3D列印：帶動新產業鏈發展

作為21世紀最具發展潛力的新興技術之一的3D列印，其獨特的設計方法與顛覆性的工藝技術正在製造業內形成一股熱潮，以飛快的發展速度佔據著製造業市場，以3D列印為中心的原材料市場、工業設計、軟體模擬、3D掃描、服務等正在蓬勃發展，形成以3D列印為中心的新產業集群。本文圍繞3D列印產業鏈，介紹了3D列印的產業鏈組成及市場發展概況，顛覆性的技術是否能動搖傳統製造業的根基，3D列印的未來所面臨的挑戰。

一、 3D列印技術概況

3D列印技術，也稱「增材製造」或「增量製造」。它是一種基於三維CAD模型數據，通過增加材料逐層製造，是一種直接製造與相應數學模型完全一致的三維物理實體模型的製造方法。它涵蓋了產品生命周期前端的「快速原型」和全生產周期的「快速製造」相關的所有列印工藝、技術、設備類別和應用。

增材製造技術第一次出現於1980年，第一次應用是在汽車的原型設計方面。通過研究者和企業近30年來的努力，3D列印技術已經漸趨成熟，衍生出7種重要的子技術，詳見圖1。3D列印的直接製造將成為技術發展史上重要的里程碑。

圖1 3D列印7種子技術原理示意圖

來源：EY

二、 3D列印產業鏈組成

1. 3D列印生產製造商

3D列印製造商主要生產3D印表機和開發增材製造子技術。設備製造是3D市場最重要的組成部分，佔據市場最大份額。其中著名的生產製造商有斯川塔斯(Stratasys)、3Dsystems、EOS、Concept Laser、SLM Solutions、ExOne和Ultimaker。這些製造商除了生產3D列印配套設備外，還提供相關軟體、材料、技術、諮詢和其他服務等。

3D列印設備製造商與與其它供應商實現捆綁，包括軟體、材料和諮詢服務，可以更好地實現根據客戶需求為客戶定製，包括設備和軟體等。

2. 原材料供應商

原材料供應商提供3D列印所需原材料，其中涵蓋材料製備、材料熱處理和後續燒結工藝等各個方面。材料的種類有高分子材料和金屬材料，其中金屬材料包括粉末和線材。

目前，高分子類原材料主要應用於桌面級的3D印表機，而金屬類原材料主要應用於工業級的3D列印。隨著3D列印應用越來越工業化，金屬材料的3D列印將具有廣闊的前景。

3. 3D列印軟體

3D印表機所用軟體主要還是來源於大型的軟體公司和一些特定的3D列印服務商。例如，西門子（Siemens）公司在PLM NX軟體中新增用於3D列印模塊。惠普（HP）公司的3D印表機使用的是Siemens公司的增材製造軟體。歐特克（Autodesk）、達索（Dassault Systemes）和奧多比（Adobe）公司也開始進入這個市場，3D列印服務商Materialise也開始為3D列印提供軟體方面解決方案。

4. 3D掃描/逆向工程

此類公司主要是將產品實物掃描錄入電腦使其成為3D列印設計模型，該項技術在建築、汽車和工程上被廣泛應用。該技術的目的主要是用來測試和產品驗證，是3D列印產業鏈中不可或缺的一部分。

5. 產品服務商

3D列印服務商主要負責3D列印原型和產品的交付，他們處於整個3D列印供應鏈的中間位置，既是產品供應商的顧客，也為其他公司或個體提供3D列印產品。

二、 3D列印市場發展

Canalys 預測，全球3D列印市場價值（包括原材料及服務）在2016年底將達到49億美元，從2015年到2020年，全球市場的年增長率預計為43.5%，達到224億美元。其中3D印表機的年增率預計為67.2%，到2020年將達到240萬台，詳見圖2。

圖2 3D列印設備年需求量

來源：Canalys

2015年，全球3D印表機供應商總共售出18.2萬台3D印表機，同比增長37%，其中，企業和個體的需求明顯增加。

研究人員估計，2016年3D列印市場將達到73億美元，主要包括3D印表機、材料、諮詢及服務，從2012年到2014年，每年至少以30%的速度增長。

在市場份額方面，如圖3所示，西方國家佔到整個3D列印市場的2/3（68%），亞太地區僅佔到27%。在行業方面，消費電子和汽車行業各自貢獻了3D列印總收入的20%，這些行業將3D列印技術應用於產品的原型設計。除此之外，手機製造商也逐漸使用3D技術製造產品零部件。醫療器械行業作為第3大3D列印市場，需求量正在迅速增長，他們使用3D列印技術大批量定製產品例如人體助聽器等。

圖3 3D列印市場分布

來源：UPS

儘管增長顯著，但3D市場的潛力還未完全開發。事實上，3D僅佔到全球製造業市場的0.04%，其中僅有的幾家3D設備製造商佔據3D列印市場很大份額。例如，2015年，Stratasys、3D Systems和EOS三家公司市場份額佔到整個3D列印市場的70%；同樣，3D列印服務商也是2家獨大：Materialise和ProtoLabs，市場份額佔到10%。圖4詳細展示了3D列印設備製造商和服務商市場份額分布情況。

圖4 3D列印設備製造商和服務商市場份額分布

來源：EY

目前3D列印應用最大的市場在於零部件生產。在2003年，使用3D列印生產的零部件幾乎呈現零增長趨勢，但截至2014年，3D零件生產已經佔到全球3D列印產品和服務收入的43%（約18億美元）。

在零部件生產方面，如圖5所示，其中功能性零部件佔據29%，原型設計佔據10%，模具設計佔到10%，成品組合佔到18%。

圖5 3D列印零部件產品分類市場份額

來源：UPS

3D列印市場已經越來越成熟，使用3D列印精簡了生產工藝過程，從而提高生產效率。對於公司來說，這無疑是一個巨大的機遇。

四、 3D列印VS 傳統製造業

雖然3D列印發展迅猛，但是並不是一刀切的解決方案，在高容量，標準化應用方面，傳統製造業有著不可替代的優勢。目前，3D列印的適用方面主要有：原型設計（25%）、產品開發（16%）、想法驗證（11%），詳見圖6。

圖6 3D列印優勢及應用範圍

來源：UPS

3D列印的優勢在於：加速定製產品的開發和交付；提高庫存的靈活性，可以實現實時生產具有可變需求的產品；小批量製造優勢明顯；在特定應用開發方面，效率高，成本低；在新市場開拓方面，靈活性高。除此之外，3D列印也可以提高輕量化產品的品質，使其更好的符合人體工學設計，增加更多的設計自由度。

然而，工藝穩定性和重現性低對產品的質量和耐久性產生極大的負面影響。

最後，對於傳統行業和3D列印，在不同的應用方面，有著各自獨特的優勢。因此，對於企業來說，必須根據自身的需求和產品性質去決定是否選擇3D列印或傳統製造，圖7顯示了3D列印與傳統行業在不同方面的優勢。

圖7 3D列印與傳統行業比較

五、 3D列印行業未來發展機遇

1.電子消費行業

3D列印已經在新產品開發、產品概念設計和零部件原型製造等方面對電子消費行業產生積極的影響。例如，大型消費電子公司使用3D列印將產品設計驗證時間從一周縮短至一天，顯著提高產品的設計完成效率，並通過3D列印短時間內創造出更好的產品。大型電腦配件公司使用3D列印技術，僅僅8個月就可以實現盈利。

在未來，下一個3D印表機遇將出現在手機行業，它將佔到整個電子消費市場的35%，當先進的材料和製造技術成熟之後，智能手機製造商將逐漸從原型設計轉向3D列印產品。

2.汽車行業

汽車行業最早將3D列印實現商業化應用。今天，汽車生產製造商主要將該技術用於原型設計，而在零部件生產方面，並沒有大規模使用3D列印技術，主要是因為3D列印尺寸限制，目前還不能很好實現大型零部件的直接列印。但是，在其他方面，3D列印為汽車行業帶來了便利。例如，縮短了汽車發動機原型件生產周期，使用3D列印展示產品的概念原型、預生產原型和最終產品模型。

汽車使用零部件更便宜、更輕、製造更快速將成為未來汽車行業發展的目標，這為3D列印在汽車行業的發展提供了廣闊的前景。

六、3D列印未來發展方向

1. 更快的生產速度

未來，在整個產品供應鏈上，3D列印的前景廣闊，預計到2023年，3D列印的平均生產速度有望提高88%，此外，隨著列印速度的提高，列印尺寸及容量也很有可能隨之提高。

2. 新型的3D列印材料

3D列印新型複合材料，以及改進的現有材料，不僅能夠實現前所未有的3D列印應用，也有助於降低產品價格。在這方面，金屬材料的3D列印需求將快速增長。

2015年，Stratasys公司調查報告顯示，金屬材料3D列印預計增長速度快於塑料，其中84%的受訪者表示希望看到金屬材料3D列印在未來的進一步發展（圖8）。

3. 先進的列印技術和增材製造能力

隨著裝備製造能力的發展，將促進3D列印技術及增材製造能力提高，進一步擴大3D列印應用範圍。

圖8 3D列印用材料未來發展趨勢

來源：UPS

七、3D列印未來發展面臨的挑戰

雖然3D列印技術目前能滿足創新發展的需要，但其中涉及到的關鍵技術問題還未完全解決。在列印過程中，模型掃描和運動捕捉工具需要多方面技術來支撐，例如模型收集裝置和軟體、模擬技術、計算機圖形技術和數據傳輸技術等，這些技術還未與3D列印實現完美結合。如果沒有這些技術應用，3D列印將會停留在原型設計層面。因此，企業在使用3D列印的同時，也應注重這些支撐技術的研究投入，以提高3D列印產品的研究、生產及實際應用效率。

相關的工業設計和藝術設計與智能製造對3D列印的影響已經不能忽視。對於軟體行業，隨著圖形軟體的日益發展，3D列印促使模型設計者成為行業主流，促使產品造型行業位於整個3D列印產業鏈的上游。

3D列印在發展的過程中需要共享這些工業資源、服務和完整的行業鏈條，以促進整個產業集群的發展。

我國3D列印產業在國際上已經有了立足之地，但是創新型產業的長遠發展除了技術競爭外，還取決於國家大環境的影響。國內3D列印行業在商業化過程中發展仍相對較慢，而且完整的產業鏈尚未形成，在迅速發展的過程中，仍然暴露出很多問題，這迫切需要國家的政策和財政支持。

文/張鵬

中航邁特粉冶科技（北京）有限公司

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