3D打印之國內(nèi)外發(fā)展研究
《新產(chǎn)經(jīng)》傳媒產(chǎn)業(yè)與金融研究所
1 3D 打印的產(chǎn)業(yè)背景
1.1 國際因素
1.1.1 制造業(yè)回流,美國提出“再工業(yè)化戰(zhàn)略”
制造業(yè)回流意指跨國公司將制造業(yè)投資和生產(chǎn)能力從海外向國內(nèi)轉(zhuǎn)移的一種現(xiàn)象,它既包括把海外的工廠遷移回國,也包括在國內(nèi)建設工廠,取代在海外建廠或采購的計劃。再工業(yè)化是指重新重視和發(fā)展工業(yè),包括改造提升現(xiàn)有工業(yè)和發(fā)展新工業(yè)的過程。20 世紀五六十年代到金融危機發(fā)生前,美歐各國經(jīng)歷了一次“去工業(yè)化”過程。彼時,美歐國家人力成本和用地成本偏高,普遍重視高附加值的產(chǎn)業(yè),如高新技術研發(fā)和金融服務業(yè),制造業(yè)就業(yè)和產(chǎn)出比重持續(xù)降低,制造業(yè)同時向新興工業(yè)化國家轉(zhuǎn)移,形成了產(chǎn)品研發(fā)在美國,零部件生產(chǎn)和組裝環(huán)節(jié)在日本、亞洲四小龍、中國和印度的國際分工體系。其帶來的結(jié)果是,美歐各國在汽車、消費類電子和鋼鐵等傳統(tǒng)優(yōu)勢制造業(yè)領域的優(yōu)勢逐步喪失,大量投資轉(zhuǎn)向海外。金融危機發(fā)生后,金融業(yè)固有的脆弱性和系統(tǒng)性風險,使歐美各國意識到著重依靠第三產(chǎn)業(yè)發(fā)展的策略的錯誤性。經(jīng)濟的衰退伴隨著嚴重的失業(yè),2010 年美國制造業(yè)就業(yè)人數(shù)僅為總就業(yè)人數(shù)不足10%,制造業(yè)從業(yè)人員減少成為失業(yè)率高企的主要原因。
在上述背景下,美國政府依靠減稅、降低能源成本、削弱工會權力和加強職業(yè)教育等措施克服制造業(yè)發(fā)展的制約因素,以提升制造業(yè),重啟經(jīng)濟發(fā)展動力。以美國為代表的西方發(fā)達國家,積極引導制造業(yè)回流,實施“再工業(yè)化戰(zhàn)略”,3D 打印產(chǎn)業(yè)因其高新技術屬性、技術擴散效應以及帶動諸多產(chǎn)業(yè)發(fā)展等因素而受到重視。此外,3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈的整合發(fā)展,能順理成章地與制造業(yè)相結(jié)合,吸收更多就業(yè),增加出口,吸引資本回流,凡此種種,發(fā)展3D 打印產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在成為了實施再工業(yè)化戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。
更需要關注的是,全球制造業(yè)的趨勢正在從關注勞動力成本轉(zhuǎn)為關注高技術、高附加值的創(chuàng)新,這意味著一些制造業(yè)可以遠離低成本勞動力聚集地,重返更靠近消費者的地方。
1.1.2 自工業(yè)時代,產(chǎn)品需求多樣化
《經(jīng)濟學家》認為第三次工業(yè)革命以互聯(lián)網(wǎng)、新材料和新能源為基礎,核心是“數(shù)字化智能制造”,人們按照自己的意愿設計制造產(chǎn)品成為可能,自工業(yè)化時代即將到來。所謂自工業(yè)化是指消費者按照個人喜好生產(chǎn)所需用品,實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)由工廠到家庭的演變。這其中,產(chǎn)品的設計、制造等工序,消費者可以自行完成,也可以通過網(wǎng)絡平臺尋找專業(yè)人士代辦。優(yōu)秀的產(chǎn)品創(chuàng)意還可以打包為商品放置在網(wǎng)絡平臺出售,形成商業(yè)模式。
工業(yè)生產(chǎn)方式的變革與消費者行為存在交互影響,消費需求的轉(zhuǎn)變往往能推動工業(yè)的創(chuàng)新變革,而工業(yè)生產(chǎn)方式根本轉(zhuǎn)變之后又反過來使消費習慣固定。近年來,國外消費者個性化定制的訴求日益強化,現(xiàn)代工業(yè)流水線生產(chǎn)模式引以為傲的標準化產(chǎn)品越來越難調(diào)眾味。3D 打印這種基于網(wǎng)絡平臺,以3D 打印機為生產(chǎn)終端的技術,恰恰能滿足大眾(特別是不具備產(chǎn)品開發(fā)能力的消費者)的多樣化需求。下一步,也是西方國家正在做的事情,通過傳媒宣傳、體驗館展示在消費者群體中推廣新技術,影響消費者選擇,使3D 打印加速形成新興產(chǎn)業(yè)。
1.1.3 開源硬件推動3D 打印及制造迅速普及
3D 打印機制造早在20 世紀80 年代已經(jīng)存在,當時的設備和耗材都非常昂貴,所以它只應用于模具開發(fā)、原型設計等工業(yè)上游環(huán)節(jié)。在90 年代,它的價格一度高達數(shù)百萬美元。而在2000 年初,其價格降至一到二萬美元。到了現(xiàn)在,你甚至可以僅用數(shù)千美元或者數(shù)千人民幣購買一臺3D 打印機。3D 打印機成本的快速下降,使得3D 打印機的銷售實現(xiàn)商業(yè)化,這歸功于開源硬件運動推動。開源硬件,指與自由和開放源碼軟件相同方式設計的計算機和電子硬件。開源硬件開始考慮對軟件以外的領域開源。這個詞主要是用來反映自由釋放詳細信息的硬件設計,如電路圖、材料清單和電路板布局數(shù)據(jù),通常使用開源軟件來驅(qū)動硬件。共享邏輯設計連同可編程邏輯器件之重構,也是一種形式的開源硬件。對于3D 打印機來說,開源硬件Arduino 是其價格迅速下降的主要原因。這是一款由5 個國際工程師研發(fā)的電子原型平臺,該平臺包括一片具備簡單I/O功效的電路板以及一套程序開發(fā)環(huán)境。它為3D 打印機提供了一個便宜而又強大的方案,加上其他開源技術的配合,3D 打印機的生產(chǎn)門檻越來越低。值得一提的是,Reprap 是最早使用Arduino 作為控制方案的3D 打印機,所以大多數(shù)以它為“藍本”的改進產(chǎn)品也是采用Arduino 作為主控設備的。其它影響較大的3D打印機開源項目還有MakerBot、CandyFab、Fab@Home 等。目前國內(nèi)市面出售的桌面3D 打印機也多是依靠MakerBot、Reprap 的開源系統(tǒng),進行改進后制造生產(chǎn)。
1.1.4 3D 打印已成為新興產(chǎn)業(yè)
全球3D 打印設備銷售在2007 年已達到4930 臺,到2010 年全球市場規(guī)模達13.25 億美元,其中服務收入6.51 億美元,美國保有量占比38.3%。根據(jù)跟蹤3D 打印產(chǎn)業(yè)多年的美國Wohlers 公司2011 的調(diào)查結(jié)果,全球3D 打印產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值在1988~2010 年間保持著26.4%的年均增長速度。2011 年全球3D 打印技術的銷售額為17.14 億美元,年增長率為29.1%。
美國3D 打印龍頭3D Systems 公司2013 年Q1 財報顯示,其每股盈利同比增長24%,連續(xù)第七個季度實現(xiàn)每股盈利的兩位數(shù)增長,預期全年盈利1.05-1.2美元/股;Q1 主營收入1.02 億美元,同比增長31%,相當于2011 年全年營業(yè)收入的三分之一2,全年營收預期將達到4.6 億-5.1億美元。僅3D 打印機的銷售收入就勁增61%,達到3970 萬美元。
圖1-1 全球3D 打印銷售額增長示意圖

(圖片來源:光大證券。)
另外一方面,3D 打印技術應用領域正在逐步拓展,已成為現(xiàn)代模型、模具和零件制造的強有力手段;在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫(yī)學等領域,應用也日益廣泛;在個人消費領域,從服飾到家用電器零部件,3D 打印也正在改變普通家庭的生活方式,在美國和德國等地家庭中甚至已出現(xiàn)水龍頭損壞采用桌面3D 打印機即打替換的情況。
花旗銀行最新發(fā)布了一份研究報告3,將3D 打印產(chǎn)業(yè)視作將改變世界的十大技術發(fā)明,并預計3D 打印產(chǎn)業(yè)將在航天、整形等高附加值、小體量的產(chǎn)業(yè)領域率先爆發(fā)。專業(yè)研究機構Wohlers 發(fā)布的報告預期,3D 打印產(chǎn)業(yè)未來仍將持續(xù)較快地增長,到2015 年,包含設備制造和服務在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值將達到31 億美元,2019 年將超越65 億美元。
1.1.5 政策助力,研發(fā)及推廣力度加大
當前以美國為代表的發(fā)達國家高度重視3D 打印技術的發(fā)展。近年來奧巴馬政府視人工智能、3D 打印、機器人為重振美國制造業(yè)的三大支柱,其中3D 打印是第一個得到政府扶持的產(chǎn)業(yè)。2012 年8 月美國國防部、能源部和商務部等5家政府部門宣布,共同出資4500 萬美元,首筆資金為3000 萬美元,由俄亥俄州、賓夕法尼亞州和西弗吉尼亞州的企業(yè)、學校和非營利性組織組成的聯(lián)合團體出資4000 萬美元,在俄亥俄州建立一所由政府部門和私營部門共同出資的制造業(yè)創(chuàng)新研究所,加強研發(fā)3D 打印技術。
除美國外,其他國家也在不斷加強3D 打印技術的研發(fā)及應用。歐洲十分重視對3D 打印技術的研發(fā)應用,目前已能打印住房、骨骼,并能夠直接利用月球土壤進行打印。澳大利亞近期制定了金屬3D 打印技術路線;南非正在扶持基于激光的大型3D 打印機器的開發(fā);日本著力推動3D 打印技術的推廣應用;新加坡已批準在2013 年撥付5 億美元的財政資金用于3D 打印產(chǎn)業(yè)的建設。
全球性的政府重視和政策助力,必將使3D 打印的科技進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展,躍
上新的臺階。
1.2 國內(nèi)因素
1.2.1 由“中國制造”轉(zhuǎn)向“中國智造”
制造業(yè)的發(fā)展已不再是生產(chǎn)至上,同時向設計、銷售、服務等產(chǎn)業(yè)鏈的上下游擴展。我國長期以來一直處在國際制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的中低端,成為國際商品的“加工廠”,出口商品也被深深的打上“中國制造”的烙印。發(fā)展3D 打印產(chǎn)業(yè),可以提升我國工業(yè)領域的產(chǎn)品開發(fā)水平,提高工業(yè)設計能力。一些好的設計理念,無論其結(jié)構和工藝多么復雜,均可利用3D 打印技術,短時間內(nèi)制造出來,從而極大地促進了產(chǎn)品的創(chuàng)新設計,有效克服我國工業(yè)設計能力薄弱的問題,實現(xiàn)“中
國智造”的華麗轉(zhuǎn)身。根據(jù)“微笑曲線”理論,產(chǎn)品的附加值更多體現(xiàn)在兩端,即設計和銷售,處于中間環(huán)節(jié)的制造的附加值最低。但是在高精尖制造業(yè)領域,卻呈現(xiàn)出“倒微笑曲線”,即高附加值主要來自于高度自動化、精益化的制造環(huán)節(jié),研發(fā)和營銷的附加值屈居其次。二者疊加形成“元寶曲線”,實現(xiàn)了集成專業(yè)化和制造專業(yè)化的價值共生,使得企業(yè)盈利模式多樣化,盈利點和價值分布點增多,通過相關業(yè)務之間的協(xié)同,能夠?qū)崿F(xiàn)“1+1>2”的目標。
圖1-2 “元寶曲線”示意圖

1.2.2 經(jīng)濟復蘇態(tài)勢明顯,制造業(yè)升溫
2011 年,我國模具、零部件、文教體育用品、工藝美術品、紡織服裝、化學纖維、橡膠、塑料制品、家具等產(chǎn)值超過7 萬億元。即使只有10%的產(chǎn)業(yè)被3D打印替代或者補充生產(chǎn),也將形成萬億級的3D 打印市場規(guī)模。
同時,按照國家“十二五”規(guī)劃方向,我國將重點發(fā)展航空航天制造、船舶及海洋裝備、清潔能源發(fā)電設備制造、汽車、鐵路和軌道交通機車等行業(yè),到2015 年,我國高端裝備制造業(yè)銷售收入將從2010 年的1.6 萬億元增長到6 萬億元以上。預計十二五期間激光快速成形技術僅在大型鑄鍛件和鈦合金制造領域就有可能達到萬億級規(guī)模。而航空航天等高端裝備業(yè)正是3D 打印技術的主要應用領域,也是產(chǎn)值增長速度最快的領域。
1.2.3 政策利好
科技部近日公布了《國家高技術研究發(fā)展計劃、國家科技支撐計劃制造領域2014 年度備選項目征集指南》,在全球范圍內(nèi)引發(fā)熱潮的3D 打印產(chǎn)業(yè)首次入選。分析人士表示,這體現(xiàn)出國家層面的重視程度,國內(nèi)的3D 打印產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展期。該《指南》中提到,要突破3D 打印制造技術中的核心關鍵技術,研制重點裝備產(chǎn)品,并在相關領域開展驗證,初步具備開展全面推廣應用的技術、裝備和產(chǎn)業(yè)化條件。其中涉及到航空航天大型零件激光熔化成型裝備研制及應用、面向復雜零部件模具制造的大型激光燒結(jié)成型裝備研制及應用、面向材料結(jié)構一體化復雜零部件高溫高壓擴散連接設備研制與應用、基于3D 打印制造技術的家電行業(yè)個性化定制關鍵技術研究及應用示范等4個研究方向,共撥付不超過4000萬研究資金。
工信部也表示,將組織研究制定增材制造技術路線圖、增材制造業(yè)中長期發(fā)展戰(zhàn)略,并推動完善增材制造技術規(guī)范與標準制訂。此外,將加大財稅政策引導力度,加大對增材制造技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的支持力度,研究制定支持增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的專項財稅政策,還將適時籌建增材制造行業(yè)組織,積極組織行業(yè)力量開展產(chǎn)業(yè)政策研究,推動增材制造技術研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。
1.2.4 地方政府積極推動
地方政府層面,3D 打印發(fā)展已被湖南、湖北等省列入政府工作報告;南京正在建設3D 打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟總部基地;合肥聯(lián)手國內(nèi)科研機構,建設3D 打印與激光再制造先進技術研究中心;武漢、昆山等地積極籌劃成立3D 打印產(chǎn)業(yè)園;成都市政府更是大手筆,計劃出資5 億,與中國3D 打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)手建設3D 打印技術產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心;與深圳毗鄰的東莞,致力通過3D 打印,重塑制造業(yè)中心城市的新活力,計劃在天安數(shù)碼城成立3D 打印產(chǎn)業(yè)基地,在松山湖華科產(chǎn)業(yè)孵化園落成3D 打印產(chǎn)業(yè)園區(qū),并且在加速出臺行業(yè)相關的金融、公共技術平臺、人才支持等配套措施。3D 打印產(chǎn)業(yè)與技術峰會也成為競爭焦點:4 月25 日,東莞舉辦“3D 打印技術產(chǎn)業(yè)化論壇”,邀請到國際3D 打印巨頭美國Stratasys 公司專家主講,場面火爆,容納兩三百人的講堂擠滿五六百人。5 月9 日,上海舉辦“CSITF2013 增材制造技術全球高峰論壇”,商務部、科技部、國家知識產(chǎn)權局與上海市政府共襄盛舉,業(yè)界反應優(yōu)良。5 月28-29 日,深圳舉辦3D 打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展與應用技術路徑峰會,深入探討3D 打印的產(chǎn)業(yè)化對策。5 月29-31 日,北京也舉辦2013 世界3D 打印技術產(chǎn)業(yè)大會,邀集國際知名的研發(fā)團隊,論道3D 打印行業(yè)發(fā)展。這一系列行動的內(nèi)在邏輯在于,致力產(chǎn)業(yè)升級和謀求創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)突破的各路地方勢力,眼光都盯住了富有前景的3D 打印產(chǎn)業(yè)。
2 3D 打印的基礎概念
2.1 3D 打印定義及流程
2.1.1 3D 打印定義
3D 打印技術是指通過連續(xù)的物理層疊加,逐層增加材料來生成三維實體的技術,與傳統(tǒng)的去除材料加工技術不同,因此又稱為增材制造(AM,Additive Manufacturing)。作為一種綜合性應用技術,3D 打印綜合了數(shù)字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識,具有很高的科技含量。3D 打印機是3D 打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統(tǒng),主要由高精度機械系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成。此外,新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D 打印技術體系的重要組成部分。
2.1.2 3D 打印流程
3D 打印的過程:
第一步,三維設計。一種方式是通過計算機輔助設計(CAD)或計算機動畫建模軟件建模,將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面,指導打印機逐層打印,文件格式為STL。另一種方式是通過三維掃描儀產(chǎn)生三維文件,通常為VRML 和WRL 文件格式,作為全彩打印的輸入文件。三維掃描儀價格昂貴,采用第二種方式成本高。
第二步,打印。打印機通過讀取文件中的橫截面信息,選擇液體狀、粉狀或片狀的匹配材料,將這些截面逐層地打印出來,再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。
圖2-1 3D 打印簡化流程圖

2.2 3D 打印的技術專利
專利申請是技術創(chuàng)新成果的主要衡量指標,截至2013 年1 月24 日,全球3D(增材制造)相關專利數(shù)量達到2444 個專利族,主要專利集中在美國、德國、瑞士等發(fā)達國家。
表2-1 3D 打印專利持有前十名公司
|
排名 |
機構 |
專利數(shù)量 |
排名 |
機構 |
專利數(shù)量 |
|
1 |
美國3D Systems |
246 |
2 |
美國Stratasys |
120
|
|
3 |
德國EOS |
120 |
4 |
瑞士汽巴精化 |
66
|
|
5 |
美國美光科技 |
42 |
6 |
以色列Object |
38 |
|
7 |
美國波音公司 |
34 |
8 |
德國VOXELJET |
32 |
|
9 |
瑞士亨斯邁 |
30 |
10 |
德國巴斯夫 |
29 |
(數(shù)據(jù)來源:上??茖W技術情報研究所。)
國際3D(增材制造)技術自上世紀80 年代中后期開始穩(wěn)定發(fā)展,在2004 年之前以較快幅度攀升,之后便呈現(xiàn)出專利量基本穩(wěn)定甚至略為減少的態(tài)勢,相關專利的申請量和公開量分別在2007 年(251個專利族)和2008 年(219個專利族)達到波峰。目前正進入第三階段技術成熟期,專利申請數(shù)量和申請人數(shù)量趨于穩(wěn)定甚至有開始減少的趨勢,產(chǎn)業(yè)進入壁壘提高。塑料成型是增材制造中發(fā)展最快、專利申請最為集中的技術領域,但近年開始出現(xiàn)回落。在優(yōu)先權專利地域分布上,美國、日本和德國位列前三。
圖2-2 1986-2011 年3D 打印專利申請量

圖2-3 全球3D 打印優(yōu)先權專利分布

2.3 3D 打印的分類
2.3.1 按產(chǎn)品應用范圍劃分
按產(chǎn)品應用范圍劃分,3D 打印主要分為工業(yè)級和民用級。其中,民用級也通常被稱為桌面級。工業(yè)級的3D 打印機精度很高,不僅可以打印塑料和樹脂,還可以打印金屬和高分子材料,能夠生產(chǎn)航空航天所需的部件、醫(yī)用人造牙齒和關節(jié)等,甚至包括人造器官。但是缺點在于設備價格高昂,每臺達數(shù)十萬美元,難以大規(guī)模推廣?,F(xiàn)階段工業(yè)級3D 打印以提供打印服務為主要業(yè)務。
在桌面級市場,3D 打印技術的精度僅為毫米級,所使用的材料通常為塑料,只能用來制造模型、玩具以及動漫等創(chuàng)意產(chǎn)品。但是由于桌面級3D 打印機的技術突破,價格可以為多數(shù)消費者接受,加之體積小,適合家用,3D 打印機的銷售迅速提升。
表2-2 工業(yè)級、桌面級主要3D 打印設備制造公司
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類型 |
生產(chǎn)公司
|
|
工業(yè)級 |
3DSystems、Stratasys、Z Corporation、Objet、EOS
|
|
桌面級 |
Reprap、Makerbot、Ultimaker、Botmill、Fab@Home
|
事實上,工業(yè)級和桌面級的分類并非嚴格界定。工業(yè)級3D 打印設備制造商
和桌面級3D 打印設備制造商之間往往有業(yè)務重疊。
2.3.2 按成型技術劃分
按成型技術和工藝的不同,3D 打印可以分為噴射式、顆粒式、薄片疊加式和光聚合式四類,四類成型工藝又可以分別細分(見表2-3)。當前在商業(yè)中應用較為廣泛的技術是立體光刻成型技術(SLA)、熔融沉積成型技術(FDM)和選擇性激光燒結(jié)成型技術(SLS)三種。
表2-3 3D 打印成型技術
|
類型 |
技術 |
使用材料 |
代表公司
|
|
噴射式 |
FDM:熔融沉積制造
|
熱塑性塑料、低熔點金
屬、食材
|
美國Stratasys
|
|
顆粒式
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DMLS:直接激光金屬燒結(jié) |
任意金屬合金 |
德國EOS
|
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SHS:選擇性熱燒結(jié) |
熱塑性粉末 |
丹麥Blueprinter
| |
|
SLS: 選擇性激光燒結(jié)
|
熱塑性塑料、金屬粉末、
陶瓷粉末
|
德國EOS、3D Systems
| |
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EBM:電子束熔化 |
鈦合金 |
瑞典Arcam
| |
|
PP:粉末基底噴射 |
石膏 |
Z Corporation
| |
|
薄片疊加式 |
LOM:薄片疊加制造 |
紙、金屬箔、塑料膜 |
美國CubicTec
|
|
光聚合
|
SLA:立體光刻成型 |
光敏樹脂
|
3D Systems 、Makerbot
|
|
PI:聚合體噴射 |
光敏聚合物 |
Object
| |
|
DLP:數(shù)字光處理 |
液態(tài)樹脂 |
德國EnvisionTec
|
3.3.2.1 立體光刻成型技術(SLA)
定義
立體光刻工藝在快速成型技術中最早商品化,也是現(xiàn)在最為成熟、應用最廣泛,占市場份額最大的工藝。立體光刻又叫做光固化成形,它是快速成形原理與光固化機理相結(jié)合,在現(xiàn)代激光技術、數(shù)控以及計算機技術的輔助下而發(fā)展起來的。
2.3.2.2 熔融沉積成型技術(FDM)
定義
熔融沉積成型技術,又稱為熔絲沉積法或絲狀材料選擇性熔覆。噴頭沿零件截面輪廓與填充軌跡運動(CAD 控制路徑),擠出熔化材料并迅速固化,逐層成型,后層需前層支撐與定位。
2.3.2.3 選擇性激光燒結(jié)(SLS)
定義
選擇性激光燒結(jié)法采用紅外激光器作能源,使用的造型材料多為粉末材料。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉,用金屬粉或陶瓷粉進行燒結(jié)的工藝還在研究之中。
2.4 技術優(yōu)勢及應用領域
2.4.1 技術優(yōu)勢
2.4.1.1 節(jié)約成本
首先,3D 打印節(jié)省材料,用料只有原來的1/3 到1/2,打印速度快4倍。同時由于層層堆積打印,省去邊角切割,不會產(chǎn)生廢料,材料利用達到100%。同時,制造成本與產(chǎn)品的復雜程度無關,制造過程不產(chǎn)生廢棄物,提高材料利用率。其次,3D 打印節(jié)省人工,對人工技能要求低,通過分層制造實現(xiàn),減少組裝環(huán)節(jié),也相應減少用工需求。
2.4.1.2 滿足個性化需求,實現(xiàn)社會化制造
3D 打印能實現(xiàn)不同材料的組合,并且應用范圍廣闊,生產(chǎn)產(chǎn)品多樣化。打印機占用空間小,打印物品不受自身大小限制。用戶可以選擇不同的3D 打印機和匹配的材料,通過三維模型設計,制造自己需要的物件。消費者可以將需求直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品,即“從想法到產(chǎn)品”,并使得任何人都能通過社會媒體和眾包等形式參與設計、改進、宣傳、推廣、營銷等過程,并可以分享其產(chǎn)品的利潤。
2.4.1.3 柔性供應鏈
3D 打印個性化制造的特點,決定其不局限于批量訂單生產(chǎn),收益不受規(guī)模效應的影響。企業(yè)接到訂單后,可以隨時進行生產(chǎn),零時間交付,按需生產(chǎn),減少庫存。
2.4.2 應用領域
以目前商業(yè)推廣的范圍預測,3D 打印主要應用在航空航天、軍工產(chǎn)品、汽車和摩托車、電子產(chǎn)品、生物醫(yī)療、珠寶制造、電影游戲動漫、玩具和工藝品、食品和教育等十個領域,見表2--4。
表2-4 3D 打印應用領域應用
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應用領域 |
特點 |
示例
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航空航天 |
材料特殊、工藝標準高 |
飛行器、火箭等航天器材零部件
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軍工產(chǎn)品 |
高價值、復雜、少量生產(chǎn)、需定制
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無人機、通訊設備、地面機器人
等 |
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汽車和摩托車零 |
部件需求量大 |
高端定制、小型零部件、賽車等
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電子產(chǎn)品
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個性化,電路板的形狀和大小不受產(chǎn)品
外形限制
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便攜式充電設備、周邊配件等
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生物醫(yī)療 |
材料特殊、構造復雜
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植入物、假體、支架、組織再造
等
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珠寶 |
個性化、特殊結(jié)構設計、尺寸要求精準 |
項鏈、吊墜、戒指等 |
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電影游戲動漫 |
市場容量大 |
3D 電影制作、三維模型設計、動
漫人偶等
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玩具和工藝品 |
個性化、需求量大 |
紀念品、徽章、組裝玩具等
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食品 |
高級定制和創(chuàng)意 |
DIY 巧克力、漢堡制作等
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教育 |
小型化、特殊化教學 |
模型、科研實驗器械等
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2.5 普及路徑
盡管3D 打印在市場上有很高的關注度和熱度,但是行業(yè)巨頭Stratasys2012年營業(yè)額也僅為2.77 億美元,而且是Stratasys 收購以色列3D 打印巨頭Object之后的營業(yè)額,與傳統(tǒng)制造業(yè)相比差距極大。如通用電器公司(GE),2012 年僅利潤就達到161 億美元。借鑒個人電腦的普及過程,3D 打印行業(yè)需要有一批典型公司扮演領導者和推動者的角色。
第一階段:專業(yè)人員。在普及初期,大眾對于產(chǎn)品了解較少,產(chǎn)品推廣的動力主要來源于產(chǎn)品制造商對于未來前景的預期,技術也較為粗糙。產(chǎn)品的使用者多為專業(yè)人員。
第二階段:部分先鋒領域應用。隨著產(chǎn)品的特性越來越多地被消費者所了解,產(chǎn)品的銷路開始被打開。這時將會有新的競爭者加入,在競爭中技術的進步速度進一步加快。同時隨著產(chǎn)品市場的擴大,產(chǎn)品上下游產(chǎn)業(yè)也將受到帶動。
第三階段:大規(guī)模推廣。消費群體的爆發(fā)式增長是普及期的典型特征。接受產(chǎn)品的人數(shù)如病毒擴散般呈現(xiàn)指數(shù)增長勢頭,研發(fā)銷售3D 打印機的公司,才能實現(xiàn)業(yè)績的飛速增長。
圖2-4 3D 打印機設備普及路徑

(圖片來源:莫尼塔,《3D 打印技術展望》。)
本文有刪節(jié),未完待續(xù)















