增材制造又稱“3D 打印”，是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(tǒng)，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黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。與傳統(tǒng)制造業(yè)通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產成品不同，3D 打印將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產，大大降低了制造的復雜度。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件，使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。

    一、發(fā)展歷程

    增材制造技術起源于美國。1940 年，Perera 提出了切割硬紙板并逐層粘結成三維地形圖的方法，直到 20 世紀 80 年代末，3D 打印制造技術實現了根本性發(fā)展。1988年美國科學家 Hull 獲得光固化技術的發(fā)明專利，并成立了全球首家增材制造公司3D Systems。21 世紀開始，隨著工藝、材料和裝備的日益成熟，增材制造技術的應用范圍由模型和原型制造進入產品快速制造階段，在航空航天等高端制造領域得到規(guī)模應用。

國外增材制造技術的發(fā)展歷程

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    二、現狀

    1、應用

    國內高校和企業(yè)通過科研開發(fā)和設備產業(yè)化改變了增材制造設備早期仰賴進口的局面。我國也逐漸建立起 20 多個增材制造設備服務中心，設備用戶遍布醫(yī)療、航空航天、汽車、軍工等行業(yè)。但是增材制造技術仍處于發(fā)展之中，其成熟度還遠不如金屬切削、鑄、鍛、焊、粉末冶金等制造技術。

    增材制造技術是綜合多學科的新技術，其在大型復雜構件和高價值材料產品等制造中具有成本、效率、質量諸多優(yōu)勢。

    縮短研發(fā)周期：制造速度快，成形后的近形件僅需少量后續(xù)機加工，可以顯著縮短零部件的生產周期，滿足快速響應要求。

    復雜結構得以實現 ：能輕松實現復雜結構件的制造，同時還能實現單一零件中材料成分的實時連續(xù)變化，使零部件的不同部位具有不同的成分和性能，是制造異質材料的最佳工藝，大幅提升了設計和創(chuàng)新能力。

    滿足輕量化需求，減少應力集中 ，增加使用壽命 ：優(yōu)化復雜零部件的結構，在保證性能的前提下，將復雜結構經變換重新設計成簡單結構，從而起到減輕重量的效果。而且通過優(yōu)化零件結構，能使零件的應力呈現出最合理化的分布，減少疲勞裂紋產生的危險，從而增加使用壽命。

    提升零部件的強度和耐用性 ：金屬增材制造技術能方便地加工高熔點、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工材料。金屬零件直接成形時的快速凝固特征可提高零件的機械性能和耐腐蝕性能。

    具有較高的設計自由度：可以構建出其它制造工藝所不能實現的形狀，可以從純粹考慮功能性的方面來設計部件，且無需考慮與制造相關的限制。

    小批量生產的經濟性高：無需生產或裝配硬模具，且裝夾過程用時較短，因此不存在需要通過大批量生產才能抵消的典型的生產成本。

    提高材料利用率 ：是凈成形水平最高的工藝，其后續(xù)機加工所必須切削掉的材料數量是很微量的。

    能減少裝配次數：通過增材制造所構建的復雜形狀可以一體成形，能省去投入到裝配工序的工作量、需涉及的堅固件、釬焊或焊接工序，還節(jié)省了為裝配操作而添加的多余表面形狀和材料，大大提升了生產效率。

增材制造主要應用領域

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    在國外，增材制造技術已經在火箭發(fā)動機噴嘴、飛機復雜結構件、航空發(fā)動機復雜構件等武器裝備產品研制中獲得應用，并且開始由研究開發(fā)階段向工程化應用階段邁進。金屬三維打印材料的應用領域相當廣泛，如石化工程、航空航天、汽車制造、注塑模具等。這項技術已被應用于多個行業(yè)領域，并且發(fā)揮著越來越重要的作用。

    即使已經過較長時間的發(fā)展，增材制造技術還面臨一些困難和挑戰(zhàn)等待全世界的學者去克服。首先，增材制造技術的工業(yè)標準需要被系統(tǒng)建立。生產過程需要有清晰的指導和參數設置，以便使生產出的產品具有穩(wěn)定的性能表現。其次，可用的材料和產品的尺寸需要被進一步擴大。這項困難在航空航天行業(yè)表現的尤為突出，因為它所使用的材料通常需要能夠耐住極高溫和極低溫的考驗。最后，對于增材制造技術產品的機械性能需要繼續(xù)深入研究。即使對于增材制造技術所生產的產品的機械性能研究從未停止，但在疲勞性能、殘余應力和斷裂韌性方面還有較大的空白。

    2、 產業(yè)鏈

    增材制造打印產業(yè)鏈上游主要包括 3D 建模工具和原材料。其中，3D 建模工具包括 3D 建模軟件、3D 建模掃描儀和 3D 模型數據平臺。與此相對應，聚集在產業(yè)鏈上游企業(yè)包括三維軟件開發(fā)商以及耗材生產商等。增材制造原材料主要包括金屬增材制造材料、無機非金屬增材制造材料、有機高分子增材制造材料以及生物增材制造材料等幾類。

增材制造材料的類別和應用領域

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    增材制造設備是牽動增材制造行業(yè)發(fā)展的關鍵之一。增材制造設備可分為桌面級打印機和工業(yè)打印機。近年來隨著國外桌面級打印機相關專利保護到期，技術壁壘下降，國內桌面級打印機廠家數量急劇增長，新進企業(yè)增多，加大了國內桌面級增材制造市場的競爭程度。與桌面級打印機市場相比，工業(yè)級打印機技術壁壘高，資本投入大，一直以來發(fā)展較為緩慢，但當前工業(yè)級增材制造產業(yè)受到國家政策大力支持，整個市場目前已開始呈現快速增長形勢。增材制造的核心專利大多被設備廠商掌握，因此在整個產業(yè)鏈中占據主導地位，這些設備生產廠商大多亦提供打印服務業(yè)務。近年來，增材制造行業(yè)整合加劇，通過并購增材制造打印軟件公司、材料公司、服務提供商等，設備生產企業(yè)轉變?yōu)榫C合方案提供商，加強了對產業(yè)鏈的整體掌控能力。

    增材制造技術的下游應用以航空航天、軍工、船舶工業(yè)、核工業(yè)、汽車工業(yè)、軌道交通及醫(yī)療為主。目前該技術在下游行業(yè)的應用方式主要分為直接制造、設計驗證和原型制造。直接制造是根據三維模型，直接用增材制造技術生產最終產品，具有產品定制性強與產品精度/硬度高的特點，是未來增材制造技術的主要發(fā)展趨勢。與傳統(tǒng)制造相比，采用增材制造技術進行設計驗證及原型制造可節(jié)約時間與經濟成本。此外，增材制造在維修領域也具有市場，使用增材制造技術不僅能簡化維修程序，還可實現傳統(tǒng)工藝無法實現的高還原度與制造材料原型匹配的功能。

    三、格局

    全球增材制造產業(yè)已基本形成了美、歐等發(fā)達國家和地區(qū)主導，亞洲國家和地區(qū)后起追趕的發(fā)展態(tài)勢。美國率先將增材制造產業(yè)上升到國家戰(zhàn)略發(fā)展高度，引領技術創(chuàng)新和產業(yè)化。歐盟及成員國注重發(fā)展金屬增材制造技術，產業(yè)發(fā)展和技術應用走在世界前列。俄羅斯憑借在激光領域的技術優(yōu)勢，積極發(fā)展激光增材制造技術研究和應用。日本全力振興增材制造產業(yè)，借助增材制造技術重塑制造業(yè)國際競爭力。

    1、國內高校

    （1） 西北工業(yè)大學金屬高性能增材制造重點實驗室

    金屬高性能增材制造與創(chuàng)新設計工業(yè)和信息化部重點實驗室于 2015 年獲得工業(yè)和信息化部認定，是西北工業(yè)大學首批獲得工業(yè)和信息化部認定的三個重點實驗室之一。實驗室以金屬構件的高性能增材制造技術與結構功能一體化創(chuàng)新設計技術為研究對象，提升我國金屬高性能增材制造技術及其相關自主創(chuàng)新能力，發(fā)展創(chuàng)新設計與金屬高性能增材制造的科學原理和先進技術，培養(yǎng)大批具備增材制造新理念、新知識和新技能的設計師、工程師和管理者，推動金屬高性能增材制造技術在航空、航天、航海、能源等行業(yè)的更廣泛應用。

    實驗室現有支撐學科為材料科學與工程和航空宇航科學與技術兩個一級學科國家重點學科，以及控制理論與控制工程和計算機應用技術兩個二級學科國家重點學科?，F任實驗室主任為林鑫教授，學術委員會主任為中國工程院院士盧秉恒教授。實驗室圍繞兩個研究方向，設置了 8 個研究團隊，其中載能束增材制造團隊的帶頭人黃衛(wèi)東即是鉑力特公司的董事、首席科學家。

    （2）清華大學生物制造 與快速成形技術北京市重點實驗室

    生物制造與快速成形技術是機械工程與生物、醫(yī)學及材料科學的新興交叉領域。實驗室自 1990 年代初開始進行快速原型技術的探索和開發(fā)，先后開發(fā)了分層實體制造（SSM）、熔融擠出制造（MEM）、無模鑄型制造（PCM）、冷凍冰成形（FIC）、多功能快速成形系統(tǒng)（M-RPMS）。2000 年后，實驗室開始了金屬材料和生物材料及細胞的增材制造（3D 打?。┘夹g研究，開發(fā)了電子束選區(qū)熔化制造（EBSM）、低溫沉積制造（LDM）和三維細胞受控組裝（3DCCA）等增材制造和生物三維打印技術與裝備。

    2014 年實驗室在世界上首次用三維打印方式構建出體外三維腫瘤模型，BBC 也為此進行了采訪，并做了特別報道。此外，實驗室還在異質多細胞打印、細胞芯片3D 打印制造、體外生命系統(tǒng)構建、電子束復合增材制造、增材制造多尺度多物理場計算模擬等前沿領域進行了開拓和探索。近年來，實驗室獲得了 2011 年“863”生物和醫(yī)藥技術領域重點項目課題、2012 年自然科學基金重點項目、2017 年科技部“增材制造與激光制造”重點研發(fā)計劃等重要項目。2016 年實驗室被教育部批準成為“111 計劃”生物制造與體外生命系統(tǒng)工程交叉學科創(chuàng)新引智基地，進一步促進了實驗室與世界各國優(yōu)秀學者的交流，促進實驗室國際學術地位保持和提升。實驗室獲得過北京市科技進步一等獎和國家科技進步二等獎。

    （3）北京航空航天大學 “大型整體金屬構件激光直接制造”研究中心

    研究中心以王華明院士為核心，依托大型金屬構件增材制造“國家工程實驗室”和激光增材制造“國防科技工業(yè)研究應用中心”，從事鈦、鋼、鎳、鋁等高性能難加工合金構件增材制造及關鍵運動副零部件激光表面工程技術的基礎、應用基礎和工程化應用關鍵技術研究，主要集中于大型復雜金屬結構件的制造，為中國航空航天的快速發(fā)展提供強有力的支持。研究中心已承擔包括國防 973、國家自然科學基金、863 等重要科研項目 30 余項，發(fā)表 SCI 收錄論文 200 余篇，獲得國家發(fā)明專利授權 10 余項，獲國防科學技術一等獎 2 項、國家技術發(fā)明一等獎 1 項。

    2、國內科研單位

    （1）中航工業(yè)航空制造技術研究院

    中國航空制造技術研究院隸屬于中國航空工業(yè)集團公司，是專門從事航空與國防先進制造技術研究與專用裝備開發(fā)的綜合性研究機構，是 2016 年 12 月以北京航空制造工程研究所（625 所）為基礎，整合中航工業(yè)基礎院相關單位和業(yè)務組建而成。制造院以 625 所為院本部，下設 2 家研究所（北京航空精密機械研究所、濟南特種結構研究所）和 1 家上市公司（中航航空高科技股份有限公司），擁有 1個國家級重點實驗室、1 個國家級創(chuàng)新中心、1 個國家級國際科技合作基地、3 個北京市重點實驗室、1 個北京市工程技術研究中心、1 個北京市國際科技合作基地、6 個集團重點實驗室（其中之一為增材制造航空科技重點實驗室）、4 個集團技術（研發(fā)、創(chuàng)新）中心。

    制造院主要承擔航空材料、制造工藝、專用裝備等基礎、應用和工程轉化研究工作，為我國新型飛機、發(fā)動機、導彈等航空裝備研制和航空工廠的技術改造提供了大量先進制造技術和工藝裝備。同時，制造院也為國防工業(yè)其它領域，如航天、電子、兵器、船舶等提供了先進制造技術。制造院先后與美國、俄羅斯、德國、法國、瑞士、意大利、日本等 30 多個國家和地區(qū)的研究機構、企業(yè)建立了長期的技術交流和經濟合作關系。

    （2）南京增材制造研究院

    “南京增材制造（3D 打?。┭芯吭骸?成立于 2013 年 12 月 8 日，是在江蘇省政府領導下，由南京市江寧區(qū)政府與盧秉恒院士共同發(fā)起創(chuàng)建的一個專門從事“3D打印技術、裝備及應用”的科研和成果轉化機構。中國工程院院士、西安交通大學盧秉恒教授擔任“南京增材制造研究院”院長，研發(fā)團隊包括專職研發(fā)隊伍 80 余人，來自國內著名高校的在讀博士和碩士研究生40 余人，同時聘請了國內外著名高校、研究單位和知名企業(yè)的專家、教授和藝術家 30 余人擔任技術顧問、導師或兼職研發(fā)人員。

    3、國內外企業(yè)

    （1）德國 EOS

    德國 EOS 成立于 1989 年，是金屬和高分子材料工業(yè) 3D 打印的領導者。EOS 公司現在已經成為全球最大的金屬增材制造設備提供商，覆蓋產品開發(fā)、材料、設備、工藝和咨詢服務等一整套體系，年產能可達 1000 臺工業(yè)級 3D 打印機。公司在全球擁有超過 2000 家客戶，分布在 65 個不同國家。截止 2017 年底，EOS 全球裝機量已經超過 3000 臺，在中國的總裝機量已經超過 300 臺，也是中國裝機量最大的供應商。2017 年公司 3D 打印設備（可能包含材料、軟件等）銷售收入 2.4 億美元（按照美元兌人民幣匯率 6.87 計算，約合人民幣 16.49 億元）。

    （2） 美國 3D Systems

    3D Systems 成立于 1986 年，是全球銷售規(guī)模最大的 3D 打印解決方案供應商，提供“從設計到制造”全套增材制造解決方案，包括 3D 打印機、打印材料、打印服務和云計算按需定制部件。公司主要技術路線包括材料擠出、激光燒結、光固化成形及 3DP 等，可選材料包括塑料、金屬、陶瓷等。2018 年公司實現營業(yè)收入 6.88億美元（（按照美元兌人民幣匯率 6.87 計算，約合人民幣 47.27 億元），同比增長6.44%，歸母凈利潤-4551 萬美元。

    （3）美國通用電氣公司

    與 3D Systems、Stratasys 等隨 3D 打印一同興起的增材制造巨頭不同，GE（通用電氣）誕生于第二次工業(yè)革命期間，在 3D 打印出現之前早已成為工業(yè)巨擘，是傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)入局 3D 打印市場取得巨大成功的杰出代表。GE 通過全球并購實現了從增材制造應用向增材制造裝備及服務供應商轉變。2016 年，GE 公司成功收購瑞典 Arcam 公司和德國 Concept Laser 公司，成為金屬增材制造領域的佼佼者，并在航空發(fā)動機領域實現了增材制造零部件的規(guī)模化應用。除了成立 GE Additive主攻增材制造之外，GE 的其他部門，例如 GE Healthcare、GE Aviation、GE Power等也在積極探索這一領域，將 3D 打印融入自己的商業(yè)項目。2017 年，通過一系列的技術攻堅和商用轉化，GE 進一步鞏固了自身增材制造巨頭的地位。

    （4）德國SLMSolutions

    德國 SLM Solutions 集團是世界領先的金屬激光增材制造設備生產商及服務提供商，在法克蘭福證券交易所上市。一直以來 SLM 專注于選擇性激光熔化（SLM）相關的高新技術研發(fā)及產業(yè)化，致力于提供 3D 金屬打印行業(yè)最優(yōu)解決方案。公司同時也是該技術領域的先驅之一，為客戶提供具有高自由度形態(tài)部件的設計和制造方法，適用于個性化定制及批量生產的部件。公司目前在德國、美國、新加坡、俄羅斯、中國擁有超過 310 名員工。2018 年公司營業(yè)收入 7166 萬歐元（按照歐元兌人民幣匯率 7.86 計算，約合人民幣 5.63 億元），同比下降 13.1%，凈利潤-1338萬歐元。

    （5）杭州先臨三維

    杭州先臨三維成立于 2004 年，于 2014 年在股轉系統(tǒng)（新三板）上市，2019 年擬在科創(chuàng)板上市。公司總部設在杭州，并在北京、德國斯圖加特、美國舊金山等地設有子公司。公司專注 3D 數字化及 3D 打印技術十余年，主營業(yè)務為 3D 數字化與3D 打印設備及相關智能軟件的研發(fā)、生產、銷售。公司現已擁有 3D 數字化和 3D打印設備兩大核心產品線，為高端制造、精準醫(yī)療、定制消費、啟智教育等領域用戶提供數字化、定制化、智能化的“3D 數字化—智能設計—3D 打印”智能制造解決方案，是擁有自主研發(fā)的“從 3D 數字化數據設計到 3D 打印直接制造”的軟硬件一體化完整技術鏈的科技創(chuàng)新企業(yè)。公司旗下易加三維專注金屬 3D 打印等直接制造 3D 打印技術的研發(fā)。公司 2018 年實現營業(yè)收入 4.01 億元，同比增長10.41%；歸母凈利潤 941 萬元，同比下降 50.34%；子公司易加三維 2018 年實現營業(yè)收入 8655 萬元，凈利潤-5.97 萬元。

    （6）北京鑫精合

    鑫精合激光科技發(fā)展（北京）有限公司（以下簡稱“鑫精合”）以增材制造、特種連接、金屬鈑金成型、復合材料加工、復雜機械加工、精密裝配等先進制造工藝為依托，面向航天、航空、航海、核電等高端制造領域，從事產品設計與優(yōu)化、原材料制備、結構分總體制造與修復、增材制造設備生產、軟件定制開發(fā)、技術咨詢與服務的國家級高新技術企業(yè)；是中國領先的金屬增/減材制造技術全套解決方案提供商。2017 年底經過公司資源整合，正式成立精合集團，集團總部位于北京，在天津、重慶、沈陽、西安、濰坊、上海設有分公司/子公司。精合集團掌握國際領先的增材制造技術，其中激光選區(qū)熔化（SLM）、激光沉積制造（LDM）等工藝技術具備國際領先水平。公司現擁有 50 臺自主研發(fā)的系列化金屬選區(qū)熔化設備，11 臺超大型號自主研發(fā)的金屬沉積制造設備，擁有核心技術專利 100 余項。公司現有在職人員 600 余人，其中技術研發(fā)團隊 157 人，主要來自于清華、北大、北航、西工大等國家重點高校，以及部分海外人才，團隊成員 70%以上擁有 10 年以上的結構產品研制經驗。公司依托自身先進制造技術的優(yōu)勢，承接了大量高端制造領域的國家重點型號結構產品的研制生產任務，產品已應用于30 多型飛機、火箭、導彈、衛(wèi)星、飛船等裝備，打破了多項國外技術壟斷，填補了國內空白。

    （7） 湖南華曙高科

    華曙高科成立于 2009 年，是工業(yè)級 3D 打印領航企業(yè)，擁有高分子復雜結構增材制造國家工程實驗室、國際視野的研發(fā)體系和全球銷售服務網絡。公司現有員工超過 280 人，其中研發(fā)人員超過 40%，目前共申請專利超過百項，獲得專利授權近百項，并先后通過 ISO9001-2008 等質量管理體系認證。2016 年，華曙高科有40%的銷售額來自于海外，覆蓋 30 多個國家和地區(qū)，已逐步建設成為集金屬、尼龍 3D 打印設備研發(fā)制造，3D 打印材料研發(fā)生產以及客戶服務支持為一體的全產業(yè)鏈格局。創(chuàng)始人許小曙博士歷任美國 3D Systesms 公司 、 Solid s Concepts 公軟件開發(fā)總監(jiān)，擁有超過 20 年的增材制造經驗，獲得過“世界 100 位應用科學領域突出貢獻獎”、“最佳人工智能獎”等世界級獎項，曾在全球多家著名增材制造企業(yè)領銜關鍵技術研發(fā)及產業(yè)化，他研發(fā)的 3D 打印設備被譽為“許氏機器”。

    四、 趨勢

    經過 30 多年發(fā)展，增材制造產業(yè)正從起步邁入成長期，呈現出加速增長的態(tài)勢。全球增材制造產值從 2012 年的 22.8 億美元增長到 2017 年的 73.36 億美元，年復合增長率高達 26.20%。預測，2019 年全球增材制造產值將達到 158 億美元，2017-2019 年的年復合增長率為 46.72%；2022 年產值將達到 239 億美元，2019-2022 年的年復合增長率為 14.79%；2024 年產值將達到 356 億美元，2022-2024 年的年復合增長率為 22.05%。

2012-2024 年增材制造產業(yè)及增長率

數據來源：公開資料整理

    中國增材制造行業(yè)相對歐美國家起步較晚，在經歷了初期產業(yè)鏈分離、原材料不成熟、技術標準不統(tǒng)一與不完善及成本昂貴等問題后，當前中國增材制造已日趨成熟，市場呈現快速增長趨勢。

    在 2015-2017 年的 3 年間，我國增材制造產業(yè)規(guī)模年均增速超過 30%。2017 年我國增材制造產業(yè)規(guī)模已超過 100 億元。初步預計2023 年我國 3D 打印市場規(guī)模將達到 110 億美元左右，年均復合增速超過 37%。

2012-2023 年中國增材制造產業(yè)規(guī)模及預測

數據來源：公開資料整理

    相關報告：智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國3D打印機行業(yè)市場全景評估及發(fā)展趨勢預測研究報告》