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3D打印技术详细解读及国内外代表企业汇总

2013-07-11 09:33
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  一、3D打印技术概述

  1、上上世纪的思想,上世纪的技术,本世纪的市场

  3D打印技术源自19世纪美国研究的照相雕塑和地貌成型技术,学界将其称为“快速成型技术”。1986年美国科学家查尔斯·胡尔利用一种叫光敏树脂的液态材料,发明出世界上第一台3D打印机。随后胡尔以这种技术为基础成立了世界上第一家3D打印设备公司3D Systems,并于1992年卖出了第一台商业化产品。上世90年代3D技术经历过一波快速发展,例如1989年美国得克萨斯大学卡尔提出选择性激光烧结(SLS)技术,1990年麻省理工学院申请了“三维印刷技术”专利等。本世纪至今全球越来越多的公司先后涉足3D打印制造,目前全球已经产生两家行业巨头Stratasys公司和3D Systems。根据Wohlers Associates统计,2012年3D打印市场规模达到22.04美元,同比增长29%,预计未来3D打印市场将保持快速增长的势头。中国物联网校企联盟把3D打印称作“上上个世纪的思想,上个世纪的技术,本世纪的市场”。

  2、原理:分层制造,逐层叠加

  “3D打印”是一类将材料逐层添加来制造三维物体的“增材制造”技术的统称,其核心原理是:“分层制造,逐层叠加”,类似于高等数学里柱面坐标三重积分的过程。区别于传统的“减材制造”,3D打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制技术和生物医学等技术融合贯通,具有缩短产品开发周期、降低研发成本和一体制造复杂形状工件等优势,未来可能对制造业生产模式与人类生活方式产生重要的影响。

  按照3D打印的成型机理,通常将3D打印分为两大类:沉积原材料制造与黏合原材料制造,涵盖十多种具体的三维快速制造技术,较为成熟和具备实际应用潜力的技术有5种:SLA-立体光固化成型、FDM-容积成型、LOM-分层实体制造、3DP-三维粉末粘接和SLS-选择性激光烧结。

  3、特点:技术类型与材料共同决定应用范围

  具体到细分类型,不同的成型原理对材料的要求也不同。目前SLA技术主要采用液态光敏树脂,FDM技术主要使用丝状热熔性塑料,LOM使用薄膜材料,SLS使用金属粉末,而3DP可使用金属粉末或塑料粉末等。反过来讲,材料本身的物理特性又会限制不同技术的应用。

  立体光固化成型的成形速度快,精度相对较高,且外形表面好,但限于光敏树脂的物理特性,其3D打印产品主要用于代替熔模精密铸造中的蜡模和原型设计验证方面,而很少作为功能性零件使用。目前3D打印技术中唯一可桌面化的技术是FDM,京东商城所售的3D打印机就是基于这种技术,使用ABS或PLA丝状、线状材料制作玩具;而在工业中FDM使用的丝状才来主要是工程塑料,其产品多为塑料件、铸造蜡模和样件等。SLS是3D技术中最具潜力制备功能性零件的技术,SLS可再细分为金属粉末和粘结剂混合烧结、金属粉末激光烧结和金属粉末压坯烧结;SLS主要优势是制作相对高强度的金属制品,在高端制造领域中完成样件功能试验或装备模拟。南京航空航天大学用Ni基合金混铜粉进行烧结成型的试验,成功地制造出具有较大角度的倒锥形状的金属零件。

  4、比较:与传统制造技术相比,各有用武之地

  传统机械制造是基于削、钻、铣、磨、铸和锻等“减”材制造基本工艺的组合,工件的制造一般要经过多个工艺的组合才能完成。而3D打印技术秉承“分层制造,逐层叠加”核心原理,是一体成型技术,一台3D打印机就可以完成整个工件的制造。从工业应用领域来看,目前3D打印适于小批量、造型复杂的非功能性零部件;大多在汽车、航天等领域内用于制造样件和模具等;而传统的机加工制造就适用于大规模、需要量产的部件,并广泛应用在几乎所有领域。从使用的材料来分析,受制于技术的需要,3D打印技术目前使用的材料多为塑料、光敏树脂和金属粉末等材料,这与传统机加工可以使用几乎任何材料相比要少很多。但3D打印就像其技术特点一样,几乎不产生浪费,材料的利用率可超过95%;而传统的“减”材制造,不同程度要产生许多废料。

  5、趋势:未来可能与传统制造业优势互补

  如今,3D打印技术已经在社会公众中引起了较大的反响,多个企业宣布即将进入或已经进入3D打印领域,业界也有学者认为3D打印将是推动第三次工业革命的重要内容,将在制造业掀起颠覆性的革命。但是,近代装备制造业经过数百年的积累和发展,形成了配套完善、功能齐全产业基础;新世纪以来,传统制造业中不断引入新一代信息技术,正在向智能化、数字化与网络化的现代先进制造业转变。从技术上来说,3D打印技术有待未来突破自身的限制,取代传统制造业的道路也许会很漫长。但3D打印技术可与传统制造业技术互补,共同推进现代制造业的转型。此外,3D打印技术本身也在不断改进,不断有新的应用材料出现,应用领域也在逐步拓展。

 

 

  二、全球3D打印市场规模

  1、未来3D打印市场将保持快速增长的势头

  3D打印起源于美国,最初由查尔斯·胡尔(Charles W.Hull)于1986年开发出光固化技术(SLA),并成立3D Systems公司。此后,经过二十多年的发展,技术日臻完善,3D打印有关的产品和服务销售额也不断上升。据Wohlers Associates统计,过去25年(1988-2012)3D打印产品和服务的收入复合年增长率为25.4%,2012年销售额达到22.04美元,相较2011年17.14亿美元的规模增长了29%,过去三年(2010-2012)的复合年增长率达27.4%。未来预计3D市场将保持快速增长的势头,Wohlers Associates预计3D市场的规模将在2017年达50亿美元,2021年达108亿美元。

  世界范围内,生产和购买3D打印机最多的国家均是美国,中国所占的份额还很小。截至2011年,全球累计销售的4.9万台专业3D打印机中,有近四分之三十美国制造,以色列和欧洲各国的份额分别占到9.3%和10.2%,而中国3D打印设备仅占到3.6%。如果将2012年被美国Stratasys收购的以色列Objet计入美国,美国所占的市场份额就更大了。此外,美国还是拥有3D打印设备保有量最多的国家,根据《沃勒斯报告2013》的预测,截至2012年底,世界38%的专业工业级3D打印机在美国,中国占到8.7%,此外日本和德国占比也比较大,分别占到9.7%和9.4%。

  2、中国区市场规模目前偏小,但发展速度最快

  2012年全球3D打印的市场规模为22.04亿美元,但中国3D打印市场规模只有10亿元人民币。不过,中国有望在近年跃升为全球最大的3D打印市场。

  中国3D打印技术产业联盟秘书长、亚洲制造业协会首席执行官罗军预测,中国的3D打印市场约在三年内会从目前的约10亿元人民币增长到100亿元。

  全球3D打印产业的权威研究机构美国沃勒斯公司总裁特里·沃勒斯在会上说,他也看好中国的3D打印市场潜力,但认为中国成为全球相关最大市场可能需要更长时间。该公司已经连续18年发布全球3D打印产业报告,被视为全球3D打印行业的风向标。根据最新报告,2012年全球3D打印设备和服务整体市场为22亿美元,其中,美国约占60%,德国、日本、中国等各约占10%。 

  三、国外3D打印产业代表企业

  1、3D Systems和Stratasys是全球3D打印市场的两大龙头

  全球3D打印市场中,最大的两家公司是3D Systems和Stratasys,两者均成立于20世纪80年代。1986年,查尔斯·胡尔(Charles W.Hull)开发出光固化技术(SLA),并成立了3D Systems公司。1989年,斯科特·克伦普(ScottCrump)开发出熔融沉积成型(FDM)技术,并依此设立了Stratasys公司。此后,两家公司又分别通过并购和研发获得了一些新型技术专利,逐步成为3D打印产业的龙头企业。

  两家公司在全球3D打印市场中的统治地位主要体现在专业3D打印机领域,两者合计占据了2010年全球专业打印机销量的74%,其中Stratasys占56%,3D Systems占18%。此外,3D Systems还是个人打印机市场的龙头企业,2010年出货量达到2500台(占个人打印机全球销量的42%).Stratasys则更加专注于专业打印机的生产销售,没有涉及个人打印机。

  Stratasys和3D Systems在发展模式上也有所不同。3D Systems业务较广,涉及3D打印材料,打印机系统以及3D打印服务三个业务范围,且三项业务基本上评分秋色。Stratasys在业务上则更加专注于打印机系统的销售,3D打印服务涉及较少。此外,在公司扩张策略上,3D Systems采取了强力并购的发展模式,通过并购获取其它技术专利,并将自己的业务范围从专业打印机领域扩展到个人打印机领域(如收购BfB等),加强自己服务业务(如收购shapeway等)。而Stratasys并购行为则较少,业务也一直专注于专业打印机,并辅以少量服务。

   2、Stratasys公司是全球最大的工业级3D打印机生产商

  Stratasys公司是全球最大的专业及工业级3D打印机生产商,截至2012年底,Stratasys共销售3D打印设备29816台。2012年Stratasys共销售3D打印设备3357台,比2011年2602台的销量增加了29%。Stratasys在过去10年内除2009年受金融危机影响短暂下滑外,主营业务收入及利润均呈现大幅上升,年复合增长率达16.7%。2012年Stratasys收入达2.15亿,比2011年大幅增长38%,毛利润也增长33.4%达1.09亿美元。

  Stratasys公司靠熔融堆积技术(FDM)起家,开发了uPrint,Dimension和Fortus几个品牌的产品,2011年Stratasys收购Solidscape,获得了该公司DoD技术及其一系列产品,2012年12月,Stratasys同以色列公司Objet合并,又拥有了Objet公司利用Polyjet技术生产的系列产品。现在Stratasys公司已经是在世界各国拥有500多个专利的领头专业及工业级打印机生产商。

  Stratasys的打印机产品按照用途及容量分为Idea,Design和Production三个系列。Idea系列提供桌面级的专业打印机,容量最小,包括MoJo和uPrint两个品牌,均采用熔融堆积(FDM)技术,主要用于教学以及建立概念模型等。Design系列包括合并前Stratasys的Dimension家族的产品和Objet公司的产品,主要用于快速建模和企业的设计研发过程,共Dimension,Connex,Eden和Desktop四个品牌。其中Dimension品牌产品采用熔融堆积技术,使用材料是ABS塑料,打印出的产品韧性强度都很高,适合用于产品研发环节的适合度和功能检验;另外三个品牌采用Objet公司的Polyjet技术,打印出的产品精确度较高,表面光滑,能够精确的打印出构造非常复杂产品,Connex的容量最大,Eden次之,Desktop最小。Design系列的Production系列的产品可以应用于直接工业生产成品零件,包括Fortus和Solidscape两个品牌,采用堆积熔融技术的Fortus打印机拥有最大容量和最多的材料选择,最大的Fortus900mc可以打印出直径近1.4米的零件,而采用原Solidscape公司的DoD技术则专注于为消费和电子行业直接生产高精度的零件。

  3、3D Systems既从事3D打印机生产,也提供打印服务

  3D Systems是另一个美国3D打印生产和服务巨头。3D Systems业务范围较广,除了打印机销售外,还提供一系列的3D打印服务,包括3D扫描,设计工具,产品打印等。3D Systems最初仅生产专业和工业级别的打印机,此后通过并购如ZCorp,Vidar等企业开始涉足个人打印机生产销售。公司2012年实现业务收入3.54亿美元,较2011年2.30亿美元的收入增加了53.5%,实现毛利润181.2亿美元的收入,比2011年增加66.2%。

  3D Systems最初由光固化技术(SLA)起家,此后通过并购和研发获得了激光选择性烧结,熔融堆积,多喷头三位打印(MJM)等技术。3D Systems的产品很多,个人打印机包括Cube,ProJet1500等,专业打印机包括ProJet35003D,ProJet7000等,工业打印机包括sPro,iPro等系列产品。 

  4、ExOne提供工业级打印机的生产销售与3D打印服务

  ExOne公司是另一家提供3D打印机及打印产品的美国公司。公司于2003年成立,主要业务是工业级打印机的生产销售与3D打印服务,2012年主营业务收入已经达到2865.7万美元,并于2013年2月在纳斯达克交易所上市。ExOne收入和毛利润都从2010年以来连续上升,2011、2012年收入增长率分别为13.8%和87.4%,毛利润增长率分别为18.8%和233.3%。

  公司仅生产工业级打印机,收入的来源一是打印机的销售,二是通过产品服务中心提供3D打印服务及其他。打印机销售和产品服务中心的业务范围为美国、德国和日本三国。2012年打印机的销售占到总收入的54.7%,服务及其他占到45.3%,公司在长期规划中计划逐步提高服务对收入的贡献,增加产品服务中心的数量。

  ExOne的产品主要应用于航空、汽车、重型机械和能源石油天然气四个领域,2012年这四个领域收入分别占到总收入的20%,24%,26%和13%。公司的客户包括波音、福特、宝马、卡特皮勒等企业。

 

   ExOne生产的3D打印机建立在四个平台之上,按照打印机容量从大到小分别是Max,Print,Flex和Lab。四个平台采用的技术相似,都是由麻省理工大学(MIT)研发的专利技术,基本原理是利用粘合剂将铺平的材料粉末逐层粘合。公司现有的主要产品也是按照四个平台划分的。Max平台提供最大型号的打印机,拥有最大的容量和最强的打印能力,代表产品为S Max和S 15(S Max之前产品).Print平台的打印机为中等型号的打印机,主要产品为S Print和M Print.Flex平台的打印机为M Flex,容量比Print更小一些,是ExOne最新推出的产品。SLab的产品主要用作教学和科研,容量最小。S系列的主要用于建立模型模具,M系列的主要用于直接打印。

  5、其它具有全球影响力的3D打印领域的公司

  此外,一些从事个人打印机制造的公司也取得了不错的市场反应和销售收入。

  Printrbot是美国人Brook Drumm于2011年末创立的打印机生产项目。项目的创始资金是通过创意方案的众筹网站平台Kickstarter募集的,从2011年11月17日到12月27日短短一个月时间便接到了830827美元的捐款,是Kickstarter当时募集资金最多的项目。Brook Drumm设计了最简单最容易组装的Printrbot系列打印机组件,购买者用不到一个小时的时间便可以用购买的全套组件组装成一台打印机,一套打印机组件的价格最高不超过800美元,最低能低至300美元。Printrbot也提供组装好的打印机,价格要比同一型号未组装的组件价格贵150-200美元。

  截至2013年6月,Printrbot有4种型号的打印机,分别是Printrbot Simple,Printrbot Jr,Printrbot LC,Printrbot Plus,其中卖得最好的是Printrbot Jr(全套组件售价400美元)。打印机采用的都是熔融堆积技术。2012年项目第一年时间公司就卖出了3000台的打印机,销售额达到100万美元,绝大多数的销售来自12月和2013年的1月这两个月。Printrbot将目标对准学校,希望让更多学校使用它们的高性价比3D打印机。

  Maker BotIndustries公司自BrePettis于2009年在纽约创立以来就遵循迅速扩张的轨迹。从2009年到2011年公司占据了16%的3D打印机市场份额。在2011年,Makerbot拥有21.6%的市场份额,到2012年,MakerBot估计它的份额已经跃升超过25%以上市场。目前,超过15000台MakerBot3D打印机在世界上。MakerBot2011年8月从投资者那里融资了1000万美元,其中还包括亚马逊的创始人杰夫?贝索斯得。MakerBot现在主推的产品是Replicator2(售价2199美元)和高级版的高端产品Replicator2X(售价2799美元),打印出的产品已经能达到非常高的精度,能实现非常复杂的物品打印。

  Type A Machines是美国一家2012年刚刚成立的3D打印机生产公司。公司现有机型Series1,售价1695美元,被《Make》杂志评为中等型号的最佳个人打印机。公司发展迅猛,仅2012年一月份TypeA就卖出超过100台Series1打印机,发展潜力很大。

  波兰的Trinity Labs公司创立于2011年,制造RepRap打印机。2012年公司卖出了MendelMax型3D打印机的350个工具包,但是由于需要组装打印机需要400个零部件,让这款机型很难让消费者接受。2013年1月Trinity Labs开始卖Aluminatus型3D打印机,拥有320mmx320mmx350mm打印容量,这是目前市场上构建容量最大的3D打印机。售价为2200美元。

   四、中国从事3D打印的公司数量很多,但影响力较小

  Frost&Sullivan发布的《2012年全球3D打印市场研究报告》指出,与全球相比,中国3D打印市场由于缺少原创的核心技术和材料资源的支持,行业整体体量较小,企业分散、社会影响力有限。2011年中国3D设备保有量仅占全球总量的8.6%,可见这一技术在中国应用领域的推广相对缓慢,与欧美等国家仍存在一定的差距。但随着技术及设备开发的不断进步,中国3D打印市场也呈现良好发展势头,逐步实现了商品化,技术设备在产品设计、快速模具制造、铸造、医学等领域的应用也日趋深入。

  但中国从事3d打印的公司数量已经很大。全世界大约有100家公司从事3d打印行业,但是中国就有30多家。

 

  1、军工激光成形制造的龙头:中航重机

  中航重机于2011年7月同其控股子公司中航(沈阳)高科技有限公司、王华明研发团队共同投资成立中航激光成形制造有限公司,正式挺入3D打印行业。王华明教授是北京航空航天大学激光制造的学术带头人,其团队因在飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术研究的卓越成就而获得2012年度国家技术发明奖一等奖。中航激光正式将此技术产业化的平台。预计中航激光利用3D打印技术生产的复杂关键金属零件将被应用于大型运输机、舰载机、C919大型客机、歼击机等飞机上。

  2、我国较早进入3D打印市场的企业:北京隆源

  北京隆源自动成型系统有限公司是我国较早进入3D打印市场的企业,公司于1994年成立,创始人是当时清华大学高分子材料研究所的研究员冯涛先生。公司创立当年便研制成功了中国第一台利用选择性激光烧结技术(SLS)的快速成型设备。2003以后,隆源又与华南理工大学合作研究选择性激光烧结技术(SLS)。现在隆源的业务范围的重点是航空军事、汽车制造领域,对医疗领域也有涉足。2012年,北京隆源设备销售的营业额达到3000多万元,已成为我国3D行业的领头企业之一。

  3、快速成形设备制造领域的龙头企业:北京太尔时代

  北京太尔时代科技有限公司,前身是北京殷华激光快速成形与模具技术有限公司,成立于1993年。从事多种技术工艺的3D打印设备生产。太尔时代的技术支持依靠的是清华大学颜永年教授的科研团队。太尔时代公司产品广泛服务于工业制造、航空航天、动漫设计、医疗、教育等多个领域,同时研发销售专业级3D打印机和个人打印机。2012年公司设计的UP!打印机获得美国《make》杂志个人打印机评比中最高的评价。太尔时代产品覆盖国内26个省/市区域,并远销欧洲、中亚,产品销售量和市场占有率均处于行业领先地位。2011年,太尔时代销售了256台打印机,2012年预计业绩会更好,目前太尔时代目前已经成为快速成形设备制造领域的龙头企业。

    4、产品综合性能指标达到国际先进水平:滨湖机电

  滨湖机电技术产业有限公司原是由华中科技大学、武汉市科委和深圳创新投资公司共同组建的高新技术企业,成立于1996年。滨湖机电是华中科技大学3D打印研究的产业化基地,并由华中科技大学快速制造中心主任史玉升教授担任董事长。公司先后开发了多种3D打印机,业已商品化生产的产品包括薄材叠层(LOM)快速成形系统、光固化(SLA)快速成形系统、激光粉末烧结(SLS)快速成形系统、金属粉末熔化(SLM)快速成形系统。目前该公司最受市场欢迎的是后两种设备,综合性能指标达到国际先进水平。迄今,该公司已销售200多台3D打印机。

   5、研制第一台光固化快速成型机:恒通智能

  陕西恒通智能机器有限公司成立于1997年,是西安交通大学快速成型工程研究中心3D打印技术的产业化平台,并由研究中心主任卢秉恒院士担任董事长。公司主要的打印技术是光固化(SLA),并于1997年研制并销售国内第一台光固化快速成型机。公司现已经推出个人打印机,售价不到7000元。公司产品及服务在全国各院校、汽车电器等企业销售开展十多年,客户近万家,近年已在多个地区成功开展产学研结合的推广基地、制造中心等项目。

  6、桌面式三维立体打印机专业生产者:南京紫金立德电子

  南京紫金立德电子有限公司成立于2008年9月,位于南京经济技术开发区,是由江苏紫金电子集团有限公司与以色列Solidimension公司合资建立,专业生产桌面式三维立体打印机。紫金立德公司现拥有年产5千台桌面式3D打印机的生产能力。

  7、选择性激光烧结成型技术的实践者:银邦股份

  银邦股份通过子公司飞而康快速制造科技有限公司进军国内3D打印市场,重点发展3D打印服务和打印材料制造业务,目前已经为国内外客户提供3D打印服务。飞而康目前拥有两台3D打印设备,采用选择性激光烧结成型技术。公司3D打印业务主要针对航空航天等高端精密零部件生产。2013年6月,飞尔康在中国和澳大利亚双方科技部的大力支持下成立“中澳轻金属联合研究中心(3D打印)”,开展金属3D打印领域的设计研究工作。

  此外,还有一些企业的业务模式是代理国外3D打印产品或提供3D打印服务。例如,福斐科技公司、日本美能达,韩国solutionix,比利时Materialise以及美国Geomagic等正式授权认可的中国区一级合作伙伴;杭州铭展公司是3D Systems在中国地区代理服务商(同时自己研发Mbot个人打印机),并利用公司的3D打印机提供打印服务。

  五、3D打印:应用领域拓展消费需求爆发

  1、工业应用领域不断拓展,个人消费需求开始爆发

  3D打印在制造自由度、原材料利用率等方面具有明显优势,尤其适用于小批量、定制化的加工制造。近年来,3D打印在工业应用和个人消费两个市场均取得了长足发展:工业应用的下游行业不断拓展,直接零部件制造的占比也逐年提高;个人消费市场虽起步较晚,但近年来呈现快速爆发趋势,2011年全球个人3D打印设备销量达到23265台,同比增长近3倍。

  据Wohlers Associates统计,3D打印技术的行业应用主要分布于消费电子、汽车、医疗、航空航天、建筑、科研等领域;而从具体应用环节来看,3D打印技术目前主要用于设计样品、展示模型及模具的制造,但直接零部件加工的占比从2003年的不足4%已快速上升到了2012年的28%左右。

        2、医疗器械的定制化需求恰是3D打印的优势所在,“生物打印”令人憧憬

  医疗行业(尤其是修复性医学领域)存在大量的定制化需求,难以进行标准化、大批量生产,而这恰是3D打印技术的优势所在。目前,3D打印技术在助听器材制造、牙齿矫正与修复、假肢制造等领域已经得到了成功应用且已经比较成熟。利用3D打印制造出的牙桥等制品更加精确精细,相比传统制造方式也更加方便快捷。同样,利用3D打印技术可以很好的实现对剩余肢体的复制,制造出的假肢也更加符合人体工学,在欧洲使用3D打印的钛合金骨骼的患者已经超过3万例,美国一家医院甚至用3D打印出的头骨替换了患者高达75%的受损骨骼。

 

   除了上述医学修复领域,3D打印技术还可用于了解患者病情以及辅助医患交流。比如:3D打印机可以打印出患者的立体骨骼模型,医生可以通过骨骼模型探讨治疗过程,与患者沟通手术方案;医务人员还可以通过3D打印的复制品了解患者器官内部结构(如血管方向及肿瘤位置),还能够在这些复制品上进行模拟手术。目前,Stratasys和3D Systems已经能够提供复制人体器官模型的设备,通过CT扫描等医学图像,直接打印出患者器官的模型,这些模型不仅外观逼真,还像器官一样湿润带有纹理。

  3D打印的模型或无生命假肢仅仅是一个开始,最令人憧憬的应用则是直接打印具有活性的组织器官,即所谓“生物打印”。现有的想法包括:利用3D技术打印骨架,再在骨架上培养干细胞,诱导其形成组织;更进一步的方法是直接打印出组织器官用于移植;最具想象力的方案则是在人体内直接打印活性组织或活性器官,连植入的过程都可以省掉。

  Organovo公司已经在生物打印领域取得了一些突破,成功打印出了心肌组织、肺脏、血管等;美国康奈尔大学的生物学家巴切尔利用生物高分子材料打印出能正常工作的心脏瓣膜,其中干细胞夹杂在高分子材料里面,能够逐渐转换成人体细胞。目前,“生物打印”仍处于试验阶段,其应用障碍不仅在于技术领域,还涉及道德问题、监管程序等方面。不过,随着生物科技的发展、以及配套制度的完善,3D打印的人体器官将逐步走进现实应用当中。

  3、航空航天是3D打印最具前景的应用领域之一,中国的钛合金激光快速成型技术国际领先

  航空航天设备制造是3D打印最具前景的应用领域之一,原因主要在于:第一,航空航天设备往往具有“多品种、小批量”的特点,尤其在试制阶段许多零部件都需要单件定制,若采取传统工艺则周期长、成本高,3D打印则可以实现低成本快速成型;第二,出于减重与强度要求,航空航天设备中复杂结构件或大型异构件的比例越来越高,若采用传统的“锻造+机加工”方式,则所需工序繁多、工艺复杂,甚至根本无法直接加工,而3D打印在复杂部件加工方面具有明显优势;第三,采用传统工艺加工飞机零部件的原材料利用率只有10%左右,其他部分都在铸模、锻造、切割和打磨过程中浪费了,而3D打印的增量制造方式可将原材料利用率提高至90%以上。

  波音公司是率先将3D打印技术用于飞机设计和制造的国际航空制造企业,已累计利用3D打印技术生产了300多个不同的小型零部件。GE航空2012年收购了专门开发激光烧结金属粉末技术的MorrisTechnologies公司,用来为其Leap系列发动机制造组件。普惠公司也投入数百万联合康涅狄格大学成立了增量制造中心。美国国家航天航空局(NASA)正在使用3D打印机生产航天器的引擎部件,并计划将打印设备发射到国际空间站,以期宇航员能够自给自足,利用空间站上的原料直接生产所需品,改变完全依赖地面供给的补给模式。

  我国的大型钛合金结构件激光成形技术具有国际领先水平,是目前世界上唯一掌握了飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成型技术并实现装机应用的国家。北航王华明教授凭借“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术”获得了“2012年度国家技术发明一等奖”,据称其实验室只需要55天就能打印出C919机头的四个主风挡窗框,而若向国外公司订购至少需要两年以上,且模具费就要上千万元。西北工业大学凝固技术国家重点实验室也是我国3D打印技术研发最出色的单位之一,其激光立体成形技术已经成功的用于C919中央翼缘条的制造。另据媒体报道,在舰载机、四代机等新型军用飞机的研制过程中,3D打印技术已经发挥了重要作用,承担了包括起落架在内的钛合金主承力构件的试制任务。

   4、在消费电子与汽车行业,3D打印技术主要用于设计原型制造及模具开发

  从全球范围来看,消费电子与汽车行业是3D打印技术最主要的两个应用领域,分别占20%左右的市场份额。从具体用途来看,3D打印技术在上述两个行业的应用主要集中于设计原型制造及生产过程中的模具加工。借助3D打印技术辅助设计和测试,可以大幅缩短新产品研发周期、降低试制与试验成本。比如:Nokia曾借助3D打印技术完成手机外壳和结构件的设计和样件制造;通用汽车已经用3D打印技术打印出应用于测试的零部件和模具超过20000个,现代、宝马等汽车厂家也已将3D打印技术应用于新车研发过程当中。

  在产品制造环节,由于消费电子和汽车行业均具有标准化、大规模生产的特点,3D打印技术在直接零部件制造方面尚无法满足加工速度和经济性要求,故短期内很难取代传统的制造模式。但在一些个性化的小众市场,3D打印直接加工的产品仍拥有一定的受众群。比如:由用户定制的手机外壳、用户可以参与设计的汽车等。

  5、在建筑与服装行业,3D打印可以实现复杂结构、极大的拓展设计师的想象空间

  在建筑领域,3D打印技术最初主要用于设计模型的制造,但近来已经有多位建筑师提出了3D打印实体建筑的构想。荷兰阿姆斯特丹建筑大学的设计师JanjaapRuijssenaars设计的3D打印建筑物“LandscapeHouse”特别模拟了莫比乌斯环,计划利用3D打印机逐块打印出来,每块的尺寸为6×9米,然后拼接成一个整体建筑,预计需要耗时一年半完成。伦敦的建筑设计工作室SoftkillDesign的3D打印建筑方案更具冲击力,该建筑完全抛弃了传统的固体墙,而是采用以骨骼为基础的纤维尼龙结构,组件由激光烧结生物塑料制成,计划于今年夏天进行实体比例打印与组装。

  服装制造方面,3D打印可以加工出传统工艺难以完成的复杂款式,极大的拓展的设计师的想象空间。2011年巴黎春夏时装展上,荷兰时尚设计师IrisvanHerpen发布了他直接用3D打印机制作的立体服装,这些超太空感的服装由锦纶打印而成。耐克和阿迪达斯均已经开始用3D打印机制造一些运动鞋功能部件,也有直接制造运动服的打算。

  6、个人3D打印设备销量猛增,开启“创客”时代

  自2008年开始,个人3D打印设备的销量出现爆发式增长,2011年全球个人3D打印设备销量为23265台,同比增长近3倍。个人消费需求的爆发主要源自两方面的动力:一是“数字化设计+快速成型”的组合大幅简化了从创意到产品的过程,从而刺激了多种个性化需求的释放;二是随着技术的发展,3D打印设备的价格已经下降至普通人可以承受的水平,个人3D打印机的价格通常在5000美元以下,最便宜的已降至一两千美元。或许在不远的将来,3D打印机将和PC一样走进千家万户。

  目前,个人3D打印设备的应用主要在于满足人们的个性化需求,比如:用户可以自己在家中做出独具个性的首饰、玩具、餐具等产品;基于3D打印技术的“3D照相馆”可以为人们留下逼真的立体留影等。

 

   3D打印设备与互联网结合,带来了商业模式的创新。如提供3D打印服务和交易的网络平台——Shapeways在不足6年的时间里(自2007年成立到2012年7月)已经注册了6000名独立设计师和十几万的用户。类似的网站还有Ponoko、i.materialise等。用户通过这些网站可以购买设计模型、订购3D打印产品,也可以自己开设商店,出售3D打印产品、设计或材料。设计师、加工厂以及用户之间的交流和交易成本大大降低,甚至已经模糊了彼此之间界限。新的商业模式不仅满足了个人的创造欲望,还可以将其转化为商业盈利,反过来必将进一步推动个人3D打印需求的增长。克里斯·安德森所说的“创客”时代正在一步步走进现实。

  六、所有重大科技都是短期内被高估,长期被低估

  随着技术的不断进步,3D打印已经成功应用于消费电子、汽车、医疗、航空航天等行业,且直接零部件加工所占的比例不断提高,个人消费市场也已经呈现爆发式增长。但是,市场对3D打印技术的期待并不止如此。2012年4月,《经济学人》杂志以大量篇幅刊登了关于数字化制造和3D打印的文章,并将其定位成引领“第三次工业革命”的关键技术。奥巴马在国情咨文中也将3D打印作为重振美国制造业的关键技术提高到了国家战略的高度。

  最近一年多以来,国内实业界和资本市场对于3D打印的热情急剧升温。政府部门对3D打印的政策支持力度也在加大,科技部最新公布的《国家高技术研究发展计划(863计划)以及国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》,首次将3D打印产业纳入其中。甚至有专家认为,3D打印作为一项颠覆性的制造技术,谁能够最大程度的研发、应用,谁就能掌握制造业乃至工业发展的主动权。

  3D打印技术在短期之内被炒得如此之热,或许并不利于3D打印行业的长期发展,多位业内专家均表达了类似担忧。克里斯·安德森(《连线》杂志前主编,3DRobotics和DIYDrones的联合创始人,《长尾理论》、《免费:商业的未来》及《创客:新工业革命》的作者)曾经说过:“所有重大科技都是短期内被高估,长期被低估。”3D打印技术当前的处境也是如此。

  客观而言,3D打印技术尽管潜力巨大,但以现有的技术条件尚不具备取代传统工艺的实力,其在规模经济、加工精度、材料等方面仍存在明显不足。3D打印技术的优势仍主要体现在小批量、定制化、结构复杂的产品制造领域。因此,在未来相当长的时期内,3D打印对于传统制造工艺而言,都是一种补充,而非颠覆。这个判断其实也是业内的普遍共识,Stratasys中国公司总经理表示,全球主流3D打印企业中,实际上没有一家将打印最终产品作为主要市场方向。西安交大的卢秉恒院士、华中科技大学的史玉升教授等国内3D打印专家都表示,目前还看不到3D打印取代传统制造工艺的可能。

  当然,如果放在足够长的时间内考虑,我们也不能完全排除3D打印带来新工业革命的可能。就像《经济学人》所说:“伟大发明所能带来的影响,在当时那个年代都是难以预测的,1750年的蒸汽机如此,1450年的印刷术如此,1950年的晶体管也是如此。我们仍然无法预测,3D打印机将在漫长的时光里将如何改变世界。”

 

    七、全球3D打印行业重回高增长,中国市场潜力巨大

  1、全球3D打印行业未来5-10年仍将保持年均20%以上的增长

  2012年,全球3D打印行业总产值约为22亿美元,同比增长28%。回顾历史,3D打印行业在上世纪90年代初曾经出现过每年40%以上的高速增长,但随后增速逐步趋于平缓;21世纪的前十年(2000-2009年),全球3D打印行业的年均复合增长率仅为7.76%,互联网泡沫后的2001-2002年,以及金融危机后的2009年,3D打印行业甚至出现了负增长;但是从2010年开始,随着3D打印技术的进步以及个人需求的爆发,3D打印行业再次进入快速成长期,最近三年(2010-2012)的年均复合增长率超过27%。

  最近三年,3D打印行业增速的加快在公司层面也得到了印证,全球3D打印行业龙头公司(3D Systems和Stratasys)的收入增速在2010年之后均出现了明显提高。

  据Wohlers Associates预测,未来5-10年,3D打印行业仍将以年均20%以上的速度增长,至2021年全行业实现产值将达到108亿美元。联合国世界知识产权组织负责人格里则表示,2010年以来的高增长将得以延续,2015年全球3D打印行业总产值有望达到37亿美元,年均增速28%以上。

  2、中国3D打印产业潜力巨大,2015年有望达到百亿市场规模

  中国的3D打印技术尽管在某些特定领域(如大型钛合金结构件激光快速成型)取得了国际领先地位,但整体而言和美国仍有较大差距。从3D打印设备的生产数量来看,截至2011年底,全球累计销售了4.9万台专业3D打印机,其中近四分之三为美国制造,而中国制造的3D打印设备仅占3.6%;从3D打印设备的保有量来看,美国仍以将近40%的占比遥遥领先,德国和日本也分别占有近10%的份额,而中国的占比仍不足9%。

  中国的3D打印产业尚处于发展的初级阶段,仍存在部分核心技术与材料依赖进口、产业资源“小而散”、产业化程度不高等问题。但作为全球制造业第一大国和人口第一大国,不论是工业应用还是个人消费,其增长潜力都得到了国内外专家与企业界的一致认可。英国增材制造联盟主席GrahamTromas表示,3至5年内中国有潜力成为世界最大的3D打印市场。中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军最近也在“2013世界3D打印技术产业大会”上表示,中国有潜力成为全球最大的3D打印市场,未来3-5年有望以每年至少一倍的速度增长,2015年中国3D打印产业的市场规模将达到100亿元左右。

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