一、3D打印——制造技術(shù)革命性創(chuàng)新
1.1、3D打印技術(shù)改變傳統(tǒng)制造生產(chǎn)模式
增材制造(Additive Manufacturing，簡稱 AM) 俗稱 3D 打印技術(shù)，有別于傳統(tǒng)減材制造， 是一種快速成型技術(shù)，通過對(duì)模型數(shù)字化立體掃描、分層處理，借助于類似打印機(jī)的數(shù)字 化制造設(shè)備，利用材料不斷疊加形成所需的實(shí)體模型。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空航天、醫(yī) 療器械、建筑、汽車、能源、珠寶設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，美國《時(shí)代》周刊將增材制造列為“美國 十大增長最快的工業(yè)”，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志則認(rèn)為它將“與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式一起 推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”，改變未來生產(chǎn)與生活模式，改變制造商品的方式，并改變世 界的經(jīng)濟(jì)格局，進(jìn)而改變?nèi)祟惖纳睢?/p>
與傳統(tǒng)制造技術(shù)（減材制造）相比，3D 打印不需要事先制造模具，不必在制造過程中去 除大量的材料，也不必通過復(fù)雜的鍛造工藝就可以得到最終產(chǎn)品，具有“去模具、減廢料、 降庫存”的特點(diǎn)。在生產(chǎn)上可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)、節(jié)約材料和節(jié)省能源，極大地提升了制造效率。 該技術(shù)適用于新產(chǎn)品開發(fā)、快速單件及小批量零件制造、復(fù)雜形狀零件的制造、模具的設(shè) 計(jì)與制造等，同時(shí)也適用于難加工材料的制造、外形設(shè)計(jì)檢查、裝配檢驗(yàn)和快速反求工程。 3D 打印另一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是，區(qū)別于傳統(tǒng)加工技術(shù)理念“制造引導(dǎo)設(shè)計(jì)”，其可以實(shí)現(xiàn)“設(shè) 計(jì)引導(dǎo)制造”，完全實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意驅(qū)動(dòng)，制造出符合特定消費(fèi)者需求的產(chǎn)品。
上個(gè)世紀(jì)八十年代，增材制造技術(shù)開始在歐美國家爆發(fā)式增長，3D 打印技術(shù)應(yīng)用最早可 追溯到 1986 年由美國 Charles Hull 開發(fā)的立體光固化(SLA)技術(shù)。接下來的 20 年內(nèi)，多 項(xiàng) 3D 打印技術(shù)專利如：分層實(shí)體制造法（LOM）、熔融沉積成型(FDM)相繼問世，同時(shí)歐 美逐漸形成一批具有創(chuàng)新能力的 3D 打印公司，3D Systems、Stratasys、SLM solution 等。由于 3D 打印技術(shù)在歐美國家起步較早，經(jīng)歷 30 多年的發(fā)展，SLA（立體光固化）、 SLS（選擇性激光燒結(jié)）等技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。在高溫金屬材料、設(shè)備研發(fā)制造方面相對(duì) 完善。
進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，增材制造技術(shù)各細(xì)分領(lǐng)域有了進(jìn)一步的發(fā)展，諸如數(shù)字光處理（DLP）、 多頭噴射技術(shù)(PloyJet)等被研發(fā)出來。特殊的 3D 打印材料、3D 打印設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生。目 前，世界各國的 3D 打印行業(yè)大體已經(jīng)形成了涵蓋原材料、零件、工藝、設(shè)備、服務(wù)的完 整產(chǎn)業(yè)鏈，部分重點(diǎn)企業(yè)已由單一的設(shè)備制造商升級(jí)為從設(shè)計(jì)到終端零件制造的綜合解決 方案提供商。
1.2、3D打印技術(shù)：基礎(chǔ)技術(shù)日趨成熟、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)
3D 打印技術(shù)最初由 Charles Hull 在 1986 年在被稱為立體光固化(SLA)過程中開發(fā)出來， 隨后又發(fā)展出選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、微噴射粘結(jié)技術(shù)（3DP） 等技術(shù)。進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，3D 打印技術(shù)有了新的突破與發(fā)展，在大類技術(shù)的細(xì)分下催生 出許多滿足特定行業(yè)需求的小類技術(shù)。如 SLA 技術(shù)：數(shù)字光處理（DLP）、多頭噴射技術(shù) (PloyJet)，SLM 技術(shù)：直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）。
1.2.1、選擇性激光燒結(jié)（SLS)
其原理是，激光選擇地逐層燒結(jié)固體粉末（材料除了主體金屬粉末外還需要添加一定比例 的熔點(diǎn)較低的粘結(jié)劑粉末，粘結(jié)劑粉末一般為熔點(diǎn)較低的金屬粉末或是有機(jī)樹脂等），同 時(shí)將燒結(jié)成型的粉末疊加至已固化的粉末層上，最終形成所需形狀的零件。這種技術(shù)依賴 的核心器件是紅外激光器，能源工作環(huán)境為氬氣或氮?dú)鈿夥?。具有制造工藝簡單、生產(chǎn)效 率較高、成型材料種類多、材料利用率高、成品用途廣泛、無需考慮支撐系統(tǒng)等優(yōu)勢。缺 點(diǎn)是由于粘接劑的作用，實(shí)體存在孔隙，力學(xué)性能差，需要高溫重熔再加工。此外，當(dāng)產(chǎn) 品存儲(chǔ)時(shí)間過長時(shí)，會(huì)因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力釋放而變形，表面質(zhì)量一般。運(yùn)營成本較高，設(shè)備費(fèi)用 較貴。
1.2.2、選擇性激光熔化(SLM)
該技術(shù)與 SLS 技術(shù)主要區(qū)別在于 SLM 通過激光器對(duì)金屬粉末直接進(jìn)行熱作用，不依賴粘結(jié) 劑粉末，金屬粉末通過熔化、凝固從而達(dá)到冶金結(jié)合的效果，最終獲得所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的金屬 零件。SLM 技術(shù)為了更好的融化金屬需要使用金屬有較高吸收率的激光束，所以一般使用 的是 Nd-YAG 激光器（1.064 微米）和光纖激光器（1.09 微米）等波長較短的激光束。優(yōu) 點(diǎn)是 SLM 技術(shù)使用純金屬粉末，成型的金屬零件致密度可達(dá)接近 100%；抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性 能指標(biāo)優(yōu)于鑄件，甚至可達(dá)到鍛件水平；致密度力學(xué)性能與成型精度上都要比SLS好一些。
另一種技術(shù)——選區(qū)電子束熔煉技術(shù)（EBM）與 SLM 技術(shù)相似，不同之處是 EBM 利用高速 電子束流的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能作為熱源來進(jìn)行金屬熔煉，工作環(huán)境為真空。電子束做熱源， 相比于激光可實(shí)現(xiàn)更高的熔煉溫度，且爐子功率和加熱速度可調(diào)，能熔煉難熔金屬，并且 能將不同的金屬熔合。但是也存在金屬收得率較低、比電耗較大、嚴(yán)格真空要求等缺點(diǎn)。
1.2.3、定向能量沉積(DED)
這項(xiàng)技術(shù)工作原理類似 SLM，由激光或其他能量源在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料 以粉末或絲狀通過噴嘴直接噴射到高功率激光器的焦點(diǎn)上，熔化后逐層沉積，形成所需零 件。相比于 SLM 技術(shù)的優(yōu)勢之處在于，第一，該技術(shù)允許激光頭和工件更靈活地移動(dòng)，從 而增加設(shè)計(jì)自由度。第二，在 DED 設(shè)備運(yùn)行中，惰性氣體直接從激光頭流出并包圍粉末流 和熔池，不依賴于充滿惰性氣體的壓力室，3D 打印加工過程可以立即開始，大大壓縮了生 產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間。第三，能生產(chǎn)大型零件，且不需要任何支撐結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)在于熔化過程不如 SLM 精確，成品部件通常必須進(jìn)行再加工。
1.2.4、微噴射粘結(jié)技術(shù)（3DP）
3DP 技術(shù)與 SLS 工藝類似，采用陶瓷、石膏粉末成形。不同之處在于，材料粉末不是通過 激光器燒結(jié)固體粉末連接起來的，而是通過粘接劑打印頭沿零件截面路徑噴射透明或者彩 色粘結(jié)劑并將粉末凝固，其他位置的粉末作為支撐，之后再鋪設(shè)一層粉末，循環(huán)該過程直 至打印完成。3DP 技術(shù)主要依賴的核心器件是粘接劑打印頭，優(yōu)點(diǎn)在于成型材料范圍廣， 能耗小，設(shè)備體積小。但是缺點(diǎn)也顯而易見，粘接劑粘接的零件強(qiáng)度較低，需要后處理， 產(chǎn)品疏松多孔。
以色列 Objet 公司研制的 Polyjet3D 技術(shù)與 3DP 類似，不過噴射的不是粘合劑而是光敏聚 合成型材料。目前，Polyjet3D 技術(shù)已經(jīng)成為美國 Stratasys 公司的亮點(diǎn)。首先，多種基礎(chǔ) 材料可在機(jī)外混合，組合可得到性能更為優(yōu)異的新材料。其次，產(chǎn)品精確度可達(dá) 16 微米的分辨率，可獲得流暢且非常精細(xì)的部件與模型。最后，該技術(shù)用途廣泛，可適用于不同 幾何形狀、機(jī)械性能及顏色部件的打印，例如：Polyjet Matrix 技術(shù)還支持多種型號(hào)、多種 顏色材料同時(shí)噴射。
1.2.5、熔積成型法（FDM）
其工作原理是將絲狀原材料（一般為熱塑性材料）通過送絲機(jī)送入熱熔噴頭，然后在噴頭 內(nèi)加熱熔化，熔化的熱塑材料絲通過噴頭擠出，擠壓頭沿零件的每一截面的輪廓準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)， 擠出半流動(dòng)的熱塑材料沉積固化成精確的實(shí)際部件薄層，覆蓋于已建造的零件之上，這樣 逐層由底到頂?shù)囟逊e成一個(gè)實(shí)體模型或零件。
該項(xiàng)技術(shù)主要依賴微細(xì)噴嘴（直徑一般為 0.2～0.6mm）以及加熱器（保持半流動(dòng)成型材 料的溫度剛好在熔點(diǎn)之上 1℃)。其優(yōu)點(diǎn)是 1、無需激光器等貴重原件，成本低、速度快。 2、對(duì)使用環(huán)境沒有限制，可以放在辦公室或者家庭環(huán)境使用，維護(hù)簡單、體積小無污染 3、材料易更換、強(qiáng)度韌性較高，極大地縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，從而能夠快速響應(yīng)市場變 化，滿足顧客的個(gè)性化需求。但是也存在零件精度低以及難以形成復(fù)雜構(gòu)件和大型零件等 缺陷。
1.2.6、分層實(shí)體制造法（LOM）
這種方法以片材（如紙或塑料薄膜等）為原材料，根據(jù)計(jì)算機(jī)掃描得出的零件橫截面，通 過激光裁剪，將背面涂有熱熔膠的片材按零件的輪廓裁剪，之后將裁剪好的片層疊加至已 裁好的片層上，利用熱壓裝置將其粘結(jié)在一起，然后再進(jìn)行下一層零件橫截面的裁剪、粘 合，最終形成實(shí)體零件。
LOM 技術(shù)主要依賴熱熔膠的性能，具有模型支撐性好，廢料易剝離，制件尺寸大，成本 低，效率高等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度和彈性差，不能制造中空件；受制于材料影響，利用 LOM 技術(shù)打印的零件易吸濕膨脹，表面有臺(tái)階紋。
1.2.7、立體光固化成型法（SLA）
SLA 技術(shù)的原理是，在計(jì)算機(jī)控制下，紫外激光按零件各分層截面數(shù)據(jù)對(duì)液態(tài)光敏樹脂表 面逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層，一 層層固化直到整個(gè)零件制作完畢。該技術(shù)主要依賴紫外激光器和適合的光敏材料。
一方面，液態(tài)樹脂材料成型，固化方式由點(diǎn)到線，由線到面，制作的產(chǎn)品精度較高，表面 質(zhì)量較好。另一方面，樹脂類材料本身存在一些缺陷，例如：強(qiáng)度，剛度，耐熱性有限， 不利于長時(shí)間保存，樹脂固化過程中產(chǎn)生收縮，不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或引起形變。雖然 SLA 技術(shù)發(fā)展較早，目前較為成熟，但是 SLA 設(shè)備造價(jià)依舊高昂，維護(hù)和使用成本高， 而且需要設(shè)計(jì)工件的支撐結(jié)構(gòu)。
國際標(biāo)準(zhǔn)化組織轄下增材制造技術(shù)委員會(huì)發(fā)布 ISO/ASTM 52900：2015 標(biāo)準(zhǔn)將增材技術(shù) 分為 7 大類，分別是：立體光固化（SLA）、粘結(jié)劑噴射(3DP)、定向能量沉積(DED)、薄 材疊層（LOM）、材料擠出(FDM)、材料噴射（PloyJet）、粉末床熔融（SLM、SLS、EBM）。
由以上對(duì)市場上常見的 3D 打印方法總結(jié)可得，不同的增材制造技術(shù)通常存在材料、能量 源、成型方法的差異。而增材制造技術(shù)的選擇依賴下游行業(yè)的制件用途，金屬增材制造技 術(shù)一般運(yùn)用在航天航空領(lǐng)域，而非金屬增材制造技術(shù)用途更加廣泛，主要運(yùn)用在工業(yè)工藝 設(shè)計(jì)的其他領(lǐng)域：如汽車家電、醫(yī)學(xué)器械、文創(chuàng)用品等。
1.3、3D打印材料：金屬材料、復(fù)合材料成為未來發(fā)展趨勢
3D 打印材料是 3D 打印技術(shù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，材料是 3D 打印發(fā)展的重要制約因素。 根據(jù) Wohlers Associates Inc 發(fā)布的 2019 年 3D 打印下游應(yīng)用行業(yè)統(tǒng)計(jì)顯示，汽車工業(yè) 占比最大，為 16.4%；消費(fèi)電子以及航空航天以 15.4%和 14.7%占據(jù)第二、第三位。根據(jù) 下游領(lǐng)域制件品的特性，金屬、復(fù)合材料需求空間大，有望成為 3D 打印材料的“引爆點(diǎn)”。
一般 3D 打印所用的原材料都是專門針對(duì) 3D 打印設(shè)備和工藝而研發(fā)的，與普通的金屬材 料、塑料、石膏、樹脂等有所區(qū)別，其形態(tài)一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等?？?從材料屬性的角度出發(fā)對(duì)增材制造技術(shù)進(jìn)行歸類：如立體光固化（SLA）采用液態(tài)光敏樹 脂材料；分層實(shí)體制造法（LOM）需要紙、塑料膜等片狀材料，而選擇性激光燒結(jié)（SLS） 和選擇性激光熔化（SLM）則以金屬、陶瓷粉末材料為主。
1.3.1、金屬材料
重工業(yè)產(chǎn)品通常依賴耐高溫耐腐蝕的金屬材料，3D 打印為了滿足重工業(yè)產(chǎn)品的需求，最 早研發(fā)、投資最多在金屬粉末。金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧 含量低。目前，應(yīng)用于 3D 打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合 金材料等，此外還有用于打印首飾用的金、銀等貴金屬粉末材料。
鈦合金得益于強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)冷端壓氣機(jī)部件以及 火箭、導(dǎo)彈和飛機(jī)的各種結(jié)構(gòu)件制作。此外，不銹鋼粉末以其耐腐蝕性而得到廣泛應(yīng)用， 3D 打印的不銹鋼模型具有較高的強(qiáng)度，而且適合打印尺寸較大的物品。
目前，歐美等國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了小尺寸不銹鋼、高溫合金等零件的激光直接成形，未來高溫合 金、鈦合金材質(zhì)大型金屬構(gòu)件的激光快速成形是主要的技術(shù)攻關(guān)方向。
1.3.2、工程塑料
工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度 及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類 3D 打印材料，常見的有 ABS 類材料、PC 類材料、尼龍類材料等。
PC-ABS 材料是一種應(yīng)用最廣泛的熱塑性工程塑料。其具備了 ABS 的韌性和 PC 材料的 高強(qiáng)度及耐熱性，大多應(yīng)用于汽車、家電及通信行業(yè)。使用該材料制作的樣件強(qiáng)度比傳統(tǒng) 制作的部件強(qiáng)度高出 60%左右，工業(yè)上通常使用 PC-ABS 材料打印出概念模型、功能原 型、制造工具及最終零部件等熱塑性部件。
PC-ISO 是一種通過醫(yī)學(xué)衛(wèi)生認(rèn)證的白色熱塑性材料，具有很高的強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于藥 品及醫(yī)療器械行業(yè)，用于手術(shù)模擬、顱骨修復(fù)、牙科等專業(yè)領(lǐng)域。
1.3.3、光敏樹脂材料
光敏樹脂一般為液態(tài)，其在一定波長的紫外光照射下能立刻引起聚合反應(yīng)完成固化，可用 于制作高強(qiáng)度、耐高溫、防水材料。
Somos 19120 材料為粉紅色材質(zhì)，是一種鑄造專用材料，成型后可直接代替精密鑄造的 蠟?zāi)ぴ停苊忾_發(fā)模具的風(fēng)險(xiǎn)，具有低留灰率和高精度等特點(diǎn)。
Somos Next 材料為白色材質(zhì)，是一種類 PC 新材料，韌性非常好，基本可達(dá)到選擇性激 光燒結(jié)（SLS）制作的尼龍材料性能，而精度和表面質(zhì)量更佳，該材料制作的部件擁有迄 今最優(yōu)的剛性和韌性，同時(shí)保持了光固化立體造型材料做工精致、尺寸精確和外觀漂亮的 優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費(fèi)品等領(lǐng)域。
1.3.4、陶瓷材料
陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在 航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。在傳統(tǒng)工藝下，復(fù)雜陶瓷件需通過模具來 成形，模具加工成本高、開發(fā)周期長，難以滿足產(chǎn)品不斷更新的需求。而 3D 打印用選擇 性激光燒結(jié)（SLS）對(duì)陶瓷粉末進(jìn)行加工處理，能夠刪減繁瑣的設(shè)計(jì)步驟，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速 成型。
該材料存在一定的缺陷，SLS 采用激光燒結(jié)陶瓷粉末和某一種粘結(jié)劑粉末所組成的混合物， 在激光燒結(jié)之后，還需要將陶瓷制品放入到溫控爐中進(jìn)行后處理。而且陶瓷粉末在激光直接快速燒結(jié)時(shí)液相表面張力大，在快速凝固過程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，從而形成較多微 裂紋。
1.3.5、其他材料
近年來，彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在 3D 打印領(lǐng)域 得到了應(yīng)用。彩色石膏材料是一種全彩色的 3D 打印材料?；谠诜勰┙橘|(zhì)上逐層打印的 成型原理，3D 打印成品在處理完畢后，表面可能出現(xiàn)細(xì)微的顆粒效果，外觀很像巖石， 在曲面表面可能出現(xiàn)細(xì)微的年輪狀紋理，因此，多應(yīng)用于動(dòng)漫玩偶等領(lǐng)域。
美國賓夕法尼亞大學(xué)打印出來的鮮肉，是先用實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)出的細(xì)胞介質(zhì)，生成類似鮮肉的 代替物質(zhì)，以水基溶膠為粘合劑，再配合特殊的糖分子制成。還有尚處于概念階段的用人 體細(xì)胞制作的生物墨水，以及同樣特別的生物紙，打印的時(shí)候，生物墨水在計(jì)算機(jī)的控制 下噴到生物紙上，最終形成各種器官。
食品材料方面，目前，砂糖 3D 打印機(jī)可通過噴射加熱過的砂糖，直接做出具有各種形狀， 美觀又美味的甜品。
現(xiàn)有增材制造專用材料包括金屬材料、無機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料和生物材料四大 類，但單一材料種類較少和性能不足嚴(yán)重制約了增材制造技術(shù)應(yīng)用。目前，行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè) 以及一些材料企業(yè)紛紛布局專用材料領(lǐng)域，突破了一批新型高分子復(fù)合材料、高性能合金 材料、生物活性材料、陶瓷材料等專用材料。相關(guān)企業(yè)將納米材料、碳纖維材料等與現(xiàn)有 材料體系復(fù)合，開發(fā)多功能納米復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、無機(jī)填料復(fù)合材料、金屬 填料復(fù)合材料和高分子合金等復(fù)合材料，不僅賦予材料多功能性特點(diǎn)，而且拓寬了增材制 造技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，使復(fù)合材料成為專用材料發(fā)展趨勢之一。
二、政策扶持助力3D打印，標(biāo)準(zhǔn)體系規(guī)范行業(yè)發(fā)展
2.1、發(fā)達(dá)國家爭相出臺(tái)政策扶持3D打印技術(shù)發(fā)展
歐美國家 3D 打印技術(shù)起步較早，在政策的扶持下，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較快。2012 年，美國國防 部、能源部、宇航局、商務(wù)部等政府部門與企業(yè)、學(xué)校、非營利組織共同出資成立了國家 增材制造創(chuàng)新研究所。
在歐洲，歐盟委員會(huì)早在上世紀(jì) 80 年代就開始為 3D 打印項(xiàng)目提供資金，并在 2004 年組 建了歐洲 3D 打印技術(shù)平臺(tái)，該平臺(tái)已經(jīng)制定了包括歐盟 3D 打印技術(shù)路線圖、產(chǎn)業(yè)路線 圖和校準(zhǔn)路線圖等多項(xiàng) 3D 打印發(fā)展計(jì)劃方針。德國 Fraunhofer 增材制造聯(lián)盟是較為著名 的 3D 打印聯(lián)盟之一，由 10 個(gè)著名研究所組成，配備了數(shù)千萬歐元的資金用于基礎(chǔ)研究， 為初入 3D 打印行業(yè)的企業(yè)提供合適的解決方案。英國早在 2007 年推出了促進(jìn) 3D 打印發(fā) 展的政策，政府計(jì)劃在 2007-2016 年期間，投入 9500 萬英鎊的公共和私人基金用于 3D 打印合作研發(fā)項(xiàng)目。此外，日本、韓國、俄羅斯、澳大利亞、新加坡等國家也紛紛出臺(tái)相 關(guān)政策，支持“增材制造”產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
2.2、中國起步雖晚，但政策發(fā)力迅速
3D 打印技術(shù)自上個(gè)世紀(jì)九十年代傳入我國，首先在各高校、科研機(jī)構(gòu)展開初步研究。清 華大學(xué)激光快速成形中心、西安交通大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)研究所、華中科技大學(xué)快速制造中 心等科研機(jī)構(gòu)在增材制造技術(shù)的成形設(shè)備、工藝原理、數(shù)據(jù)處理軟件、分層算法、掃描路 徑及加工材料等方面取得了重大進(jìn)展。進(jìn)入 2000 年，我國自研 3D 打印技術(shù)相對(duì)成熟后， 初步實(shí)現(xiàn) 3D 打印設(shè)備的工業(yè)化。在國家和地方的支持下，全國建立了 20 多個(gè)增材制造 服務(wù)中心，用戶遍布醫(yī)療、航空航天、汽車、軍工、模具、電子電器、造船等行業(yè)。
2015 年以后，我國增材制造產(chǎn)業(yè)在“中國制造”引導(dǎo)下迎來高速發(fā)展契機(jī)，《中國制造 2025》、《十三五規(guī)劃》、《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020 年）》、《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng) 計(jì)劃（2017-2020 年》等一系列產(chǎn)業(yè)政策描繪了增材制造行業(yè)的發(fā)展路線圖，并相繼成立 了基于企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)及高等院校合作的研究中心和技術(shù)聯(lián)盟，有力地促進(jìn)了這一技術(shù)在 各領(lǐng)域的應(yīng)用。
2.3、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷細(xì)化，促進(jìn)3D打印規(guī)范化發(fā)展
進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，3D 打印行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段，規(guī)范化的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷形成。2009 年，美國材料與實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）成立增材制造技術(shù)委員會(huì)（F42），并在此基礎(chǔ)上設(shè)多 個(gè)分委會(huì)，從標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、材料工藝、專業(yè)術(shù)語等方面為不同的增材制造技 術(shù)首次提供了通用的標(biāo)準(zhǔn)。
最初的標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)增材制造過程中的原材料——金屬粉末（鎳基合金、鈦鋁合金、不銹鋼合金）；粉末床熔融設(shè)備的安裝、操作、性能。例如，2012 年發(fā)布的 F2924 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)使 用粉末床熔化（例如電子束熔化和激光熔化）技術(shù)進(jìn)行增材制造的鈦鋁合金原料和供應(yīng)鏈 制定規(guī)范。
2011 年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）創(chuàng)建了 ISO/TC 261 增材制造及標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)。2015 年，ISO/TC 261 與 ASTM-F42 簽署了合作協(xié)議，共同展開增材制造技術(shù)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工 作。ISO/ASTM 標(biāo)準(zhǔn)從技術(shù)設(shè)計(jì)、材料與工藝、術(shù)語、成品測試方法幾個(gè)層面對(duì)增材技術(shù) 行業(yè)進(jìn)行約束，將全球標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)化、統(tǒng)一化。目前，ISO/TC261 和 ASTM F42 編制新標(biāo) 準(zhǔn) 40 余項(xiàng)，從增材制造的材料與工藝、測試方法、設(shè)計(jì)、安全防護(hù)等多方面展開，進(jìn)一 步完善增材制造標(biāo)準(zhǔn)體系。
在增材制造的重大用途領(lǐng)域——航空航天，2015 年，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）委托 美國機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)（SAE）制定特殊認(rèn)證的增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)航空航天產(chǎn) 品制造過程制定推薦慣例、規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，為原材料及成品材料的采購定制規(guī)范，同時(shí)積極 與其他組織協(xié)調(diào)，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)界的采用。截至目前，SAE 已經(jīng)發(fā)布及正在制定的標(biāo)準(zhǔn) 共計(jì) 30 項(xiàng)，涉及激光及電子束能量源、等離子弧熔絲、激光熔絲、熔融擠出工藝，以及 鈦、鋁、不銹鋼等材料。
我國的增材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建立起步較晚，主要是在《十三五規(guī)劃》的推動(dòng)下，于 2016 年 4 月 成立全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC 562)，隨后由該組織逐步建立和完善的相關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)體系。截至目前，關(guān)于增材制造的標(biāo)準(zhǔn)（含起草、批準(zhǔn)和已發(fā)布）共計(jì) 50 余項(xiàng)，現(xiàn) 行標(biāo)準(zhǔn)共計(jì) 15 項(xiàng)，主要是從技術(shù)、原材料、專業(yè)術(shù)語層面進(jìn)行基本規(guī)范。特別地，中國 重視塑料、鈦合金零件制造，著力發(fā)展熔積成型法（FDM）和選擇性激光熔化(SLM)技術(shù)， 此外還有針對(duì)醫(yī)療器械生產(chǎn)質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。
三、3D打印有望從導(dǎo)入期進(jìn)入快速成長期
3.1、全球3D打印年均增幅20%，預(yù)計(jì)2026年規(guī)模突破370億美元
自 20 世紀(jì) 80 年代起，3D 打印有了初步發(fā)展。而 3D 打印技術(shù)真正開始產(chǎn)業(yè)化發(fā)生在 20 世紀(jì) 90 年代。自 2013 年至 2020 年，全球 3D 打印產(chǎn)值增長近 4.2 倍，到 2020 年達(dá)到 126 億美元。預(yù)計(jì) 2020-2026 年間 將保持 20%的年均復(fù)合增幅，到 2026 年有望達(dá)到 372 億美元。
3.1.1、3D打印設(shè)備占主導(dǎo)地位，全球競爭加劇
歐美國家 3D 打印產(chǎn)業(yè)起步于上世紀(jì) 80 年代，其他地區(qū)則普遍起步于 20 世紀(jì) 90 年代中 后期。中國在技術(shù)方面起步并不算晚，但在產(chǎn)業(yè)化方面相對(duì)落后。根據(jù)沃勒斯全球 3D 打 印細(xì)分產(chǎn)業(yè)調(diào)查結(jié)果顯示，2019 年，3D 打印設(shè)備實(shí)現(xiàn) 52.97 億美元產(chǎn)值，占比 44.3%， 為三項(xiàng)產(chǎn)業(yè)占比最大。其次是 3D 打印服務(wù)與 3D 打印材料，分別占 31.6%與 24.1%。
產(chǎn)業(yè)化方面，美國和歐洲在產(chǎn)業(yè)化方面優(yōu)勢明顯，3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈中多為歐美企業(yè)。2019 年，美國以 34.4%份額占據(jù)全球 3D 打印設(shè)備數(shù)量首位，而中國以 10.8%位居其次。日本、 德國緊跟其后，分別占據(jù) 9.3%與 8.2%。
全球 3D 打印產(chǎn)業(yè)區(qū)域結(jié)構(gòu)占比顯示，目前美國以 40.40%的比例占據(jù) 3D 打印行業(yè)的主導(dǎo) 地位，第二位為德國，占 22.5%的市場份額。中國在全球 3D 打印產(chǎn)業(yè)中占 18.6%，大約 是美國的一半。日本和英國占據(jù)全球 3D 打印市場的比例大于 5%，位居中國之后。
3.1.2、中國市場超速發(fā)展，有望保持30%的年均增長率
上個(gè)世紀(jì)九十年代，我國的一批科研院所開啟了 3D 打印研究工作，經(jīng)過近三十多年的科 技攻關(guān)，中國 3D 打印產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，產(chǎn)值在全球的占比也不斷上升。在全球市 場的比重也不斷上升，2016 年占比將近 18%。 自 2015 年，在黨的十七大“加快建設(shè)制造強(qiáng)國，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)”思想的指導(dǎo)下，我 國發(fā)布了一系列推動(dòng)“增材制造”產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并且將“增材制造”納入國家重點(diǎn)發(fā) 展領(lǐng)域?！笆逡?guī)劃”為國內(nèi) 3D 打印技術(shù)進(jìn)一步開展指明了方向，在政策的指導(dǎo)和科研 人員的不斷努力下，近五年來我國的 3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。
2020 年 2 月，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合六部門發(fā)布《增材制造標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動(dòng)計(jì)劃 (2020-2022 年)》，提出“到 2022 年，立足國情、對(duì)接國際的增材制造新型標(biāo)準(zhǔn)體系基本 建立”。此外，為提升國際競爭水平，計(jì)劃研制出 80-100 項(xiàng)增材制造“領(lǐng)航”標(biāo)準(zhǔn)，并推動(dòng)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)國際化，轉(zhuǎn)化率將達(dá)到 90%。結(jié)合國家層面政策指導(dǎo)以及國內(nèi)近 6 年 3D 打印 產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，到 2025 年，我國 3D 打印市場規(guī)模將超過 630 億 元，2021-2025 年復(fù)合年均增速 20%以上。
從產(chǎn)業(yè)細(xì)分結(jié)構(gòu)來看，根據(jù)賽迪顧問（CCID）公布的數(shù)據(jù)顯示，我國的 3D 打印設(shè)備市場 規(guī)模最大，2020 年產(chǎn)值達(dá)到 92.54 億元，這主要是因?yàn)樵O(shè)備單價(jià)高、部分依賴進(jìn)口導(dǎo)致。 由于許多工業(yè)零部件存在唯一適配性，許多公司為客戶提供定制化服務(wù)，目前規(guī)模第二大 的是 3D 打印服務(wù)市場，2020 年的產(chǎn)值為 64.46 億元。由于我國對(duì) 3D 打印材料研發(fā)水平 較為局限，加上 3D 打印材料整體單價(jià)相對(duì)較低，因此目前規(guī)模最小、增速最慢。在 2020 總產(chǎn)值為 50.59 億元。
2019 年，我國 3D 打印材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá) 40.94 億元，從市場細(xì)分情況來看，金屬材料產(chǎn)業(yè) 規(guī)模為 15.56 億元，非金屬材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模 25.38 億元，分別占 38.01%與 61.99%。非金屬 材料主要為塑料、陶瓷、光敏樹脂等，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)品、醫(yī)療教育等行業(yè)。而目前，我 國工業(yè)級(jí)應(yīng)用的金屬粉末（鈦、不銹鋼等）研發(fā)較少，相關(guān)的 3D 打印技術(shù)（SLS、SLM 等）對(duì)金屬粉末的形狀、大小要求較為嚴(yán)格，金屬 3D 打印制作技術(shù)與設(shè)備還較為缺乏。
從我國 3D 打印下游市場細(xì)分情況來看，主要集中在民用消費(fèi)、工業(yè)設(shè)計(jì)、航天軍工三大 板塊。在 2019 年，中國 3D 打印應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)業(yè) 結(jié)構(gòu)中，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá) 29.23 億元，占比達(dá) 64%，消費(fèi)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)規(guī)模 16.44億元，占比 36%。
3.2、行業(yè)由導(dǎo)入期步入成長期，迎來快速增長階段
綜合 3D 打印技術(shù)、產(chǎn)值等分析情況來看，根據(jù)波特的行業(yè)生命周期理論，我們推測目前 3D 打印處在成長初期。從產(chǎn)值角度看，目前行業(yè)增長率超過 20%，在中國年均增長率甚 至超過 25%，根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，未來五年內(nèi)還將加快增長速度。從技術(shù)的角度來看， 3D 打印經(jīng)歷過產(chǎn)品新、質(zhì)量差，專攻研發(fā)與技術(shù)改進(jìn)的“負(fù)盈利”導(dǎo)入期，目前部分技 術(shù)較為成熟、銷量開始攀升、市場份額不斷擴(kuò)大、競爭者不斷涌入，符合成長期的特征。 在未來還將有一段較長的成長期，最終過渡到成熟期，達(dá)到最高的產(chǎn)值和利潤總量。
四、航空航天、汽車、醫(yī)療有望成為3D打印應(yīng)用藍(lán)海
4.1、核心專利到期釋放新機(jī)會(huì)，新一輪專利搶占開啟
1985 年 3D 打印之父 Hull 提交了名為“UVP INC”的專利申請(qǐng)（US4575330B1），這也 是大眾熟知的立體光固化成型技術(shù)。1987 年，Scott Crump 發(fā)明了熔融沉積成型（FDM） 技術(shù)并申請(qǐng)了相關(guān)專利。從 3D 打印專利申請(qǐng)趨勢來看，早期的年專利申請(qǐng)量較為穩(wěn)定， 在 1985-2011 年間，年均申請(qǐng)量僅為 2000 件，年均復(fù)合增速 3.6%。2012 年后，隨著各 大高校院所積極參與研究、3D 打印公司深入布局核心專利，3D 打印專利申請(qǐng)量迎來了爆 發(fā)小高潮。
4.1.1、核心專利退出，激發(fā)市場活力
根據(jù)上個(gè)世紀(jì)美國的《專利法》，申請(qǐng)的專利有兩種到期計(jì)算方法，從專利申請(qǐng)日開始計(jì) 算的 17 年后，或者從專利備案日開始的 20 年。結(jié)合時(shí)間線，可以看出許多領(lǐng)先的工業(yè) 3D 打印專利在 2009-2015 年已經(jīng)退出霸主地位。3D 打印核心技術(shù)的釋放，將大大減少 相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)成本，降低準(zhǔn)入門檻，鼓勵(lì)更多的企業(yè)參與市場競爭，激發(fā)市場活力。
由歷史可見，2009 年熔融層積成型（FDM）專利到期后，3D 打印機(jī)的銷量迅速增長，售 價(jià)從數(shù)千美元跌到最低 300 美元，市場上涌現(xiàn)了不少中國制造的低價(jià) 3D 打印機(jī)。2014 年是專利到期的“高峰年”，3D Systems 的 3 項(xiàng)專利（涉及 SLA 光固化方法）、Stratasys 的 6 項(xiàng)專利（涉及 FDM、支撐移除和優(yōu)化調(diào)整）陸續(xù)到期，全球 3D 列印制造商紛紛搶攻 這項(xiàng) 3D 打印技術(shù)市場。同年，Deckard 在 20 世紀(jì) 90 年代初申請(qǐng)的激光燒結(jié)技術(shù)(SLS) 的專利到期。2016 年 12 月選擇性激光熔化技術(shù)（SLM）到期。同年 12 月，Z Corp 公司 關(guān)于“制作三維立體物體原型的方法和設(shè)備”的專利到期。
過去 5 年內(nèi)，3D 打印工藝核心專利的到期為行業(yè)帶來了新的活力。伴隨著舊專利逐漸退 出歷史舞臺(tái)，許多 3D 打印巨頭在全球范圍內(nèi)對(duì)新專利進(jìn)行緊鑼密鼓的布置。Innography 平臺(tái)公布的數(shù)據(jù)顯示，全球綜合競爭力排名前 20 的專利權(quán)人只有中國科學(xué)院是中國機(jī)構(gòu)， 沒有中國企業(yè)出現(xiàn)。而在中國區(qū)域綜合競爭力排名前 100 的專利權(quán)人中，有通用電氣、西 門子、Stratasys 公司等大量國外公司。這說明國外企業(yè)比較注重通過專利技術(shù)實(shí)現(xiàn) 3D 打 印在中國市場的全面布局。
從 INCOPAT 平臺(tái)整理數(shù)據(jù)來看，全球?qū)＠暾?qǐng)量最大的企業(yè)前三名分別是德國巴斯夫、 韓國 LG、美國通用。在專利申請(qǐng)量排名前十名中，美國企業(yè)占據(jù)一半，主要領(lǐng)域是航空 航天。而中國僅有西安交通大學(xué)上榜，未出現(xiàn)專營 3D 打印的公司。從專利價(jià)值度的分析 結(jié)果看，德國巴斯夫?qū)＠麅r(jià)值最高；而韓國 LG、美國通用、韓國三星、STRATASYS 公 司也有較多的高價(jià)值專利。西安交通大學(xué)的專利價(jià)值分布為中等水平，高價(jià)值專利比例不 多。
4.2、資源并購整合加劇、新模式出現(xiàn)
近年來，隨著行業(yè)從導(dǎo)入期逐漸過渡至成長初期，資源搶占、行業(yè)整合加劇。收購對(duì)象涵 蓋包括服務(wù)商、軟件公司、材料和設(shè)備廠商在內(nèi)的 3D 打印生產(chǎn)鏈企業(yè)。
在中國，資本主要流向金屬 3D 打印技術(shù)，對(duì)微米級(jí)電板 3D 打印、生物醫(yī)療 3D 打印的 投資也比較多。在國外，化工材料巨頭加大對(duì) 3D 打印復(fù)合材料的投資；此外還有一些創(chuàng) 新性的 3D 打印技術(shù)得到種子輪、A 輪資本支持；針對(duì) 3D 打印的生產(chǎn)管理、后處理等產(chǎn) 業(yè)配套方向，逐漸成長出優(yōu)質(zhì)創(chuàng)業(yè)公司。
總體來說，3D 打印相關(guān)企業(yè)融資案例主要發(fā)生在美國、德國、英國、以色列等 3D 打印 技術(shù)較為成熟的國家；3D 打印公司的技術(shù)，更注重生產(chǎn)制造的質(zhì)量和效率的提升，劍指 批量化生產(chǎn)；金屬 3D 打印相關(guān)企業(yè)融資案例不多，但發(fā)生融資的一般金額都很大，產(chǎn)業(yè) 已逐步發(fā)展成熟，市場格局初具形態(tài)。
2016 年，GE Additive 收購瑞典 Arcam 公司和德國 Concept Laser 公司。2017 年，3D Systems 收購了牙科材料公司 Vertex-Global Holding 公司。2019 年，蔡司收購了德國 GOM 公司。資源的整合有利于 3D 打印企業(yè)市場布局，為客戶提供“一站式”服務(wù)。
與此同時(shí)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，新的行業(yè)模式也在不斷演進(jìn)。全球各地的增材制造工廠形 態(tài)緩慢成型，從“原型制造”階段過渡到了根據(jù)需要、可靈活的進(jìn)行工業(yè)規(guī)?；可a(chǎn) 階段。如 2016 年西門子投資 2000 多萬歐元，將芬斯蓬一處學(xué)校舊址改造成了西門子工業(yè) 型燃?xì)廨啓C(jī) 3D 打印研發(fā)基地和工廠，負(fù)責(zé)燃?xì)廨啓C(jī)零部件的快速原型設(shè)計(jì)、快速維修和 快速生產(chǎn)。
預(yù)計(jì)在成熟期，3D 產(chǎn)業(yè)鏈上的專業(yè)分工會(huì)進(jìn)一步深化，專業(yè) 3D 數(shù)字化服務(wù)商、材料供 應(yīng)商和專業(yè) 3D 打印企業(yè)會(huì)出現(xiàn)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)服務(wù)會(huì)獨(dú)立或向下游消費(fèi)企業(yè)轉(zhuǎn)移。同時(shí)還會(huì) 出現(xiàn)為 3D 打印產(chǎn)業(yè)提供支持服務(wù)的第三方檢測驗(yàn)證、金融、電子商務(wù)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等 服務(wù)平臺(tái)。
4.3、航空航天、汽車、醫(yī)療器械有望成為3D打印應(yīng)用藍(lán)海
起初，3D 打印問世時(shí)設(shè)計(jì)的桌面級(jí)打印機(jī)主要服務(wù)于消費(fèi)領(lǐng)域，規(guī)模較小，增速較慢。 近年來，3D 打印技術(shù)已經(jīng)成為航空航天等高端設(shè)備制造及修復(fù)領(lǐng)域的重要技術(shù)手段，并逐 步向建筑、服裝、食品等領(lǐng)域擴(kuò)展，成為產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新創(chuàng)意及個(gè)性化產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)手 段以及新藥研發(fā)、臨床診斷與治療的工具。
從總體情況來看，航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)療齒科三大領(lǐng)域是 3D 打印未來重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。
4.3.1、航空航天：3D打印應(yīng)用日趨成熟
3D 打印技術(shù)已成為提高航天器設(shè)計(jì)和制造能力的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，主要應(yīng)用于設(shè)計(jì)模具鑄造、 功能性零部件制造、重要構(gòu)件修復(fù)。近年來，由于航空航天構(gòu)件對(duì)于材料的性能（如硬度、 熔點(diǎn)等）要求較高，國內(nèi)外 3D 打印技術(shù)的研究主要集中在形狀復(fù)雜的功能性金屬材料（包 括金屬、合金和金屬基復(fù)合材料）方面。目前，航空發(fā)動(dòng)機(jī)是 3D 打印重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域，在 一些技術(shù)較為成熟的國家，3D 打印也開始用于導(dǎo)彈、無人機(jī)以及衛(wèi)星的零部件。
在模具鑄造方面，由于 3D 打印技術(shù) SLS 熔模鑄造工藝無需制造蠟?zāi)盒停s短了鑄造用 熔模的準(zhǔn)備時(shí)間，具有速度快、成本低的優(yōu)勢，十分適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜鑄件研制階段 所需進(jìn)行的反復(fù)鑄造工藝試驗(yàn)。普惠公司采用 3D 打印生產(chǎn)了超過 10 萬件部件和原型件， 包括鑄模、設(shè)備工具以及試驗(yàn)臺(tái)架硬件等。普惠公司在 PW1100G 發(fā)動(dòng)機(jī)的部件設(shè)計(jì)中， 采用增材制造技術(shù)極大地減少了部件的研制時(shí)間以及原材料和成本的浪費(fèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)零 件的制造速度提高 4-8 倍，相比鍛造，部分零部件最多節(jié)約 90%的材料。
在零部件制造方面，采用 3D 打印技術(shù)能夠減少大量零件的焊接組裝工作，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)更 復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高零部件性能。GE 公司采用 3D 打印技術(shù)制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射 系統(tǒng)，其將傳統(tǒng)工藝的 20 片部件組裝或焊接的結(jié)構(gòu)制造為一個(gè)部件，這種方法得到的制 件具有接近鍛造的材料性能。而且 3D 打印工藝能夠避免產(chǎn)生變形和形成微裂紋，提高了 燃油噴射系統(tǒng)壽命將近４倍，重量減輕 25%，研制成本進(jìn)一步降低，預(yù)計(jì)能夠通過 50-100 個(gè)增材機(jī)械實(shí)現(xiàn)每年 40000 個(gè)噴嘴的產(chǎn)量，這一生產(chǎn)率將能夠確保每月 175 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)交 付量。
在修復(fù)制件方面，利用 3D 打印技術(shù)修復(fù)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的高周疲勞性能優(yōu)于原始 材料。通過大量基礎(chǔ)技術(shù)研究工作，國外已經(jīng)初步建立起整體葉盤的激光修復(fù)裝備、技術(shù) 流程和相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，推動(dòng)了整體葉盤激光修復(fù)技術(shù)的工程化應(yīng)用，我國的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也 積極布局 3D 打印激光修復(fù)技術(shù)。德國弗朗恩霍夫協(xié)會(huì)與 MTU 公司合作利用激光修復(fù)技 術(shù)修復(fù)鈦合金整體葉盤。北京航空制 造工程研究所采用激光修復(fù)技術(shù)修復(fù)了某鈦合金整體葉輪的加工超差，并成功通過了試車 考核。
在航天領(lǐng)域，歐洲航天局(ESA)和瑞士 SWISS to 12 公司開發(fā)出專門為未來空間衛(wèi)星設(shè)計(jì) 的首個(gè) 3D 打印雙反射面天線原型，通過采用 3D 打印，不僅顯著增加天線的 精度，還可降低成本，縮短交付時(shí)間，增加射頻設(shè)計(jì)的靈活性，最重要的是減輕部件質(zhì)量。 美國航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)洛克達(dá)因公司(AerojetＲocketdyne)完成首批“獵戶座”載人飛船 12 個(gè)噴管擴(kuò)張段的 3D 打印任務(wù)，使為期 3 周的制造時(shí)間比傳統(tǒng)制造工藝技術(shù)縮短了約 40%。
法國泰勒斯·阿萊尼亞航天公司將歐洲最大的 3D 打印零件(遙測和指揮天線支撐結(jié)構(gòu)，尺 寸約 45cm×40cm×21cm)用于 Koreasat 5A 和 Koreasat 7 遠(yuǎn)程通信衛(wèi)星，通 過 3D 打印實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量減輕 22%、成本節(jié)約 30%、生產(chǎn)周期縮短 1–2 個(gè)月。俄羅斯托木 斯 克 理 工 大 學(xué) (TPU) 設(shè) 計(jì) 并 制 造 的 首 枚 外 殼 由 3D 打印的 CubeSat 納 米 衛(wèi) 星 Tomsk-TPU-120 于 2016 年 3 月底搭載進(jìn)步 MS-02 太空貨運(yùn)飛船被送往國際空間站。
4.3.2、汽車工業(yè)：3D打印助力汽車輕量化
汽車零部件：3D 打印可以制造很多傳統(tǒng)工藝無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，例如點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、 一體化結(jié)構(gòu)、異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)等，這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)不僅降低零件的質(zhì)量，還能發(fā)揮其他功 能性的作用。美國加利福尼亞州的 FIT 公司通過選擇性激光熔化 3D 打印技術(shù)制造充滿點(diǎn) 陣結(jié)構(gòu)的仿生發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋，該氣缸蓋質(zhì)量減少了 66%，表面面積從 823 平方厘米增加 到 6052 平方厘米 ，顯著提高了氣缸蓋的冷卻性能，從而改善了賽車的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。法拉 利 668 賽車應(yīng)用了 3D 打印的鋼合金活塞，該零件內(nèi)部添加了復(fù)雜的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，不僅可以 減少材料的使用，減輕零件質(zhì)量，又可以保證高沖擊區(qū)域的強(qiáng)度，使發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)更充分地 燃燒。
內(nèi)外飾應(yīng)用：汽車外形和內(nèi)飾風(fēng)格與消費(fèi)者的購買決策是息息相關(guān)的，3D 打印技術(shù)的應(yīng) 用，可以為汽車提供更舒適的環(huán)境或更個(gè)性的造型。法國標(biāo)致曾有一款 Fractal 的純電動(dòng) 概念車，該車的內(nèi)飾件表面具有凹凸不平的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是將白色尼龍粉末通過選擇性 激光燒結(jié) 3D 打印方式制成，這種內(nèi)飾不僅可以減少聲波和噪聲水平，而且會(huì)使聲波從一 個(gè)表面反射到另一個(gè)表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音環(huán)境的調(diào)整。
寶馬 Mini 已經(jīng)開始將 3D 打印運(yùn)用到了汽車內(nèi)飾的定制上，客戶可以在側(cè)舷窗以及內(nèi)飾板 兩個(gè)零件上，充分發(fā)揮自己的創(chuàng)意，將彰顯個(gè)性的簽名，圖案、顏色整合到零件的設(shè)計(jì)中， 然后采用 3D 打印制造出來。
整車制造：3D 打印不僅可以直接制造汽車零部件，甚至可以顛覆傳統(tǒng)的整車設(shè)計(jì)理念和 制造方式，用于整車制造。Blade 跑車是一款顛覆傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的全新跑車，它的底盤和支撐 結(jié)構(gòu)是通過將 3D 打印的鋁合金節(jié)點(diǎn)與現(xiàn)成的碳纖維管材連接而成，整個(gè)裝配過程像搭建 積木一樣。汽車底盤大約由 70 個(gè) 3D 打印的鋁節(jié)點(diǎn)組成，這種結(jié)構(gòu)不僅質(zhì)量減輕 90%， 并且可以經(jīng)受住五星級(jí)碰撞，承受得了在公路上的顛簸。
4.3.3、生物醫(yī)療：3D打印使個(gè)性化醫(yī)療成為現(xiàn)實(shí)
人體組織主要由自組裝聚合物(蛋白質(zhì))和骨礦物質(zhì)組成，金屬以微量元素的形式存在，具 有分子尺度的功能。金屬生物材料是人類應(yīng)用最早也是目前使用最多的醫(yī)用生物材料之一， 目前臨床使用的金屬生物材料包括不銹鋼、鈷鉻合金(Co-Cr 合金)、鈦(Ti)等不可降解金屬 及鎂(Mg)、鐵(Fe)、鋅(Zn)等可降解金屬。近年來隨著 3D 打印技術(shù)的進(jìn)步和 3D 打印材料 的發(fā)展，有學(xué)者提出利用 3D 打印技術(shù)克服傳統(tǒng)制作工藝缺陷，這在一定程度上促進(jìn)了外 科手術(shù)規(guī)劃和外科金屬植入物的進(jìn)步。目前已有大量體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)證實(shí) 3D 打印金屬基生物 材料在實(shí)踐應(yīng)用中的可行性，為推進(jìn)個(gè)性化醫(yī)學(xué)提供了前所未有的可能性。目前，3D 打 印金屬基生物材料主要用于口腔科、組織修復(fù)、骨科植入及心血管設(shè)備的應(yīng)用。
齒科：隨著生活水平的提升，大眾對(duì)于自身外觀的重視度不斷提升，加之三維影像和光學(xué) 掃描儀設(shè)備的研發(fā)以及 SLA、DLP 技術(shù)的成熟，3D 打印在口腔數(shù)字化加工、個(gè)性化定制、 特別是數(shù)字化種植導(dǎo)板，通過口掃、設(shè)計(jì)、3D 打印，來實(shí)現(xiàn)真正的精準(zhǔn)種植和精準(zhǔn)醫(yī)療， 減少了患者的等待時(shí)間，提高了患者的舒適度，降低了手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，給患者帶去更快捷安全 的體驗(yàn)。3D 打印目前主要用于口腔正畸、口腔修復(fù)、口腔種植。
Technavio 公司《2019-2023 年全球牙科 3D 打印設(shè)備市場》指出，2019 年至 2023 年， 全球牙科 3D 打印設(shè)備市場將增長至 6.67 億美元。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局《第三次全國口腔流行病 抽樣調(diào)查結(jié)果》顯示，全國有 94%的人口存在某種形式的牙齒問題，85%的人口患有牙周 病，在 35-45 歲的人群當(dāng)中僅有 14.5%的人口擁有健康的牙周組織，30%-50%的人口存 在牙齒咬合問題。由此可見，中國齒科產(chǎn)品市場前景非常廣闊，預(yù)計(jì)隱形矯正市場將迎來 爆發(fā)式增長。
2017 年聯(lián)泰科技正式成立口腔應(yīng)用事業(yè)部，投入了一千多萬元的研發(fā)資金，從硬件、軟 件、材料三大維度投入，研發(fā)出專業(yè)用于口腔齒科 EvoDent 系列數(shù)字化牙科專用的 3D 打 印設(shè)備，為深挖口腔應(yīng)用進(jìn)一步助力。目前，聯(lián)泰科技 SLA 技術(shù)的隱形正畸市場已經(jīng)占 據(jù) 30%以上市場應(yīng)用份額，DLP 技術(shù)也占到市場的近 20%。
輔助治療及解剖模型：中山大學(xué)的學(xué)者通過計(jì)算機(jī)斷層掃描患者骨盆三維模型，并運(yùn)用 3D 打印技術(shù)構(gòu)建 3D 物理模型，為繼發(fā)于髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良（DDH）患者實(shí)施全髖關(guān)節(jié)置 換術(shù)（THA），模型的使用讓手術(shù)有更好的計(jì)劃從而簡化了外科手術(shù)過程，組件在術(shù)前計(jì) 劃和手術(shù)中使用的實(shí)際大小之間的一致性較高。
支架與假體：因?yàn)殁伇砻嬗兄旅艿难趸仯═iO2）保護(hù)膜，具有高強(qiáng)度重量比，非磁性和 高耐腐蝕性的優(yōu)點(diǎn)，通常永久性骨組織假體采用金屬鈦或其他材料，并在表面附加凝膠材 質(zhì)涂層，增強(qiáng)生物相容性，促進(jìn)植入物假體周圍的細(xì)胞生長并降低鈦或其他永久性材料可 能造成的炎癥和感染風(fēng)險(xiǎn)。Winder 等將 3D CT 成像和 3D 打印技術(shù)相結(jié)合，通過制作出 患者頭骨模型得到定制鈦板，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者顱骨缺損部分進(jìn)行修復(fù)。
生物 3D 打?。荷?3D 打印是利用快速成型技術(shù)(RP)將生物材料和生物單元按仿生形態(tài) 學(xué)、生物體功能、細(xì)胞生長微環(huán)境等要求，使得細(xì)胞單個(gè)或串聯(lián)打印，一層一層，直接創(chuàng) 建三維組織或器官的制造方法，細(xì)胞直接打印是對(duì)組織工程的一種延伸，相比于支架，生 物打印可以在支架不同位置實(shí)現(xiàn)不同種類、不同密度的細(xì)胞沉積，直接對(duì)組織或器官進(jìn)行 打印。人造血管具有較好的灌注能力和很高的滲透性，可以使介質(zhì)沿徑向擴(kuò)散，類似于天 然血管。
五、風(fēng)險(xiǎn)提示
1、新冠疫情反復(fù) 印度國內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種新型變異新冠病毒，該毒株出現(xiàn)了雙重突變，可能會(huì)弱化當(dāng)前疫苗免疫 效果，且傳染性更強(qiáng)，在新冠疫情反復(fù)的情況下會(huì)對(duì)下游高端制造業(yè)需求造成打擊；
2、項(xiàng)目建設(shè)不及預(yù)期 3D 打印材料及設(shè)備產(chǎn)線建設(shè)需要時(shí)間，且由于其配套加工設(shè)備較復(fù)雜可能在項(xiàng)目建設(shè)過 程中出現(xiàn)問題，影響進(jìn)度；
3、行業(yè)競爭加劇 3D 打印核心專利保護(hù)期結(jié)束后布局 3D 打印業(yè)務(wù)的公司逐漸增加，受技術(shù)端影響行業(yè)具 有后發(fā)優(yōu)勢，從而引起行業(yè)競爭加劇。
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