3D打印专题研究报告20130621.ppt

3D打印专题研究报告 陈秋东2013 6 21 赛伯乐创投研究院 内部培训第14期 欢迎加入3D打印产业研究QQ群 78545823 3D打印专题研究报告 内容提要 第一部分 3D打印行业概述 1 3D打印概念 3D打印专题研究报告 3D打印机是一位名为恩里科 迪尼的发明家设计的一种神奇的打印机 3D打印学术名称为快速成型技术 或快速制造或添加制造技术 3D打印是以计算机三维设计模型为蓝本 通过软件分层离散和数控成型系统 利用激光束 热熔喷嘴等方式将金属粉末 陶瓷粉末 塑料 细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结 最终叠加成型 制造出实体产品 3D打印的特点 3D打印专题研究报告 快速成型技术是与传统的加工方式不同 通过分层制造 逐层叠加的方式生产最终产品 快速成型技术的特点无需开模 切割 焊接等传统工艺的加工 快速成型技术另外一个特点是可以加工非常复杂结构的产品 3D打印的分类 3D打印专题研究报告 按产品应用范围划分 3D打印主要分为工业级 医用级和民用级 工业级 医用级的3D打印机精度很高 不仅可以打印塑料和树脂 还可以打印金属和高分子材料 能够生产航空航天所需的部件 医用人造牙齿和关节等 甚至包括人造器官 不过 这些设备价格高昂 每台达数十万美元 难以大规模推广 在民用级市场 3D打印技术的精度仅为毫米级 所使用的材料通常为塑料 只能用来制造模型和玩具 或是人偶等创意产品 此类3D打印机的售价约为数千美元 体积也更小 适合家庭使用 3D打印技术的影响 3D打印专题研究报告 第三次工业革命 标志正在重塑全球制造业竞争格局被美国科学学会认为是上世纪最伟大的制造技术革命美国 时代 周刊将3D打印机列为 美国十大增长最快的工业 英国 经济学人 则认为它将 与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命 麦肯锡发布一项报告 展望2025 决定未来经济的12大颠覆技术 3D打印列入其中改变未来生产与生活方式每个人都可以成为一个工厂它将改变制造商品的方式 社会化制造改变原材料形式 粉体材料并改变世界的经济格局进而改变人类的生活方式 电子商务让购物更自由 革了零售商的命 社交媒体让传播更自由 革了传统媒体的命 3D打印让制造更自由 革了标准化大规模中央制造的命 3D打印的优点 3D打印专题研究报告 3D打印的应用领域 3D打印专题研究报告 在消费市场 电子照明 影像设计 家具家居 家用饰品 珠宝首饰 建筑模型 教育市场 玩具市场等领域的终端产品市场正迎来爆发 同时 越来越多的国际企业和政府机构正针对交通 航空国防 医疗保健等领域的核心应用的制造方式进行重新部署 这些都是3D打印的机遇 第二部分 3D打印技术分析 2 3D打印专题研究报告 3D打印机工作原理 3D打印专题研究报告 3D打印工作步骤 使用CAD软件来创建物品 通过SD卡或者USB优盘把它拷贝到3D打印机中 进行打印设置后即可打印出来 3D打印机的工作原理和传统打印机基本一样 都是由控制组件 机械组件 打印头 耗材和介质等架构组成的 打印原理是一样的 不同的是3D打印机融入了光固化和分层打印技术 主要是在打印前在电脑上设计了一个完整的三维立体模型 然后选择合适的打印材料 再进行打印输出 3D打印机工作原理 3D打印专题研究报告 3D打印制造包括3个核心环节 前端数据获取 3D扫描和建模 中端数据加工处理 计算机辅助设计 以及后端产品加工 3D打印 3D打印关键技术 3D打印专题研究报告 信息技术 要有先进的设计软件及数字化工具 辅助设计人员制作出产品的三维数字模型 并且根据模型自动分析出打印的工序 自动控制打印器材的走向 精密机械 3D打印以 每层的叠加 为加工方式 要生产高紧密的产品 必须对打印设备的精准程度 稳定性有较高的要求 材料科学 用于3D打印的原材料较为特殊 必须能够液化 粉末化 丝化 在打印完成后又能重新结合起来 并具有合格的物理 化学性质 3D打印工艺技术 3D打印专题研究报告 3D技术目前有多种工艺 最主要的包括SL 立体光造型 SLS 选择性激光烧结 3DM 三位打印 及FDM 熔融沉积制造 等 SL和SLS是基于激光或其他光源的成型技术 设备造价和制作模型成本都比较昂贵 因此只在一些特殊领域 如航天军工 高端装备领域有所应用 3DM和FDM则是基于原料喷射成型的技术 不需要昂贵的激光器 因此价格相对低廉 3D打印技术应用面临的瓶颈和挑战 3D打印专题研究报告 成本方面 现有3D打印机尤其是工业级的设备造价仍普遍较为昂贵 给其进一步普及应用带来了困难 4 打印材料方面 目前3D打印的成型材料多采用化学聚合物 选择的局限性较大 成型品的物理特性较差 而且安全方面也存在一定隐患 产业环境方面 3D打印技术的普及将使产品更容易被复制和扩散 制造业面对的盗版风险大增 现有知识产权保护机制难以适应产业未来发展的需求 精度 速度和效率方面 目前3D打印成品的精度还不尽人意 打印效率还远不适应大规模生产的需求 而且受打印机工作原理的限制 打印精度与速度之间存在严重冲突 3D打印技术普及过程 3D打印专题研究报告 阶段一 专业人员 Geek 在普及初期 大众对于产品了解较少 产品推广的动力主要来源于产品制造商对于未来前景的预期 技术也较为粗糙 产品的使用者多为专业人员 阶段二 部分先锋领域应用 随着产品的特性越来越多的被消费者所了解 产品的销路开始被打开 这时将会有新的竞争者加入 在竞争中技术的进步速度进一步加快 同时随着产品市场的扩大 产品上下游产业也将受到带动 如个人电脑发展中 个人电脑成长对微处理器的带动 以及后期衍生出来的多媒体技术 阶段三 大规模推广 消费群体的爆发式增长是普及期的典型特征 接受产品的人数如病毒扩散般呈现指数增长势头 正是由于这一点 研发销售个人电脑的公司 如苹果和IBM等 才能实现业绩的飞速增长 3D打印产业未来发展趋势 3D打印专题研究报告 由于3D打印机低价化等因素的推动 3D打印机市场正在扩大 涉足该市场的企业数量也随之增加 企业之间的竞争愈发激烈 从而进一步推动价格的降低 网络服务的充实以及造形材料品种的增加 也就是进入 正循环 第三部分 3D打印行业市场分析 3 3D打印专题研究报告 国际3D打印技术发展现状 快速成型技术在多年的发展中形成了多种工艺 目前3D技术在美国已经实现产业化 目前3D打印已经能够在0 01mm的单层厚度上实现600dpi的精细分辨率 目前国际上较先进的产品可以实现每小时25mm厚度的垂直速率 并可实现24位色彩的彩色打印 目前在欧美发达国家 3D打印技术已应用在消费电子业 航空业和汽车制造业等领域 3D打印技术可以以较低的成本 较高的效率生产小批量的定制部件 完成复杂而精细的造型 从政策和产业市场来说 美国发展的最好 其他依次为英国 德国 以色列 意大利 荷兰 中国 韩国 日本等 3D打印专题研究报告 从产业政策 基础研究及市场环境来说 美国发展的最好 工业级3D打印稳步增长 个人3D打印机销量爆发式增长 已经初步形成成功的商用模式 龙头企业从产业链单一环节做到全覆盖 3D打印技术市场容量 国际快速制造行业权威报告 WohlersReport2011 发布的调查结果 全球3D打印产业产值在1988 2010年间保持着26 2 的年均增长速度 报告预期 3D打印产业未来仍将持续较快地增长 到2016年 包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到30亿美元 2020年将达到50亿美元 2011年 全世界个人用3D打印机的供货量达到了约2 3万台 激增到上年4倍左右 这一速度在2012年以后还会加快 相比之下 工业3D打印机在过去10年稳定以30 的速度成长 3D打印专题研究报告 国际知名3D打印公司 世界上目前的3D打印机生成商来看 行业巨头均在美国 以色列 日本 欧洲等国家 3D打印专题研究报告 3D打印机制造商已经超过100家 美国3DSystems和Stratasys两家公司的产品占据了绝大多数市场份额 此外 具有较强技术实力和特色的企业 研发团队还有美国的Fab Home Shapeways ExOne 英国的Reprap等 根据专利研究公司的调查结果显示 前三名为 第一名是3DSystems公司 第二名是日本松下 第三名是德国EOS3D公司 Stratasys 行业里最大的玩家 Stratasys创始人是斯科特 克伦普 Stratasys于1988年发明熔融沉积造型 FDM 技术 开始领导3D打印及数字制造业 1992年 卖出自己的第一台3D打印机 1994年登陆纳斯达克 代码SSYS 2012年4月 Stratasys与以色列Objet公司合并 Objet此前有IPO计划 估值为5亿美元 新公司市值达到30亿美元 一举超越老对手3DSystems 成为全球3D打印领域最大的公司 目前在全球拥有8000多家客户 3DSystems2013年Q1季报数据显示该公司该季度营收同比增长31 至1 02亿美元 毛利润同比增长38 至5347 4万美元 企业拥有业内最广泛的130种3D打印材料 包括120多种专有喷墨式光敏树脂材料和10种专有的基于FDM技术的热塑性材料 Stratasys公司还经营着RedEyeOnDemand数位制造服务 公司雇员有1 000多人 在全球范围内拥有500多项叠加制造 AdditiveManufacturing 专利 并以其先进的技术和领导地位赢得了19项大奖 3D打印专题研究报告 3DSystems 全产业链模式 3DSystems向客户提供 一站式 全套增值解决方案 包括硬件 软件 材料 工艺 教育培训和应用支持 不仅提供打印机 还出售打印机配套的原材料 相关设计软件 并为客户提供培训 其解决方案涉及模具 医疗 教育 珠宝 建筑等行业 3DSystems公司创始人是查克 赫尔 1986年 美国诞生了世界上第一家生产3D打印设备的公司3DSystems 2011年收入2 3亿 增长45 净利润3542万 同比增81 净利率15 毛利率47 3D打印专题研究报告 2011年年中从纳斯达克 原代码TDSC 转到纽约证券交易所 3DSystems公司推出了多种型号的打印机 其中最方便消费者的选择是Cube3D打印机 这款产品的售价只有1299美元 自从2009年8月收购桌面工厂 DesktopFactory 以来 3DSystems连续收购了25家公司 3DSystems通过Cube 一款连8岁孩子都能操作的个人3D打印机打开了日常消费市场 Shapeways 分布式加工制造中心 制造业的云平台 3D打印专题研究报告 ExOne 在工业领域里的3D领头羊 3D打印公司ExOne正式成立于2005年 前身是美国一家历史超过40年的非传统机械流程和自动化系统精密仪器开发供应商 ExtrudeHone 的一个部门 ExOneInc于2013年2月7日登陆纳斯达克上市 交易代码为 XONE 主要为工业企业客户提供3D打印机 3D打印产品以及相关服务现拥有超过150名员工 全球有5家公司网点自2007年始已经接受了4170万美元的投资 用于扩大产品生产 降低单位成本 开拓工业用材料的种类 建立产品服务中心 PSCs 全球业绩 80 台机器的安装基础 产品服务中心的全球性分布 美国 欧洲 亚洲42 的营收来自3D打印机的销售 58 的营收来自产品服务中心 其中美国37 欧洲34 亚洲29 和耗材 沙模 泵 闸鼓 包括汽车制造行业 航空航天 重型设备制造等行业在内的多家知名企业与ExOne合作 3D打印专题研究报告 3D打印机市场价格及走势 目前3D打印机价格区间 个人打印机 价格一般在2万美元至1300美元之间 针对学生 DIY发烧友 专业打印机 价格在2万到25万美元之间 工业打印机 在25万到95万美元之间 3D打印专题研究报告 10年前 3D打印机售价数万到数十万美元 今天 家用3D打印机仅需1749美元 还有更便宜的 供家庭打印玩具 摆设 装饰品 家庭用具和各种业余爱好物品 在未来3 5年内 家用3D打印机完全可能降到300 500美元 各层次的打印机目前都比较贵 3D打印机设备售价取决于技术进步速度及市场普及速度 国内3D打印技术发展现状 国内3D产业发轫于高校 自20世纪90年代以来 国内多所高校开展了3D打印技术的自主研发 3D打印专题研究报告 技术路径和应用领域较为广泛 校办企业和研究院是主要参与者 规模小 处于产业化培育期 在基础研究方面与美国有巨大差距 但应用方面有巨大的商机 西安交通大学 光固化 金属熔敷 生物制造 陶瓷成形华中科技大学 激光烧结 金属烧结清华大学 FDM 电子束 生物制造北京航空航天大学 金属熔敷西北工业大学 金属熔敷中航625所 电子束制造华南理工大学 激光金属烧结专家方面 清华大学的颜永年 华科大的史玉升 西交大的卢秉恒 北航的王华明 湖南华曙的许小曙 技术路径不一样 国内3D打印市场容量 目前中国制造业的3D打印使用密度仅有美国的约20 作为一种全球最前沿的制造技术 3D打印将是中国制造业升级的重要一环 国内3D打印产业化的空间巨大 3D打印机在中国企业级装机量在400台左右 近两年增长尤其快 年增速均在70 左右 市场规模超过1亿元 2012年达到3个亿的产值 亚洲制造业协会首席执行官 中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军更是在世界3D打印技术产业大会上表示 预计3年左右 中国3D打印产值可能达到百亿元 3D打印专题研究报告 目前 国内的3D打印主要集中在家电及电子消费品 建筑 教育 模具检测 医疗及牙科正畸 文化创意及文物修复 汽车及其他交通工具 航空航天等领域 国内3D打印主要企业 国内的3D打印厂商大致可分为五大类 1 以科研院校为背景的企业 代表企业滨湖机电 中航激光 2 海归派 学习国外先进技术经验回国创业的企业 代表企业湖南华曙 3 代理企业 数量众多 4 合资企业 代表企业紫金立德 5 3D打印服务类 代表企业铭展科技 我国快速成型制造设备制造商主要有 北京殷华 北京隆源 西安恒通 武汉滨湖 南京紫金立德 湖南华署等 快速制造服务中心有中山汉信 西安交大国家快速制造工程研究中心 宁波合创公司 苏中秉创公司 杭州先临三维 上海美唐机电 目前已有100多家 3D打印专题研究报告 第四部分 3D打印产业链分析 4 3D打印专题研究报告 3D打印产业链构成 3D打印专题研究报告 3D打印产业链包括3D打印设备制造 打印材料制造 应用软件和服务 因为3D打印的制造方式与传统方式完全不同 所以被替代产业的从原材料处理 成品制造到相关服务都可以被包括到3D的产业链中 前端环节 3D扫描仪 3D打印专题研究报告 3D扫描仪是3D制造过程中的前端设备 在模型建立的过程中 对于复杂的模型原型 通过3D扫描仪可以达到快速高精度的建模过程 国内目前3D扫描仪以进口为主 价格非常昂贵 主要应用在文物扫描建模 医学成像 虚拟现实技术等领域 随着个人3D打印机的推广 3D数字模型建立是必不可少的环节 而3D扫描仪可以便捷的完成这项工作并不需要专业的3D建模知识技术 中端环节 3D模型软件 3D打印专题研究报告 3D打印一个核心的环节是运用计算机辅助软件 对于3D模型的数据进行读取 处理和加工 随着个人用途的3D打印机的逐渐普及 简易3D模型软件成为必不可少的应用工具 目前国内计算机辅助设计系统相比国际同行仍然差距明显 但是国产系统占比仍在上升 针对个人3D打印机的需求 国内CAD系统完全能够满足个人客户的应用需求 游戏娱乐开发的3D软件 3DsMax Maya ZBrush产品设计开发的3D软件 SolidWorks CATIA建筑设计开发的3D软件 SketchUp Rhino 后端环节 3D打印机 3D打印专题研究报告 3D打印机是整个产业的基础 随着产业的发展 无论是家用的桌面3D打印机还是制造业使用的3D打印机需求量都会大大增加 在消费市场 各种打印材料性质完全不同 最后制作的产品也可能无奇不有 而在工业市场中 可能每一个项目都要有不同的3D打印机实现制造 因此 3D打印设备制造将面临非常细的市场区分和极高的定制要求 现在这个行业还未出现明确的领导者 有一直从事3D打印的科技公司 也有传统打印行业的巨头 如HP 目前 3D打印机与传统喷墨打印机可以说一脉相承 随着技术的发展 可能会体现出越来越多的区别 也可能有越来越多的企业进入这个行业 3D打印支持材料罗列1尼龙一种强度高和韧性好并拥有高精度细节的材料 现在已支持 2铝一种具有独特外观类似尼龙的材料 3彩色一种全彩色材料 其中含有石膏成分 现在已支持 4树脂一种拥有能够表现高清晰细节的光敏树脂 现在已支持 5ABS一种强度高硬度好并拥有最好尺寸精度的材料 现在已支持 6钛一种轻并且世界上强度最高的3D打印材料 7不锈钢Stainlesssteel 核心材料 各种耗材 3D打印专题研究报告 目前3D打印可选用的材料有石膏材料 ABS材料 橡胶 PC材料 金属等 不同材料价格差异很大 目前使用较多的是ABS等容易被光固化的材料 Shapeways打印的物品已超过一百万件 意味着目前对于材料的需求已经达到千吨的级别 未来3D打印市场对于打印材料 如ABS 的需求可能会达到每年十万吨的级别 与目前中国市场月需求量相当 核心组件 精密激光器 光学系统 精密导轨和电机等 3D打印专题研究报告 控制系统原理 3D打印机控制系统通过微处理器将处理后的3D模型文件转换成X Y Z轴和喷头供料的步进电机数据 然后让步进电机控制电路控制工件输出基板的X Y平面移动 喷头的垂直移动和喷头供料的速度 3D打印对打印产品精度要求将不断提升 电机的精密程度将是3D打印品质得到提升的重要影响因素 预计随着3D打印技术的进步 精密电机的需求将会不断加大 核心组件 精密激光器 光学系统 精密导轨