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3D打印，又稱增材制造，作為一種制造技術，背后映射的是先進制造業的發展和沿革。最早3D打印一詞的出現可追溯到二十世紀五十年代，直到1988年，麻省理工學院Ely Sachs教授和其同事研發出binder jetting prototype(粘合劑噴射原型)并給出3D Printing的命名。因此，“3D打印”一詞最初指的是binder jetting，即指用噴墨打印頭層層堆疊，將粘合劑材料沉積到粉末床上的過程。如今，全球技術標準使用官方術語“增材制造/Additive Manufacturing， AM"；來指代更廣泛的增材制造技術^[1]。3D 打?。?D Printing），即增材制造技術，是快速成型技術的一種。以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積粘結，最終疊加成型，制造出實體產品。3D打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿知識，具有較高的科技含量。

根據Wohlers Associates Inc發布的2019年3D打印下游應用行業統計顯示，汽車工業占比最大，為16.4%；消費電子以及航空航天以15.4%和14.7%占據第二、第三位。根據下游領域制件品的特性，金屬、復合材料需求空間大，有望成為3D打印材料的“引爆點”

3D打印技術根據其技術難度可分為工業級3D打印技術和非工業級3D打印技術兩種。

(一)工業級3D打印技術

工業級3D打印技術包括金屬3D打印和非金屬3D打印。工業級3D打印技術制作精度高、材料多樣、適合新品的研發及生產。工業級3D打印材料包括塑料、尼龍、沙土、金屬等，較領先的工業級3D打印技術可以實現10-20微米層厚的打印需求。工業級3D打印設備成本高且技術難度較大。工業級3D打印對于資金、人才、經驗等方面的要求高，其使用者通常為資金實力雄厚的企業，工業級3D打印技術主要有：

(1)選擇性激光燒結——SLS：激光能量讓粉末產生高溫和相鄰粉末燒結在一起，可以用作直接快速制造最終產品進行使用，后期處理比較復雜，對設備和操作人員的要求都比較高

(2)高分子噴射技術——Polyjet：目前最先進的3D打印技術之一，成品工件精度高，支持多種不同材料同時成型，支持彩色3D打印

(3)立體平板印刷——SLA：精度光潔度較高，但材料較脆，單色打印，運行成本較高，后期處理復雜，對操作人員技術有較高要求，適合驗證裝配設計研發過程中使用

(4)電子束融化成型——EBM：在SLM技術基礎上，使用電子束代替激光束作為能源，可以用作直接快速制造最終產品，打印精度上略遜于SLS技術

(5)選擇性激光熔化成型——SLM：在SLS技術基礎上改進，使用單一金屬粉末成型，可以用作直接快速制造最終產品進行使用，后期處理比較復雜，對設備和操作人員要求此較高

(二)非工業級3D打印技術

非工業級3D打印技術應用非工業級3D打印技術的產品制作精度較低，材料使用種類有限，適合于初步設備模型的制作。相較于工業級3D打印技術，非工業級桌面3D打印設備制造的成品較粗糙，產品打印層厚精度僅維持在0.1-0.5毫米，較難實現非常精細的制作，但其成品可作為個人或公司的產品初期設計。非工業級3D打印材料較單一，主要以塑料材料為主，在生產過程中可使用的材料有限。但非工業級3D打印設備成本及技術門檻較低，且操作簡便，經濟實力較弱的企業及個人使用者接受度較高^[2]。

與傳統制造技術(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，也不必通過復雜的鍛造工藝就可以得到最終產品，具有“去模具、減廢料、降庫存”的特點。在生產上可以優化結構、節約材料和節省能源，極大地提升了制造效率。該技術適用于新產品開發、快速單件及小批量零件制造、復雜形狀零件的制造、模具的設計與制造等，同時也適用于難加工材料的制造、外形設計檢查、裝配檢驗和快速反求工程。3D打印另一個顯著的優點是，區別于傳統加工技術理念“制造引導設計”，其可以實現“設計引導制造”，完全實現創意驅動，制造出符合特定消費者需求的產品^[3]。

(1)加工原理：傳統制造工藝將原材料固定在設備上，使用工具減少或者去除原材料從而成型。例如：車削、銑削?；蛘咴O計模具，澆鑄材料成型。3D打印對打印的模型進行數字化設計、模型切片、逐層疊加材料。例如：選擇項激光燒結，選擇性激光熔融

(2)材料：傳統制造工藝切割的過程產生大量廢料，不完整的余料價值折損，材料利用率低。3D打印根據模型切片形狀一層層添加材料。按需耗材，節約材料。

(3)模具；傳統制造工藝模具設計耗費大量時間，且有模具失敗重新設計的耗時風險；3D打印不需要傳統的刀具、夾具、機床或任何模具和支撐結構，節約時間

(4)制件結構：傳統工藝整體制造是采用螺栓連接和鉚接。拼接結構接縫多，零件多，裝配復雜。3D打印整體結構直接成件，減少零件數量、降低結構重量，接縫少，密封性好。裝配簡單，提高生產效率。

(5)制件性能：傳統制造工藝部件從夾具上取下后，易變形彎曲。3D打印直接成型，不存在部件彎曲變形的問題

(6)產品設計：傳統制造工藝制造引導設計，根據工藝切割、模型制作的可行性進行產品設計。3D打印設計引導制造，可進行大膽進行曲面、腔型設計，不用考慮工藝切割、模型制作難易程度。

(7)零件修復：傳統制造工藝重新測量適配尺寸，制造新零件并替換；3D打印在損壞件基礎上添加材料進行修補

(1)縮短產品研發與迭代周期。3D打印由模型直接成形，可以極大的降低產品研制周期，節約昂貴的模具費用，提高產品研發迭代速度。

(2)一體化高效成形復雜結構。3D打印原理為用二維截面疊加制造三維幾何體，可制造傳統精密加工難以制造的復雜結構件，保持產品質量的同時提高良率。通過重新設計優化復雜部件結構使其變為簡單結構，大幅降低重量。

(3)高材料利用率。與傳統精密加工技術相比，金屬3D打印技術可節約大量材料，特別是對較為昂貴的金屬材料而言，可節約較大的成本。

(4)實現優良力學性能。以金屬3D打印為例，其成形后內部冶金質量均勻致密，無其他冶金缺陷，同時材料內部組織為細小亞結構，成形零件可在不損失塑性的情況下使強度得到較大提高^[4]。

3D打印所使用的材料均針對3D打印設備專門研發，其形態為粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等等，與普通材料有所區別。以粉末狀打印材料為例，根據打印環境的不同，其粒徑一般為1-100μm不等，且一般要求粉末有高球形度。

(1)ABS塑料：ABS(Acrylonitrile–Butadiene–StyreneCopolymer)為使用最廣泛非通用塑料之一，它將丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的性能結合起來，具備耐沖擊、耐高低溫、耐化學藥品、無毒無味的特性，此外，其易加工、可二次加工。

(2)PLA塑料：PLA(Polylactic-Acid)是一種新型的生物降解材料，使用可再生的植物資源(如紅薯、玉米)所煉出的淀粉原料制成。其相容性、可降解性、物理性能、光澤性與抗拉強度良好，適用于各種加工方法，尤其是吹塑與熱塑

(3)金屬材料：3D打印所使用的金屬粉末與一般金屬不同，要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，應用于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。其中鈦合金強度高、模量低、耐疲勞性強，廣泛應用于航空航天與生物醫學。

(4)陶瓷材料：陶瓷材料具有硬度高、密度低、耐高溫、耐腐蝕等特性，廣泛用于航空航天、汽車、生物醫療等行業。陶瓷顆粒越小，表面越接近球形，陶瓷層的燒結質量越好。由于目前工藝的局限，復雜的陶瓷打印所需模具復雜、成型困難、成本高，難以廣泛應用。

(5)工程塑料：工程塑料(Engineering-Plastics)是指被用做工業零件或外殼材料的工業用塑料，耐熱性、耐沖擊性、抗老化性與機械性能良好，主要用于工業。主要品種有：聚酰胺(尼龍)，聚苯硫醚，聚碳酸酯，聚甲醛，PBT，聚苯醚。

(6)光敏樹脂：光敏樹脂是由高分子組成的膠狀物質，由于粘度低、固化收縮小速率快程度高、溶脹小、光敏感性高等特性，成型后產品外觀平滑，呈現出透明至半透明的磨砂狀。常見的光敏樹脂有somosNEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環氧樹脂。

(7)橡膠類材料：橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特性，其硬度低、斷裂伸長率高、抗撕裂強度大、拉伸強度大，非常適合應用于要求防滑或柔軟表面的領域。3D打印的橡膠類材料產品主要有消費類電子產品、醫療設備以及汽車內飾、輪胎、墊片等。

(8)復合型石膏粉末：這是一種全彩色的打印材料，具有易碎、堅固、色彩清晰的特點，成型后外表會出現細微的顆粒效果，外觀很像巖石，在表面曲面會出現環狀紋理。

(9)藍蠟和紅蠟：采用多噴嘴立體打印技術(MJM)，表面光滑，多用于制造蠟模，利用失蠟鑄造的原理，用于精密鑄造。在珠寶、服飾、醫療、雕塑、藝術等領域廣泛應用。

(10)其他材料：細胞材料，在實驗室培養出細胞介質，以水基溶膠為粘合劑；食品材料，加熱為膠狀的砂糖等^[5]。

增材制造經過30余年的發展，已經形成了一條完整的產業鏈。上游涵蓋激光器、振鏡、三維掃描設備、3D打印軟件、粉末原材料等，中游以3D打印設備生產廠商為主，部分也同時提供打印服務及原材料供應，在整個產業鏈中占據主導地位，下游行業應用已覆蓋航天航空、汽車工業、船舶制造、能源動力、軌道交通、電子工業、模具制造、醫療健康、文化創意、建筑等各領域。

1892年：美國專利局登記一項層合法專利技術，該專利主要用于三維地圖模型的制作，是3D打印思想的起源

1986年：美國發明家Charles Hull， 開發了第一臺商業3D印刷機，開始注冊“3DSystems”打印公司，并發明了光固化成形技術

1988年：美國學者Dr.Scott Cromp發明出熔融沉積成型技術，該技術首先將各種熱熔性材料進行融化，然后在對其進行打印成型，但該技術只能用于產品概念模型的制作

1993年：麻省理工學院獲3D印刷技術專利

1989年：美國得克薩斯大學開發出選擇性激光燒結技術，該技術適用范圍廣泛，可以將尼龍、塑料、金屬和陶瓷等作為原材料，進行多種產品的打印生產

1995年：美國ZCorp公司從麻省理工學院獲得唯一授權并開始開發3D打印機

1999年：我國3D打印產業開始起步

2005年：市場上首個高清晰彩色3D打印機SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功

2010年11月：美國JimKor團隊打造出世界上第一輛由3D打印機打印而成的汽車Urbee問世

2011年7月：英國研究人員開發出世界上第一臺3D巧克力打印機

2011年8月：南安普敦大學的工程師們開發出世界上第一架3D打印的飛機2012年11月：蘇格蘭科學家利用人體細胞首次用3D打印機打印出人造肝臟組織

2013年10月：全球首次成功拍賣一款名為“ONO之神”的3D打印藝術品

2013年11月：美國德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司“固體概念”(SolidConcepts)設計制造出3D打印金屬手槍

2015年7月：首座3D打印搭建房現身西安，3小時建二層別墅

2016年：中科院成功研制中國首臺空間3D打印機，并且完成了拋物線失重飛行試驗

2017年：匹克體育發布了旗下首款3D打印跑鞋，也是首款在中國上市銷售的3D打印跑鞋

2018年：中國航天科技集團有限公司采用3D打印技術研制的多個復雜形狀鋁合金結構件隨嫦娥四號抵達地月L2點的Halo使命軌道，標志著航天科技3D打印產品首次實現在軌應用

(1)飛爾康

致力于生產航空航天、醫療器械、海洋船舶等行業用高品質零部件的研發生產和銷售。已經布局國內外先進的金屬增材制造3D打印設備50臺(有多臺設備已經有合同)，并計劃在2022到2023年內再投入一倍的設備來產業化生產，屆時金屬3D打印機將達100臺。

(2)鑫精合

精合集團已經下設沈陽精合數控科技開發有限公司、天津鐳明激光科技有限公司、西安鑫精合智能制造有限公司、濰坊鑫精合智能裝備有限公司等子公司，服務的領域也從單純的軍品機加工、金屬3D打印服務業務擴展到了金屬3D打印混合制造、金屬3D打印裝備制造等多個方向?，F擁有120余臺金屬增材設備。

(3)頂維科技

針對3D打印技術的專業工業互聯網平臺。通過自主研發增材制造工業互聯網系統接入自主研發約120臺超大型金屬3D打印設備，將于2021年底建成可實時反饋、可智能控制、可完全追溯的分布式航天增材制造生態。

(4)鋼研極光

中國鋼研科技集團有限公司控股子公司，專注于航空航天及民用合金零件的增材制造業務。鋼研極光總投資10億元，將分兩期進行，五年內完成投資。一期租賃廠房約5800平方米，設備投資2億元，2022年底完成全部投資；二期設備投資5億元。2025年前，3D打印設備裝機量將達到150-200臺，完成重點產品批量生產。

(5)安德瑞源

成立于2017年，安世亞太旗下公司，是一家集增材制造工藝、設計、研發、生產、服務的專業化創新型公司?，F有金屬3D打印機20臺，同時制造部門正在加緊生產，2021年底將完成70臺金屬打印機的部署，2022年中，達成120臺的部署，用做金屬3D打印服務業務。

(6)雷佳增材科技

自2017年成立以來銷售出貨超120臺金屬3D打印機，主要服務領域有汽車工業、航空航天、模具、生物醫療、科研等。已經安裝運行SLM金屬3D打印設備35臺以上。

(7)中科煜宸

可提供大尺寸(成形尺寸4500*4500*1500MM)的送粉式金屬3D打印機，已為航空航天、冶金機械、模具制造、科研院校等領域的終端客戶提供了100余臺智能金屬激光增材制造裝備。目前擁有大型同軸送粉3D打印設備10余臺，精密激光選區融化打印設備4臺，大型空氣熱處理爐、小型真空熱處理爐若干，同時配套有材料金相檢測中心、數控機加工中心等，可為客戶提供全流程的金屬3D打印加工服務。

(8)愛康醫療

人工關節市場份額占有量最大的國產企業，公司2020年總收入超10億元，其中3D打印產品收入1.26億，占總收入比重約12%。目前愛康醫療擁有超過15臺電子束金屬3D打印機，已逐漸形成生產規模，能夠有效面對集采后規?；漠a品需求，在3D打印骨科市場上一騎絕塵。

參考資料：

[1] CB InsightsCHINA-3D打印行業：3D打印全球企業資源圖譜百億美金市場現狀梳理(23頁).pdf

[2] 頭豹研究院2019年中國3D打印行業研究報告31頁.pdf

[3] 3D打印有望從導入期進入快速成長期57頁.pdf

[4] 鉑力特-首次覆蓋報告：金屬3D打印龍頭航空航天“鑄劍人”-210905(39頁).pdf

[5] 2018年3D打印研究報告61頁.pdf

相關報告：

波士頓咨詢（BCG）：2021年3D打印技術前景展望（英文版）（21頁）.pdf

【公司研究】2020年鉑力特構建完善的3D打印產業鏈企業深度研究報告（36頁）.pdf

【公司研究】鉑力特-深度報告：3D打印龍頭“設備+產品+原材料”產業鏈各環節接力放量-20200916（26頁）.pdf

世界經濟論壇（WEF）：2022年增材制造業前景展望白皮書（英文版）（23頁）.pdf