3D打印產(chǎn)業(yè)研究：高端制造需求將成為3D打印應(yīng)用藍(lán)海

3D打印產(chǎn)業(yè)研究：高端制造需求將成為3D打印應(yīng)用藍(lán)海一、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(AdditiveManufacturing，簡(jiǎn)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(guò)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(guó)《時(shí)代》周刊將增材制造列為“美國(guó)

十大增長(zhǎng)最快的工業(yè)”，英國(guó)《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(lái)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?。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(guò)程中去

除大量的材料，也不必通過(guò)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(kù)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(guó)家爆發(fā)式增長(zhǎng)，3D打印技術(shù)應(yīng)用最早可

追溯到

1986

年由美國(guó)

CharlesHull開發(fā)的立體光固化(SLA)技術(shù)。接下來(lái)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，3DSystems、Stratasys、SLMsolution等。由于

3D打印技術(shù)在歐美國(guó)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(lái)，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(lái)。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(guó)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

CharlesHull在

1986

年在被稱為立體光固化(SLA)過(guò)程中開發(fā)出來(lái)，

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(lái)，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?jiǎn)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(wú)需考慮支撐系統(tǒng)等優(yōu)勢(shì)。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(guò)長(zhǎng)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(yíng)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(lái)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(guò)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(shì)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(guò)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(guò)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(guò)

激光器燒結(jié)固體粉末連接起來(lái)的，而是通過(guò)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(guò)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(guò)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(guó)

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：PolyjetMatrix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(guò)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(guò)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(wú)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(jiǎn)單、體積小無(wú)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(chǎng)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(guò)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(zhǎng)時(shí)間保存，樹脂固化過(guò)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(guó)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/ASTM52900：2015

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(chǎng)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)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)

WohlersAssociatesInc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。可

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(guó)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(lái)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(guò)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(zhǎng)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。Somos19120

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)。SomosNext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(guò)模具來(lái)

成形，模具加工成本高、開發(fā)周期長(zhǎng)，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(guò)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(lái)，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(guó)賓夕法尼亞大學(xué)打印出來(lái)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(guò)噴射加熱過(guò)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(wú)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(wú)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(shì)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(guó)家爭(zhēng)相出臺(tái)政策扶持3D打印技術(shù)發(fā)展歐美國(guó)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(guó)國(guó)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(yíng)利組織共同出資成立了國(guó)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(guó)

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(wàn)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(guó)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(wàn)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(guó)、俄羅斯、澳大利亞、新加坡等國(guó)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(guó)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(guó)，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(guó)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(guó)家和地方的支持下，全國(guó)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(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)在“中國(guó)制造”引導(dǎo)下迎來(lái)高速發(fā)展契機(jī)，《中國(guó)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(lái)，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(guó)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(yǔ)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(guò)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）創(chuàng)建了

ISO/TC261

增材制造及標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)。2015

年，ISO/TC261

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(yǔ)、成品測(cè)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

ASTMF42

編制新標(biāo)

準(zhǔn)

40

余項(xiàng)，從增材制造的材料與工藝、測(cè)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(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）委托

美國(guó)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(guò)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(gòu)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(guó)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(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC562)，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(yǔ)層面進(jìn)行基本規(guī)范。特別地，中國(guó)

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(zhǎng)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(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)加劇歐美國(guó)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(guó)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(guó)和歐洲在產(chǎn)業(yè)化方面優(yōu)勢(shì)明顯，3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中多為歐美企業(yè)。2019

年，美國(guó)以

34.4%份額占據(jù)全球

3D打印設(shè)備數(shù)量首位，而中國(guó)以

10.8%位居其次。日本、

德國(guó)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(guó)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(guó)，占

22.5%的市場(chǎng)份額。中國(guó)在全球

3D打印產(chǎn)業(yè)中占

18.6%，大約

是美國(guó)的一半。日本和英國(guó)占據(jù)全球

3D打印市場(chǎng)的比例大于

5%，位居中國(guó)之后。3.1.2、中國(guó)市場(chǎng)超速發(fā)展，有望保持30%的年均增長(zhǎng)率上個(gè)世紀(jì)九十年代，我國(guó)的一批科研院所開啟了

3D打印研究工作，經(jīng)過(guò)近三十多年的科

技攻關(guān)，中國(guó)

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(chǎng)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(guó)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)”思想的指導(dǎo)下，我

國(guó)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(guó)家重點(diǎn)發(fā)

展領(lǐng)域?！笆逡?guī)劃”為國(guó)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(lái)我國(guó)的

3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。2020

年

2

月，國(guó)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(guó)情、對(duì)接國(guó)際的增材制造新型標(biāo)準(zhǔn)體系基本

建立”。此外，為提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際化，轉(zhuǎn)化率將達(dá)到

90%。結(jié)合國(guó)家層面政策指導(dǎo)以及國(guó)內(nèi)近

6

年

3D打印

產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)，到

2025

年，我國(guó)

3D打印市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)

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(lái)看，根據(jù)賽迪顧問（CCID）公布的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)的

3D打印設(shè)備市場(chǎng)

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(chǎng)，2020

年的產(chǎn)值為

64.46

億元。由于我國(guó)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(guó)

3D打印材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)

40.94

億元，從市場(chǎng)細(xì)分情況來(lái)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(guó)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(guó)

3D打印下游市場(chǎng)細(xì)分情況來(lái)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(guó)

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(zhǎng)期，迎來(lái)快速增長(zhǎng)階段綜合

3D打印技術(shù)、產(chǎn)值等分析情況來(lái)看，根據(jù)波特的行業(yè)生命周期理論，我們推測(cè)目前

3D打印處在成長(zhǎng)初期。從產(chǎn)值角度看，目前行業(yè)增長(zhǎng)率超過(guò)

20%，在中國(guó)年均增長(zhǎng)率甚

至超過(guò)

25%，根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，未來(lái)五年內(nèi)還將加快增長(zhǎng)速度。從技術(shù)的角度來(lái)看，

3D打印經(jīng)歷過(guò)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(chǎng)份額不斷擴(kuò)大、競(jìng)爭(zhēng)者不斷涌入，符合成長(zhǎng)期的特征。

在未來(lái)還將有一段較長(zhǎng)的成長(zhǎng)期，最終過(guò)渡到成熟期，達(dá)到最高的產(chǎn)值和利潤(rùn)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“UVPINC”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，ScottCrump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(shì)來(lái)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?jī)H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(lái)了爆

發(fā)小高潮。4.1.1、核心專利退出，激發(fā)市場(chǎng)活力根據(jù)上個(gè)世紀(jì)美國(guó)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，激發(fā)市場(chǎng)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(zhǎng)，售

價(jià)從數(shù)千美元跌到最低

300

美元，市場(chǎng)上涌現(xiàn)了不少中國(guó)制造的低價(jià)

3D打印機(jī)。2014

年是專利到期的“高峰年”，3DSystems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(chǎng)。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，ZCorp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(guò)去

5

年內(nèi)，3D打印工藝核心專利的到期為行業(yè)帶來(lái)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(jìng)爭(zhēng)力排名前

20

的專利權(quán)人只有中國(guó)科學(xué)院是中國(guó)機(jī)構(gòu)，

沒有中國(guó)企業(yè)出現(xiàn)。而在中國(guó)區(qū)域綜合競(jìng)爭(zhēng)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(guó)外公司。這說(shuō)明國(guó)外企業(yè)比較注重通過(guò)專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3D打

印在中國(guó)市場(chǎng)的全面布局。從

INCOPAT平臺(tái)整理數(shù)據(jù)來(lái)看，全球?qū)＠暾?qǐng)量最大的企業(yè)前三名分別是德國(guó)巴斯夫、

韓國(guó)

LG、美國(guó)通用。在專利申請(qǐng)量排名前十名中，美國(guó)企業(yè)占據(jù)一半，主要領(lǐng)域是航空

航天。而中國(guó)僅有西安交通大學(xué)上榜，未出現(xiàn)專營(yíng)

3D打印的公司。從專利價(jià)值度的分析

結(jié)果看，德國(guó)巴斯夫?qū)＠麅r(jià)值最高；而韓國(guó)

LG、美國(guó)通用、韓國(guó)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(gòu)整合加劇、新模式出現(xiàn)近年來(lái)，隨著行業(yè)從導(dǎo)入期逐漸過(guò)渡至成長(zhǎng)初期，資源搶占、行業(yè)整合加劇。收購(gòu)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(guó)，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(guó)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(zhǎng)出優(yōu)質(zhì)創(chuàng)業(yè)公司。總體來(lái)說(shuō)，3D打印相關(guān)企業(yè)融資案例主要發(fā)生在美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、以色列等

3D打印

技術(shù)較為成熟的國(guó)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(chǎng)格局初具形態(tài)。2016

年，GEAdditive收購(gòu)瑞典

Arcam公司和德國(guó)

ConceptLaser公司。2017

年，3DSystems收購(gòu)了牙科材料公司

Vertex-GlobalHolding公司。2019

年，蔡司收購(gòu)了德國(guó)

GOM公司。資源的整合有利于

3D打印企業(yè)市場(chǎng)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(guò)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(wàn)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(cè)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(lái)，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(lái)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(lái)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(lái)，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(guó)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(guó)家，3D打印也開始用于導(dǎo)彈、無(wú)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(wú)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(shì)，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(guò)

10

萬(wàn)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(guò)

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(guò)大量基礎(chǔ)技術(shù)研究工作，國(guó)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(kù)，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(guó)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(guó)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(guò)了試車

考核。在航天領(lǐng)域，歐洲航天局(ESA)和瑞士

SWISSto12

公司開發(fā)出專門為未來(lái)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(guò)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(guó)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(guó)泰勒斯·阿萊尼亞航天公司將歐洲最大的

3D打印零件(遙測(cè)和指揮天線支撐結(jié)構(gòu)，尺

寸約

45cm×40cm×21cm)用于

Koreasat5A和

Koreasat7

遠(yuǎn)程通信衛(wèi)星，通

過(guò)

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(guó)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(wú)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(guó)加利福尼亞州的

FIT公司通過(guò)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(gòu)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(guó)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(guò)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(lái)。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(guò)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(guò)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)