3D打印技术可行性分析

3D打印技术行业2016年6月30日2021/5/91目录CONTENTS行业基本概况3D打印国家政策法规市场分析行业典型企业分析3D打印技术应用领域1.1概念1.2原理技术1.3与传统企业相比特点1.43D打印优势1.5主要技术方法2.1《国家高新技术研究发展计划》2.2《国家增材制造产业发展推进计划（2015—2016年）》3.1生物医学3.2工业领域3.3建筑业3.4消费领域4.1国内外市场分析4.2产业链分析4.3市场主要挑战4.4未来发展趋势5.1国际3D打印行业巨头5.2国内3D打印行业典型企业分析2021/5/92行业基本概况2021/5/93

1.1.概念3D打印技术，即快速成型（RP，RapidPrototyping）技术，是一种新型制造技术，与传统的切削加工不同，RP技术采用逐层材料累加法加工实体模型，故也称为增材技术制造（AM，

AdditiveManufacturing，也作

MIM，

MaterialIncreaseManufacturing）或分层制造技术（LMT，LayeredManufacturingTechnology）。3D打印技术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。2021/5/941.2.原理技术日常生活中使用的普通打印机可以打印电脑设计的平面物品，而所谓的3D打印机与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的打印材料是墨水和纸张，而3D打印机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”，是实实在在的原材料，打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把“打印材料”一层层叠加起来，最终把计算机上的蓝图变成实物。通俗地说，3D打印机是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备，比如打印一个机器人、打印玩具车，打印各种模型，甚至是食物等等。之所以通俗地称其为“打印机”是参照了普通打印机的技术原理，因为分层加工的过程与喷墨打印十分相似。这项打印技术称为3D立体打印技术。2021/5/951.2.原理技术图1-3D打印流程图

图2-堆积成型原理图2021/5/961.3.与传统制造业相比特点传统制造3D打印大量制造，以量制价小量生产，成本均一规格化定制化减法制造，产品设计受模具限制加法制造，能实现任何设计手工制造数字化制造劳动力密集脑力密集跨国企业在人力便宜之处设工厂跨国企业在各国市场所在地设工厂设计和生产线距离遥远设计即生产，随时回应市场需求2021/5/97

1.4.3D打印技术优势降低产品制造的复杂程度

与传统制造业通过模具、车铣等机械加工方式对原材料进行定型、切削以最终生产不同，3D打印将三维实体变为若干个二维平面，通过对材料处理并逐层叠加进行生产，大大降低了制造的复杂度。扩大了生产制造的范围这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、不需要庞大的机床、不需要众多的人力，直接从计算机图形数据中便可生成任何形状的零件，使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸，可以造出任何形状的物品。缩短生产制造的时间，提高效率用传统方法制造出一个模型通常需要数小时到数天，根据模型的尺寸以及复杂程度而定，而用三维打印的技术则可以将时间缩短为数个小时，当然其是由打印机的性能以及模型的尺寸和复杂程度而定的。减少产品制造的流程

实践了首件的净型成形，这样后期辅助加工量大大减少，避免了委外加工的数据泄密和时间跨度，尤其适合一些高保密性的行业，如军工、核电领域。即时生产且能够满足客户个性化需求3D打印机可以按需打印，即时生产减少了企业的实物库存，企业可以根据客户订单使用3D打印机制造出特别的或定制的产品满足客户需求。开发出更加丰富多彩的产品

传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受限于所使用的工具。3D打印机可以突破这些局限，开辟巨大的设计空间，甚至可以制作目前可能只存在于自然界的形状。提高原材料的利用效率与传统的金属制造技术相比，3D打印机制造金属时产生较少的副产品。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。提高产品的精确度扫描技术和3D打印技术将共同提高实体世界和数字世界之间形态转换的分辨率，我们可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件。2021/5/98

1.5.主要技术方法3D打印设备经过多年发展已经形成多种技术路线，若按照材料来分主要分为两类，一类金属材料增材制造工艺技术，包括激光选区融化(SLM)、激光近净成形（LENS）、电子束选区熔化（EBSM）、电子束熔丝沉（EBDM）等；第二类是非金属材料增材制造工艺技术，包括光固化成型（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、激光选区烧结（SLS）、三维立体打印（3DP）、材料喷射成型等。2021/5/99

1.5.主要技术方法

SLA光固化快速成形SLA，又称立体光刻、光成形等，是一种采用激光束逐点扫描液态光敏树脂使之固化的RP成形工艺。设备厂家：FormlabsOldWorldLabsASIGA3DSystemsStratasysVoxeljet日本CMET公司以色列Cubital公司应用：对样品形状及尺寸进行直观分析2021/5/910

1.5.主要技术方法

FDM溶融沉积成型FDM工艺由美国工程师ScottCrump于1988年研制成功，一般是热塑性材料，以丝状供料。材料在喷头内被加热融化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。设备产家：StratasysMakerbot太尔时代SolidoodleUltimaker3DSystemsBotObjects

应用实例：2021/5/911

1.5.主要技术方法

LENS激光溶覆快速制造技术，或激光近形制造技术=激光溶覆技术+快速原型技术，是由美国Sandia国家实验室的DavidKeicher发明的。1999年，LENS获得了美国工业界“最富创造力的25项技术”之一的称号。设备产家：美国Stratasys公司清华大学

应用：涡轮动力设备修复和改造高载荷、低转速、高精度、高合金零部件的修复和强化汽车覆盖件大型模具激光修复与强化矿山机械零件的激光强化与修复2021/5/912

1.5.主要技术方法3DP

3DP是美国麻省理工学院EmanualSachs等人研制的。E.M.Sschs于1989年申请了3DP专利，该专利是非成形材料微滴喷射成形范畴的核心专利之一。3DP工艺与SLS工艺类似，采用粉末材料成形，如陶瓷粉末，金属粉末。所不同的是材料粉末不是通过烧结连接起来的，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面“印刷”在材料粉末上面。用粘接剂粘接的零件强度较低，还须后处理。设备产家：Zcorporation公司EX-ONE公司

2021/5/9133D打印行业国家政策法规2021/5/9142.1.

《国家高技术研究发展计划》政策解读面向航空航天大型零件激光熔化成型装备研制及应用（国拨经费控制额不超过1000万元，前沿技术研究类）针对航空航天产品研制（试制）过程中单件、小批量需求，研制适合钛合金等难加工零件直接成型的大型零件激光熔化成型装备，台面2米×2米，制件精度控制在±1%以内，堆积效率达300cm3/h以上。制定相关工业技术标准，并在航空航天产品研制零部件制造中进行应用。面向复杂零部件模具制造的大型激光烧结成型装备研制及应用（国拨经费控制额不超过1000万元，前沿技术研究类）针对复杂零部件模具快速制造的需求，研制适合制造蜡模、蜡型、砂型制造，以及尼龙等塑料零件制造的大型激光烧结成型装备，台面2米×2米，制件精度控制在±0.1%以内，堆积效率达1000cm3/h以上。制定相关技术标准，并在汽车、模具等行业产品研制中得到应用。面向材料结构一体化复杂零部件高温高压扩散连接设备研制与应用（国拨经费控制额不超过1000万元，前沿技术类）针对结构复杂、性能要求高、连接难度大等复杂零部件加工的需求，研制材料结构一体化复杂零件高温高压扩散连接设备和工艺，工作加热区域尺寸Φ1000mm×1000mm以上，并在航空航天产品的研制中开展应用。基于3D打印制造技术的家电行业个性化定制关键技术研究及应用示范（国拨经费控制额不超过1000万元、企业牵头申报，应用开发与集成示范类）针对家电行业个性化定制迫切需求，结合以3D打印制造技术为核心的数字制造技术带来的制造变革，研究3D打印个性化零件设计技术、个性化定制模式、定制业务协同引擎、交互门户、运行平台等技术，开发个性化定制管理平台，并基于3D打印制造装备为终端用户提供个性化定制服务，在应用示范期内销售经济收入不少于

3000万元。2021/5/915该计划提出到2016年，初步建立较为完善的3D打印产业体系，整体技术水平保持与国际同步，在航空航天等直接制造领域达到国际先进水平，在国际市场上占有较大的市场份额。技术水平方面，部分工艺装备达到国际先进水平，初步掌握3D打印材料、工艺软件及关键零部件等重要环节的关键技术。应用方面，3D打印成为航空航天等高端装备制造及修复领域的重要技术手段，初步成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具。产业方面，3D打印产业销售收入实现快速增长，年均增长速度30%以上，形成2-3家具有较强国际竞争力的企业。支撑体系建设方面，成立行业协会，建立5到6家3D打印创新中心，形成较为完善的产业标准体系。2.2.

《国家增材制造产业发展推进计划》2021/5/9163D打印技术应用领域2021/5/9173D打印技术应用领域3D打印已在工业造型、机械制造、军事、建筑、影视、家电轻工、医学、考古、文化艺术、雕刻、首饰等领域都得到广泛应用。目前，3D打印技术主要应用汽车、航空航天、机械工业、电子消费品和医学领域。图—2012年、2014年全球3D打印应用情况

资料来源：WohlersReport2021/5/9183.1.生物医学由于3D打印具有个性化特点，医疗应用是目前最受关注的下游行业，具体包括细胞打印，组织工程支架和植入物，假体，手术器械，牙科等。细胞打印组织工程支架3D打印植入物3D打印人工耳蜗3D打印假肢烤瓷牙医用假体眼球医疗模型2021/5/9193.2.工业领域在工业领域，工业级3D打印机可以打印出汽车、航天等需要的零件，有效地规避了传统零部件研测高投入和长耗时的弊端。如汽车制造前期的零部件研发测试阶段，只是一个小批量生产过程，3D打印有着缩短开发周期、降低研发成本的快速成型要求，以便能够及时对关键的零部件进行可行性测验和调整，3D打印以一种成本有效的方式规避了传统零部件研测高投入和长耗时的弊端。3D打印汽车零部件3D打印汽车3D打印火箭喷射器的测试2021/5/9203.3.建筑业建筑业里，工程师和设计师们已经接受了用3D打印机打印的建筑模型，这种方法快速、成本低、环保，同时制作精美，完全合乎设计者的要求，同时又能节省大量材料。打印建筑所使用的原理与一般的3D打印机基本相同，不过原料却换成了水泥和玻璃纤维的混合物，而这种特殊的建筑材料还可回收利用，大大减轻了建筑废料造成的环境压力。3D打印建筑物3D打印别墅2021/5/9213.4.消费领域

随着桌面级3D打印机的销售量持续增长，许多小工具（如凳子、扳手、剪刀、椅子、台灯等线条简单的工具）、小玩具（模型或者任务玩偶等）甚至小零食都可以由3D打印机打印出来。3D打印首饰3D打印台灯3D打印玩具2021/5/922市场分析2021/5/9234.1.国内外市场分析3D打印技术诞生于上世纪80年代的美国，此后马上出现第一波小高潮，美国很快涌现出多家3D打印公司:1984年，CharlesHull开始研发3D打印技术，1986年，他自立门户，创办了世界上第一家3D打印技术公司(3DSystems公司也是目前3D市场领军者之一)，同年发布了第一款商用3D打印机。1988年，ScottCrump发明了FDM(热熔解积压成形成型)技术，并于1989年成立了现在的另一家3D打印上市公司Stratasys(NASDAO:SSYS，该公司在1992年卖出了第一台商用3D打印机。到了21世纪初，3D打印沉寂下来，许多人开始质疑这种技术的可靠性，当时只能做一些塑料模型，强度和精度都不高。直到2008年，开源3D打印项目【RepRap】发布“Darwin”,3D打印机制造进入新纪元;同年，Objet推出Connex500，让【多材料】3D打印成为可能。在欧美3D打印技术已经广泛应用。目前限制金属材料发展的主要的问题是其成形制造效率不高，每个小时大约只有100-3000克。技术起源2021/5/9244.1.国内外市场分析中国从1991年开始研究3D打印技术，当时的名称叫快速原型技术(RapidPrototyping，即开发样品之前的实物模型。2000年前后，这些工艺从试验室研究逐步向工程化、产品化转化。由于做出来的只是原型，而不是可以使用的产品，大多是抄袭，所以快速原型技术在中国工业领域普及得很慢，全国每年仅销售几十台快速原型设备，主要应用于职业技术培训、高校等教育领域。2000年以后，清华大学、华中科技大学、西安交大等高校继续研究3D打印技术。西安交大侧重于应用，做一些模具和航空航天的零部件；华中科技大学开发了不同的3D打印设备；清华大学把快速成形技术转移到企业一一殷华(后改为太尔时代)后，把研究重点放在了生物制造领域。在国家政策的大力支持下，我国的3D打印市场过去四年连续翻倍增长。2015年中国市场规模在78亿人民币左右。当前，我国从事3D打印业务的企业约有100家，产业基地以北京、青岛、西安、武汉、南京、成都与珠海为主。3D打印技术也有很大的突破，我国首台空间3D打印机已于2016年研制成功，而3D打印软骨、3D打印辅助医疗手术等技术也已有突破。2016年，全国增材制造标准化技术委员会在北京成立。国内发展2021/5/9254.1.国内外市场分析从2014年设备数量上看，美国目前各种3D打印设备的数量占全世界38.1%，而中国只有9.2%左右。国内3D打印行业在技术上存在瓶颈。材料的种类和性能受限制，特别是使用金属材料制造还存在问题；成形的效率需要进一步提高；在工艺的尺寸、精度和稳定性上迫切需要加强。产业化进程缓慢，市场需求不足；国内企业的收入结构单一，主要靠卖3D打印设备，而美国的公司是多元经营，设备、服务和材料基本各占销售收入的1/3。在全球3D模型制造技术的专利实力榜单上，美国3DSystems公司、日本松下公司和德国EOS公司遥遥领先。国内外差距2021/5/9264.1.国内外市场分析3D打印技术问世于20世纪80年代中期，经过三十年的发展，该技术已趋于成熟并初步形成规模化体系，全球3D综合竞争态势也呈现出“美国主导、欧洲协同发展、日本追随、中国后发”的基本格局。特别是2012年，美国率先将3D打印纳入发展工作计划之中，自此在全球迅速形成了3D打印技术热潮，3D打印技术的发展实现了质的飞跃。因而，2012年可称为“3D打印元年”。市场现状图-1993年至2014年全球增材制造行业市场收入情况图-2016年至2020年全球增材制造行业预测收入情况资料来源：WohlersReport2015资料来源：WohlersReport20152021/5/9274.1.国内外市场分析根据《WohlersReport2015》，从1988到2014年的27年间，全球一共销售了工业级增材制造设备79,502台。美国销售数量占比为38.1%，遥遥领先于其他国家，其次为日本，占比为9.3%，中国9.2%占据第三位，第四位为德国，销售数量占比为8.7%。而在《WohlersReport2013》，相同指标德国为9.4%，中国为8.7%，在短短两年间，中国销售的工业级增材制造设备取得飞速增长，超过德国跃居世界第三位。由于中国拥有巨大的市场容量和销售前景，未来3D打印设备的市场增长潜力巨大。市场现状图六从1988年至2014年全球工业级增材制造设备销售分部图资料来源：WohlersReport20152021/5/9284.1.国内外市场分析目前，我国3D打印行业得到了飞速的发展，过去四年连续翻倍增长，2015年中国市场规模在78亿人民币左右。设备、材料、软件等核心领域都能够不同程度实现自给，并在航空、建筑、科学研究、文化创意、工业、生物医学等领域得到应用。据机构预测，到2016年国内3D打印市场规模可到达100亿元，约为2012年的十倍，并成为全球最大的3D打印市场。但是，目前在国内缺乏核心技术、成熟的商业模式，以及市场的广泛应用。激光器、软件、材料等核心技术还依赖进口。市场现状图—2012年至2016年国内3D打印产值（单位：亿元）资料来源：国泰君安研究所2021/5/9294.2.3D打印产业链分析对于3D打印产业链的三个环节——上游耗材、中游打印设备、下游打印应用与服务来说，上游与中游都存在着较大的技术壁垒，下游相对来说切入的成本更低。随着工业设计对于金属模具的效率和精度要求的不断提升，越来越多的传统制造业企业找到其与3D打印技术的结合点，3D打印应用与服务或将迎来新一轮增长趋势。资料来源：国泰君安研究所2021/5/9304.3.市场主要挑战从中长期看来3D打印产业具有较为广阔的发展前景，但目前产业距离成熟阶段尚有较大距离，3D打印技术要进一步扩展其产业运用空间，仍面临着多方面的瓶颈和挑战：资料来源：国泰君安研究所2021/5/9314.3.未来发展趋势随着智能制造，控制技术，材料技术，信息技术等不断发展和提升，这些技术也被广泛地综合应用与制造工业，3D打印技术也将会被推向一个更加广阔的发展平台。未来，3D打印技术主要有以下发展趋势：材料越来越丰富新推出的大型3D打印机Objet1000已经支持打印140种材料，每次打印可同时利用其中的14种，但物种是多种多样的，只有更丰富更实用的材料才能让3D打印尽快的融入生产和生活。智能化目前，3D打印设备在软件功能、后处理、设计软件与生产控制软件的无缝对接等方面还有许多问题需要优化，精度会越来越高同时速度更快。实用性越来越高同时，随着3D打印技术越来越普遍地运用到服装、设计、生活生产当中，只有用户在使用过程中觉得简易上手，复杂程度低，才能使用户有更好的使用体验，这一技术越来越实用。家庭化，个人化，价格下降随着3D打印机的价格越来越亲民，3D打印会逐渐走进百姓生活，成为必不可少的家庭用品，并且可以根据个人需要，随时订制，3D打印让生活越来越方便。

2021/5/932国内外典型企业分析2021/5/9335.1.国际3D打印行业巨头全球3D打印产业中，1986年成立美国的3DSystems公司与1989年成立的美国的Stratasys公司已经成长为行业巨头，从全球销售收入看，2012年3DSystems和Stratasys各贡献了约占全球增材制造市场16%的市场份额，远超其他公司。2014年，3DSystems整体收入6.54亿美元，增速达27.3%，其中医疗服务领域的收入为1.29亿美元，较2013年增长了80.33%，且毛利高于其他业务。无独有偶，国际另一3D打印行业巨头Stratasys公司在体外医疗器械尤其是骨科和齿科领域也实现了扩张发展。

图-3Dsystems医疗服务领域收入占比数据来源：3DSystems、国泰君安证券研究2021/5/9345.2.国内3D打印行业典型企业分析杭州先临三维科技股份有限公司，是国内以三维数字化与3D打印产业为主营业务的第一股(新三板)，该公司成立于2004年，近7年复合增长率保持在35%以上。2015年实现1.9亿的营业收入，同比增长64.81%，净利润1183万，同比增长90%。先临三维图—2012至2015年先临三维营业收入（单位：万元）2021/5/9355.2.国内3D打印行业典型企业分析先临三维的业务涉及工业制造领域、教学创意消费领域、生物医疗领域等，主要包括三种模式：（1）、提供3D数字化与3D打印设备及3D打印材料；（2）、提供3D打印个性化快速定制、制造服务；（3）、提供3D数据内容、3D教材课程、3D创客培训等服务。先临三维2021/5/9365.2.国内3D打印行业典型企业分析北京太尔时代科技有限公司成立于2003年，是中国较早一批开始专门从事研发、生产和销售工业级和桌面级