3D打�。簬�動新產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

作為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù)之一的3D打印，其獨(dú)特的設(shè)計方法與顛覆性的工藝技術(shù)正在制造業(yè)內(nèi)形成一股熱潮，以飛快的發(fā)展速度占據(jù)著制造業(yè)市場，以3D打印為中心的原材料市場、工業(yè)設(shè)計、軟件模擬、3D掃描、服務(wù)等正在蓬勃發(fā)展，形成以3D打印為中心的新產(chǎn)業(yè)集群。本文圍繞3D打印產(chǎn)業(yè)鏈，介紹了3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈組成及市場發(fā)展概況，顛覆性的技術(shù)是否能動搖傳統(tǒng)制造業(yè)的根基，3D打印的未來所面臨的挑戰(zhàn)。

一、 3D打印技術(shù)概況
3D打印技術(shù)，也稱“增材制造”或“增量制造”。它是一種基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造，是一種直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法。它涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”和全生產(chǎn)周期的“快速制造”相關(guān)的所有打印工藝、技術(shù)、設(shè)備類別和應(yīng)用。

增材制造技術(shù)第一次出現(xiàn)于1980年，第一次應(yīng)用是在汽車的原型設(shè)計方面。通過研究者和企業(yè)近30年來的努力，3D打印技術(shù)已經(jīng)漸趨成熟，衍生出7種重要的子技術(shù)，詳見圖1。3D打印的直接制造將成為技術(shù)發(fā)展史上重要的里程碑。

圖1 3D打印7種子技術(shù)原理示意圖

來源：EY

二、 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈組成
1.  3D打印生產(chǎn)制造商
3D打印制造商主要生產(chǎn)3D打印機(jī)和開發(fā)增材制造子技術(shù)。設(shè)備制造是3D市場最重要的組成部分，占據(jù)市場最大份額。其中著名的生產(chǎn)制造商有斯川塔斯(Stratasys)、3Dsystems、EOS、Concept Laser、SLM Solutions、ExOne和Ultimaker。這些制造商除了生產(chǎn)3D打印配套設(shè)備外，還提供相關(guān)軟件、材料、技術(shù)、咨詢和其他服務(wù)等。

3D打印設(shè)備制造商與與其它供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)捆綁，包括軟件、材料和咨詢服務(wù)，可以更好地實(shí)現(xiàn)根據(jù)客戶需求為客戶定制，包括設(shè)備和軟件等。

2.  原材料供應(yīng)商
原材料供應(yīng)商提供3D打印所需原材料，其中涵蓋材料制備、材料熱處理和后續(xù)燒結(jié)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(yīng)用于桌面級的3D打印機(jī)，而金屬類原材料主要應(yīng)用于工業(yè)級的3D打印。隨著3D打印應(yīng)用越來越工業(yè)化，金屬材料的3D打印將具有廣闊的前景。

3. 3D打印軟件
3D打印機(jī)所用軟件主要還是來源于大型的軟件公司和一些特定的3D打印服務(wù)商。例如，西門子（Siemens）公司在PLM NX軟件中新增用于3D打印模塊�；萜眨℉P）公司的3D打印機(jī)使用的是Siemens公司的增材制造軟件。歐特克（Autodesk）、達(dá)索（Dassault Systemes）和奧多比（Adobe）公司也開始進(jìn)入這個市場，3D打印服務(wù)商Materialise也開始為3D打印提供軟件方面解決方案。

4. 3D掃描/逆向工程
此類公司主要是將產(chǎn)品實(shí)物掃描錄入電腦使其成為3D打印設(shè)計模型，該項(xiàng)技術(shù)在建筑、汽車和工程上被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的目的主要是用來測試和產(chǎn)品驗(yàn)證，是3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的一部分。

5. 產(chǎn)品服務(wù)商
3D打印服務(wù)商主要負(fù)責(zé)3D打印原型和產(chǎn)品的交付，他們處于整個3D打印供應(yīng)鏈的中間位置，既是產(chǎn)品供應(yīng)商的顧客，也為其他公司或個體提供3D打印產(chǎn)品。

二、 3D打印市場發(fā)展
Canalys 預(yù)測，全球3D打印市場價值（包括原材料及服務(wù)）在2016年底將達(dá)到49億美元，從2015年到2020年，全球市場的年增長率預(yù)計為43.5%，達(dá)到224億美元。其中3D打印機(jī)的年增率預(yù)計為67.2%，到2020年將達(dá)到240萬臺，詳見圖2。

圖2 3D打印設(shè)備年需求量

來源：Canalys

2015年，全球3D打印機(jī)供應(yīng)商總共售出18.2萬臺3D打印機(jī)，同比增長37%，其中，企業(yè)和個體的需求明顯增加。

研究人員估計，2016年3D打印市場將達(dá)到73億美元，主要包括3D打印機(jī)、材料、咨詢及服務(wù)，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，西方國家占到整個3D打印市場的2/3（68%），亞太地區(qū)僅占到27%。在行業(yè)方面，消費(fèi)電子和汽車行業(yè)各自貢獻(xiàn)了3D打印總收入的20%，這些行業(yè)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計。除此之外，手機(jī)制造商也逐漸使用3D技術(shù)制造產(chǎn)品零部件。醫(yī)療器械行業(yè)作為第3大3D打印市場，需求量正在迅速增長，他們使用3D打印技術(shù)大批量定制產(chǎn)品例如人體助聽器等。

圖3 3D打印市場分布

來源：UPS

盡管增長顯著，但3D市場的潛力還未完全開發(fā)。事實(shí)上，3D僅占到全球制造業(yè)市場的0.04%，其中僅有的幾家3D設(shè)備制造商占據(jù)3D打印市場很大份額。例如，2015年，Stratasys、3D Systems和EOS三家公司市場份額占到整個3D打印市場的70%；同樣，3D打印服務(wù)商也是2家獨(dú)大：Materialise和ProtoLabs，市場份額占到10%。圖4詳細(xì)展示了3D打印設(shè)備制造商和服務(wù)商市場份額分布情況。

圖4 3D打印設(shè)備制造商和服務(wù)商市場份額分布

來源：EY

目前3D打印應(yīng)用最大的市場在于零部件生產(chǎn)。在2003年，使用3D打印生產(chǎn)的零部件幾乎呈現(xiàn)零增長趨勢，但截至2014年，3D零件生產(chǎn)已經(jīng)占到全球3D打印產(chǎn)品和服務(wù)收入的43%（約18億美元）。

在零部件生產(chǎn)方面，如圖5所示，其中功能性零部件占據(jù)29%，原型設(shè)計占據(jù)10%，模具設(shè)計占到10%，成品組合占到18%。

圖5 3D打印零部件產(chǎn)品分類市場份額

來源：UPS

3D打印市場已經(jīng)越來越成熟，使用3D打印精簡了生產(chǎn)工藝過程，從而提高生產(chǎn)效率。對于公司來說，這無疑是一個巨大的機(jī)遇。

四、 3D打印VS 傳統(tǒng)制造業(yè)
雖然3D打印發(fā)展迅猛，但是并不是一刀切的解決方案，在高容量，標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用方面，傳統(tǒng)制造業(yè)有著不可替代的優(yōu)勢。目前，3D打印的適用方面主要有：原型設(shè)計（25%）、產(chǎn)品開發(fā)（16%）、想法驗(yàn)證（11%），詳見圖6。

圖6 3D打印優(yōu)勢及應(yīng)用范圍

來源：UPS

3D打印的優(yōu)勢在于：①加速定制產(chǎn)品的開發(fā)和交付；②提高庫存的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時生產(chǎn)具有可變需求的產(chǎn)品；③小批量制造優(yōu)勢明顯；④在特定應(yīng)用開發(fā)方面，效率高，成本低；⑤在新市場開拓方面，靈活性高。除此之外，3D打印也可以提高輕量化產(chǎn)品的品質(zhì)，使其更好的符合人體工學(xué)設(shè)計，增加更多的設(shè)計自由度。

然而，工藝穩(wěn)定性和重現(xiàn)性低對產(chǎn)品的質(zhì)量和耐久性產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。

最后，對于傳統(tǒng)行業(yè)和3D打印，在不同的應(yīng)用方面，有著各自獨(dú)特的優(yōu)勢。因此，對于企業(yè)來說，必須根據(jù)自身的需求和產(chǎn)品性質(zhì)去決定是否選擇3D打印或傳統(tǒng)制造，圖7顯示了3D打印與傳統(tǒng)行業(yè)在不同方面的優(yōu)勢。

圖7 3D打印與傳統(tǒng)行業(yè)比較

五、 3D打印行業(yè)未來發(fā)展機(jī)遇
1.電子消費(fèi)行業(yè)
3D打印已經(jīng)在新產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品概念設(shè)計和零部件原型制造等方面對電子消費(fèi)行業(yè)產(chǎn)生積極的影響。例如，大型消費(fèi)電子公司使用3D打印將產(chǎn)品設(shè)計驗(yàn)證時間從一周縮短至一天，顯著提高產(chǎn)品的設(shè)計完成效率，并通過3D打印短時間內(nèi)創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品。大型電腦配件公司使用3D打印技術(shù)，僅僅8個月就可以實(shí)現(xiàn)盈利。

在未來，下一個3D打印機(jī)遇將出現(xiàn)在手機(jī)行業(yè)，它將占到整個電子消費(fèi)市場的35%，當(dāng)先進(jìn)的材料和制造技術(shù)成熟之后，智能手機(jī)制造商將逐漸從原型設(shè)計轉(zhuǎn)向3D打印產(chǎn)品。

2.汽車行業(yè)
汽車行業(yè)最早將3D打印實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。今天，汽車生產(chǎn)制造商主要將該技術(shù)用于原型設(shè)計，而在零部件生產(chǎn)方面，并沒有大規(guī)模使用3D打印技術(shù)，主要是因?yàn)?D打印尺寸限制，目前還不能很好實(shí)現(xiàn)大型零部件的直接打印。但是，在其他方面，3D打印為汽車行業(yè)帶來了便利。例如，縮短了汽車發(fā)動機(jī)原型件生產(chǎn)周期，使用3D打印展示產(chǎn)品的概念原型、預(yù)生產(chǎn)原型和最終產(chǎn)品模型。

汽車使用零部件更便宜、更輕、制造更快速將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)，這為3D打印在汽車行業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的前景。

六、3D打印未來發(fā)展方向
1.  更快的生產(chǎn)速度
未來，在整個產(chǎn)品供應(yīng)鏈上，3D打印的前景廣闊，預(yù)計到2023年，3D打印的平均生產(chǎn)速度有望提高88%，此外，隨著打印速度的提高，打印尺寸及容量也很有可能隨之提高。

2. 新型的3D打印材料
3D打印新型復(fù)合材料，以及改進(jìn)的現(xiàn)有材料，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的3D打印應(yīng)用，也有助于降低產(chǎn)品價格。在這方面，金屬材料的3D打印需求將快速增長。

2015年，Stratasys公司調(diào)查報告顯示，金屬材料3D打印預(yù)計增長速度快于塑料，其中84%的受訪者表示希望看到金屬材料3D打印在未來的進(jìn)一步發(fā)展（圖8）。

3. 先進(jìn)的打印技術(shù)和增材制造能力
隨著裝備制造能力的發(fā)展，將促進(jìn)3D打印技術(shù)及增材制造能力提高，進(jìn)一步擴(kuò)大3D打印應(yīng)用范圍。

圖8 3D打印用材料未來發(fā)展趨勢

來源：UPS

七、3D打印未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
雖然3D打印技術(shù)目前能滿足創(chuàng)新發(fā)展的需要，但其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問題還未完全解決。在打印過程中，模型掃描和運(yùn)動捕捉工具需要多方面技術(shù)來支撐，例如模型收集裝置和軟件、模擬技術(shù)、計算機(jī)圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等，這些技術(shù)還未與3D打印實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合。如果沒有這些技術(shù)應(yīng)用，3D打印將會停留在原型設(shè)計層面。因此，企業(yè)在使用3D打印的同時，也應(yīng)注重這些支撐技術(shù)的研究投入，以提高3D打印產(chǎn)品的研究、生產(chǎn)及實(shí)際應(yīng)用效率。

相關(guān)的工業(yè)設(shè)計和藝術(shù)設(shè)計與智能制造對3D打印的影響已經(jīng)不能忽視。對于軟件行業(yè)，隨著圖形軟件的日益發(fā)展，3D打印促使模型設(shè)計者成為行業(yè)主流，促使產(chǎn)品造型行業(yè)位于整個3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的上游。

3D打印在發(fā)展的過程中需要共享這些工業(yè)資源、服務(wù)和完整的行業(yè)鏈條，以促進(jìn)整個產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展。

我國3D打印產(chǎn)業(yè)在國際上已經(jīng)有了立足之地，但是創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展除了技術(shù)競爭外，還取決于國家大環(huán)境的影響。國內(nèi)3D打印行業(yè)在商業(yè)化過程中發(fā)展仍相對較慢，而且完整的產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成，在迅速發(fā)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）
來源：新材料在線