3D打印行业分析报告Word下载.docx
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五、3D打印对商业模式的影响22
1、现有两种不同的商业模式23
2、短期是制造业的升级24
3、长期是与互联网的结合，推动生产模式的变革26
六、3D打印产业发展存在的问题27
1、专利纷纷到期，开源硬件兴起降低主机价格28
2、低价耗材、高精度、高效率是发展瓶颈29
（1）低价耗材还没解决29
（2）高质量、高效率问题29
一、3D打印工艺简介
1、光固化立体造型（SLA）
在目前已有的十余种不同的快速制造工艺技术中，光成型法（SLA）是使用最早和应用最广泛的技术，约占全部快速成型设备的70%左右。
工作原理
该技术以光敏树脂的聚合反应为基础。
在计算机控制下的紫外激光沿着零件各分层截面轮廓，对液态树脂进行逐点扫描，使被扫描的树脂薄层产生聚合反应，由点逐渐形成线，最终形成零件的一个薄层的固化截面，而未被扫描到的树脂保持原来的液态。
当一层固化完毕，升降工作台移动一个层片厚度的距离，在上一层已经固化的树脂表面再覆盖一层新的液态树脂，用以进行再一次的扫描固化。
新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此循环往复，直到整个零件原型制造完毕。
特点
这种方法的特点是有较高的精度和较好的表面质量，能制造形状特别复杂（如空心零件）和特别精细（如工艺品、首饰等）的零件。
材料特点
选用的材料具有较低的粘性和较小的固化收缩性。
目前常用的树脂有丙烯酸树脂和环氧树脂。
SLA复合材料是SLA材料研究热点之一。
光固化树脂中加入纳米陶瓷粉末、短纤维等，可改变材料强度、耐热性能等。
2、层片叠加制造（LOM）
工作开始时，送料机构把单面涂有热熔胶的薄膜材料送至工作台上方。
激光束根据计算机给定的三维模型的截面数据，在薄膜材料上按截面的轮廓信息进行扫描切割，并把周围多余的材料切碎。
通过加热辊的加热，在热熔胶的作用下使工作层与下面切好的层面粘结在一起。
然后工作台下降一个层厚（材料层片厚）的高度，送料机构再铺上新的一层，如此循环直至零件累积完成。
取出工件，将多余的废料剔除，进行表面防潮（纸质、木质材料）等后处理后，最终获得三维产品。
在叠层制造过程中，激光束只需对截面的轮廓而非整个截面进行扫描，从而提高成型速度（但剔除废料的过程较耗时）。
材料
LOM成型材料一般由薄片材料和热熔胶两部分组成。
薄片材料根据对原型性能要求的不同可分为纸、塑料薄膜、金属箔等。
目前，最广泛采用的材料为纸材。
3、选择性激光烧结（SLS）
通过红外激光束使塑料、蜡、陶瓷、金属或其复合物的粉末均匀地烧结在加工平面上。
在工作台上均匀铺上一层很薄（亚毫米级）的粉末作为原料，激光束在计算机的控制下，通过扫描器以一定的速度和能量密度按分层面的二维数据扫描。
经过激光束扫描后，相应位置的粉末就烧结成一定厚度的实体片层，未扫描的地方仍然保持松散的粉末状。
这一层扫描完毕，随后需要对下一层进行扫描。
先根据物体截层厚度而升降工作台，铺粉滚筒再次将粉末铺平，可以开始新一层的扫描。
如此反复，直至扫描完所有层面。
去掉多余粉末，并经过打磨、烘干等适当的后处理，即可获得零件。
成型无需支撑结构，材料利用率高。
从理论上讲，任何经激光束加热可熔化并粘结的材料都可作为SLS的成型材料。
从材料属性上分类，可大致分为金属粉末、塑料粉末和陶瓷粉末。
塑料粉末成型件无需进行复杂的后处理。
若选用陶瓷粉末制作零件，则需在陶瓷粉中加入粘结剂，成型过程中，较低熔点的粘结剂熔化并将陶瓷粉黏结在一起。
若选用金属粉末制作零件，可直接烧结单组元金属粉末，成型完成后经热等静压后处理可得到相对密度达99.9%的零件。
也可采用间接法制作零件，即将金属粉末与有机粘结剂或另一种低熔点粉末混合。
若选用有机粘结剂，则成型后需要脱脂、渗金属等后处理以降低孔隙率；
若选用低熔点金属作为粘结剂，则成型后还需要进行液相烧结等后处理以提高零件相对密度和机械强度。
4、熔融沉积造型（FDM）
熔融沉积造型的设备早在1993年就由美国Stratasys公司开发出了。
其工作原理如下：
（1）将CAD模型分为一层层极薄的截面，生成控制FDM喷嘴移动轨迹的二维几何信息；
（2）FDM加热头把热熔性材料（ABS树脂、尼龙、蜡等）加热到临界状态，呈现半流体性质，在计算机控制下，沿CAD确定的二维几何信息运动轨迹，喷头将半流动状态的材料挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层；
（3）当一层完毕后，通过垂直升降系统降下新形成层，进行固化。
这样层层堆积粘结，自下而上形成一个零件的三维实体。
与SLA、LOM和SLS这三种成型方法相比，FDM不依靠激光作为能量来源，而是一种将热塑性材料经固态—液态—固态两次相变加工而成型的成型方法。
由于层间连结强度较差，FDM法成型件的机械性能还有待提高。
FDM成型工艺所用材料为热塑性材料，按材料成型过程中的状态变化可分为丝材（ABS塑料丝、尼龙丝等）和熔融材料（蜡、塑料等）。
成型过程的液固相变要求FDM材料具有良好的化学稳定性、较小的收缩性和粘结强度。
5、三维印刷工艺（3DP）
在每一层粘结完毕后，成型缸下降一个距离（等于层厚），供粉缸上升一段高度，推出多余粉末，并被铺粉辊推到成型缸，铺平并被压实。
喷头在计算机控制下，按照下一个截面的二维几何信息进行运动，有选择地喷射粘结剂，最终构成层面。
原理和打印机非常相似，即为三维打印这一名称的由来。
铺粉辊铺粉时多余的粉末被粉末收集装置收集。
如此周而复始地送粉、铺粉和喷射粘结剂，最终完成一个三维粉体的粘结，从而生产制品。
3DP工艺与SLS工艺都是将粉末材料选择性地粘结成为一个整体。
其最大的不同之处在于三3DP工艺不用将粉末材料熔融，而是通过喷嘴本身会喷出粘合剂，将这些材料粘合在一起。
二、3D打印浪潮的兴起
3D打印的曾用名是快速成型（后文将解释3D打印与快速成型、快速制造、增材制造等概念的隶属关系，我们认为初期的3D打印是指快速成型，成熟期的3D打印是快速制造），直到20世纪90年代中期才有了现在的称谓。
追溯3D打印的发展史，最早可到19世纪末，为了满足科学研究探索和产品设计的需求，快速成型技术开始萌芽。
快速成型技术在商业上获得真正意义的发展是从20世纪80年代末开始的，在此期间也涌现过几波3D打印的技术浪潮，但总体上看3D打印是平稳发展的。
1、2007年3D打印浪潮的兴起
2007年，在SLA专利到期的情况下，开源个人3D打印设备在市场中出现，这是本轮3D打印浪潮的重要诱因。
2008年，第一版RepRap发布，RepRap是英国巴恩大学AdrianBowyer团队于2005年开始的开源3D研究项目。
2009年，又一家开源个人3D打印机公司成立——Makerbot，公司的设备主要基于早期的RepRap项目，但对RepRap的机械结构进行了重新设计，目前已经历经几代的升级，在成型精度、打印尺寸等指标上都有了长足进步。
开源个人3D打印机出现后，人们开始重新认识这个行业。
之前的3D打印主要是工业级别的设备，主要用于专业化的产品原型设计，虽然也有厂商进行过推广，但因为价格昂贵，客户群体仍集中于专业人士。
现在，3D打印不再专属于专业人士，业余爱好者可以自己拼装属于自己的机器，制作自己心仪的作品。
2012年美国提出了重振制造业计划，将3D打印列为重点内容之一；
同年4月《经济学人》一篇关于3D打印与第三次技术革命关系的封面文章，3D打印浪潮行至高点。
那么在该阶段代表上市公司的表现如何呢？
3D系统公司是在2010年开始进入了快速发展周期，当年营业收入为1.6亿元，同比增速为41%，2012年公司营收达到了3.54亿元——这与公司加大并购力度有关，今年前三季度公司营业收入为3.58亿美元，同比增速为42%，维持了高增速。
2、3D打印浪潮的意义
（1）开源3D打印机的出现具有里程碑的意义，让快速成型技术的到了推广，让设计成型不再专属于特定人员，类似于计算机从工业计算机到个人计算机的转变，用户群体从专业人士到普通大众，撬动了大众的创新能力。
（2）3D打印结合互联网让我们联想到了制造业商业模式的变革。
大规模制造经过百年的发展已经非常成熟，3D打印一旦发展到快速制造阶段，与互联网的结合将带来由集中生产到分散生产的制造业模式的变革。
三、美国3D打印产业的发展
1、美国政府将人工智能、3D打印、机器人作为重振美国制造业的三大支柱
美国是最早将3D打印炒热的国家。
2012年3月，奥巴马宣布了重振美国制造业计划，在美国成立一个制造创新的网络。
这个网络主要由15个制造创新的研究院组成，每一个研究院主要是致力于具有广阔应用价值的前沿新技术的研发。
同时责成美国国防部等五个联邦部门选择一种技术率先成立联办研究所。
2012年4月选择3D打印技术成立了联办研究所。
2012年5月份3D打印概念股开始启动。
2012年8月成立了国家增材制造创新研究院，这是创新网络的第一个研究院，其中政府投资3000万美元，企业投资4500万美元，主要由联邦政府负责管理和组建，是一个产学研结合的机构。
世界其他各国也都提出了针对3D打印的支持政策。
美国和欧洲对于增材制造技术的研发和推广应用正在加速进行，澳大利亚制订了金属增材制造路线，日本也在着力推动增材制造技术的推广应用。
全球金融危机爆发以来，美国逐渐意识到工业“空心化”给其经济带来的损害，其新的经济增长必须依靠实体创新而非金融创新，以服务业作为主导产业的空心经济在面对经济周期波动时十分脆弱。
所以，迎着第三次工业革命的势头，美国总统奥巴马提出了所谓“新经济战略”：
美国经济要转向可持续的增长模式，即出口推动型增长和制造业增长，要让美国回归实体经济，重新重视国内产业，尤其是制造业的发展。
这就是美国的“再工业化，再制造化”战略，也称“重振美国制造业”发展战略。
美国政府将人工智能、3D打印、机器人作为重振美国制造业的三大支柱，其中3D打印是第一个得到政府扶持的产业。
2013年2月12日总统奥巴马发表国情咨文，其中特别提到，计划在国内各地建设15座制造创新中心，启动先进制造伙伴联盟（AMP）以专注研究3D打印等新兴技术，最终希望能以3D打印技术全面提升美国制造业。
2、3D打印技术是第三次技术革命的重要推动力之一
2012年，英国《经济学人》杂志（保罗·
麦基里首次提出）提出3D打印将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。
如果说是美国让世人知道了3D打印，那么《经济学人》杂志将3D打印提高到了技术革命里程碑的高度。
而关于现在是第几次工业革命仍有争议，有学者将信息化带来的变革称为“第三次工业革命”，把低碳带来的变化称为“第四次工业革命”，甚至还出现了“第六次工业革命”的说法。
关于比较典型的第三次工业革命的提法我们概括如下：
四、3D打印与传统制造业的差异
1、3D打印即是增材制造
在确定3D打印对制造业的意义之前，先了解一下3D打印的概念。
按制造方式分类，制造技术可分为增材技术和减材技术。
传统制造技术是减材制造技术，增材制造技术就是我们所说的3D打印技术。
按照技术成熟程度，增材制造技术又可被分为快速成型（现在）和快速制造（未来），快速制造是增材制造发展的终极阶段。
由于快速制造技术还不成熟，目前我们所说的3D打印主要是指快速成型，未来的3D打印技术则是指快速制造。
美国材料与试验协会（ASTM）国际标准组织F42增材制造技术委员会按照材料堆积方式，将增材制造技术分为7大类，每种工艺技术都有特定的应用范围，大多数工艺普遍应用于模型制造，部分工艺可用于高性能塑料、金属零部件的直接制造以及受损部位的修复。
2、和减材制造的不同
传统的制造工艺是“减材制造”，是对原材料进行剪裁，通过切、割、削等制作工业，然后拼接而成；
而3D打印，即增材制造是通过软件设计，一层一层堆积材料把产品做出来的。
《3D打印：
从想象到现实》总结了十大相对传统增材制造工艺的优点，我们做了一些整理：
我们认为3D打印与传统制造的区别除了明显的生产工艺不同外，更具有意义的是在流通环节和设计环节的变革——变得更加容易，可以实现零时间交付和提供了无限的设计空间。
（1）生产环节的优势
优势1.制造复杂物品不增加成本：
对于传统工艺而言，物体形状越复杂，制造成本越高，而3D打印则不存在这个问题。
制造复杂物品而不增加成本将打破传统的定价模式，改变我们计算成本的方式。
优势2.产品多样化不增加成本：
传统的制造设备功能比较少，做出的形状也有限，3D打印可以减少购置新设备的成本，一台3D打印机只需要不同数字设计图纸和新的原材料。
优势3.无需组装：
3D打印是一体化成型，传统的大规模生产建立在组装线基础上，在现代工厂，机器生产出相同的零部件，然后在进行组装，产品组成部件越多，组装耗费的时间和成本越高。
优势4.零技能制造：
传统的制造需要熟练的专业人员进行操作，3D打印机的操作则更为智能。
非技能制造开辟了新的商业模式，并能在远程环境中或极端环境下为人们提供新的生产方式。
优势5.不占空间，便携制造：
与传统制造机器相比，3D打印机制造能力强，占有空间更小。
优势6.减少废弃副产品：
与传统制造相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。
传统金属加工的浪费惊人，90%的金属原材料被丢弃在工厂车间。
3D打印机可以实现净成形。
优势7.材料无限组合：
传统制造业将不同材料结合成单一产品是件比较困难的事情，因为无论切割或模具成型过程中都不能轻易的将多种材料融合在一起。
而3D打印机能够做到。
优势8.精确的实体复制：
未来，3D打印技术能将精度扩展到实体世界，扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界直接形态的转换的分辨率。
（2）流通环节的优势
优势9.零时间交付：
3D打印可以实现分散式生产，如果人们需要的物品按需就近生产，零时间交付方式将成为可能，能够最大限度的减少长途运输的成本。
（3）设计环节的优势
优势10.设计空间无限：
传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。
3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。
3、产业全景图
经过30多年的发展，3D打印已经形成了多种工艺技术路线，代表性工艺介绍可参见第一部分。
3D打印的产业链主要包括上游的材料制造、设计软件开发，中游的3D打印机制造，下游的3D打印产品生产、培训服务等。
在美国的市场上，存在全盘通吃的巨无霸公司，也存在许多专攻产业链一环的公司，还有突破传统思维，将产业链搬上互联网的新型公司。
五、3D打印对商业模式的影响
3D打印技术与传统制造业的不同会给目前的商业模式带来什么样的改变呢？
我们将从制造业商业模式开始，推演3D打印将给现有模式带来什么样的改变，需要指出的是，我们的前提假设是未来的3D打印技术几乎是完美的——高效率、高质量、低价格。
我们认为，随着3D打印技术不断成熟，从快速成型发展到快速制造，对制造业的影响也将从原有制造模式的升级到完全颠覆。
1、现有两种不同的商业模式
工业生产在经过100多年的发展后，目前在世界大多数工业化国家存在两种不同的商业模式，这两种像两条平行线的商业模就是大规模制造和手工制造。
大规模制造最为明显的特点就是集中生产，产生于20世纪初福特大批量生产，为了克服大批量生产生产线过于刚性的缺点，之后不断有先进生产方式产生，比较显著的是在20世纪90年代诞生的精益制造和大规模定制。
手工制造并没有因为大规模制造的产生而消亡，其主要是满足消费者的个性化需求，具有分散式特征。
无论标准化需求还是个性化需求，消费者对商品的需求可以概括为更好、更快、更便宜。
但现有的商业模式都不能全部满足三个要素。
大规模制造具有高效优势，能够做到更快、更便宜，但不能满足用户的个性化需求，对产品的多样化和定制化具有负面影响；
手工制造能够做到最好——轻松的生产多样化、定制化的产品，但效率低，产出量比较小，价格高。
从客户需求角度来讲，大规模制造和手工制造是不能兼容的。
我们梳理一下历史发现，大规模制造生产方式一直在进行变革创新，而变革的焦点是如何更快适应用户需求的变化，实现从单一品种、大批量生产向多品种、小批量生产模式的转变。
2、短期是制造业的升级
从短期来看，我们认为3D打印还不足以改变现有的制造模式，其意义在于通过降低生产成本升级手工制造和大规模制造。
从手工生产角度来说，手工生产主要满足个性化需求，主要存在的问题是生产效率低，而3D打印的初衷也是为了满足个性化需求，也是3D打印增长最快的应用领域之一，但是效率要高出手工制造很多倍，3D打印更具有优势。
从大规模制造角度来说，主要体现在对设计环节的升级，让创新变得更加容易。
大规模制造目前仍是世界经济发展的支柱，基础是规模经济，因此大规模生产仍然是一个集中的流程，是一个以专业活动为中心的集中流程，生产主要集中在工厂，产品设计主要集中在专业公司。
大规模制造的优势是标准化生产，生产效率高，但是其规模性、复杂性、生产环节的刚性使得创新具有一定的风险性，很多大型制造企业在创新方面都比较谨慎。
3D打印能够降低成型成本。
3D打印原型将慢慢取代手工泡沫或粘土模型。
以前的原型成型是一个周期较长、成本高昂的过程，对于制造商来说，走捷径或者确信产品设计能够实现都是有风险的。
现在3D打印机可以制作复杂的和不常见的形状，使得设计师能够实现梦想。
3D打印降低了新产品推向市场的风险和成本。
前期投入减少使很多小型制造商能够一次生产几个产品以响应客户的需求，并扩大适销品的产量。
如果采用传统的方法，要投入大量的模具费，一是增加了创新的成本，二是增加了创新阻力，使得一些小创意无法实现。
3、长期是与互联网的结合，推动生产模式的变革
大规模流水线生产的制造业模式已经存续百年，下一个具有替代性的商业模式是什么？
目前还没有统一的答案，但基于互联网技术的云制造成为最有可能的突破点之一。
云制造将成为一个由小型制造企业组成的超大规模的网络的分布系统。
制造商可以根据项目的特别需求，构建一个临时的集合。
届时，规模经济不再决定商业模式，因为每部分的生产成本相同。
每个云制造商可能都很小，但是数十亿的蚂蚁工厂，合并之后的整体效能将大于每部分之和。
制造业将从集中制造时代进入分散制造时代。
我们认为云制造是未来工业的商业模式，也将实现大规模制造和手工制造两条平行生产模式的融合。
而3D打印技术将是未来商业模式——运制造——的重要推动者。
我们已经看到的案例——从集中到分散的是电信行业，以及从电影、电视到手机的个人娱乐的变化。
过去，电信网络曾经呈现大型化、集中化的特点，但其便捷却大大折扣，一部公共电话能够满足很多人使用，每个家庭有一部电话。
今天，世界60%以上的人都拥有了手机，尽管手机作为个体而言很小，但是世界各个国家数十亿手机连接成了分布式的全球网络，将可以成为一个革命性的、强大的系统。
六、3D打印产业发展存在的问题
上述对3D打印行业的前景进行了描摹，基于的前提条件是3D打印技术基本成熟，即满足低价、高质、高效。
目前3D打印技术还只处在第一阶段——低价——的初级阶段，目前3D打印机本体已经可以降至1000美元以下，但耗材费用仍然很高，而第二阶段——高质，即高分辨率，第三阶段——高效，即快速生产，还需要走很长的路。
目前来看，3D打印的耗材价格是传统材料价格的10倍，甚至是100倍；
尺寸精度是十分之一毫米，还没有达到微米级，3D打印还难以取代大规模生产而成为最主流的生产方式，用户仍然以专业人士和发烧友为主。
1、专利纷纷到期，开源硬件兴起降低主机价格
近年来，在3D打印技术中的一些关键专利开始过期的背景下，开源创客运动推动了桌面级3D打印机的快速崛起。
FDM技术专利的过期，催生了RepRap（ReplicatorRapidManufacturing）开源运动，使得该类型的3D打印机价格直降到500美元以内，而基于FDM技术的3D打印机也成为桌面3D打印机的标配，成就了刚被Stratasys以4亿美元收购的全球知名品牌——Makerbot。
我们需要注意的是，自2014年2月起，几项跟选择性激光烧结技术（SLS）相关的关键专利也将陆续过期。
控制这项科技的3D打印机生产商一直用专利法封锁着设备市场，不仅仅打印机售价昂贵；
还阻止客户从第三方购买粉末耗材，原料售价也很不便宜。
而相关专利的过期完全有可能快速掀起新一轮的类似RepRap那样的开源项目，推动又一类型3D打印机的快速降价。
2、低价耗材、高精度、高效率是发展瓶颈
（1）低价耗材还没解决
目前耗材价格高是制约3D打印技术推广的重要瓶颈，耗材使用成本高主要体现在两个方面：
一是使用的专属性。
适用于3D打印的耗材通常是为专门的设备配套研发的，这样才能保证材料的稳定性，确保打印效果。
但是这样导致了专用材料一般是小批量生产，技术掌握在少数厂家手中，耗材价格一直居高不下。
二是目前材料的单一性。
现在供3D打印用的且安全无害的材料远不够丰富，绝大多数3D打印机只能打印一种或性质接近的几种材料，混合材料打印机是未来发展的趋势。
（2）高质量、高效率问题
目前高精度的3D打印机价格仍然比较高，桌面个人3D打印机的精度还比较低，不能满足用户的基本需求，这也是客户群体还比较小的原因之一，但是我们已经看到了这方面的“曙光”。
一是精度比较高的工艺专利技术即将到期，新一轮开源创客活动将推出低价、高精度机型。
二是2012年10月MIT的研发团队成立了Formlabs公司，发布了世界上第一台廉价、高精度的SLA消费级3D打印机Form1。
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