚度的多級(jí)臺(tái)階。模型打印表面質(zhì)量與打印材料,、機(jī)器精度,、打印速度、溫度,、三 維數(shù)據(jù)模型質(zhì)量,、切片參數(shù)等都有關(guān)系。

后處理通常是勞動(dòng)密集型,，走向自動(dòng)化也是大勢(shì)所趨,。PostPro3D 提供“自動(dòng)化表面處理技術(shù)”，據(jù)稱(chēng)可以使 打印增材制造零件的表面質(zhì)量與注塑成型件相媲美,。德國(guó) DyeManison針對(duì)塑料粉末增材制造零件提供粉末清潔,、 表面處理和染色解決方案,。

3.3.5檢測(cè)與過(guò)程監(jiān)測(cè)
工業(yè)成像可以通過(guò)不破壞產(chǎn)品的方式，細(xì)微地展現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部是否有裂紋,、夾渣等缺陷,。它不僅可以在生產(chǎn) 階段檢測(cè)出不合格的產(chǎn)品，還可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)階段分析判斷并預(yù)測(cè)隱患的發(fā)生,、識(shí)別設(shè)計(jì)缺陷,，以確保 最終產(chǎn)品的高可靠性。當(dāng)要將增材制造復(fù)雜零部件加擴(kuò)展到規(guī)�,；�生產(chǎn)的時(shí)候,，是否能夠保障產(chǎn)品的高質(zhì)量成 為關(guān)鍵之處。這決定了 X射線,、CT 技術(shù)與增材制造技術(shù)密不可分,。在科技部增材制造重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng) 2017 年度項(xiàng)目申報(bào)指南中，將開(kāi)發(fā)金屬增材制造缺陷和變形的射線檢測(cè)技術(shù)與裝備作為重大共性關(guān)鍵技術(shù),。

四,、增材制造下游需求:市場(chǎng)規(guī)模快速增長(zhǎng),，航空航天應(yīng)用前景廣闊
4.1全球及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)處于快速增長(zhǎng)期
無(wú)論是在全球范圍內(nèi)還是我國(guó)市場(chǎng)內(nèi),，增材制造的行業(yè)規(guī)模都呈現(xiàn)快速上漲的趨勢(shì)。根據(jù) MarketsandMarket對(duì)外發(fā)布的研究報(bào)告顯示,，全球工業(yè)增材制造市場(chǎng)將從 2018 年的 17.3 億美元增長(zhǎng)到2023年的 56.6 億美元,，年 復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 27.21%。增長(zhǎng)因素主要有從開(kāi)發(fā)原型到最終用途零件生產(chǎn)的增材制造演變,、開(kāi)發(fā)定制產(chǎn)品的復(fù) 雜程度增加、工業(yè)增材制造材料市場(chǎng)的發(fā)展,、政府對(duì)增材制造項(xiàng)目的投資以及制造效率的提高等,。

2018年，我國(guó)增材制造行業(yè)總收入超過(guò) 110 億元,。隨著國(guó)家規(guī)劃的出臺(tái),，各地紛紛將增材制造作為未來(lái)發(fā) 展新的增長(zhǎng)點(diǎn)重點(diǎn)培育，并加速與信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù),、新材料技術(shù),、新設(shè)計(jì)理念加速融合，力爭(zhēng)搶占未來(lái)科技和產(chǎn) 業(yè)的制高點(diǎn),。預(yù)計(jì)到 2020年,，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到 240 億元，年均增速在 30%以上,。

4.2增材制造下游應(yīng)用市場(chǎng)
目前在中國(guó)增材制造行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)構(gòu)情況中,，工業(yè)機(jī)械占比最高,，占比為 20%。其次為航天航空領(lǐng)域,， 占比為 17%,。排名第三的是汽車(chē)領(lǐng)域，占比為 14%,。其后分別為消費(fèi)品/電子,、醫(yī)療、科研,、政府/軍用以及建 筑領(lǐng)域,，占比分布為 13%、12%,、11%,、6%和 3%。伴隨著中國(guó)增材制造技術(shù)的相應(yīng)成熟,，在航天航空,，汽車(chē)等 行業(yè)需求將持續(xù)增加。

4.2.1航天航空領(lǐng)域
增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用主要在于關(guān)鍵零部件的生產(chǎn),。航空航天裝備的關(guān)鍵零部件通常具有 復(fù)雜的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu),，且工作環(huán)境特殊，而增材制造的加工過(guò)程不受復(fù)雜成型的限制,，因此能夠完成傳統(tǒng)制 造工藝難以承擔(dān)的任務(wù),。2018年，全球增材制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到9.3 億美元,。

增材制造技術(shù)在航空工業(yè)中主要應(yīng)用在鈦合金,、鋁鋰合金、超高強(qiáng)度鋼,，高溫合金等材料領(lǐng)域,。這些材料 基本都是強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,，不易成型加工,，傳統(tǒng)加工工藝成本高昂的類(lèi)型。例如在飛機(jī)零部件制造方面,， 由于零件的形狀復(fù)雜,，用傳統(tǒng)方式制造成本很高，而 3D 技術(shù)有效地降低了飛機(jī)零部件的制造費(fèi)用,。波音公司已 經(jīng)廣泛地利用增材制造技術(shù),，在 2014 年制造了超過(guò) 2 萬(wàn) 2 千種零部件，波音 787 夢(mèng)幻飛機(jī)上有 30 個(gè)由增材制 造技術(shù)制造的零件,。

增材制造技術(shù)在航空航天制造行業(yè)的一個(gè)突破在于它在渦輪螺旋槳發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用,。2018 年,，GE 公司 試飛的ATP飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)為通過(guò)增材制造制作可以實(shí)現(xiàn)的可能性打開(kāi)了新的空間。GE 公司先進(jìn)的 ATP 發(fā)動(dòng)機(jī)中,， 有三分之一以上的部件是由增材制造來(lái)完成的,。

根據(jù)增材制造技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)師將八百多個(gè)獨(dú)立部件減少到12 個(gè),。此外,，增材制造用降低發(fā)動(dòng)機(jī)重量的 方式來(lái)減少成本。輕5%的發(fā)動(dòng)機(jī)可以節(jié)約20%的燃油消耗,，并且其功力比傳統(tǒng)加工方式制造的發(fā)動(dòng)機(jī)多10%,。而在發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部，增材制造技術(shù)完成燃燒室和許多結(jié)構(gòu)元件的制造,，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)更簡(jiǎn)潔,、更輕和更緊湊，具有16:1 的工業(yè)級(jí)總壓力比,。與其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手比較起來(lái),，這使其僅僅通過(guò)設(shè)計(jì)提高燃料燃燒效率帶來(lái)的節(jié)約15% 的燃料，同時(shí)提高10%的巡航功率,。

4.2.2工業(yè)汽車(chē)領(lǐng)域
增材制造技術(shù)在汽車(chē)領(lǐng)域中的應(yīng)用主要包括汽車(chē)零部件打印,、汽車(chē)個(gè)性化定制和電池電極打印三個(gè)方面。

在汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)方面,，增材制造技術(shù)使得更具設(shè)計(jì)性且顛覆傳統(tǒng)的零部件設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn),。增材制造的快速成 型可以快速將設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)換為實(shí)物，減少了復(fù)雜零件開(kāi)發(fā)的開(kāi)模環(huán)節(jié),，并且精度比傳統(tǒng)制造更高;其次,，增材制 造允許多種材料的選擇，有助于汽車(chē)兼具輕量化,、安全性和舒適性,。在汽車(chē)個(gè)性化定制方面，使用增材制造技 術(shù)打印汽車(chē),，能夠根據(jù)客戶(hù)的偏好和需求制造出獨(dú)一無(wú)二的車(chē)型，實(shí)現(xiàn)整車(chē)個(gè)性化定制,。2015 年,，全球增材制 造汽車(chē)行業(yè)總規(guī)模達(dá)到4.8 億美元，預(yù)計(jì)到2020 年將達(dá)到15 億美元,。

在電池電極打印方面,，增材制造技術(shù)能夠打印出一種有受控氣孔的微觀金屬結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)允許鋰離子大 量進(jìn)入電池的電極區(qū),，從而達(dá)到更高的電極利用率和蓄電能力,。用作鋰離子電池電極的微觀金屬結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒈?容量提升四倍,，而且與傳統(tǒng)固體電池相比區(qū)域容量增加了兩倍。

4.2.3醫(yī)療領(lǐng)域
醫(yī)藥生物行業(yè)是目前增材制造技術(shù)擴(kuò)張最為迅猛的行業(yè),。增材制造技術(shù)能夠?yàn)獒t(yī)療生物行業(yè)提供更完整的 個(gè)性化解決方案,，典型應(yīng)用有 3D手術(shù)預(yù)規(guī)劃模型、手術(shù)導(dǎo)板,、增材制造植入物,，以及假肢、助聽(tīng)器等康復(fù)醫(yī)療 器械,。同時(shí),，生物增材制造技術(shù)將促進(jìn)再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域在人造活體組織與器官的研究，研究人員已經(jīng)在利用生物 增材制造技術(shù)培養(yǎng)人造器官方面取得了很大的進(jìn)展,。

近年來(lái)醫(yī)療行業(yè)越來(lái)越多地采用金屬增材制造技術(shù)(直接金屬激光燒結(jié)或電子束熔融)設(shè)計(jì)和制造醫(yī)療植 入物,。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)、墨爾本醫(yī)療植入物公司Anatomics和英國(guó)醫(yī)生聯(lián)手,，為一 名 61 歲的英國(guó)患者實(shí)施了增材制造鈦-聚合物胸骨植入手術(shù),，這也是全球首創(chuàng)。新型胸骨植入物能夠比之前的 純鈦植入物更好地幫助重建人體內(nèi)的“堅(jiān)硬與柔軟組織”,，病人在術(shù)后僅 12 天就能出院,，并且恢復(fù)十分迅速。而 增材制造技術(shù)用于制造骨科植入物,，可以有效降低定制化,、小批量植入物的制造成本，并可以制造出更多結(jié)構(gòu) 復(fù)雜的植入物,。

使用金屬,、塑料等非活體組織材料增材制造的定制化假肢、牙科,、骨科植入物,、助聽(tīng)器外殼等醫(yī)療器械都 屬于“初級(jí)階梯”。而打印血管,、軟骨組織這類(lèi)單一的活體組織屬于“中級(jí)階梯”,。增材制造的人工肝臟、心 臟等人工器官則屬于“頂級(jí)階梯”,。無(wú)論是人造血管,、軟骨組織，還是肝臟組織,、腎臟組織,，其核心是特定類(lèi) 型細(xì)胞的分離(或定向誘導(dǎo))及大規(guī)模擴(kuò)增。而生物增材制造技術(shù),，在人工組織,、器官培養(yǎng)過(guò)程更多承擔(dān)了三 維形狀的構(gòu)建,，即讓人體細(xì)胞按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的形狀來(lái)生長(zhǎng)。因此人造器官,、組織的發(fā)展更大程度上取決于生 物技術(shù)的發(fā)展,。

根據(jù)畢馬威對(duì)醫(yī)療器械行業(yè)的研究，醫(yī)療行業(yè)有望保持穩(wěn)定增長(zhǎng),，全球年度銷(xiāo)售額預(yù)測(cè)以每年超過(guò)5%的速 度增長(zhǎng),，到2030 年銷(xiāo)售額將達(dá)到近8000 億美元。這反映出隨著人們現(xiàn)代生活習(xí)慣病日益普遍,，對(duì)創(chuàng)新型新設(shè) 備(如可穿戴設(shè)備)和服務(wù)(如健康數(shù)據(jù))的需求持續(xù)增長(zhǎng),，以及新興市場(chǎng)(尤其是中國(guó)市場(chǎng))的經(jīng)濟(jì)發(fā)展釋 放了的巨大潛能。2015 年,，全球醫(yī)療行業(yè)增材制造市場(chǎng)規(guī)模3.5 億美元,，預(yù)計(jì)到2020 年將達(dá)到7.6 億美元， 復(fù)合增長(zhǎng)率將超過(guò)15%,。


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