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预见 2019:《中国 3D 打印产业全景图 谱》(附现状、格局、趋势等)

文| 朱茜

从 2011 年开始,全球开始掀起 3D 打印热潮,当前,3D 打印在航空航天、汽车、医疗健康等领域的市场应用已经 取得积极的进展,我国 3D 打印产业发展至今,呈现出不断 深化、不断扩大应用的态势。未来,随着政策以及技术的支持, 我国 3D 打印产业将会持续增长。前瞻产业研究院独家发布“预 见 2019:《中国 3D 打印产业全景图谱》”,一文带你看清 中国 3D 打印发展现状及趋势。

增材制造(Additive Manufacturing,AM)俗称 3D 打印, 融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术、以数字模型 文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金 属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、 喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的制造技术。相对于 传统的、对原材料去除、切削、组装的加工模式不同,是一 种“自下而上”通过材料累加的制造方法,从无到有。这使 得过去受到传统制造方式的约束,而无法实现的复杂结构件 制造变为可能。

自 1986 年,美国科学家 Charles Hull 获得 SLA 技术发 明专利,并成立全球首家增材制造公司 3D Systems 开始, 3D 打印产业拉开了帷幕。

表1 3D 打印产业全景

上游 中游 下游
3D 打印材料研发制造层 3D 打印设备研发制造层 应用领域
辅助运行层 基础配套层 3D 打印设备类型 应用场景
三维扫描仪 步进电机 熔融沉积 FDM 原型打印
控制软件 芯片 立体平板印刷 SLA 模具打印
建模软件 控制电路板 选择激光熔化 SLM 直接制造
切片软件 打印喷头 选择激光烧结 SLS 辅助医疗
  激光器 电子束熔化成形 EBM 缺损件修复
  振镜系统 数字光处理 DLP 辅助设计
打印材料层 选择性热烧结 SHS 个性化定制
钛合金 PVA 聚乙烯 醇 分层实体制造 LOM 生物打印
铝合金 尼龙材料   航空航天
钴铬合金 ABS 塑料   文化创意
不锈钢 PLA 聚乳酸   模具铸造
  光敏树脂   生物医疗
  生物材料   汽车领域

主要包含材料、研发制造及应用层生产工艺多样化

3D 打印是集材料、3D 打印设备研发以及下游应用的产 业。上游为3D打印材料研发制造层,包括辅助运行(三维扫描仪、控制软件等)、基础配套(步进电机、芯片等) 和打印材料(钛合金、金属粉、尼龙材料等)。中游为3D打印设备研发制造, 下游为应用领域,3D 打印主要应用场景于航空航天、模具铸造、生物医疗、 汽车领域等。

3D 打印设备主要分为桌面级和工 业级两种。桌面级是 3D 打印技术的初 级阶段和入门阶段,能够很直观地阐述 3D 打印技术的工艺原理。工业级的 3D 打印机主要分为快速原型制造和直接产 品制造两种。两者在打印精度、速度、 尺寸等各方面都有不同,其中,打印支 撑和打印实体可分参数打印的设计是区 分工业机和桌面机的最重要标志。

3D 打印存在着许多不同的技术。 它们的不同之处在于以可用的材料的方 式,并以不同层构建创建部件。3D 打 印常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材 料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、 镀银、镀金、橡胶类材料。

表2 打印按用途分类

桌面级 VS 工业级

  打印精度 打印速度 参数设计 打印尺寸 打印可靠性 自检测功能 应用领域
  桌面级 VS 工业 级 只有 FDM、 SLA 两种技术, 最小分辨率基本 在 0.3-0.6mm 之间 多采用 16 位、 32 位芯片,在 SLA 技术上扫描 速度最多为 1m/ s 打印支撑与打印 实体部分参数打 印   体积较少   打印成功率最高 只达到 70%   几乎无自动校正 和检测功能   教育、创客、简 单模型制作等
  工业级 采用伺服电机, 有效避免精度失 真 采用 64 位芯 片,SLA 技术 上扫描速度达 7m-15m/s 打印支撑和打印 实体分参数打印   体积较大,适合 规模化生产   打印成功率几乎 能做到 100% 所有机子均有自 动校正和检测功 能   航空、航天、汽 车制造、医疗等

由于我国近年才引入 3D 打印技术,与国外相比差距非常大,目前全球已经 发展至金属 3D 打印、高分子 3D 打印、 陶瓷 3D 打印以及生物 3D 打印技术, 我国则主要在层压、激光灯。不过近年 来我国生物 3D 打印技术不断获得突破, 推进了 3D 打印医疗器械、人工组织器 官的临床转化进程。

市场规模不断扩大 工业级产品 潜力较大

我国 3D 打印从 1988 年发展至今, 呈现出不断深化、不断扩大应用的态势。 2015 ~ 2017 年的 3 年间,中国 3D 打印产业规模实现了翻倍增长,年均增 速超过 25%。2017 年,中国 3D 打印 领域相关企业超过 500 家,产业规模已达 100 亿元,增速略微放缓至 25% 左右,但仍高于全球 4 个百分点。2018 年上半年,中国 3D 打印产业维持 25% 以上增速,2018 年整体规模有望达到 18.3 亿美元。

表3 打印技术汇总

类型 累积技术 基本材料
    热塑性塑
挤压 熔融沉积式(FDM) 料、共晶系 统金属、可 食用材料
线 电子束自由成形制造 (EBF) 几乎任何合 金
粒状 直接金属激光烧结 (DMLS) 几乎任何合金
  电子束熔化成型(SLM) 钛合金
  选择性激光熔化成型 (SLM) 钛合金、钴 铬合金、不 锈钢、铝
  选择性热烧结(SHS) 热塑性粉末
  选择性激光烧结(SLS) 热塑性塑 料、金属粉 末、陶瓷粉末
粉末层喷头3D打印 石膏 3D 打印(PP) 石膏
层压 分层实体制造(LOM) 纸、金属膜 塑料薄膜
光聚合 立体平板印刷(SLA) 光硬化树脂
  数字光处理(DLP) 光硬化树脂

3D 打印应用领域广泛,其在下游应用行业和具体用途领域的分布反映了这一技术具有的优势和特点,同时也反映 了这一技术的局限和在发展过程中尚需 完善的地方。3D 打印机需求量较大的 行业包括政府、航天和国防、医疗设备、 高科技、教育业以及制造业。目前,应 用领域排名前三的是工业机械、航空航 天和汽车,分别占市场份额的 20.0%、 16.6%  和 13.8%。

图1 2013 ~ 2018 年中国 3D 打印产业规模及增速(单位:亿美元)
图2 3D 打印产业应用行业占比(单位:%)
图 3 3D 打印应用领域排名前三

从 3D 打印机类型来看,2017 年, 国内桌面 3D 打印机出货量增长 27%, 其中约 95% 是个人或桌面打印机,工业级 3D 打印机出货量虽只增加了 5%。

但从销售收入来看,工业级 3D 打印机 占总收入的 80%。所以,虽然消费级设 备支撑了出货量,但工业级设备支撑了 整个行业的销售收入,未来工业级 3D 打印设备是行业收入增长的主力军。

品牌繁杂 国际品牌占较大份额

近几年来,我国 3D 打印市场呈现 出稳中向好的态势。因此,越来越多的 企业想要分这块大蛋糕,纷纷进入该领 域,目前中国所有 3D 打印相关企业中,约有 46.9% 是 2016 年以后进入 3D  打印市场的。当前中国市场的主流设备品 牌包括联泰、EOS、华曙、铂力特、 3D Systems、GE、Stratasys、惠普等, 多为国外品牌。

以环渤海、长三角、珠三角为核 心的空间发展格局已形成

从区域分布来看,我国 3D 打印产 业集聚态势明显,目前已基本形成以环 渤海、长三角、珠三角为核心,以中 西部部分地区为纽带的产业空间发展格局。

图 4 2018 年中国 3D 打印设备数量所属品牌占比情况(单位:%)
图5 2014 ~ 2018 年中国 3D 打印市场融资案例统计(单位:起)
图6 2010 ~ 2018 年中国 3D 打印产业相关专利申请量(单位:件)
关键装备和核心器件依赖进口 产业规模化程度较低
工业级增材制造装备与发达国家还有较大差距,关 键装备与核心部件严重依 赖进口。 国内规模最大企 业的年销售收入 仅 3 亿多元,不 到美国 Stratasys 公司年销售额的 7%。
应用推广有待加强 专用材料发展滞后
我国对 3D 打印技术认识 不足,创新应用能力有待 增强。 目前国内只开发 出钛合金、高强钢等十几种金属 和非金属材料。

其中,北京、浙江、陕西、湖北、广东等省份产业发展较快。目前,北京市从事 3D 打印技术研发、生产与服务的企业达 70 家以上,2017年实现销售 收入约6亿元。广东省从事3D业务的企业超过400家,实现产值超过30亿元。陕西省从事 3D 研发生产企业超过 70 家,2017 年营业收入达5亿多元。

技术不断进步 高校研发力较强

我国 3D 打印技术与国外相比虽仍 有较大差距,但随着产业的兴起,我国 以高校科研机构为主的 3D 技术研究不 断取得进步。2017 年中国 3D 打印相 关专利申请量达到 7402 件,其中华南 理工大学、西安交通大学分别排名第一 第二名。技术的进步让我国 3D 打印方 案不断落地,2019 年 1 月 11 日,中 国第一座使用 3D 打印技术制作的高分子材料观景桥正式亮相。未来,“3D 打印+”生态圈将会越来越完善。

资本市场逐渐趋向理性

近年来,随着市场监管趋严、行业去伪存真加速,以及一系列风险事件的发生,3D打印热度逐步降低,资本市 场对增材制造企业估值趋于理性。2016年中国3D 打印行业发生融资事件 14 起,2017 年增至 24 起,净增加10起。2018 年市场趋向冷静,全年融资事件26 起,金额普遍偏小,多集中于 3D 打 印设备制造领域。

发展问题犹存 探索脚步不停

我国 3D 打印产业虽然取得了长足 的发展,但发达国家还有较大差距,关 键技术滞后、关键装备与核心器件严重 依赖进口的问题依然较为突出。此外, 中国的专用材料发展滞后,目前国内只 开发出钛合金、高强钢等几十种金属, 材料成形品性能普遍不高。而行业领军 企业及巴斯夫等材料企业纷纷布局专用 材料领域,突破一批新型高分子复合材料、高性能合金材料、生物活性材料、陶瓷材料等专用材料。

且目前,中国 3D 打印尚未出现大 规模的市场应用,制约大规模产业化的 原因在于打印速度较慢,成本相对较高。 随着技术的进步,局部领域已经迈过了 使用的盈亏平衡点,未来数年,3D 打 印有望迎来至为关键的迸发期。

中国 3D 打印产业前景分析

产业将持续高速增长 预计未来十年,全球 3D 打印产业将仍处于高速增长期,据 IDC 预测, 2020 年全球增材制造产值将达 289 亿美元;而中国在不断突破技术壁垒的过程中,产业持续增长,进入大规模产业 化时期。

工业 3D 打印将成为主流方向

在航空航天、汽车、航海、核工业 以及医疗器械领域对金属 3D 打印的需 求旺盛,应用端呈现快速扩展趋势。

应用深度和广度持续扩展

未来,3D 打印技术的应用已经从 简单的概念模型向功能部件直接制造方 向发展。例如在生物医疗领域,3D 打 印从“非活体”打印逐步进阶到“活体” 打印。

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