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3D打印产业市场发展预测与分析(2015)
2015年10月29日    评论:    分享:
    来源:第三维度

    注:本报告原载于《深圳市2014年软科学研究》,未经作者和本站授权不得转载!

    一、 前言

    3D 打印(3D printing)又称增材制造,是快速成型技术的一种,是综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术。

    3D 打印以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过连续的物理层叠加,逐层增加材料来构造物体,常用在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程、枪支以及其他领域都有所应用。

    3D 打印作为第三次工业革命的标志,已引起包括美国、欧洲、日本、以色列等发达国家的高度重视。随着 3D 打印市场规模的不断扩大,全球 3D 打印行业将面临更激烈的竞争,未来全球 3D 打印的竞争核心点主要集中在三大领域和五大重点。

    其中,以上游打印材料生产、政府政策和资金支持、专业化的材料供应、个人 3D 打印制造与核心技术研发成为众多企业的竞争重点。



    民用领域、模具设计以及军工领域有望成为 3D 打印厂商的重点竞争领域。



    二、 国内外 3D 打印产业发展情况

    (一) 3D 打印产业链结构

    在产业成熟期,一个完整的 3D 打印产业链包括:(1)上游:专业材料供应商、3D 打印设备制造商、软件开发商、数字化技术提供商、耗材提供商、专业设 计机构、3D 打印设备经销商、3D 打印服务等;(2)下游:民用消费、工业设计和航天军工、服装公司、汽车公司、船舶公司、医学等领域;(3)服务支持平台:第三方检测验证支持、金融支持、电子商务、知识产权保护等支持平台。

    (1) 3D 打印产业上游

    3D 打印产业链的上游主要包括打印材料提供商、3D 打印设备的制造商、工业设计机构、3D 数字化技术 提供商、3D 打印机及耗材提供商、3D 打印设备经销商、3D 打印服务商等。在 3D 打印发展的初级阶段,产业链上游的焦点主要集中在材料行业、打印设备制造 业以及软件开发三个领域。

    (2) 3D 打印产业下游

    3D 打印产业链的下游主要分为两大类:(1)民用消费领域,如摄影、饮食、教育等方面;(2)工业领域,如传统的航空、汽车、船舶、电子、家电、医学、建筑等行业,同时还包括珠宝、时装、食品、纺织业以及考古领域。

    (二) 国外发展情况

    (1)技术发展情况

    3D 打印技术诞生于上世纪 80 年代的美国,1984 年,Charles Hull开始研发 3D 打印技术,1986 年,他创办了世界上第一家 3D 打印技术公司 3D Systems(目前 3D 市场领军者之一),同年发布了第一款商用 3D 打印机。

    1993 年,美国麻省理工学院获得 3D 印刷技术专利。

    1988 年,Scott Crump 发明了熔融沉积(FDM)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)。

    2008 年,英国巴斯大学的机械工程高级讲师 Adrian Bowyer 博士创建的开源 3D 打印项目“RepRap”发布“Darwin”3D 立体打印机,带领 3D 打印机制造进入新纪元。

    2008 年,以色列公司 Objet 推出 Connex500,让“多材料”3D打印成为可能。


达尔文 Darwin(RepRap 的第 1 代产品)


    (2) 市场发展情况

    2014 年,全球 3D 打印机市场规模约为 38.5 亿美元,预计 2018年,市场规模将增长到 125.8 亿美元。技术体系的完善、应用领域的拓展以及产业链的形成将推动全球 3D 打印市场实现爆发式增长。

    在当前全球兴起新一轮数字化制造浪潮的背景下,发达国家以3D 打印等先进制造技术为抓手应对制造业竞争力的下降,大力倡导“再工业化、再制造化”,发达国家的政府重视和政策助力,使 3D 打印的科技进步和产业发展,不断跃上新的台阶。

    目前 3D 打印的核心技术掌握在美欧日、以色列等少数发达国家手中,应用逐渐从军工等大型制造业用户扩张到家庭及个人消费领域,商业模式逐渐成熟,产业内巨头通过并购打通产业链,实现技术共享、构筑专利壁垒,提升新型材料和服务的竞争力,巩固在行业内的领先地位。


 全球 3D 打印市场规模及预测

    3D Systems从 2009 年中到 2011 年底在产业链上进行 20 多起并购,Stratasys在 2012 年完成对全球领先的 3D 打印机公司 Objet 的并购。未来 3D打印将向着产业标准化、联盟化,材料多元化,应用特色化,生产方式网络化等主要方向发展,由美国、日本、以色列及欧盟在内的 18个国家参与的 3D 打印的国际标准化技术委员会(ISO/TC 261)已于2011 年成立。

2014 年全球 3D 打印机市场分布

    2014 年全球个人级 3D 打印机的销售量超过 10 万台,预计 2018年全球个人级 3D 打印机销售量将接近 90 万台。随着个人级 3D 打印逐渐强调低价格和便捷易用性,预计未来几年个人级 3D 打印机销量仍保持较高增长。


2014 年全球个人级 3D 打印机销售量级预测

    工业级应用在全球 3D 打印机的应用领域分布中占比达到 20.2%。随着工业级设备的与利到期,新进入厂商将会增加,工业级打印机的价格将会进一步下降,预计未来大规模工业级应用将迎来爆发式增长。


2014 年全球工业级 3D 打印机市场分布



2014 年全球工业级 3D 打印机厂商销售份额
 
    (三) 国内发展情况

    (1) 技术发展情况

    国内从 1991 年开始研究 3D 打印技术,当时的名称叫做快速原型技术(Rapid Prototyping,即开发样品之前的实物模型),在国际上有几种成熟的工艺,分层实体制造(LOM)、立体光刻(SL),熔融挤压(FDM)、激光烧结(SLS)等,国内也在不断跟踪开发。2000 年前后,这些工艺从实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,而且国内对产品开发重视度较低,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,主要研究方向是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“太尔时代”后,将研究重点放在了生物制造领域。

    目前国内的 3D 打印设备和服务企业一共有二十多家,规模较小。

    一类是十年前就开始技术研发和应用,如北京太尔时代、北京隆源、武汉滨湖、陕西恒通等,这些企业都有自身的核心技术。

    另一类是2010 年左右成立的,如湖南华曙、先临三维、紫金立德、飞尔康、峰华卓立等。

    (2) 市场发展情况

    2014 年,国内 3D 打印市场规模约为 47.4 亿元,保持较高增长速度,远远高于全球平均水平,主要集中在家电及电子消费品、建筑、教育、模具检测、医疗及牙科正畸、文化创意及文物修复、汽车及其他交通工具、航空航天等领域。其中,3D 打印最大的三块需求分别来自民用消费、工业设计和航天军工。预计 2018 年国内 3D 打印市场规模将超过 200 亿元;作为全球重要制造基地,国内 3D 打印市场的潜在需求旺盛,未来国内将迎来 3D 打印的高速发展阶段。


我国 3D 打印市场规模及预测

    (四) 我国 3D 打印产业发展存在的主要问题

    产业化进程缓慢,市场需求不足;与国外 3D 打印产品的快速制造水平差距较大;烧结的材料尤其是金属材料,质量和性能较差;激光烧结陶瓷粉末、金属粉末的工艺方面具有一定差距;国内企业的收入结构单一,主要靠销售 3D 打印设备,而国外的公司是多元经营,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 3D Systems 公司、日本松下公司和德国EOS 公司遥遥领先。

    就企业实力来看,目前欧美较具规模的 3D 打印企业的年销售收入一般都在 10 亿元人民币左右,而国内目前仍没有一家企业收入过亿,甚至超过 5000 万元的企业都寥寥无几。

    目前,国内 3D 打印行业整体上发展势头较好,设备、材料、软件等核心领域都能够不同程度买现自给,并在文化创意、工业、生物医学等领域得到应用。但是,缺乏龙头企业、核心技术、成熟的商业模式,以及市场广泛应用和政策资金扶持。激光器、软件、材料等核心技术还依赖进口。

    三、 我国 3D 打印产业发展促进政策

    (一) 《国家高技术研究发展计划(863 计划)》

    2013 年 4 月,科技部近期公布的最新《国家高技术研究发展计划(863 计划)、国家科技支撑计划制造领域 2014 年度备选项目征集指南》,首次将 3D 打印产业纳入其中。

    《指南》中提到,破 3D 打印制造技术中的核心关键技术,研制重点装备产品,并在相关领域开展验证,初步具备开展全面推广应用的技术、装备和产业化条件。设 4 个研究方向:

    (1)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。

    (2)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。

    (3)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。

    (4)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。

    (二) 《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016 年)》

    2015 年新年伊始,工信部正式发布《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016 年)》,从国家战略高度提出 3D 打印的发展方向和目标。该计划将针 3D 打印产业链中各关键环节如材料、工艺、设备和标准中的核心技术瓶颈进行布局,实现技术上的快速发展,达到国际先进水平。

    同时,还将通过需求牵引与创新驱动相结合,政府引导与市场拉动相结合,重点突破和统筹推进相结合,3D 打印技术和传统制造技术相结合的方式,来推进国内 3D 打印产业健康有序发展。和欧美国家 3D 打印战略计划相比,该计划更加突出了技术创新和政府政策对产业发展促进作用,这将为国内追赶欧美 3D 打印的领军地位提供强大的保障。

    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。
 
标签:3D打印
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