第一章　3D打印概述

 

　　根據(jù)美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)的定義：3D打印(3D Printing)是借助三維數(shù)字模型設(shè)計(jì)，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、電子束等方法將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出實(shí)體產(chǎn)品。

 

　　在概念上，它同義于工業(yè)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)中的“增材制造”(Additive Manufacturing)。

 

　　3D打印流程一般包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理，打印和后處理四個(gè)步驟。前兩個(gè)步驟主要涉及軟件和光學(xué)成像技術(shù)，第三個(gè)步驟涉及材料、機(jī)械和電子。前三個(gè)步驟相輔相成，任何一個(gè)環(huán)節(jié)存在問(wèn)題都會(huì)影響打印的最終結(jié)果。后處理步驟更多是采用傳統(tǒng)加工方式改善打印物品的外觀和特性。

 

圖表：3D打印基本流程圖

 

　　3D打印技術(shù)最早可以追溯到1976年噴墨打印機(jī)的發(fā)明。1984年，查爾斯·胡爾將光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于快速成型領(lǐng)域，拉開(kāi)了3D打印的帷幕。在此后的幾十年里，各種3D打印技術(shù)在多個(gè)行業(yè)應(yīng)用并行發(fā)展。如今，其已覆蓋了制造、醫(yī)療、學(xué)術(shù)、航空航天、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。

 

　　第二章　3D打印產(chǎn)業(yè)鏈分析

 

　　第一節(jié)　3D打印產(chǎn)業(yè)鏈概述

 

　　打造3D打印產(chǎn)業(yè)鏈，可以進(jìn)一步推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化升級(jí)。3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈中應(yīng)當(dāng)覆蓋研發(fā)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造、材料開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、公共服務(wù)等環(huán)節(jié)。3D打印產(chǎn)業(yè)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的關(guān)聯(lián)點(diǎn)，重點(diǎn)體現(xiàn)在新材料開(kāi)發(fā)和帶動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)?；A(chǔ)材料為3D打印原材料提供支持，模型軟件則服務(wù)于打印設(shè)備的研發(fā)與生產(chǎn)。方案提供商將3D打印應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，包括航天航空、醫(yī)療健康、汽車(chē)制造、設(shè)計(jì)、教育和食品加工等不同領(lǐng)域。

 

圖表：3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

　　整個(gè)3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈大概可分為三個(gè)部分，上游基礎(chǔ)配件行業(yè)，3D打印設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)、3D打印材料生產(chǎn)企業(yè)和支持配套企業(yè)，下游主要是3D打印的各大應(yīng)用領(lǐng)域。通常意義上的3D打印行業(yè)則主要是指3D打印設(shè)備、材料及服務(wù)企業(yè)。

 

　　3D打印經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)業(yè)鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)都聚集了一批領(lǐng)先企業(yè)。全球范圍來(lái)看，以Stratasys、3D Systems為代表的設(shè)備企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)了主導(dǎo)作用，且這些設(shè)備企業(yè)通常能夠提供材料和打印服務(wù)業(yè)務(wù)，如具有較強(qiáng)的話(huà)語(yǔ)權(quán)。

 

　　根據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)擁有工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)50家，消費(fèi)級(jí)3D打印設(shè)備企業(yè)100家，3D打印材料企業(yè)50家，3D打印服務(wù)企業(yè)120家。(部分重復(fù))

圖表：3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈典型企業(yè)

　　第二節(jié)　3D打印材料發(fā)展?fàn)顩r

 

　　材料技術(shù)是3D打印技術(shù)的核心，直接制約了3D打印的發(fā)展進(jìn)程。從1982年SL立體光刻技術(shù)的出現(xiàn)到當(dāng)今的3DP成型。都是由于某一種新材料的出現(xiàn)而引起的，如：SL材料為液態(tài)光敏樹(shù)脂，LOM為薄片材料，SLS為可燒結(jié)粉末材料，F(xiàn)DM為熱熔絲線(xiàn)等。由于材料在物理形態(tài)，化學(xué)性能等方面的千差萬(wàn)別，才形成了今天3D打印材料的多品種和3D打印的不同成型方法。3D打印技術(shù)在這幾十年的發(fā)展中，新材料是3D打印技術(shù)的重要推動(dòng)力。因而，全世界尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家從事3D打印技術(shù)的公司和大學(xué)都在積極地研發(fā)用途更為廣泛，成型更為簡(jiǎn)便新材料。

 

　　材料在一定程度上綁架了3D打印行業(yè)，目前全球可使用的3D打印材料寥寥可數(shù)，我國(guó)相關(guān)材料更是嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口。如果材料問(wèn)題得不到大的突破，則3D打印技術(shù)的發(fā)展會(huì)受到很大影響。材料是3D打印未來(lái)成功的關(guān)鍵，特別是在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用方面。比起傳統(tǒng)的制造業(yè)，用于三維打印的材料選擇是有限的。

 

　　技術(shù)及材料的搭配上來(lái)看，目前SLA技術(shù)主要采用液態(tài)光敏樹(shù)脂，F(xiàn)DM技術(shù)主要使用絲狀熱熔性塑料，LOM使用薄膜材料，SLS使用金屬粉末，而3DP可使用金屬粉末或塑料粉末等?，F(xiàn)階段3D打印材料的發(fā)展已經(jīng)日新月異，隨著技術(shù)和研發(fā)的推進(jìn)，目前有300多種材料可用于3D打印制造。

 

　　材料開(kāi)發(fā)難度大成本高，現(xiàn)在仍為構(gòu)建3D打印生態(tài)圈的掣肘。3D打印材料主要分為高分子材料、金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料及生物材料等。其中，高分子材料為目前3D打印使用的主要材料;金屬材料應(yīng)用前景最大，但是開(kāi)發(fā)技術(shù)壁壘高、廣泛應(yīng)用的前提是成本下降;無(wú)機(jī)非金屬材料應(yīng)用開(kāi)發(fā)相對(duì)較慢，仍處于研發(fā)階段;生物材料則處于起步階段。

 

　　北美和亞太地區(qū)3D打印材料銷(xiāo)售收入占全球的68%，其中北美地區(qū)市場(chǎng)收入最高，其次是亞太地區(qū)。預(yù)計(jì)未來(lái)隨著3D打印在亞太地區(qū)的推廣，亞洲有望成為3D打印材料需求增長(zhǎng)最快的地區(qū)。由于目前90%的3D打印機(jī)用戶(hù)都使用的是桌面級(jí)產(chǎn)品，因此像ABS、PLA這兩種塑料材質(zhì)的耗材用量占比超過(guò)50%，目前高分子材料生產(chǎn)商也主要集中于ABS和PLA以及尼龍材料。塑料3D打印材料有著很高的需求，特別是ABS和PLA。但是從銷(xiāo)售額來(lái)看，金屬材料由于其產(chǎn)品價(jià)格高，占據(jù)了全球3D打印材料銷(xiāo)售額比重超過(guò)80%。

 

　　作為決定3D打印技術(shù)發(fā)展進(jìn)程的一項(xiàng)重要因素，3D打印材料的地位不言而喻，隨著3D打印技術(shù)的一步步普及，對(duì)于材料的需求也在飛速上漲。2015年，全球3D打印材料銷(xiāo)量預(yù)計(jì)突破2500噸。

 

　　第三節(jié)　3D打印機(jī)發(fā)展?fàn)顩r

 

　　對(duì)于增材制造和3D打印的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，發(fā)達(dá)國(guó)家遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在前面。從1988年商業(yè)化的增材制造設(shè)備銷(xiāo)售開(kāi)始，20余年來(lái)全球有幾十個(gè)國(guó)家采購(gòu)安裝這些設(shè)備。從各國(guó)20余年來(lái)總裝機(jī)量的占比來(lái)看，美國(guó)以38%的份額遙遙領(lǐng)先，日本、德國(guó)和中國(guó)占據(jù)第二梯隊(duì)。裝機(jī)量也基本反映了全球這一先進(jìn)加工制造技術(shù)和應(yīng)用的狀況，與傳統(tǒng)的加工制造相似，只是美國(guó)這次又走在了前列。中國(guó)也正在奮力追趕。

 

　　根據(jù)3D Hubs對(duì)其平臺(tái)上注冊(cè)的3D打印機(jī)的統(tǒng)計(jì)分析，Stratasys公司以25.5%的市場(chǎng)保有量成為領(lǐng)導(dǎo)者，這很大一部分要?dú)w功于對(duì)MakerBot公司的收購(gòu)。緊隨其后的是RepRap和Ultimaker，其保有量市場(chǎng)占有率分別為21.9%和18.4%。而3D Systems的設(shè)備保有量占10.8%，位居第四。

 

　　2015年全球3D打印行業(yè)的年復(fù)合增長(zhǎng)率低于過(guò)去27年的平均數(shù)，是過(guò)去3年最差的。2015年，全球3D打印機(jī)的總出貨量達(dá)到230228臺(tái)，同比增加了47.73%，其中桌面/個(gè)人3D打印機(jī)保持了較快增長(zhǎng)了，但是工業(yè)級(jí)/專(zhuān)業(yè)級(jí)3D打印機(jī)的銷(xiāo)售量一定程度上下降。

 

圖表：2008-2015年全球3D打印設(shè)備出貨量增長(zhǎng)情況

　　2.3.1　消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)

 

　　消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)的應(yīng)用起源于業(yè)余愛(ài)好者，但隨著科技的發(fā)展和人們創(chuàng)新意識(shí)的增強(qiáng)，現(xiàn)在可以與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，開(kāi)創(chuàng)新的商業(yè)模式。消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)以FDM技術(shù)為主，打印材料大多為PLA、ABS等高分子材料，消費(fèi)領(lǐng)域主要分布在文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)及教育行業(yè)。2015年，全球消費(fèi)級(jí)3D打印設(shè)備保持了較快增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度有所放緩，年出貨量為218616臺(tái)，同比增長(zhǎng)56.62%。2016年對(duì)消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)而言，可謂喜憂(yōu)參半，喜的是相對(duì)工業(yè)級(jí)設(shè)備，銷(xiāo)售數(shù)量逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)，另一層面，作為消費(fèi)級(jí)的代表，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)的低門(mén)檻，引來(lái)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，價(jià)格從1000美元降到500美元再次在Kickstarter上降到200美元，低端設(shè)備層出不窮。

 

圖表：2008-2015年全球消費(fèi)級(jí)/桌面級(jí)3D打印設(shè)備出貨量增長(zhǎng)情況

　　CONTEXT數(shù)據(jù)顯示，在桌面/個(gè)人3D打印機(jī)領(lǐng)域，臺(tái)灣廠(chǎng)商三緯國(guó)際(XYZprinting)仍然保持全球領(lǐng)先地位，其市場(chǎng)份額在2015年達(dá)到31%。2015年下半年見(jiàn)證了消費(fèi)級(jí)3D打印機(jī)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者位置易手，Stratasys/MakerBot和3D Systems/Cubify這兩大公司分別基于不同的原因市場(chǎng)份額大幅縮減，轉(zhuǎn)而被新興的三緯國(guó)際和M3D取而代之。

 

圖表：2015年全球消費(fèi)級(jí)/桌面級(jí)3D打印設(shè)備出貨量TOP5企業(yè)

　　2.3.2　工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)

 

　　工業(yè)級(jí)3D打印適用于小批量、造型復(fù)雜的非功能性零部件生產(chǎn)，與傳統(tǒng)制造業(yè)形成互補(bǔ)。工業(yè)級(jí)3D打印主要運(yùn)用于在工業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，試制及快速打印成型，創(chuàng)意產(chǎn)品和玩具模型克隆，醫(yī)療行業(yè)人體器官，醫(yī)療器械打印，建筑模型制作及軍事等領(lǐng)域。

 

　　2015年以來(lái)，工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備出貨量出現(xiàn)了明顯下滑，年出貨量11612臺(tái)，同比降低9.89%。2016年上半年，產(chǎn)品出貨量繼續(xù)保持了下滑態(tài)勢(shì)，同比降低13.6%。

 

圖表：2008-2015年全球工業(yè)級(jí)/專(zhuān)業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備出貨量增長(zhǎng)情況

 

　　雖然工業(yè)級(jí)3D打印在近兩年的總體銷(xiāo)量并不是令人滿(mǎn)意，但是2015年以來(lái)工業(yè)級(jí)3D打印行業(yè)出現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，那就是許多桌面級(jí)3D打印設(shè)備廠(chǎng)商將注意力轉(zhuǎn)向工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備?？梢钥闯觯S著消費(fèi)級(jí)3D打印設(shè)備長(zhǎng)期推廣困難，工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備尤其是金屬打印設(shè)備已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。

 

　　作為近年工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備發(fā)展亮點(diǎn)，金屬3D打印的需求依然旺盛，盡管其設(shè)備價(jià)格通常在500萬(wàn)美元—200萬(wàn)美元之間，但是其2015年的機(jī)器銷(xiāo)售仍然比上年增長(zhǎng)了35%。由于金屬3D打印市場(chǎng)的重要性日益凸顯，2015年按銷(xiāo)售額計(jì)算排名全球前五位的3D打印廠(chǎng)商有3位的業(yè)務(wù)主要集中在金屬增材制造領(lǐng)域。

 

圖表：2015年全球工業(yè)級(jí)/專(zhuān)業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備出貨量TOP5企業(yè)

　　目前國(guó)內(nèi)專(zhuān)業(yè)工業(yè)級(jí)機(jī)器主要依靠進(jìn)口，但是因?yàn)闄C(jī)器和耗材價(jià)格高昂，故一直難以為中小企業(yè)能接受。國(guó)內(nèi)目前有多家上市公司號(hào)稱(chēng)已研發(fā)出金屬3D打印機(jī)，但是少有核心技術(shù)的突破。國(guó)內(nèi)發(fā)布的一些許多工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)大部分是模仿國(guó)外機(jī)器，缺乏核心競(jìng)爭(zhēng)能力。