3D打印产业研究报告.docx
《3D打印产业研究报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《3D打印产业研究报告.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
3D打印产业研究报告
2021年3D打印产业研究报告
一、3D打印——制造技术革命性创新
1.1、3D打印技术改变传统制造生产模式
增材制造（AdditiveManufacturing，简称AM）俗称3D打印技术，有别于传统减材制造，是一种快速成型技术，通过对模型数字化立体扫描、分层处理，借助于类似打印机的数字化制造设备，利用材料不断叠加形成所需的实体模型。
目前已经广泛应用到航空航天、医疗器械、建筑、汽车、能源、珠宝设计等领域，美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”，英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”，改变未来生产与生活模式，改变制造商品的方式，并改变世界的经济格局，进而改变人类的生活。
与传统制造技术（减材制造）相比，3D打印不需要事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品，具有“去模具、减废料、降库存”的特点。
在生产上可以优化结构、节约材料和节省能源，极大地提升了制造效率。
该技术适用于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等，同时也适用于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程。
3D打印另一个显著的优点是，区别于传统加工技术理念“制造引导设计”，其可以实现“设计引导制造”，完全实现创意驱动，制造出符合特定消费者需求的产品。
上个世纪八十年代，增材制造技术开始在欧美国家爆发式增长，3D打印技术应用最早可追溯到1986年由美国CharlesHull开发的立体光固化（SLA）技术。
接下来的20年内，多项3D打印技术专利如：
分层实体制造法（LOM）、熔融沉积成型（FDM）相继问世，同时欧美逐渐形成一批具有创新能力的3D打印公司，3DSystems、Stratasys、SLMsolution等。
由于3D打印技术在欧美国家起步较早，经历30多年的发展，SLA（立体光固化）、SLS（选择性激光烧结）等技术已经相对成熟。
在高温金属材料、设备研发制造方面相对完善。
进入21世纪以来，增材制造技术各细分领域有了进一步的发展，诸如数字光处理（DLP）、多头喷射技术（PloyJet）等被研发出来。
特殊的3D打印材料、3D打印设备也应运而生。
目前，世界各国的3D打印行业大体已经形成了涵盖原材料、零件、工艺、设备、服务的完整产业链，部分重点企业已由单一的设备制造商升级为从设计到终端零件制造的综合解决方案提供商。
1.2、3D打印技术：
基础技术日趋成熟、新技术不断涌现
3D打印技术最初由CharlesHull在1986年在被称为立体光固化（SLA）过程中开发出来，随后又发展出选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、微喷射粘结技术（3DP）等技术。
进入21世纪以来，3D打印技术有了新的突破与发展，在大类技术的细分下催生出许多满足特定行业需求的小类技术。
如SLA技术：
数字光处理（DLP）、多头喷射技术（PloyJet），SLM技术：
直接金属激光烧结（DMLS）。
1.2.1、选择性激光烧结（SLS）
其原理是，激光选择地逐层烧结固体粉末（材料除了主体金属粉末外还需要添加一定比例的熔点较低的粘结剂粉末，粘结剂粉末一般为熔点较低的金属粉末或是有机树脂等），同时将烧结成型的粉末叠加至已固化的粉末层上，最终形成所需形状的零件。
这种技术依赖的核心器件是红外激光器，能源工作环境为氩气或氮气气氛。
具有制造工艺简单、生产效率较高、成型材料种类多、材料利用率高、成品用途广泛、无需考虑支撑系统等优势。
缺点是由于粘接剂的作用，实体存在孔隙，力学性能差，需要高温重熔再加工。
此外，当产品存储时间过长时，会因为内应力释放而变形，表面质量一般。
运营成本较高，设备费用较贵。
1.2.2、选择性激光熔化（SLM）
该技术与SLS技术主要区别在于SLM通过激光器对金属粉末直接进行热作用，不依赖粘结剂粉末，金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得所设计结构的金属零件。
SLM技术为了更好的融化金属需要使用金属有较高吸收率的激光束，所以一般使用的是Nd-YAG激光器（1.064微米）和光纤激光器（1.09微米）等波长较短的激光束。
优点是SLM技术使用纯金属粉末，成型的金属零件致密度可达接近100%；抗拉强度等机械性能指标优于铸件，甚至可达到锻件水平；致密度力学性能与成型精度上都要比SLS好一些。
另一种技术——选区电子束熔炼技术（EBM）与SLM技术相似，不同之处是EBM利用高速电子束流的动能转换为热能作为热源来进行金属熔炼，工作环境为真空。
电子束做热源，相比于激光可实现更高的熔炼温度，且炉子功率和加热速度可调，能熔炼难熔金属，并且能将不同的金属熔合。
但是也存在金属收得率较低、比电耗较大、严格真空要求等缺点。
1.2.3、定向能量沉积（DED）
这项技术工作原理类似SLM，由激光或其他能量源在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状通过喷嘴直接喷射到高功率激光器的焦点上，熔化后逐层沉积，形成所需零件。
相比于SLM技术的优势之处在于，第一，该技术允许激光头和工件更灵活地移动，从而增加设计自由度。
第二，在DED设备运行中，惰性气体直接从激光头流出并包围粉末流和熔池，不依赖于充满惰性气体的压力室，3D打印加工过程可以立即开始，大大压缩了生产准备时间。
第三，能生产大型零件，且不需要任何支撑结构。
缺点在于熔化过程不如SLM精确，成品部件通常必须进行再加工。
1.2.4、微喷射粘结技术（3DP）
3DP技术与SLS工艺类似，采用陶瓷、石膏粉末成形。
不同之处在于，材料粉末不是通过激光器烧结固体粉末连接起来的，而是通过粘接剂打印头沿零件截面路径喷射透明或者彩色粘结剂并将粉末凝固，其他位置的粉末作为支撑，之后再铺设一层粉末，循环该过程直至打印完成。
3DP技术主要依赖的核心器件是粘接剂打印头，优点在于成型材料范围广，能耗小，设备体积小。
但是缺点也显而易见，粘接剂粘接的零件强度较低，需要后处理，产品疏松多孔。
以色列Objet公司研制的Polyjet3D技术与3DP类似，不过喷射的不是粘合剂而是光敏聚合成型材料。
目前，Polyjet3D技术已经成为美国Stratasys公司的亮点。
首先，多种基础材料可在机外混合，组合可得到性能更为优异的新材料。
其次，产品精确度可达16微米的分辨率，可获得流畅且非常精细的部件与模型。
最后，该技术用途广泛，可适用于不同几何形状、机械性能及颜色部件的打印，例如：
PolyjetMatrix技术还支持多种型号、多种颜色材料同时喷射。
1.2.5、熔积成型法（FDM）
其工作原理是将丝状原材料（一般为热塑性材料）通过送丝机送入热熔喷头，然后在喷头内加热熔化，熔化的热塑材料丝通过喷头挤出，挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，挤出半流动的热塑材料沉积固化成精确的实际部件薄层，覆盖于已建造的零件之上，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。
该项技术主要依赖微细喷嘴（直径一般为0.2～0.6mm）以及加热器（保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上1℃）。
其优点是1、无需激光器等贵重原件，成本低、速度快。
2、对使用环境没有限制，可以放在办公室或者家庭环境使用，维护简单、体积小无污染3、材料易更换、强度韧性较高，极大地缩短了产品开发周期，从而能够快速响应市场变化，满足顾客的个性化需求。
但是也存在零件精度低以及难以形成复杂构件和大型零件等缺陷。
1.2.6、分层实体制造法（LOM）
这种方法以片材（如纸或塑料薄膜等）为原材料，根据计算机扫描得出的零件横截面，通过激光裁剪，将背面涂有热熔胶的片材按零件的轮廓裁剪，之后将裁剪好的片层叠加至已裁好的片层上，利用热压装置将其粘结在一起，然后再进行下一层零件横截面的裁剪、粘合，最终形成实体零件。
LOM技术主要依赖热熔胶的性能，具有模型支撑性好，废料易剥离，制件尺寸大，成本低，效率高等优点。
缺点是抗拉强度和弹性差，不能制造中空件；受制于材料影响，利用LOM技术打印的零件易吸湿膨胀，表面有台阶纹。
1.2.7、立体光固化成型法（SLA）
SLA技术的原理是，在计算机控制下，紫外激光按零件各分层截面数据对液态光敏树脂表面逐点扫描，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而固化，形成零件的一个薄层，一层层固化直到整个零件制作完毕。
该技术主要依赖紫外激光器和适合的光敏材料。
一方面，液态树脂材料成型，固化方式由点到线，由线到面，制作的产品精度较高，表面质量较好。
另一方面，树脂类材料本身存在一些缺陷，例如：
强度，刚度，耐热性有限，不利于长时间保存，树脂固化过程中产生收缩，不可避免地会产生应力或引起形变。
虽然SLA技术发展较早，目前较为成熟，但是SLA设备造价依旧高昂，维护和使用成本高，而且需要设计工件的支撑结构。
国际标准化组织辖下增材制造技术委员会发布ISO/ASTM52900：
2015标准将增材技术分为7大类，分别是：
立体光固化（SLA）、粘结剂喷射（3DP）、定向能量沉积（DED）、薄材叠层（LOM）、材料挤出（FDM）、材料喷射（PloyJet）、粉末床熔融（SLM、SLS、EBM）。
由以上对市场上常见的3D打印方法总结可得，不同的增材制造技术通常存在材料、能量源、成型方法的差异。
而增材制造技术的选择依赖下游行业的制件用途，金属增材制造技术一般运用在航天航空领域，而非金属增材制造技术用途更加广泛，主要运用在工业工艺设计的其他领域：
如汽车家电、医学器械、文创用品等。
1.3、3D打印材料：
金属材料、复合材料成为未来发展趋势
3D打印材料是3D打印技术发展的重要物质基础，材料是3D打印发展的重要制约因素。
根据WohlersAssociatesInc发布的2019年3D打印下游应用行业统计显示，汽车工业占比最大，为16.4%；消费电子以及航空航天以15.4%和14.7%占据第二、第三位。
根据下游领域制件品的特性，金属、复合材料需求空间大，有望成为3D打印材料的“引爆点”。
一般3D打印所用的原材料都是专门针对3D打印设备和工艺而研发的，与普通的金属材料、塑料、石膏、树脂等有所区别，其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。
可从材料属性的角度出发对增材制造技术进行归类：
如立体光固化（SLA）采用液态光敏树脂材料；分层实体制造法（LOM）需要纸、塑料膜等片状材料，而选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM）则以金属、陶瓷粉末材料为主。
1.3.1、金属材料
重工业产品通常依赖耐高温耐腐蚀的金属材料，3D打印为了满足重工业产品的需求，最早研发、投资最多在金属粉末。
金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。
目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。
钛合金得益于强度高、耐蚀性好、耐热性高，广泛应用于飞机发动机冷端压气机部件以及火箭、导弹和飞机的各种结构件制作。
此外，不锈钢粉末以其耐腐蚀性而得到广泛应用，3D打印的不锈钢模型具有较高的强度，而且适合打印尺寸较大的物品。
目前，欧美等国已经实现了小尺寸不锈钢、高温合金等零件的激光直接成形，未来高温合金、钛合金材质大型金属构件的激光快速成形是主要的技术攻关方向。
1.3.2、工程塑料
工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。
工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料，常见的有ABS类材料、PC类材料、尼龙类材料等。
PC-ABS材料是一种应用最广泛的热塑性工程塑料。
其具备了ABS的韧性和PC材料的高强度及耐热性，大多应用于汽车、家电及通信行业。
使用该材料制作的样件强度比传统制作的部件强度高出60%左右，工业上通常使用PC-ABS材料打印出概念模型、功能原型、制造工具及最终零部件等热塑性部件。
PC-ISO是一种通过医学卫生认证的白色热塑性材料，具有很高的强度，被广泛应用于药品及医疗器械行业，用于手术模拟、颅骨修复、牙科等专业领域。
1.3.3、光敏树脂材料
光敏树脂一般为液态，其在一定波长的紫外光照射下能立刻引起聚合反应完成固化，可用于制作高强度、耐高温、防水材料。
Somos19120材料为粉红色材质，是一种铸造专用材料，成型后可直接代替精密铸造的蜡膜原型，避免开发模具的风险，具有低留灰率和高精度等特点。
SomosNext材料为白色材质，是一种类PC新材料，韧性非常好，基本可达到选择性激光烧结（SLS）制作的尼龙材料性能，而精度和表面质量更佳，该材料制作的部件拥有迄今最优的刚性和韧性，同时保持了光固化立体造型材料做工精致、尺寸精确和外观漂亮的优点，主要应用于汽车、家电、电子消费品等领域。
1.3.4、陶瓷材料
陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。
在传统工艺下，复杂陶瓷件需通过模具来成形，模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。
而3D打印用选择性激光烧结（SLS）对陶瓷粉末进行加工处理，能够删减繁琐的设计步骤，实现产品快速成型。
该材料存在一定的缺陷，SLS采用激光烧结陶瓷粉末和某一种粘结剂粉末所组成的混合物，在激光烧结之后，还需要将陶瓷制品放入到温控炉中进行后处理。
而且陶瓷粉末在激光直接快速烧结时液相表面张力大，在快速凝固过程中会产生较大的热应力，从而形成较多微裂纹。
1.3.5、其他材料
近年来，彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。
彩色石膏材料是一种全彩色的3D打印材料。
基于在粉末介质上逐层打印的成型原理，3D打印成品在处理完毕后，表面可能出现细微的颗粒效果，外观很像岩石，在曲面表面可能出现细微的年轮状纹理，因此，多应用于动漫玩偶等领域。
美国宾夕法尼亚大学打印出来的鲜肉，是先用实验室培养出的细胞介质，生成类似鲜肉的代替物质，以水基溶胶为粘合剂，再配合特殊的糖分子制成。
还有尚处于概念阶段的用人体细胞制作的生物墨水，以及同样特别的生物纸，打印的时候，生物墨水在计算机的控制下喷到生物纸上，最终形成各种器官。
食品材料方面，目前，砂糖3D打印机可通过喷射加热过的砂糖，直接做出具有各种形状，美观又美味的甜品。
现有增材制造专用材料包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和生物材料四大类，但单一材料种类较少和性能不足严重制约了增材制造技术应用。
目前，行业领军企业以及一些材料企业纷纷布局专用材料领域，突破了一批新型高分子复合材料、高性能合金材料、生物活性材料、陶瓷材料等专用材料。
相关企业将纳米材料、碳纤维材料等与现有材料体系复合，开发多功能纳米复合材料、纤维增强复合材料、无机填料复合材料、金属填料复合材料和高分子合金等复合材料，不仅赋予材料多功能性特点，而且拓宽了增材制造技术的应用领域，使复合材料成为专用材料发展趋势之一。
二、政策扶持助力3D打印，标准体系规范行业发展
2.1、发达国家争相出台政策扶持3D打印技术发展
欧美国家3D打印技术起步较早，在政策的扶持下，产业化进程较快。
2012年，美国国防部、能源部、宇航局、商务部等政府部门与企业、学校、非营利组织共同出资成立了国家增材制造创新研究所。
在欧洲，欧盟委员会早在上世纪80年代就开始为3D打印项目提供资金，并在2004年组建了欧洲3D打印技术平台，该平台已经制定了包括欧盟3D打印技术路线图、产业路线图和校准路线图等多项3D打印发展计划方针。
德国Fraunhofer增材制造联盟是较为著名的3D打印联盟之一，由10个著名研究所组成，配备了数千万欧元的资金用于基础研究，为初入3D打印行业的企业提供合适的解决方案。
英国早在2007年推出了促进3D打印发展的政策，政府计划在2007-2016年期间，投入9500万英镑的公共和私人基金用于3D打印合作研发项目。
此外，日本、韩国、俄罗斯、澳大利亚、新加坡等国家也纷纷出台相关政策，支持“增材制造”产业的发展。
2.2、中国起步虽晚，但政策发力迅速
3D打印技术自上个世纪九十年代传入我国，首先在各高校、科研机构展开初步研究。
清华大学激光快速成形中心、西安交通大学先进制造技术研究所、华中科技大学快速制造中心等科研机构在增材制造技术的成形设备、工艺原理、数据处理软件、分层算法、扫描路径及加工材料等方面取得了重大进展。
进入2000年，我国自研3D打印技术相对成熟后，初步实现3D打印设备的工业化。
在国家和地方的支持下，全国建立了20多个增材制造服务中心，用户遍布医疗、航空航天、汽车、军工、模具、电子电器、造船等行业。
2015年以后，我国增材制造产业在“中国制造”引导下迎来高速发展契机，《中国制造2025》、《十三五规划》、《智能制造发展规划（2016-2020年）》、《增材制造产业发展行动计划（2017-2020年》等一系列产业政策描绘了增材制造行业的发展路线图，并相继成立了基于企业、科研机构及高等院校合作的研究中心和技术联盟，有力地促进了这一技术在各领域的应用。
2.3、行业标准不断细化，促进3D打印规范化发展
进入21世纪以来，3D打印行业进入快速发展阶段，规范化的行业标准不断形成。
2009年，美国材料与实验协会（ASTM）成立增材制造技术委员会（F42），并在此基础上设多个分委会，从标准实验方法、设计标准、材料工艺、专业术语等方面为不同的增材制造技术首次提供了通用的标准。
最初的标准主要针对增材制造过程中的原材料——金属粉末（镍基合金、钛铝合金、不锈钢合金）；粉末床熔融设备的安装、操作、性能。
例如，2012年发布的F2924标准对使用粉末床熔化（例如电子束熔化和激光熔化）技术进行增材制造的钛铝合金原料和供应链制定规范。
2011年，国际标准化组织（ISO）创建了ISO/TC261增材制造及标准化技术委员会。
2015年，ISO/TC261与ASTM-F42签署了合作协议，共同展开增材制造技术领域的标准化工作。
ISO/ASTM标准从技术设计、材料与工艺、术语、成品测试方法几个层面对增材技术行业进行约束，将全球标准系统化、统一化。
目前，ISO/TC261和ASTMF42编制新标准40余项，从增材制造的材料与工艺、测试方法、设计、安全防护等多方面展开，进一步完善增材制造标准体系。
在增材制造的重大用途领域——航空航天，2015年，美国联邦航空管理局（FAA）委托美国机动车工程师学会（SAE）制定特殊认证的增材制造技术标准。
标准针对航空航天产品制造过程制定推荐惯例、规范与标准，为原材料及成品材料的采购定制规范，同时积极与其他组织协调，推动标准在工业界的采用。
截至目前，SAE已经发布及正在制定的标准共计30项，涉及激光及电子束能量源、等离子弧熔丝、激光熔丝、熔融挤出工艺，以及钛、铝、不锈钢等材料。
我国的增材技术标准建立起步较晚，主要是在《十三五规划》的推动下，于2016年4月成立全国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC562），随后由该组织逐步建立和完善的相关标准体系。
截至目前，关于增材制造的标准（含起草、批准和已发布）共计50余项，现行标准共计15项，主要是从技术、原材料、专业术语层面进行基本规范。
特别地，中国重视塑料、钛合金零件制造，着力发展熔积成型法（FDM）和选择性激光熔化（SLM）技术，此外还有针对医疗器械生产质量的标准。
三、3D打印有望从导入期进入快速成长期
3.1、全球3D打印年均增幅20%，预计2026年规模突破370亿美元
自20世纪80年代起，3D打印有了初步发展。
而3D打印技术真正开始产业化发生在20世纪90年代。
自2013年至2020年，全球3D打印产值增长近4.2倍，到2020年达到126亿美元。
预计2020-2026年间将保持20%的年均复合增幅，到2026年有望达到372亿美元。
3.1.1、3D打印设备占主导地位，全球竞争加剧
欧美国家3D打印产业起步于上世纪80年代，其他地区则普遍起步于20世纪90年代中后期。
中国在技术方面起步并不算晚，但在产业化方面相对落后。
根据沃勒斯全球3D打印细分产业调查结果显示，2019年，3D打印设备实现52.97亿美元产值，占比44.3%，为三项产业占比最大。
其次是3D打印服务与3D打印材料，分别占31.6%与24.1%。
产业化方面，美国和欧洲在产业化方面优势明显，3D打印产业链中多为欧美企业。
2019年，美国以34.4%份额占据全球3D打印设备数量首位，而中国以10.8%位居其次。
日本、德国紧跟其后，分别占据9.3%与8.2%。
全球3D打印产业区域结构占比显示，目前美国以40.40%的比例占据3D打印行业的主导地位，第二位为德国，占22.5%的市场份额。
中国在全球3D打印产业中占18.6%，大约是美国的一半。
日本和英国占据全球3D打印市场的比例大于5%，位居中国之后。
3.1.2、中国市场超速发展，有望保持30%的年均增长率
上个世纪九十年代，我国的一批科研院所开启了3D打印研究工作，经过近三十多年的科技攻关，中国3D打印产业已初具规模，产值在全球的占比也不断上升。
在全球市场的比重也不断上升，2016年占比将近18%。
自2015年，在党的十七大“加快建设制造强国，加快发展先进制造业”思想的指导下，我国发布了一系列推动“增材制造”产业发展的政策，并且将“增材制造”纳入国家重点发展领域。
“十三五规划”为国内3D打印技术进一步开展指明了方向，在政策的指导和科研人员的不断努力下，近五年来我国的3D打印产业发展迅猛。
2020年2月，国家标准化管理委员会联合六部门发布《增材制造标准领航行动计划（2020-2022年）》，提出“到2022年，立足国情、对接国际的增材制造新型标准体系基本建立”。
此外，为提升国际竞争水平，计划研制出80-100项增材制造“领航”标准，并推动国内标准国际化，转化率将达到90%。
结合国家层面政策指导以及国内近6年3D打印产业发展态势，前瞻产业研究院预测，到2025年，我国3D打印市场规模将超过630亿元，2021-2025年复合年均增速20%以上。
从产业细分结构来看，根据赛迪顾问（CCID）公布的数据显示，我国的3D打印设备市场规模最大，2020年产值达到92.54亿元，这主要是因为设备单价高、部分依赖进口导致。
由于许多工业零部件存在唯一适配性，许多公司为客户提供定制化服务，目前规模第二大的是3D打印服务市场，2020年的产值为64.46亿元。
由于我国对3D打印材料研发水平较为局限，加上3D打印材料整体单价相对较低，因此目前规模最小、增速最慢。
在2020总产值为50.59亿元。
2019年，我国3D打印材料产业规模达40.94亿元，从市场细分情况来看，金属材
升级会员 