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超级干货:3D打印服务行业发展研究

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3D 打印技术起源于上世纪后期,我国第一台工业级3D 打印设备是在九十年代初被研发出来,当时叫做快速成型机。3D 打印与传统的对材料进行切削方式不同,采用的是增材制造技术,具有快速成形、快速制造的特点,在工业生产,尤其是非标准零部件的生产方面具有极大优势。目前,3D打印行业正处于导入期之末、成长期之初的阶段,拥有极大发展潜力。无论在全球范围内还是我国市场内,3D打印的行业规模都呈现快速上涨态势。

3D打印是一种更便于大众理解的通俗称谓,在工业专业术语中,3D打印被称为“增材制造技术”——它与传统“减材制造”相对应。3D打印技术大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床及众多的人力,即可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。
图1 三维数字化与3D打印原理

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资料来源:国信证券。


跟传统技术相比,在缩短研发周期和成本等诸多方面,3D打印具有天然优势。从加工原理看,传统机械制造是基于削、钻、铣、磨、铸和锻等减材制造基本工艺的组合;而3D打印技术是一体成型技术,主要采用“分层制造、逐层叠加”流程。从应用领域看,传统的机加工制造就适用于大规模、需要量产的部件,并广泛应用在几乎所有领域;目前3D打印适于小批量、造型复杂的非功能性零部件,大多在汽车、航天等领域内用于制造样件和模具等。从使用材料看,传统机加工可以使用几乎任何材料;3D打印技术目前使用的材料多为塑料、光敏树脂和金属粉末等材料,受制较多。3D打印技术优点在于材料利用率超过95%以上,几乎不产生废料,且适用于复杂结构体等。
表1 3D打印技术的优势和劣势

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资料来源:DMRC,Wohlers Associates。
在原材料、应用领域等方面,3D打印技术也显示出自己颠覆性的优势:
(1)时间及原材料优势。3D打印已经成为一种潮流,并开始广泛应用在设计领域,尤其是工业设计,数码产品开模等,可以在数小时内完成一个模具的打印,节约了很多产品到市场的开发时间。这种打印机比常规建筑方法要快四倍,而且所使用的原料也只有原来的三分之一到二分之一,更重要的是几乎不会产生任何废弃物。
(2)类型多样化。3D打印机可以用各种原料打印三维模型,使用3D辅助设计软件。3D打印机的应用对象可以是任何行业,只要这些行业需要模型和原型。
(3)强大的连接功能。在飞机、核电和火电等行业所使用的重型机械、高端精密机械装备上,传统的焊接和零部件加固的方法使得部件之间的连接并不牢固,但是使用3D打印技术,出来的产品是自然无缝连接,结构之间的稳固性和连接强度要远远高于传统方法。

中国在3D打印领域方面已经颇具实力,某些技术甚至领先全球。但由于工艺复杂,打印机购置成本高昂,打印需求不稳定等,增材制造客户往往需要企业提供定制化的下游配套服务。国内尚无工艺全面、支持各种材料的增材制造服务平台,平台规模普遍偏小,服务人群相对局限。构建可以与需求企业外部个性化定制系统对接的综合性服务平台,能大大提高个性化定制的响应速度,降低成本,增强增材制造性材料、新工艺和新装备与应用市场的深入结合,相互促进发展。

可见,3D打印服务行业的健康发展决定了3D打印技术产业化的步伐,前者是后者的关键所在。本报告通过对3D打印产业全景式的剖析,对3D打印服务行业环境的详细剖析,对国内外3D打印服务行业发展的现状和趋势整理,以及对3D打印服务行业的未来展望,力求从3D打印服务行业视角阐释3D打印技术如何真正实现工业化应用,并且在可期的未来,通过分布式制造重塑制造业生产范式。

2. 3D打印服务行业大环境:正在迅速腾飞的3D打印产业
2.1 产业发展现状及趋势:未来五年迎接千亿级市场空间
3D打印服务行业隶属3D打印产业的中下游。目前,3D打印产业即将进入快速发展阶段,随着产业化模式思路的进一步清晰,市场潜力将迅速兑现为可观市场规模。截止2016年,全球3D打印产业规模在60亿美元左右,预计2020年将达到247亿美元,行业总规模具备超过一千五百亿人民币的市场空间。

就3D打印产业规模整体现状而言,根据前瞻产业研究院《中国3D打印产业市场需求与投资潜力分析报告》数据显示,2012年全球3D打印市场,包括所有的产品和相关服务产业为23亿美元,到2014年全球3D打印产业的发展突飞猛进,增速达到29.03%,市场规模达40亿美元。2015年,全球3D打印市场规模增至52亿美元,同比增长30%。Wohlers 年度报告则显示,2016年3D打印产业增长17.4%,目前整个3D打印产业市值为60.63亿美元。

就3D打印产业发展整体趋势而言,包括市场规模、行业增速、销售规模、应用领域分布等几方面。市场规模方面,各专业机构对3D打印市场规模的未来预测方面分歧较大。综合几家机构的预测结果,2020年3D打印产业市场规模预测值为247亿美元,超过1500亿人民币。其中,截止2020年,Context World的保守预测为160亿美元,ARK Invest则认为有410亿美元,德勤预计3D打印市场的总值将达到205亿美元,WohlersReport预测,全球3D打印市场规模将达到212亿美元。行业增速方面,2014-2018年年均复合增长率达32.4%;未来几年,全球3D打印市场规模年均增速有望继续保持在30%以上,相关优质企业业绩增速则远高于行业平均水平。销售规模方面,根据全球信息技术研究和顾问公司Gartner的最新报告,2016年3D打印机的全球出货量达到455772台,较2015年的219168台提升一倍多。虽然经过市场初期的快速增长之后,目前的增长速度有所放缓,但未来四年3D打印机出货量还将持续增长,到2020年出货总量将超过670万台。应用领域分布方面,目前3D打印在消费电子、汽车行业、医疗行业和航空航天领域的应用规模居前,合计超过67%。

图2 2020年3D打印产业全球市场空间预测

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资料来源:国信证券,单位:亿美元。

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图3 3D打印在各领域运用占比

数据来源:e-works。


3D打印被列为中国先进制造技术领域首要科技创新专项,近年来中国政府各部委多次发布3D打印相关政策推动产业发展,有力支撑“中国制造2025”、“互联网+3D打印”等国家战略实施,各地方政府也纷纷响应,发展势头迅猛。

就中国3D打印产业规模整体现状而言,我国3D打印产业规模处在高速成长期。市场规模及行业增速方面,根据Gartner公司测算,2016年,中国3D打印设备市场规模约12.15亿美元,同比增长56%。而过去5年以来,自2012年1.6亿美元增至16年12.2亿美元,CAGR高达66.1%。销售规模方面,根据3D科学谷测算,1988-2015年3D打印机的全球累积出货量中,中国市场占比为11.1%。应用领域方面,国内3D打印主要集中在家电及电子消费品、模具检测、医疗及牙科正畸、汽车等领域,与全球各应用领域格局分布类似。

图4 中国3D打印产业规模现状

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数据来源:安信证券。


图5 各国3D打印机累计出货量占比(1988-2015)

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数据来源:3D科学谷。


就中国3D打印产业发展趋势而言,其产业整体发展速度高于全球平均水平。市场规模及行业增速方面,据3D科学谷推算,预计2017年我国3D打印产业规模将达到173亿元,未来四年(2017-2020)年均复合增长率约为41.36%,2020年产业规模将达到670亿元。销售规模方面,保守估计国内与全球3D打印机销售规模增长趋势持平,按出货量占比计算,则2020年中国3D打印机出货量可达约77万台。
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图6 中国3D打印产业规模及预测

数据来源:3D科学谷。


2.2 市场竞争格局:国外寡头国内蓝海
从目前发展较为成熟的美国3D打印机市场看,正在逐渐形成寡头垄断的格局。美国作为全球3D打印产业领导者,政府将其作为美国制造业发展方案的重要技术之一,并宣布投入2亿美元建设三个制造创新研究所。除了此前已经上市的Stratasy和3D Systems,2013年又有ExOne和Voxeljet两家公司完成纳斯达克上市,若加上为3D打印设备提供原材料和配件的Proto Labs,以及新近涉足3D打印的机器人制造企业iRobot公司,美国3D打印概念股阵营已有6家。

从市场份额看,欧美市场是目前最大的市场。在美国活跃的资本市场环境下,材料挤出技术(FDM)的发明者Stratasy与光固化技术(SL)的发明者3D Systems牢牢把握住了商业化先机,通过成功的资本运作,两家公司已经成为行业龙头。在全球主要的工业级3D打印设备厂商中,Stratasys和3D Systems占有全球3D打印市场的大部分份额,市场占有率分别为57%和18%,已经是严格意义上的垄断地位。两家公司都拥有广泛的客户群体,而资本运作是两家公司获得技术多元化的重要手段。Stratasys以简单易用的FDM闻名于世,并通过两次并购获得精细度更有优势的材料喷射技术。3D Systems则通过多次收购,掌握除直接能量沉积以外的所有五种主流技术大类,成为涵盖技术最广的公司。

图 7  中国3D打印行业集群态势

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资料来源:3D科学谷。


中国3D打印市场也呈现良好发展势头,逐步实现了商品化,技术设备在产品设计、快速模具制造、铸造、医学等领域的应用也日趋深入。与全球相比,中国3D打印市场由于缺少原创的核心技术和材料资源的支持,行业整体体量较小,企业分散、社会影响力有限。因潜在市场空间巨大,应用领域众多,目前各企业直接竞争的机会较少。但随着技术应用领域的日益拓展,行业内企业逐渐增多,特别是国际企业的冲击,未来市场竞争可能会有所加剧。国内三维数字化技术领域的主要企业有杭州先临三维、北京天远三维;3D打印领域的主要企业有杭州先临三维、北京隆源自动化、湖南华曙、陕西恒通、北京太尔时代。从产业集群态势来看,国内企业大多分布在我国东南部地区。

表2 国内三维数字化与3D打印主要厂商

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资料来源:国信证券。


2.3 产业链格局:国内企业优势在产业中下游

3D 打印的产业链分为上游、中游、下游,上游。产业链上游为3D 建模工具和打印耗材;产业链中游为3D 打印设备、3D 配套技术设计和3D打印辅助设备;产业链下游为3D打印服务行业对接3D打印的各个应用领域。

现阶段,主要的3D打印企业一般以材料供应,设备制造和打印服务的综合形式存在。这是由产业发展初期技术推广和市场规模的限制所致。长期来看,产业链的各环节会产生专业化的分离:专业材料供应商和打印企业会出现,产品设计服务会独立或向下游消费企业转移。

从全球产业链发展格局上看,发展近30年的3D打印行业,产业链已初具雏形,不仅有挑大梁的打印机生产者,还有原材料供应商和相关软件提供商。在3DSystems和Shapeways等力争通吃“全价值链”的同时,更多的公司在这个新兴产业中掘金细分环节。在原材料领域,Xerox PARC公司正在研发传感器、晶体管等电子产品的打印材料。应用软件领域,工程师和程序员不时共享代码和设计,越来越多免费开源软件的出现,降低了3D打印的设计成本,如123D、OpenSCAD、Tinkercard等。其他专业领域的优秀公司包括:德国EOS专注于激光烧结,其销量占同类设备市场份额近50%,德国Envisiontec结合了光固化技术和数字光投影(DLP)技术,在助听器和珠宝3D打印市场占有率超50%,收入近1亿美元。
从国产技术的成熟度上看,国内企业在中下游设备、加工要胜过上游的材料制造。目前A股市场涉及3D打印产业的企业主要有:⑴上游材料制造商:银邦股份和海源机械;⑵中游设备提供商:激光快速成型设备及激光发生器制造商机器人,以及激光发生器制造商大族激光;⑶下游快速成型铸锻件生产商:中航重机和南风股份。目前新三板市场涉及3D打印产业的企业主要有:⑴上游三维扫描技术:先临三维和北科光大;⑵上游打印耗材:SAL材料提供商鸿盛数码;(3)中游设备提供商:激光熔覆设备制造商天弘激光,以及桌面级3D打印设备制造商腾冉电气、拓斯达、乐彩科技等。
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图 8 3D打印产业链格局


资料来源:易观智库。


3. 3D打印服务行业环境:多因素叠加利好

制造的服务化、基于知识的创新能力,以及对各类制造资源的聚合与协同能力、对环境的友好性已成为当前企业竞争力的关键要素和制造业信息化发展的趋势。3D打印服务行业,应用3D打印技术来规模化的服务地方企业与大众消费者,需要将多种工艺技术结合,扎进各个行业中磨合应用,提出解决方案,并通过一些公益性的活动和持续的研究开发来支撑3D打印服务商的市场纵深。

3.1 政治环境:工业“4.0”背景下的中国智造与地方产业政策支持

在新一轮的工业4.0革命浪潮下,3D 打印作为先进制造技术的代表正在逐步崭露头角,该项技术将可透过互联网信息技术平台,和物联网、大数据、智能材料等众多先进技术紧密融合,实现智能化制造,改变人类的生产方式和生活方式。

智能制造平台的整合是实现以智能化制造为主导的工业4.0蓝图的重要途径。通过智能制造平台,智能化连接制造需求与制造能力,形成制造即服务的新型产业模式。3D打印技术所代表的个性化定制生产制造方式,由于其具备“增材性”,是最适用智能制造平台的新兴制造技术。

正是看到发展3D打印的重要意义,我国和地方政府相继出台了大力扶持3D打印产业发展的政策方针和产业扶持计划。我国关于发展3D打印产业政策的基本定位是,通过国家政策方针的指引,引导行业抢占制高点,通过地方性产业培育计划,因地制宜制定政策扶持办法。国家政策方针对市场方向有着重要的指导作用,而地方性的扶持计划则为产业培育和产业发展计划的实施打开先机。从而进一步刺激更多企业加大在3D科技领域投入。

总结国家和地方政府的政策方针和产业扶持计划,主要有四个政策引导方向。其一,通过3D打印助力战略新兴产业,形成新兴经济动力;其二,通过3D打印助力现代产业,增值现代服务品质;其三,通过3D打印助力传统优势产业,推动当地产业转型升级;其四,通过3D打印助力产业结构调整,促进当地产业集群发展。
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表 3  3D 打印的政策解读

数据来源:安信证券。


我国制造业正处于从生产型向服务型、从价值链的低端向中高端,从制造大国向制造强国、从中国制造向中国智造转变的关键历史时期。如何培育新型制造服务模式,满足制造企业最短的上市速度(Time)、最好的质量(Quality)、最低的成本(Cost)、最优的服务(Service)、最清洁的环境(Environment)和基于知识(Knowledge)的创新即TQCSEK的需求,支撑绿色和低碳制造,实现中国智造,进而推动经济增长方式的转变,是未来5-10年我国制造业发展需要解决的重大问题。

3D打印服务行业的发展将引领“中国制造”向“中国智造”转变。在中国制造2025战略的持续推进下,3D打印将成为制造业转型的重要抓手,3D打印智能化制造平台这种新型制造服务模式的出现,顺应智能化的未来改革方向,随着政策持续加码,产业空间的逐步扩大将有效推动3D打印服务行业实现爆发式增长。

3.2 经济环境:通过大规模定制化服务直击应用痛点,针对地方优势产业集群深挖市场需求

3D打印的应用领域主要有消费级3D打印市场、工业级3D打印市场、医疗领域的应用领域等。在现阶段,3D打印在国内最大的三块需求分别来自民用消费、工业设计和航天军工。在民用板块,桌面级3D打印机有望撬动消费需求,打开大众娱乐的大市场;在工业设计板块,对于模具制作的效率和精度的要求不断上升,中小型3D打印设备有望成为工业设计人员的标配;受益于国产飞机行业及国家军费投入增加,航天军工领域有望成为大型快速成型设备的最大增长点,另外核电建设的高峰期即将到来,也将对快速成型产业的壮大提供有利条件。

我国在3D打印领域方面已经颇具实力,某些技术已经领先全球,但是在商业化应用和产业化方面相对滞后。3D打印领域商机与风险并存,关键是找到实现盈利的应用领域和商业模式。依托于国内3D打印机制造商近两年强劲的发展态势,珠海、青岛、武汉、成都等城市已经开始兴建3D打印产业园,并在资金、土地、配套政策上给予支持。

目前3D打印技术的产业普及化有几个难点。其一、打印机购置、材料等应用成本过高;其二、3D打印机拥有者的开机率普遍较低;第三,应用领域大多为定制化需求,很难形成规模化生产降低成本。
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表4 3D打印技术应用领域现状

数据来源:国信证券。


首先,3D打印机购置、材料等应用成本过高。3D打印技术已在工业造型、产品设计(实物模型/样件)、机械制造、模具制造、航空航天(风洞用实体模型)、军事、建筑设计、影视、家电(开发新产品)、轻工、医学(人体器官模型、骨骼)、艺术创作、考古/文物复制、数字雕刻、首饰等领域都得到了较为广泛的应用。但是由于3D打印机购置价格较高,消费级3D打印机购置成本为数千元到数万元不等,而工业级3D打印机购置成本则在数十万元到上千万元。应用成本过高是目前3D打印技术应用普及化及产业发展的重大瓶颈。

其次,3D打印机拥有者的开机率普遍较低,有超过六成3D打印机未充分释放产能,且每次开机的“满锅率”也很低,经常性出现标准为大型打印设备打印一个小型尺寸样件产品的情况,而打印机拥有的企业为此投入的人工、能耗、耗材、生产工时与满锅打印成本相差无几,因此产生了大量零散打印订单。

最后,现有的大规模定制主要是通过模块化来生产客户所需要的产品,很难实现低成本提供具有个性化定制特征的产品。尤其对于数量不多的定制产品,造型上任何微小的改变都需要重新生产不同的模具,高额的生产成本让其不具有实际价值。所以大规模定制在以造型为主进行定制的行业中是一种空缺。

通过线上搭建网络云平台,线下创建打印服务中心,打造线上线下联动的物联网云平台,为企业、为大众消费者提供个性化定制,实现3D打印大规模定制化服务,能够直击行业痛点,市场需求巨大,极具应用价值。

基于我国产业集群特色,不同地区的优势产业各不相同。其对3D打印制造服务的需求也不相同。目前对工业级3D打印需求最旺盛的行业包括航天军工、工业机械、汽车、消费电子、建筑等。就航天军工产业而言,其优势地区为北京、四川、陕西、湖北、江苏、广东等地;工业机械产业优势地区为广东、浙江、江苏等地;汽车行业优势地区为重庆、广东、山东、江苏等地;消费电子优势地区为海南、广东、山东、上海、浙江等地;建筑行业优势地区为北京、海南、广东、浙江、上海、江苏等地。

3D打印服务行业需要能够充分深入到各应用领域,与产业形成深度结合。因此,3D打印服务行业需要有能力根据各地优势产业规划其战略导向的扩张计划和业务实施的开展策略。

表5 3D打印主要应用领域A股公司地区分布情况


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数据来源:Wind资讯。


3.3 社会环境:越来越高涨的个性化消费需求导致规模化生产向定制化生产的转变

随着经济全球化和后工业时代的到来,一方面,技术进步导致市场竞争形势改变,企业所能提供的产品和服务差异越来越小,创新技术带来的竞争优势所能保持的时间越来越短。另一方面,消费者能力的提高导致消费需求越来越个性化。信息技术的进步,特别是互联网的广泛应用,使消费者通过互联网越发便捷地获取广泛的产品或服务的信息,对产品和服务供应者的依赖程度降低,消费者正变得越来越主动和专业。消费者越来越成熟,产品是否能够满足消费者个性化需求对企业来说日益重要,企业能否灵活有效地提供个性化的产品或服务就成为企业制胜的关键。

自20世纪90年代起,由于受到市场持续细分、技术进步及个性化消费需求增长等因素的影响,为了在丰饶的市场和过剩的同质化产品环境中竞争,企业的产品生产模式由规模化生产向定制化生产逐步演进。单个产品的生命周期越来越短。定制化要求企业能够运用具有灵活机动性,满足低迭代、高可靠性及大规模的定制成本等要求的生产范式。因此,3D打印开始逐步在定制化、复杂度高的工业领域和消费领域打开市场。

3.4 技术环境:需要掌握多种技术并能够整合资源导致行业竞争门槛高
应用3D打印技术来规模化的服务地方企业与大众消费者,需要将3D打印技术、云计算、物联网技术等多个前沿技术融合运用。从目前的市场来看,虽有20多家学校及相关企业从事3D打印技术的产业化服务工作,但真正在做专业化运营的企业并不多,掌握了多种技术的企业更少。

建设3D打印技术规模化服务平台,需要结合线下服务中心在下游各大产业的多年应用积累,贯通3D数字化技术、CAD技术以及各类3D工艺打印技术,从而为客户在多个行业、领域应用的3D打印综合解决方案。具体而言,需要在以下几个核心技术方面拥有资源,并且具备资源整合能力,才能取得竞争优势。

(1)3D打印制造技术

3D打印技术问世于上世纪80年代。目前,根据原材料形态、单元制造机理以及能量供给方式,市面上已存在几十种不同的3D打印技术。3D打印服务行业需要能够根据应用领域打印需求,熟练综合运用不同技术服务客户。

图 9 基于加工工艺分类的8大3D打印技术

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资料来源:hybridmanutech.com,国信证券。


(2)云平台开发技术
云平台开发技术的目标是为用户提供快捷3D设计建模、打印设备的联网接入、打印预处理/后处理一体化链条。包括云平台架构设计、云对象数据储存技术、云平台监控分析系统和运维管理系统技术等。

(3)云平台个性化定制功能开发及相关系统集成技术
云平台个性化定制功能开发技术帮助实现用户的个性化定制服务需求。通过设计需求发布,生产资源调配,云平台将个性化订制服务需求的模型自由调配到(路由、待机、冗余)不同的服务中心设备中去。

云平台相关系统集成技术通过“云协同”将一个大订单分解到多个3D打印服务中心同时打印,实现分布式制造快速交货;通过“云整合”将零星的订单集中到一台3D打印机或一个3D打印服务中心进行打印,提高设备集中开工饱和率;通过“云打印”将各地3D打印服务中心的闲置产能统筹起来,通过这三种订单分配系统为终端消费者提供更高效的打印服务。

(4)线下3D打印生产与加工服务运营
3D打印生产与加工服务主要包括数字采集、设计与分析等软件服务,工业级和消费级3D打印硬件服务,以及物联技术服务。

4.3D打印服务行业现状:技术与资源整合能力
4.1 国外现状:“一站式”的全价值链服务模式正在兴起
根据对全球3D打印服务业巨头的分析,我们发现,越来越多的公司切入3D 打印服务这一环节,有的依靠自身的3D打印设备优势、搭建网站打造3D打印服务平台,有的则是通过整合其他人的设备和资源来提供打印服务。

3D打印的毛利率非常高,作为一种高端装备,其毛利率高达50%,部分企业甚至可能达到100%。美国3D打印概念股便是业内高利润的典型代表。比如为3D打印设备提供原材料和配件的ProtoLabs,毛利率更为惊人,该公司3013年第一季度共实现营业收入3730万美元,净利润为890万美元,毛利率已经达到62.4%。如果仅仅是销售3D打印设备,这些公司并不会有那么高的毛利率,高毛利率主要来自其绑定销售的打印材料和服务。

以3D Systems和Shapeways为代表的企业,选择了向客户提供“一站式”的全价值链服务模式。典型的盈利模式是:将3D打印用到高附加值的不可替代领域中,在销售打印设备的同时,向客户出售高价的配套材料。

3D Systems作为全球最大的3D打印机生产商和解决方案的提供者,它不仅提供打印机,还出售打印机配套的原材料、相关设计软件,并为客户提供培训,其解决方案涉及模具、医疗、教育、珠宝、建筑等多个领域。

特别值得指出的是,3D Systems最近扩展了其 Quickparts 快速成型业务,并将其更名为 3D Systems 按需制造,提供在线提供专业级 3D 打印和制造服务,使设计师和工程师能够直接使用工具根据数字 3D 文件设计、迭代和生产优质部件。3D Systems按需部件制造服务,从 3D 打印金属和塑料部件到数控加工、注塑成型和浇注型聚氨酯建模等不一而足。支持即时在线访问数字化制造工具,提供优质的 3D 打印部件和原型,以及业内最快且最可靠的周转时间。大型且高效的数字化生产设施能够满足各应用领域公司的具体业务需求。与此同时,3D Systems 按需制造不仅提供在线 3D 打印服务,还提供全面的常规和增材制造技术,支持整个产品开发生命周期中的服务团队。使用该3D 打印服务有助于缩短生产时间和产品开发时间,并可直接从遍布全球的生产服务中心发货。

图10 3D Systems按需制造3D打印服务平台

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资料来源:3D Systems官网


和3D Systems一样,Shapeways也是一家力争全价值链通吃的3D打印企业。不同的是,后者是网站形式,主要借助其四大网络平台,帮助客户利用3D打印技术制作出自己想要的产品。Shapeways除提供打印服务之外,还开发了基于web的三维模型设计软件,用户可在系统提供的模型和复杂结构的基础上调整参数进行定制,设计完成后,系统对所设计的三维模型进行在线可打印性检测,如模型完整性、壁厚等。云在线设计软件对Shapeways的成功起到了极大的助推作用。2009年成立之初,Shapeways每月售出1万多件3D 打印物件,2015年则达到了每月18万多件,其用户来自全球130多个国家和地区,验证了在线3D打印服务的发展潜力。

Shapeways的四大网络平台中,GRABCAD平台是全球最大的3D打印在线社群,服务于专业设计师、工程师、制造商及学生,注册会员超过300万人,用于分享3D打印设计创意及CAD计算机建模软件模型。MakerBot平台主要面向3D打印机、耗材、配件等购买需求,提供导购服务。Solidscape平台主营高精度3D打印设备、耗材销售。Shapeways direct manufacturing平台提供工业打印服务,从原型设计、制造协助到生产部件,为企业和个人提供一站式专业解决方案。

图11 Shapeways四大网络平台

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资料来源:Shapeways官网
图12 Shapeways的MakerBot商店提供3D打印导购服务

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资料来源:Shapeways官网
3D打印技术产业化的关键,是技术如何与市场用户结合起来。对国内企业来讲,从加工服务做起,通过跟客户充分沟通,制定详细的解决方案,根据对方的需求来选定精度和材料,应当是该企业健康发展的一条可行之路。3D打印机是与行业结合非常紧密的产品,几乎每个行业都可能有自己适用的3D打印机和耗材。因此,3D打印服务企业必须根据自己的资源和理念去定位一个或几个细分领域,进行深耕。

4.2 国内现状:3D打印服务行业细分逐步形成,市场前景广阔
3D打印服务行业细分正在形成,市场前景广阔。3D打印服务行业细分包括线上3D打印服务(包括个性化设计、数据加工服务及交易服务)以及线下3D打印生产与加工服务。

就线上3D打印服务子行业而言,随着三维打印开源项目的发展,如RepRap 和Fab@Home等,和FDM 专利到期等因素,消费级3D 打印市场快速发展,面向大众的在线打印服务这一新的商业模式也随之出现。

国内在线3D打印服务发展与国外基本同步,于2013年开始出现了如未来工厂、i3d.life、魔猴、意造、DD打印网、打印啦和Geek3D等一系列网站,除提供三维模型下载和3D打印服务外,均提供了特定的在线三维设计功能。意造网可在线分析三维模型并提供打印价格等信息;魔猴网提供了在线3D模型格式转化、在线切片等功能;Geek3D提供了基础的基于Web的CAD设计功能;与国外发展趋势类似,上述在线服务网站的注册用户和访问量发展迅速。目前部分的设备供应商也开始依赖于第三方的网络平台布局线下3D打印中心,而且缺乏网络化和智能化。

近年来,国内的在线3D打印服务初步取得了较好的发展,个性化及定制化的需求被大大激发,而现有3D打印互联网服务以自身3D打印资源提供打印服务为主,在支持在线创意设计、汇聚大众设计需求与共享社会打印资源等方面存在短板,无法形成资源互补和大规模效应来满足各层级的个性化需求。

就3D打印服务行业格局而言,国际上初具规模的在线3D服务平台主要有Shapeways、Autodesk、Stratasys,OnShape等。国内则主要有3D造、魔猴、未来工厂、意造、铂力特、华曙峰华卓立等一系列平台。下表总结了各企业的ALEXA排名、PV数据、IP数据。
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表6 国内外在线3D打印服务主要厂商



资料来源:先临三维云打印。

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图13 PV对比图


数据来源:先临三维云打印。


图14 IP对比图

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数据来源:先临三维云打印。


就线下3D打印生产与加工服务子行业而言,随着3D 打印产业不断崛起,3D打印服务业开始遍地开花,很多企业的磨具或最终部件不通过购买3D打印机来制作,而是有线下3D打印生产与加工服务商提供3D打印的生产服务。这部分服务型业务大多由中游设备生产商提供,这些大型设备生产商大多会搭建自己的3D 打印服务平台。目前,国内外知名的3D 打印服务平台有3D Hubs、3D Systems、C.Ideas、Fast Radius、Fictiv、Proto Labs、Stratasys 直接制造、Studio Fathom。

5.3D打印服务行业未来:通过分布式制造重塑制造业生产范式
今天,越来越多变的市场、全球市场参与者数量的增加、短命的销售市场、客户对个性化产品的需求和越来越精巧的生产流程等不断挑战着传统制造业的生产范式。传统制造业的生产范式很难适应个性定制的生产环境中做出的复杂化生产决策,以及频率更短、利用率不平均的生产过程。为了应对多批次小批量定制的复杂不确定性,制造业的生产范式必需更新,形成具有灵活机动性,满足低迭代、高可靠性及大规模的定制成本等要求的新型生产范式。为了继续保持高生产率和高品质,未来制造的范式将是工业4.0的智能化制造—分布式制造模式。运用分布式制造,产品生产的单位时间消耗将变得无足轻重,1万个分布式制造点分别生产出单个成品,与1万个成品在1个加工厂制造,其产能一样。而前者无需仓储、物流的环节。

基于3D打印技术的先进性,3D打印智能化制造是重塑制造业生产范式的有力抓手。2015年,中国政府制定了“互联网+”行动计划,推动移动互联网、云计算、大数据、物联网等与现代制造业结合,以促进产生新的商业模式包括现代制造和创新制造。未来,基于数据驱动的3D打印技术可以实现对制造能力的实时控制,而基于云计算、大数据、物联网等智能化分散控制辅助系统则可以实现分布式制造,将集中生产目标进行分解,对局部生产目标快速反应,并对不断变化的生产需求做出经济灵活的反应。从而让制造更精益、更分散、更低成本。

首先,3D打印智能化制造能够实现制造即服务。3D打印技术发展至今,适应不同制造需求的各类3D打印机均已面世,可以实现不同类型的3D打印制造能力的封装和虚拟化,从而实现分布式制造服务(包括3D打印制造资源作为服务、3D打印制造能力作为服务、3D打印制造知识作为服务等)。

其次,3D打印智能化制造能够满足不确定性制造。3D打印智能化制造范式对制造需求的满足不存在唯一的最佳解,而是通过对多种3D打印技术的组合实现满意解或非劣解,从而实现3D打印智能化制造的不确定性制造能力。具体包括制造任务的描述、制造任务与3D打印分布式制造服务的映射匹配、服务选取与绑定、服务组合选取、制造结果评价等环节中的不确定性。

再次,3D打印智能化制造支持多用户制造。传统网络化制造模式(如ASP、制造网格等)重点是如何使分散的制造资源能够通过网络连接起来,从而形成虚拟的集中资源,并将一个复杂制造任务分解成若干简单任务,通过调度机制使得这些简单任务并行运行在不同制造资源节点上,最后汇集执行结果,体现的是一种“分散资源集中使用”的思想。而3D打印分布式制造不仅体现“分散资源集中使用”的思想,还有效实现“集中资源分散服务”的思想,即将分散在不同地理位置的3D打印制造资源通过大型服务器集中起来,形成物理上的服务中心,进而为分布在不同地理位置的多用户提供服务调用、资源租赁等。

另外,3D打印智能化制造支持按需使用和付费的制造。分布式制造是一种需求驱动、按需付费的面向服务的制造新模式。该模式下用户采用一种需求驱动、用户主导、按需付费的方式来利用制造服务中心的制造服务资源。用户和制造资源提供者可以形成一种即用即组合、即用即付的关系。

最后,3D打印智能化制造有助于实现低门槛、众包式制造。传统制造企业必须拥有自己的厂房、设备、物料、信息化设施、技术人员等全套制造条件,同时必须具备相应的设计、制造、管理、销售等能力。而分布式制造模式下,企业不需要拥有所有这些条件和能力,对企业没有的制造资源或能力可以通过“外包”的形式来达到,即通过调用或租用分布式制造系统中的资源、能力、服务来完成本企业的生产任务。从而降低了企业的入门门槛,使生产和企业组织方式更加灵活、多元化。

6.结论
3D打印被誉为第三次产业革命,它也是我国“工业4.0”和“中国制造2025”计划中的重大战略性产业。中国在3D打印领域方面已经颇具实力,某些技术甚至领先全球。但由于工艺复杂,打印机购置成本高昂,打印需求不稳定等,增材制造客户往往需要企业提供定制化的下游配套服务。中国的3D打印技术真正实现产业化与3D打印服务行业的健康发展休戚与共。

本报告首先对3D打印产业进行了全景式剖析,接着对3D打印服务行业环境进行详细剖析,然后对国内外3D打印服务行业发展的现状和趋势整理,最后对3D打印服务行业的未来发展方向进行展望,从3D打印服务行业视角阐释了3D打印技术如何真正实现工业化应用。我们认为,在可期的未来,3D打印服务行业将会通过分布式制造改变制造业生产、组织、交易方式及制造条件,深刻的重塑未来制造业的生产范式。

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来源:国信证券
作者:孙永苑

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