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行业观察丨3D打印产业链分析

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来源:材料十

3D打印技术最早可以追溯到1976年喷墨打印机的发明。20世纪80年代以后,3D打印行业受到国内外的广泛关注,各种3D打印技术也在多个行业应用并发展。目前已覆盖了制造、医疗、教育、航空航天、军事等多个领域。
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全球3D打印市场规模
全球3D打印市场规模逐年增加,2010-2016年3D打印市场的年均复合增长率为24.60%。由2010年的13亿美元增加至2016年60.6亿美元(约合人民币417.5亿元),增长率为16.54%,同比减少13.46个百分点。伴随着3D打印技术的快速成长和3D打印技术在各个行业领域的渗透。2017年全球3D打印行业市场规模超70亿美元。未来五年全球3D打印行业继续保持快速增长的势头。

整个3D打印行业产业链大概可分为:上游基础配件行业;中游3D打印设备生产企业、3D打印材料生产企业和支持配套企业;下游主要是3D打印的各大应用领域。通常意义上的3D打印行业则主要是指3D打印设备、材料及服务企业。

目前,3D打印材料主要包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、金属材料和陶瓷材料等,除此之外,彩色石膏材料、人造骨粉、细胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印领域得到了应用。

3D打印经过近40年的发展,已经形成了一条完整的产业链。产业链的每个环节都聚集了一批领先企业。全球范围来看,以Stratasys、3D Systems为代表的设备企业在产业链中占据了主导作用,且代表性设备企业通常能够提供材料和打印服务业务,具有较强的话语权。

3D打印材料产品分类
现阶段随着技术和研发的推进,目前有300多种材料可用于3D打印制造,由于现阶段90%的3D打印机用户都使用的是桌面级产品,因此像ABS、PLA这两种塑料材质的耗材用量占比超过50%,目前高分子材料生产商也主要集中于ABS和PLA以及尼龙材料。

从材料种类看:3D打印行业的发展取决于其材料的研发和应用,当前全球3D打印行业的发展主要的材料有PLA、ABS、Standard Resin、PA12、PA 2200、PETG和Clear Resin等。其应用最为广泛的为PLA材料,应用占比为37.1%,其次为ABS占比为15.5%。

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数据来源:Wohlers 前瞻产业研究院


3D打印下游应用分析
现阶段,3D打印主要应用于航空航天、医疗、汽车等领域,以制造业和医疗领域应用最为广泛。按照销售规模排名,全球3D打印产值在机械、消费电子、汽车、航空航天、医疗等行业的应用总体呈均衡分布的发展特征,其中机械行业产值占比为17.5%,为3D打印行业下游的主要应用领域;其次为消费电子产值占比为16.6%,排名第二;汽车下游应用产值占比为16.1,%,仅次于消费电子的应用需求。未来,随着电子和汽车工业的发展,两个领域的产值规模有望进一步提升。

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资料来源:Wohlers 前瞻产业研究院整理


3D打印技术发展迅速,应用领域几乎遍及所有领域,已经成为现代模型、模具和零部件制造的有效手段,尤其在航空航天、国防军工、生物医药、家电、建筑工程、教学研究和农用工具、大众消费等领域得到一定的应用,并取得了良好的效果。

3D打印在汽车行业中的应用

与人们生活息息相关的汽车业也不例外地受到了3D打印技术的影响。3D打印打印技术为汽车制造业注入了新的血液,不仅是汽车零部件的设计与制造,而且汽车外观造型、内部结构或汽车内饰功能上的设计,都在不同程度上应用了3D打印技术。目前3D打印技术在汽车设计中的应用主要集中在概念模型开发、功能验证原型制造、工具制造及小批量定制型成品生产四个阶段。

在国外的汽车制造领域,3D打印技术的应用已经相对比较成熟,有很多成功的案例。世界首辆3D打印汽车—原型机Urbee于2013年问世,整个车身采用3D打印技术一体成型,具有其他片状金属材料所不具有的可塑性和灵活性。整车的零件打印只需2500小时即可完成,工人需要做的只是把所有打好的零部件组装在一起,生产周期远远快于传统汽车制造周期。新版本的Urbee2则只需要50个3D打印的零部件即可,而传统标准汽车则需要由上千个零件组装而成。

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世界首辆3D打印汽车Urbee(图片来源:网易汽车)


3D打印在武器装备领域中的应用
在武器装备领域,3D打印应用主要集中在武器设计创意验证和模具制作方面,可以直接打印一些特殊、复杂的结构件,同时有效实现结构件的轻量化。在世界各国的广泛关注与大力推进下,3D打印技术的发展与应用不断取得突破,对武器装备的发展也产生了深远影响。

3D打印可用于武器装备的设计。3D打印技术不需要传统制造方式的铸锭、制胚、模具、模锻等过程,可以直接快速、低成本地进行原型机生产,且整个生产过程可随时修正、随时制造,在短时间内就可进行大量的验证性试验,从而显著降低研制风险、缩短研制时间、降低研制费用。例如防御系统设计和开发公司EOIR Technology通过引入3D打印技术,该公司制造坦克外置装备的制造成本从每单件10万美元降至40,000美元以下。

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3D打印出的坦克外部的罐体(图片来源:stratasys官网)


3D打印还可用于武器装备零部件的维修和更换。在战场上难以预测装备受损情况,依靠备件或供应链容易产生保障不足或保障过量的情况。3D打印技术具备快速制造不同零部件的能力,只要有电子设计图纸及打印材料,可根据需要快速打印出各种部件。

3D打印在航空航天领域的应用
航空航天正在利用3D打印来改善资产的分配,减少维护费用,并通过制备更轻的部件节省燃料成本。另外航空航天装备的零部件生产遍布世界各地,但是在世界各个地方批量生产的组件可能需要几周时间才能到达装配厂,如果是突发性的紧急事件,这将严重的影响装备的测试或应用。使用3D打印技术现场打印组件,就能消除运输时间,减少供应链中的摩擦,也能减少工厂的库存。例如波音公司已经使用3D打印机为其新型787飞机生产环境控制管道(ECD)。通过3D打印,可以将ECD作为一体,不需要组装;并且由于3D打印件的重量减少,节省燃料。3D打印对于航空航天装备中的具有复杂内部结构的零件特别有效,下图为3D打印的形状复杂的金属机翼支架。

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空中客车3D打印的金属机翼支架(图片来源:EADS官网)


3D打印在医疗行业的应用
3D打印最令人鼓舞的应用是在医疗行业,3D打印具有挽救生命或大幅改善医疗的潜能。可利用3D打印技术使用金属、塑料等非活体组织材料定制化假肢、牙科、骨科植入物、助听器外壳等医疗器械,下图为3D打印的牙齿模具,但这些都属于3D打印技术在医疗行业应用的“初级阶梯”。3D打印血管、软骨组织这类单一的活体组织属于“中级阶梯”。3D打印人工肝脏、心脏等人工器官则属于“顶级阶梯”。上述所说的“中级阶段”、“高级阶梯”其核心都是特定类型细胞的分离(或定向诱导)和大规模扩增。而3D打印技术在人工组织、器官培养过程更多承担了三维形状的构建,即让人体细胞按照预先设计好的形状来生长。

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3D打印的牙齿模具(图片来源:Stratasys官网)


3D打印在建筑行业的应用
3D打印建筑将对我们的未来生活带来巨大的影响。3D打印在建筑领域的应用主要集中在建筑设计阶段和工程施工阶段。

在建筑设计阶段,建筑的设计工作引入3D打印技术后,设计师们能够对很多的建筑创意想法进行实践,提高了实施多种不同建筑类型的可行性,对现实的施工具有较强的指导作用。其次,运用3D打印技术能够对部分特殊设计提前做出有效的预估,获得最直观的感受,并提前设定好相应的辅助措施,弥补不足之处,确保建筑工程在最终可以得到较高的成绩。

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3D打印建筑模型(图片来源:hk3Dprint官网)


在工程施工阶段,有效应用3D打印技术,可以极大的缩短工期,提供高质量的应急住房。下图为全球首座使用3D打印技术建造的办公室于2016年5月在阿联酋迪拜国际金融中心落成。
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3D打印技术建造的办公室(图片来源:新华网)


3D打印在服装行业的应用
3D打印在服装行业的运用,改变了以往布料难以塑造的立体造型,给人们带来了焕然一新的视觉冲击。3D打印的使用,给了设计师充分的想象空间,能够让设计师在产品形态创意和功能创新方面不受约束,挥洒自如,给服装制造业带来了空前的发展机遇。

如下图所示,3D打印技术打破了传统产品设计的限制,利用电脑能够实现传统工艺得不到的线条,选择不同的制造材料,根据客户自己的想法、个人喜好等不同的需求进行定制,使得传统制造业无能为力的产品成为可能。

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3D打印设计的衣服(图片来源:雷锋网)


在减少库存、节约成本方面,3D打印技术在生产成品之前基本无需任何材料的消耗,同时可以循环利用生产资料,如果生产出来的产品想要进一步改进,可以将原材料(或旧材料)粉碎打印;同时也可以单个产品打印,不像工厂那样,需要大批量生产。3D打印在服装行业的应用,能够节省能源,减少浪费,多次利用资源,简化生产过程。

3D打印在食品行业的应用
合理的膳食不仅能满足人体的生长、发育和各种生理、体力活动的需要,而且还能保障不同年龄段人群的健康,减少疾病的发生。而多材料食品3D打印技术将成为解决膳食平衡问题的有效措施。3D打印技术将为食品领域带来全新的概念和动力。

3D打印技术可用于提供健康食品。通过对材料盒中的食物原料进行科学合理的配置,3D打印技术可以打印出适用于不同营养需求的青少年、老人、孕妇和病人食品。

3D打印技术可用于航空食品。载人航天技术面临着保障航天员在太空环境中长期生活的难题,然而3D打印机中的材料盒可以存放碳水化合物、蛋白质、色素、调味剂及微量元素等营养成分,保质期可长达30年,完全杜绝了食材变质和浪费的现象,从而为宇航员们提供了保质期更长久的食物。

3D打印技术可用于个性化需求。3D打印技术不仅可以制造出传统食品生产技术无法制造出的外形,而且可以简化生产过程,快速有效又低成本地生产出单个物品。如图1-13所示为3D打印出的食物。

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3D打印食物(图片来源:Biozoon网站)


3D打印在教育行业的应用
3D打印技术可用于教学模型制作的周期和方式进行革新。当前,教学工具和仪器一般由专门的教学设备制作机构制作发行,更新慢;多媒体课件中展示的教学内容模型也无法使学生直接接触和观察教学。每位教师都可以使用3D打印方便地打印模型,以有形的三维格式展示教科书中提取的二维信息,并可以自行设计个性化的教学模型进行教学。同时3D打印可以用于制作特殊的教学模型,特别是像医学解剖、有毒材料、文物古迹等难以获取的模型。

3D打印技术可用于创新课程设计。很多学科可以通过3D打印制作相关的模型,更加形象地进行课程内容的学习和试验设计。在教学活动中,生动的DIY (Do It Yourself)和立体化的学习方式越来越受到学生的喜爱。在机械设计和工业设计等专业,3D打印机能够直接创建出三维外观原型,使学生们能够更直观的评估自己的设计。

来源:材料十

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