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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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在工业制造的历史上,制造方式的发展经历了等材制造、减材制造、增材制造3个阶段。第1阶段是等材制造,是指通过铸、锻、焊等方式生产制造产品,材料重量基本不变,已有3000多年的历史。第2阶段是减材制造,是指在工业革命之后,使用车、铣、刨、磨等设备对材料进行切削加工,以达到设计形状,已有300多年的历史。第3阶段是增材制造,也就是3D打印 ,是指通过光固化、选择性激光烧结、熔融堆积等技术,使材料一点一点累加,形成需要的形状。

自21世纪以来,增材制造以其独特的优势为制造业开辟了一个新的先进制造技术,被众多国家视为未来产业发展的新增长点,是工业4.0的核心,是具有深刻变革意义的新型生产方式。增材制造技术所具有的数字化、网络化、个性化和定制化等特点,其将成为引领企业智能制造与创新发展的重要方式,是企业制胜工业4.0时代的重要法宝。我国的增材制造产业的发展阶段已从研发转向产业化应用,新设备、新技术、新材料、新应用程序不断推陈出新,越来越多的企业将增材制造作为助力智能制造、绿色制造等新型制造模式,作为产业升级和技术转型的方向。

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增材制造(3D打印)的定义

增材制造(Additive manufacturing,也称3D打印)又称“3D打印”,是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术,该技术尤其适合制造形状复杂的、定制化的、追求轻量化的零部件。
与传统的减材制造工艺相比,具有高效、灵活、节能和环保等优势,能够实现复杂结构、个性化定制和功能集成等目标。增材制造技术涵盖了机械、材料、计算机视觉、软件、电子等多个学科,其核心是3D打印机的制造,对于材料、软件、设计等也有特殊要求。

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当前,以增材制造(3D打印)为代表的新制造技术,其基础研究、关键技术、产业孵化等都在快速发展。增材制造技术完全改变了产品的设计制造过程,被视为诸多领域科技创新的“加速器”、支撑制造业创新发展的关键基础技术;进一步改变了产品的生产模式,驱动定制化、个性化、分布式制造;通过云制造并与大数据技术结合,加快传统制造升级,实现制造的个性化、智能化、社会化。

增材制造(3D打印)的应用领域

增材制造技术在各个领域都有广泛的应用,其中以航空航天、医疗、建筑、汽车等为代表。航空航天领域是增材制造技术的重要推动者和用户,利用增材制造技术可以实现轻量化、复杂化、一体化和功能化的航空航天零部件的制造,提高性能、降低成本和缩短周期。医疗领域是增材制造技术的重要应用领域,利用增材制造技术可以实现个性化、定制化、智能化和生物相容性的医疗器械和人体组织的制造,提高效率、质量和安全性。建筑领域是增材制造技术的新兴应用领域,利用增材制造技术可以实现多样化、创新化、节能化和环保化的建筑结构和装饰材料的制造,提高美观性、舒适性和可持续性。汽车领域是增材制造技术的潜在应用领域,利用增材制造技术可以实现优化化、模块化、智能化和绿色化的汽车零部件和整车的制造,提高性能、可靠性和竞争力。

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增材制造(3D打印)的分类

应用领域、原材料种类和打印技术特点三个角度可以对3D打印进行分类。
按照最终产品的应用领域和对应所需要的精度等要求不同,3D 打印可分为消费级和工业级。
二者面对的下游市场不同,消费级 3D 打印主要面对消费型、娱乐型的产品,例如玩具模型、教学模型等;而工业级 3D 打印主要面对质量精度要求较高的航空航天、医疗器械、汽车、模具开发等下游市场。二者在众多方面存在较大差别,工业级3D打印精度更高、打印速度更快,可打印尺寸范围更广,产品可靠性也更好。工业级3D 打印的价格更高,目前不能为普通消费者所接受。
按照原材料分类分为金属材料3D打印非金属材料3D打印。
按照打印技术特点分为选择性激光熔化成型(SLM)、选择性激光烧结成型(SLS)、激光直接烧结技术(DMLS)、电子束熔化技术(EBM)、熔融沉积式成型 (FDM)、选择性热烧结(SHS)、立体平板印刷(SLA)、数字光处理(DLP)、三维打印技术(3DP)、及细胞绘图打印(CBP)等。

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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。


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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。


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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。


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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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经过 30 多年的发展,3D 打印行业已经形成一条比较完成的产业链:
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3D 打印产业链上游

3D 打印产业链上游主要包括 3D 建模工具和原材料。其中,3D 建模工具包括 3D 建模软件、3D 建模扫描仪和 3D 模型数据平台。与此相对应,聚集在产业链上游的企业包括三维软件开发商以及耗材生产商等。增材制造原材料主要包括金属增材制造材料、 无机非金属增材制造材料、有机高分子增材制造材料以及生物增材制造材料等几类。

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。
· 2020年,我国3D打印材料环节的市场规模占整个3D打印行业市场规模的比例约为27.6%;
· 3D打印原材料种类的丰富程度,决定了3D打印技术的应用范围,2020年我国3D打印材料市场规模达到40.94亿元,同比增长了约40%,预计到2024年将达到164亿元。
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3D打印材料种类不断丰富,推动3D打印市场应用范围扩大。2020年,中国3D打印材料产业结构中,非金属材料产业规模25.38亿元,占比最高,达到62%;金属材料产业规模15.56亿元,占比38%。
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3D打印产业链中游

3D 打印设备及服务。相比于打印耗材及打印服务,3D打印设备仍然占据主导地位,3D打印设备是牵动行业发展的关键之一。

目前中国3D打印设备主要以SLS、SLM和非金属的FDM为主,前两者占比约32%,FDM大约占整体的15%,分别对应主应用于工业级和桌面级。国内外生产企业商业模式和技术路径有所差别。综合看国外企业核心技术涉猎金属和非金属两大板块,应用范围广。国内企业核心技术专攻性强,例如铂力特70%以上设备应用于航空航天制造。

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桌面级与工业级3D打印设备对比

3D打印设备现仍处于不断磨合技术,提高设备使用成熟度和精细化阶段。问题呈现零散化形态,例如设备运行过程中故障率高、进料系统运行卡顿、打印产品精度低等问题。目前科研领域和企业实操领域同步研发实验,共同推动优化设备操作。
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3D打印产业链下游

3D打印的下游应用以航空航天、军工、船舶工业、核工业、汽车工业、轨道交通及医疗为主。
2021年国内3D打印下游行业中,工业产品占比55%,军用产品占比16%,民用产品29% ;从更加细分的应用领域来看,工业机械是国内3D打印最大的应用领域,2021年占20%左右,其次分别是航空航天、汽车、消费电子、医疗等。
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国内3D打印产业应用行业占比(%)

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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。

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