作為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù)之一的3D打印棺玫，其獨特的設(shè)計方法與顛覆性的工藝技術(shù)正在制造業(yè)內(nèi)形成一股熱潮融乖，以飛快的發(fā)展速度占據(jù)著制造業(yè)市場奏炸，以3D打印為中心的原材料市場谒电、工業(yè)設(shè)計、軟件模擬芹菱、3D掃描冗呀、服務(wù)等正在蓬勃發(fā)展，形成以3D打印為中心的新產(chǎn)業(yè)集群膨桂。本文圍繞3D打印產(chǎn)業(yè)鏈溺瘩，介紹了3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈組成及市場發(fā)展概況锥惋，顛覆性的技術(shù)是否能動搖傳統(tǒng)制造業(yè)的根基昌腰，3D打印的未來所面臨的挑戰(zhàn)。

一膀跌、3D打印技術(shù)概況

3D打印技術(shù)遭商，也稱“增材制造”或“增量制造”。它是一種基于三維CAD模型數(shù)據(jù)捅伤，通過增加材料逐層制造劫流，是一種直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。它涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”和全生產(chǎn)周期的“快速制造”相關(guān)的所有打印工藝丛忆、技術(shù)祠汇、設(shè)備類別和應(yīng)用。

增材制造技術(shù)第一次出現(xiàn)于1980年熄诡，第一次應(yīng)用是在汽車的原型設(shè)計方面可很。通過研究者和企業(yè)近30年來的努力，3D打印技術(shù)已經(jīng)漸趨成熟凰浮，衍生出7種重要的子技術(shù)我抠，詳見圖1。3D打印的直接制造將成為技術(shù)發(fā)展史上重要的里程碑渡铲。

圖13D打印7種子技術(shù)原理示意圖 來源：EY

二钾独、3D打印產(chǎn)業(yè)鏈組成

1.3D打印生產(chǎn)制造商

3D打印制造商主要生產(chǎn)3D打印機和開發(fā)增材制造子技術(shù)号嵌。設(shè)備制造是3D市場最重要的組成部分，占據(jù)市場最大份額访跛。其中著名的生產(chǎn)制造商有斯川塔斯(Stratasys)捣雪、3Dsystems、EOS秩漾、ConceptLaser红骏、SLMSolutions、ExOne和Ultimaker凉陌。這些制造商除了生產(chǎn)3D打印配套設(shè)備外星茶，還提供相關(guān)軟件、材料埠浩、技術(shù)飒胜、咨詢和其他服務(wù)等。

3D打印設(shè)備制造商與與其它供應(yīng)商實現(xiàn)捆綁屠伴，包括軟件射严、材料和咨詢服務(wù)，可以更好地實現(xiàn)根據(jù)客戶需求為客戶定制管挟，包括設(shè)備和軟件等轿曙。

2.原材料供應(yīng)商

原材料供應(yīng)商提供3D打印所需原材料，其中涵蓋材料制備僻孝、材料熱處理和后續(xù)燒結(jié)工藝等各個方面导帝。材料的種類有高分子材料和金屬材料，其中金屬材料包括粉末和線材穿铆。

目前您单，高分子類原材料主要應(yīng)用于桌面級的3D打印機，而金屬類原材料主要應(yīng)用于工業(yè)級的3D打印荞雏。隨著3D打印應(yīng)用越來越工業(yè)化虐秦，金屬材料的3D打印將具有廣闊的前景。

3.3D打印軟件

3D打印機所用軟件主要還是來源于大型的軟件公司和一些特定的3D打印服務(wù)商凤优。例如悦陋，西門子（Siemens）公司在PLMNX軟件中新增用于3D打印模塊≈妫惠普（HP）公司的3D打印機使用的是Siemens公司的增材制造軟件俺驶。歐特克（Autodesk）、達索（DassaultSystemes）和奧多比（Adobe）公司也開始進入這個市場敏栽，3D打印服務(wù)商Materialise也開始為3D打印提供軟件方面解決方案去弹。

4.3D掃描/逆向工程

此類公司主要是將產(chǎn)品實物掃描錄入電腦使其成為3D打印設(shè)計模型，該項技術(shù)在建筑瓦轧、汽車和工程上被廣泛應(yīng)用毛溅。該技術(shù)的目的主要是用來測試和產(chǎn)品驗證袭澎，是3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的一部分。

5.產(chǎn)品服務(wù)商

3D打印服務(wù)商主要負(fù)責(zé)3D打印原型和產(chǎn)品的交付关灰，他們處于整個3D打印供應(yīng)鏈的中間位置鞭眠，既是產(chǎn)品供應(yīng)商的顧客，也為其他公司或個體提供3D打印產(chǎn)品犬岔。

二抑希、3D打印市場發(fā)展

Canalys預(yù)測，全球3D打印市場價值（包括原材料及服務(wù)）在2016年底將達到49億美元把赢，從2015年到2020年勤适，全球市場的年增長率預(yù)計為43.5%，達到224億美元钝尸。其中3D打印機的年增率預(yù)計為67.2%括享，到2020年將達到240萬臺，詳見圖2珍促。

圖23D打印設(shè)備年需求量 來源：Canalys

2015年铃辖，全球3D打印機供應(yīng)商總共售出18.2萬臺3D打印機，同比增長37%猪叙，其中娇斩，企業(yè)和個體的需求明顯增加。

研究人員估計穴翩，2016年3D打印市場將達到73億美元犬第，主要包括3D打印機、材料藏否、咨詢及服務(wù)瓶殃，從2012年到2014年充包，每年至少以30%的速度增長副签。

在市場份額方面，如圖3所示基矮，西方國家占到整個3D打印市場的2/3（68%）淆储，亞太地區(qū)僅占到27%。在行業(yè)方面熬慎，消費電子和汽車行業(yè)各自貢獻了3D打印總收入的20%恍像，這些行業(yè)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計。除此之外鳖建，手機制造商也逐漸使用3D技術(shù)制造產(chǎn)品零部件常携。醫(yī)療器械行業(yè)作為第3大3D打印市場，需求量正在迅速增長淌窄，他們使用3D打印技術(shù)大批量定制產(chǎn)品例如人體助聽器等础呈。

圖33D打印市場分布 來源：UPS

盡管增長顯著韭购，但3D市場的潛力還未完全開發(fā)。事實上矛枚，3D僅占到全球制造業(yè)市場的0.04%膜狈，其中僅有的幾家3D設(shè)備制造商占據(jù)3D打印市場很大份額。例如阴默，2015年缺沿，Stratasys、3DSystems和EOS三家公司市場份額占到整個3D打印市場的70%稚补；同樣童叠，3D打印服務(wù)商也是2家獨大：Materialise和ProtoLabs，市場份額占到10%课幕。圖4詳細展示了3D打印設(shè)備制造商和服務(wù)商市場份額分布情況拯钻。

圖43D打印設(shè)備制造商和服務(wù)商市場份額分布 來源：EY

目前3D打印應(yīng)用最大的市場在于零部件生產(chǎn)。在2003年撰豺，使用3D打印生產(chǎn)的零部件幾乎呈現(xiàn)零增長趨勢粪般，但截至2014年，3D零件生產(chǎn)已經(jīng)占到全球3D打印產(chǎn)品和服務(wù)收入的43%（約18億美元）污桦。

在零部件生產(chǎn)方面亩歹，如圖5所示，其中功能性零部件占據(jù)29%凡橱，原型設(shè)計占據(jù)10%小作，模具設(shè)計占到10%，成品組合占到18%稼钩。

圖53D打印零部件產(chǎn)品分類市場份額 來源：UPS

3D打印市場已經(jīng)越來越成熟顾稀，使用3D打印精簡了生產(chǎn)工藝過程，從而提高生產(chǎn)效率猛糯。對于公司來說陋沫，這無疑是一個巨大的機遇。

四轨府、3D打印VS傳統(tǒng)制造業(yè)

雖然3D打印發(fā)展迅猛岁之，但是并不是一刀切的解決方案，在高容量座序，標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用方面估宏，傳統(tǒng)制造業(yè)有著不可替代的優(yōu)勢。目前耗膊，3D打印的適用方面主要有：原型設(shè)計（25%）芙卸、產(chǎn)品開發(fā)（16%）、想法驗證（11%）八察，詳見圖6后摧。

圖63D打印優(yōu)勢及應(yīng)用范圍 來源：UPS

3D打印的優(yōu)勢在于：①加速定制產(chǎn)品的開發(fā)和交付沥萄；②提高庫存的靈活性，可以實現(xiàn)實時生產(chǎn)具有可變需求的產(chǎn)品玷秋；③小批量制造優(yōu)勢明顯冒窍；④在特定應(yīng)用開發(fā)方面，效率高豺鼻，成本低综液；⑤在新市場開拓方面，靈活性高儒飒。除此之外谬莹，3D打印也可以提高輕量化產(chǎn)品的品質(zhì)，使其更好的符合人體工學(xué)設(shè)計桩了，增加更多的設(shè)計自由度附帽。

然而，工藝穩(wěn)定性和重現(xiàn)性低對產(chǎn)品的質(zhì)量和耐久性產(chǎn)生極大的負(fù)面影響井誉。

最后蕉扮，對于傳統(tǒng)行業(yè)和3D打印，在不同的應(yīng)用方面颗圣，有著各自獨特的優(yōu)勢喳钟。因此，對于企業(yè)來說在岂，必須根據(jù)自身的需求和產(chǎn)品性質(zhì)去決定是否選擇3D打印或傳統(tǒng)制造奔则，圖7顯示了3D打印與傳統(tǒng)行業(yè)在不同方面的優(yōu)勢。

圖73D打印與傳統(tǒng)行業(yè)比較五滋箫、3D打印行業(yè)未來發(fā)展機遇

1.電子消費行業(yè)

3D打印已經(jīng)在新產(chǎn)品開發(fā)汹囱、產(chǎn)品概念設(shè)計和零部件原型制造等方面對電子消費行業(yè)產(chǎn)生積極的影響。例如箕径，大型消費電子公司使用3D打印將產(chǎn)品設(shè)計驗證時間從一周縮短至一天陡料，顯著提高產(chǎn)品的設(shè)計完成效率，并通過3D打印短時間內(nèi)創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品胎拥。大型電腦配件公司使用3D打印技術(shù)誓享，僅僅8個月就可以實現(xiàn)盈利。

在未來角术，下一個3D打印機遇將出現(xiàn)在手機行業(yè)，它將占到整個電子消費市場的35%疚函，當(dāng)先進的材料和制造技術(shù)成熟之后持结，智能手機制造商將逐漸從原型設(shè)計轉(zhuǎn)向3D打印產(chǎn)品。

2.汽車行業(yè)

汽車行業(yè)最早將3D打印實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用枕厅。今天惋粟，汽車生產(chǎn)制造商主要將該技術(shù)用于原型設(shè)計犁柜，而在零部件生產(chǎn)方面，并沒有大規(guī)模使用3D打印技術(shù)堂淡，主要是因為3D打印尺寸限制馋缅，目前還不能很好實現(xiàn)大型零部件的直接打印。但是绢淀，在其他方面萤悴，3D打印為汽車行業(yè)帶來了便利。例如皆的，縮短了汽車發(fā)動機原型件生產(chǎn)周期覆履，使用3D打印展示產(chǎn)品的概念原型、預(yù)生產(chǎn)原型和最終產(chǎn)品模型费薄。

汽車使用零部件更便宜硝全、更輕、制造更快速將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)楞抡，這為3D打印在汽車行業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的前景伟众。

六、3D打印未來發(fā)展方向

1.更快的生產(chǎn)速度

未來召廷，在整個產(chǎn)品供應(yīng)鏈上赂鲤，3D打印的前景廣闊，預(yù)計到2023年京思，3D打印的平均生產(chǎn)速度有望提高88%涛闺，此外，隨著打印速度的提高须涕，打印尺寸及容量也很有可能隨之提高征离。

2.新型的3D打印材料

3D打印新型復(fù)合材料，以及改進的現(xiàn)有材料肚让，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的3D打印應(yīng)用引继，也有助于降低產(chǎn)品價格。在這方面级嘀，金屬材料的3D打印需求將快速增長广莉。

2015年，Stratasys公司調(diào)查報告顯示胖讶，金屬材料3D打印預(yù)計增長速度快于塑料德检，其中84%的受訪者表示希望看到金屬材料3D打印在未來的進一步發(fā)展（圖8）。

3.先進的打印技術(shù)和增材制造能力

隨著裝備制造能力的發(fā)展斯娃，將促進3D打印技術(shù)及增材制造能力提高澎灸，進一步擴大3D打印應(yīng)用范圍。

圖83D打印用材料未來發(fā)展趨勢 來源：UPS

七、3D打印未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

雖然3D打印技術(shù)目前能滿足創(chuàng)新發(fā)展的需要性昭，但其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問題還未完全解決拦止。在打印過程中，模型掃描和運動捕捉工具需要多方面技術(shù)來支撐糜颠，例如模型收集裝置和軟件汹族、模擬技術(shù)、計算機圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等其兴，這些技術(shù)還未與3D打印實現(xiàn)完美結(jié)合顶瞒。如果沒有這些技術(shù)應(yīng)用，3D打印將會停留在原型設(shè)計層面忌警。因此搁拙，企業(yè)在使用3D打印的同時，也應(yīng)注重這些支撐技術(shù)的研究投入法绵，以提高3D打印產(chǎn)品的研究箕速、生產(chǎn)及實際應(yīng)用效率。

相關(guān)的工業(yè)設(shè)計和藝術(shù)設(shè)計與智能制造對3D打印的影響已經(jīng)不能忽視熏萎。對于軟件行業(yè)茵箩，隨著圖形軟件的日益發(fā)展，3D打印促使模型設(shè)計者成為行業(yè)主流吃会，促使產(chǎn)品造型行業(yè)位于整個3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的上游脾询。

3D打印在發(fā)展的過程中需要共享這些工業(yè)資源、服務(wù)和完整的行業(yè)鏈條炊办，以促進整個產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展斧枚。

我國3D打印產(chǎn)業(yè)在國際上已經(jīng)有了立足之地，但是創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)的長遠發(fā)展除了技術(shù)競爭外何哎，還取決于國家大環(huán)境的影響稽舱。國內(nèi)3D打印行業(yè)在商業(yè)化過程中發(fā)展仍相對較慢，而且完整的產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成拳笨，在迅速發(fā)展的過程中趋大，仍然暴露出很多問題，這迫切需要國家的政策和財政支持咏肠。

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