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我国增材制造技术与产业发展研究
增材制造作为新兴的制造技术,应用领域不断扩展,成为先进制造领域发展最快的技术方向之一;增材制造产业的发展为现代制造业的培育壮大以及传统制造业的转型升级提供了宝贵契机。
产业观察 | 增材制造(3D打印)产业解析
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3D打印行业发展历程
3D 打印诞生于20世纪80年代初期,至今已经历了近40年的发展历程,主要可归纳为三个阶段。
1980年至1990年为第一阶段,期间3D打印专利、技术、原型机先后诞生。1982年Charles Hull首次提出将光学技术应用于快速成型领域,并于次年发明了世界上第一台立体光固化成型(SLA)3D 打印原型机,被誉为 3D 打印之父,此后各类3D打印技术及其原型机不断涌现。
第一台立体光固化成型(SLA)3D 打印原型机
1990至2010年为第二阶段,欧美逐渐形成具有影响力的3D打印公司,由技术和理论的雏形过渡至3D打印机及产品的生产。3D Systems、Stratasys、EOS等世界龙头企业在这一阶段先后推出3D打印设备,涵盖当前主流的熔融沉积成型(FDM)、 选择性激光烧结(SLS)、金属激光烧结(SLM)等技术。此外,这一阶段通过3D打印所生产的产品类别也不断扩大,下游应用场景随之增加。
2010年至今为第三阶段,3D打印行业迎来快速发展,龙头企业不断兼并收购。2012年Stratasys与Object合并,为3D打印业内最大规模合并,3D System于2010-2016年先后完成对Phenix Systems、Medical Modeling、Bot Object等公司的收购,各龙头企业在兼并重组下业务规模迎来快速发展。
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中国3D打印行业发展历程
我国3D打印行业起步于20世纪90年代初期,上世纪90年代由清华大学、西安交通大学、华中科技大学等多所高校在政府资金支持下启动增材制造技术研究,1995年西安交大成功研发3D打印样机,2000-2010年间各高校先后实现SLA、SLS、FDM、SLM等主流3D打印技术零的突破。
1994年,西安交通大学卢秉恒教授开始研发国产3D打印机
2011-2016年间处于技术追赶阶段,3D打印行业相关专利数量由2011年的5个迅速攀升至2016年的6564个,技术水平逼近欧美国家。2016年后我国涉及3D打印业务公司的数量激增,2019年国内3D打印第一股铂力特于科创板上市,标志着我国3D打印行业逐步完成从技术积累到商业化的过渡。
无论在全球范围内还是我国市场内,3D打印的行业规模都呈现快速增长,目前全球及我国的 3D 打印行业正处于导入期末、发展期之初。接下来的一个阶段将会面临巨大的发展契机。
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3D 打印产业链上游
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3D打印产业链中游
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3D打印产业链下游
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航空航天
金属 3D 打印在航空航天&军工领域增长潜力较高。航空工业中应用的原材料多为钛合金、铝锂合金、超高强度钢、高温合金等材料,普遍具有强度高、化学性质稳定、不易成型加工等特点,传统工艺在加工这些金属时面临较高的技术壁垒。金属3D打印的快速发展为航天军工业带来新的发展思路,SLM、EBM和LENS等金属3D打印工艺广泛应用于航空航天领域,极大的促进了航空航天结构设计的灵活性,实现了由 “制造约束设计”向“功能引领设计”的根本转变。同时,由于航空航天领域价格敏 感度较低的特性,使得3D打印在领域率先发展。
多重优势助力金属 3D 打印在航空航天领域快速发展。金属3D打印在航空航天领域应用中的优势涵盖四个方面:一是复杂结构设计得以实现,即可生产传统工艺较难生产的复杂结构,又可通过复合材料使零件不同部位具备不同性能,在我国传统锻造、铸造技术相对落后于欧美的背景下,这一优势重要性凸显,或可通过 3D 打印技 术实现高端制造业的“弯道超车”;二是缩短研发周期,无需制造生产模具,且节约了研发过程中纠错、修改、优化的时间;三是优化零部件性能,通过中空夹层、一体化结构、镂空点阵结构和异形拓扑优化结构,实现轻量化,减少应力集中的同时增加 使用寿命;四是可提高材料的利用率,降低制造成本。
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汽车工业
近几年全球3D打印在汽车行业中的应用产值规模稳步增长,2021年总规模达11.7亿美元。汽车行业是最早使用3D打印技术的行业之一。
车企在应用3D 打印技术上主要有三个发展方向,一是通过3D打印满足客户定制化需求, 进行个性化外观组件定制;二是通过3D打印快速生产,减少部分零部件备库压力;三是应用于汽车轻量化领域,通过中空夹层、一体化结构、镂空点阵结构和异形拓扑 优化结构,结合钛合金、铝合金、碳纤维等轻质原材料,有效实现汽车降重。
3D打印从最初用于概念模型的打印,再到功能模型的制作,目前正逐步应用于功能部件的制造,甚至于整车的打造,在汽车零部件开发方面,3D打印技术则完全摆脱了制作模具的繁琐过程,大大缩短了汽车零部件的研发周期。
随着国产新能源车质量、性能和认可度不断提高,比亚迪、蔚来、理想等车企不断进入中高端新能源车市场,叠加新能源车对于汽车轻量化的要求程度普遍高于传统能源汽车,未来3D打印在我国汽车行业的应用将成为新的蓝海,市场增量空间广阔。
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医疗领域
3D打印在医疗领域有得天独厚的优势,“个性化”为3D打印技术与医疗行业搭建了深度结合的桥梁。
3D 打印技术在医疗领域应用可分为四个阶段。第一阶段是打印模型模具,使用无生物相容性材料,即不会直接与人体细胞接触或产生反应的材料,这一阶段上游可选材料充分,多用于制造医疗模型、手术导板等;第二阶段是打印人体内置用品,使用具有生物相容性但非降解材料,上游选材以钛合金、钴铬合金等材料为主,多用于制造骨科、齿科领域的人体植入物;第三阶段是打印人体组织,使用具有生物相容性、 可降解的材料,打印肌肉、软骨组织、皮肤等,在植入后缓慢降解并让位给人体自身 生长的活性组织;第四阶段是打印内脏器官,结合细胞、细胞外基质、蛋白等生长因 子打印可运行的人体器官,例如肝脏、心脏、血管等。目前3D 打印广泛应用于第一和第二阶段,常用于齿科、骨科和康复辅助器械等领域。