中国3D打印产业金额及国内代表性发展趋势

3D打印行业进入快速发展期,为我国企业带来前所未有的机遇,同时也伴随着相当大的风险。我国企业所面临的风险不仅仅是技术问题,更多的来自企业自身缺乏专业市场咨询指导而造成的眼界问题,以及商业模式和战略能力方面的风险。

一切都在变化中,从设备技术的快速发展,材料技术为设备带来的新市场发展空间,企业的内部生态圈战略版图新布局,销售网络与商业模式的演变…无一不处于动态的变化当中。

预计2017年我国3D打印产业规模将达到173亿元,未来五年(2017-2021)年均复合增长率约为41.36%,2021年产业规模将达到691亿元。

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发展战略方面,科技部发布了科技部“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划的通知,指出了推动增材制造具备开展大规模产业化应用的技术基础的目标,并且将网络协同制造模式提到了重要位置。

资金引导方面,科技部增材制造重点专项2017年度项目申报指南专项按照“围绕产业链,部署创新链”的要求,围绕增材制造与激光制造的基础理论与前沿技术、关键工艺与装备、创新应用与示范部署任务。专项实施周期为5年(2016-2020年)。

本期,就中国3D打印产业所处的现状及国内代表了一定发展趋势的企业情况做一梳理。

block 优势

我国的优势体现在设备领域的全面发展,从SLA到SLM,LENS技术,生物打印技术,电子束焊接3D打印技术甚至是超声波焊接3D打印技术,我国都有相关的强势企业在进行商业化运作。材料领域,我国不仅仅出现了一线的品牌与国际品牌竞争,国内不少企业还意识到发展3D打印技术需要围绕着这一技术实现的独特价值来进行研究与应用转化,他们在应用领域进行着积极的布局。

材料方面,根据3D科学谷的市场研究,3D打印材料领域,我国将围绕着市场应用的需求及前沿的研究,包括晶格和胞元的建模与制造、非晶态金属、梯度合金、记忆合金、颗粒增强高温合金等领域出现科研标杆,这些将进一步带动生态圈的健全。同时,我国涌现了一批有特色的3D打印材料企业,包括高分子材料领域的上海聚复(Polymaker),上海Polymaker开发了PolySher,能对打印件喷涂特制的酒精气溶胶,从而消除打印件表面的层状痕迹,显著提高表面质量,令打印件变得像注塑件一样光滑。瞄准国际市场上的技术空白点,从解决市场的痛点出发,这成为我国3D打印领域创新企业的一股清流。

金属材料主要供应商包括西安铂力特、无锡飞尔康、上海材料所、中航迈特、优材科技。另外还有广东省材料与加工研究所、广东省粉体材料应用工程技术研究中心(五邑大学)、华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室、长沙华曙高科、湖南顶立科技、东莞精研粉体科技、广东科为粉体材料应用科技、广东华科新材料研究院、深圳微纳增材技术、陕西宇光飞利、北京621所、无锡德润堂贸易、华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心、中国航空工业集团公司北京航空材料研究院、上海大境海洋新材料、长沙天久金属材料、浙江亚通焊材、成都惠腾新材料、陕西有色金钼股份有、北京钢研高纳科技股份、无锡辛德华瑞粉末新材料科技、宁波广博纳米新材料股份、江苏博迁新材料、江苏米莫金属股份、南通特种金属粉末材料、江苏天一超细金属粉末、湖南瑞华新材料、上海脉达金属粉末材料、宁波创润新材料、湖南宁乡吉唯信金属粉体、北京康普锡威科技有限公司(有研总院)、东莞嘉诺三维、河南黄河旋风、渭南安泰科技、南通金源智能技术、宁波麦斯特、南宫市肯纳硬质合金、沈阳稀有金属研究所、长沙唯特冶金工程技术、陕西融天航空器材、西北有色金属研究院、成都优材科技有限公司、上海鑫烯三维、广州纳联材料科技、常州元一、宁波中物力拓超微材料、江苏亚太霍夫曼、河北敬业增材等

基础研究领域,南京航空航天大学在主动跟踪激光3D打印熔池凝固行为的数值模拟方法,激光束与粉末颗粒光固耦合过程的模拟方法,激光3D打印复合材料的模拟方法走在了前列。在打印工艺方面,南京航空航天大学在铝基纳米复合材料的3D打印制备,激光3D打印技术制造马氏体模具等方面颇有建树。

华中科技大学数字装备与技术国家重点实验室张海鸥教授主导研发的金属3D打印新技术“智能微铸锻”,以金属丝为原材料的增材制造技术,无需模具的自由近净成形,且全数字化、高柔性,打印的零件材质全致密、没有宏观偏析和缩松,具有较高的性能。

block 3D打印行业

设备方面,最终生产零件,是3D打印的未来。近期的IDTechEx报告中提到2016金属打印机销售增长48%,材料销售增长32%。该报告涵盖了选择性激光熔化(SLM),电子束熔炼(EBM)、送粉、金属+粘结剂,焊接和一些新兴的技术。材料范围广:铝合金、钴合金、镍合金、钢、镍钛合金、钛合金、金、铂、钯、银、铜、青铜,和钨。由于对航空航天和医疗应用的高度重视,金属增材制造,由于航空航天行业的大量使用,钛合金占有31%的市场份额,同时,航空航天行业也大量投资于钴、镍和铝合金.。

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针对与SLM和EBM,根据Absolute Reports,预测到2021年的增长率保持在26.86%的年平均水平,另外根据Absolute Reports,欧洲金属市场的速度高于全球水平,从2011年到2016年保持了54.92%的高增长水平。

金属粉末是金属增材制造的一大制约因素,根据Wholers与VDW报告,金属增材制造市场份额大约只占所有增材制造的10%左右,然而这一比例有望在2023年达到51%左右。而目前大多数领先的金属粉末制造商都在开发用于增材制造的金属粉末,虽然粉末还是供不应求,但这一现象有望很快发生改变。

请参考3D科学谷发布的<3D打印中国市场行业应用透视

材料方面,我国根据《国家增材制造产业发展推进计划(2015-2016年)》的引导,在依托高校、科研机构开展增材制造专用材料特性研究与设计。根据BCC Research的研究报告,光敏树脂材料占据了2015年59.8%的打印材料市场,当然,随着金属材料市场的快速增长,光敏树脂材料预计将在2021年变为47%的市场份额。占据25%至26%的市场份额的是热塑性塑料。

3D科学谷认为当前增材制造领域,我国在从事更多的基础与应用层面建设,欧洲在进行前沿领域的探索,美国试图通过其最擅长的数据分析与软件能力打造共性的体系。当然,这其中还有很多共同的工作是各个国家都在积极布局。包括高温合金这一必须的战略领域,国内四川天塬增材制造,中国科学院宁波材料技术与工程研究所,南京航空航天大学,西安铂力特, 江西理工大学,广东华科新材料研究院,中国科学院重庆绿色智能技术研究院,湖南顶立科技, 航星利华(北京)科技, 中国航空工业集团公司北京航空材料研究院等。

在难加工材料方面,西安铂力特获得了钨材料及铜材料加工的突破工艺。铂力特通过大量的试验,研制出专门针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印设备BLT-S300T,成功制备出铜材料零件——铜合金尾喷管。

塑料领域即将上演技术与创新的全新PK,除了设备端惠普与Carbon频频发力,从材料端发力将为设备应用打开全新的市场机会,这里面既有大的材料公司包括GKN、美铝、赢创、巴斯夫、Solvay在这一领域发力,又不乏新型的创业型技术以其独特的创新而存在,具体情况请参考3D科学谷发布的<塑料3D打印及上游市场深度研究

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在基础性的材料建设的基础,编程材料成为下一个抢占的战略制高点。超材料是指材料的设计表现出不同寻常的特性,是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。 迄今发展出的“超材料”包括:”左手材料”、”光子晶体”、”超磁性材料”等。

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超材料领域,我国东南大学,中国人民解放军空军工程大学,西安交通大学,北京交通大学等多有研究。随着哈佛大学通过软件来解决基础建模问题,3D科学谷认为超材料或借助3D打印“渗入”特殊材料领域,使得超材料成为寻常可见的材料。

block 应用引领行业发展

应用方面,麦肯锡曾经预测,3D打印在应用端市场的影响力是深远的,预计到2025年,3D打印对经济的直接影响是5.5千亿美金的规模,这其中包括消费类应用、模具与夹具、医疗植入物及牙科产品、航空航天零件、汽车及其他工业领域。所以说,应用是3D打印技术的最大的市场领域。

航空航天:3D打印在航空领域越来越彰显重要性,那么在航天领域,3D打印技术已然成为“顶梁柱”。

NASA认为3D打印在制造液态氢火箭发动机方面颇具潜力,NASA的AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine增材制造验证机项目在3年内,团队通过增材制造出100多个零件,并设计了一个可以通过3D打印来完成的发动机原型。而通过3D打印,零件的数量可以减少80%,并且仅仅需要30处焊接。

SpaceX、Blue Origin、马歇尔太空飞行中心,Aerojet Rocketdyne,以及Rocket Lab在2016年再一次证明,3D打印不仅将提升火箭发射设备的性能,更能降低火箭发射的成本。

围绕着航空航天的应用,我国涌现了大批的以DED直接能量沉积为特色应用的打印服务企业,其中西安铂力特为C919在验证阶段利用LSF技术3D打印试制的3米多高的中央大缘条可以算作DED技术的一大经典应用。而除了应用与大型的零件以节约材料,在轻量化领域,3D打印带来了通过结构设计层面上达到轻量化的可行性。具体来说,3D打印通过结构设计层面实现轻量化的主要途径有四种:中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构实现、异形拓扑优化结构。

轻量化的应用有多种途径,通过点阵来实现轻量化是3D打印的一大优势,国际上除了雷尼绍、Altair、Materialise这些在晶格结构上积极探索的企业。根据3D科学谷的市场研究,国内像铂力特、中国空间技术研究院都在进行着不畏艰辛的探索,并在探索的过程中积累了属于自己的know how,而这些know how也将随着晶格重要性和制造可行性的提升成为这些企业立足未来市场竞争的宝贵优势。

汽车:由中国汽车工程学会制造分户和东风汽车牵头,联合中国汽车制造装备创新联盟、中国第一汽车集团技术中心、上汽集团、广汽集团、宝钢集团、上海交通大学、湖北工业大学、哈尔滨工业大学、吉林大学等多家汽车制造企业、研究机构共同提出了我国汽车制造技术路线图,该路线图从关键零部件和关键共性技术两个角度梳理制造技术的发展方向。其中,关键零部件制造技术包括车身覆盖件制造技术、车身结构件制造技术、底盘结构件制造技术、节能汽车动力总成关键零部件制造技术、高性能发动机核心零部件制造技术、新能源汽车电驱动系统制造技术六个类别;关键共性技术包括数字化工艺技术、3D打印制造技术、优质制造技术、智能制造技术、绿色制造技术五个方向。

其中汽车制造3D打印技术的重点方向为:面向汽车制造面临的开发周期长、工序繁多、成本高一级复杂化、个性化和轻量化结构难制造的问题,2015-2030年15年内分期研发“基于3D打印技术的汽车快速研发”、“汽车零部件3D打印间接制造技术”以及“汽车零部件3D打印直接制造技术”,形成一批面向契合快速研发和先进制造的3D打印设计方法/软件、新材料、新装备和新工艺,并实施一批示范应用。

具体的3D打印制造技术路线图为:

1)到2020年,汽车关键零部件的铸型/模具制造周期缩短50%,实现高精度、大尺度立体光固化成型法(SLA)和选择性激光烧结(SLS)装备,推广应用SLA和SLS技术,实现汽车零部件3D打印间接制造。

2)到2025年,汽车研发周期缩短50%,实现高精度SLM装备、复合SLM-LENS机加装备,推广应用激光选区熔化(SLM)、电子束熔融(EBM)、激光近净成形LENS技术,实现汽车零部件3D打印直接制造。

3)到2030年,高端车/概念车零部件3D打印直接制造,推广应用多材料多结构件整体成型,实现汽车3D打印技术的快速研发及批量制造。

具体3D打印在汽车领域的应用机会与发展趋势,敬请期待

中国汽车工程学会与3D科学谷联合发布的《3D打印与汽车行业白皮书》2017版本(计划2017年7月份发布)。

微流控芯片:芯片上的实验室-微流控芯片技术(Microfluidics)是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上, 自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力,已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。浙江大学利用FDM三维打印技术制作基底,采用铺粉的方式,来制得微流控芯片。浙江大学的这项技术可以应用在各种临床检测,具有可重复利用、无泵驱动、流动速度可调、流道分辨率高、成本低等优点,并且加工过程简便快捷,生产效率高,易于工业化大规模生产。

记忆合金:记忆合金方面,沈阳海纳鑫科技以钛镍基记忆合金丝作原料,采用激光熔覆增材制造工艺,通过对制造部件的组织控制和变形量的控制,真空自耗凝壳炉的熔池大,获得合金元素的充分均匀化,防止合金偏析。

南京航空航天大学基于自动铺粉的激光组合加工技术制备形状记忆合金血管支架,根据待加工零件的三维数据模型,利用高能激光束熔化混合粉末体系,通过逐层铺粉、逐层熔凝叠加累积的方式,直至最终成形网状结构的血管支架坯件,然后经过电化学抛光处理达到特定表面粗糙度要求。

广州迈普再生医学通过3D打印激光烧结打印技术制备镍钛基记忆合金材料骨架,待镍钛基记忆合金材料骨架冷却后,设计弧度并进行弯折;通过3D打印熔融沉积式打印技术,在得到的镍钛基记忆合金材料骨架上沉积热塑性材料从而制备热塑性材料外壳或者单独制备热塑性 材料外壳再将镍钛基记忆合金材料骨架与热塑性材料外壳组合,其中所述镍 钛基记忆合金材料骨架的定位孔与所述热塑性材料外壳的定位销进行配合, 从而得到功能单元。

结构电子:3D 打印的制造过程快速、结构形体复杂性无限制等技术特性,尤其适用于电子产品的单件、多品种小批量研制,以及采用传统制造方式难以实现的结构电子产品的开发。

在结构电子产品制造领域,美国Optomec公司通过气溶胶喷射3D打印技术已被应用在小批量产品的生产中,使用该技术3D打印的曲面共形天线或在眼镜上直接印制AR电子设备就是其中颇具代表性的应用。

在这一领域活跃着大量的高科技企业,包括哈佛大学创业企业Voxel 8,被GE和欧特克投资的Optomec,麻省理工的MultiFab,CC3D,Nano Dimension 等等。在我国,西安交通大学通过一种导线与基体同步打印的3D打印技术实现了结构电子产品三维空间的任意排布。

西安交通大学使用的导线打印材料可以有三种不同形态,包括铜锡合金、银锡合金、锡铅合金这样的低熔点金属丝,纳米银离子凝胶溶液、导电高分子水凝胶的导电墨水,以及铝粉、铜粉等金属粉末。基体的3D打印材料则为ABS、PLA、PEEK绝缘性高分子丝材。

除了上述应用,更多的产业化机会请详见3D科学谷发布的白皮书系列。

 强劲的发展趋势

我国不少的企业突破了前期教育市场,积累用户口碑的发展瓶颈,具备了一定的行业品牌影响力和市场占有率,包括金属打印领域的西安铂力特,北京隆源,光固化领域的上海联泰,上海普利生,苏州中瑞,3D打印服务领域的上海悦瑞,砂模打印领域的苏州美迈,骨科领域的创生医疗、北京爱康等等。

一边是老牌的3D打印企业稳步扩大市场影响力,另一边还涌现了具有技术特点的企业,包括定位于中小学教育的基于云的CAD建模软件极客三维(geekcad.com),光固化领域的树脂材料企业塑成科技,电子束熔融技术领域的西安智熔,PEEK打印领域的陕西恒通智能和Intamsys(远铸智能)公司,生物打印领域的杭州捷诺飞,医疗应用领域的西安点云、航星利华、竞升科技、北京阿迈特等等。

强劲的发展趋势除了市场需求的牵引,国家政策及资金的支持与引导,标准化的支持也十分重要。我国全国增材制造标准化技术委员会(TC562)与2016年4月召开成立大会,对口国际标准化组织ISO TC 216,在国家层面上开展增材制造技术标准化工作。目前通过该技术委员会正在制定的标准共有6项,设计增材制造技术术语、文件格式、工艺和材料分类等方面。中国航空综合技术研究所自2007年就开始了增材制造技术标准化的研究,研究形成了一系列增材制造技术标准,并积极推行行业标准的立项及制定工作,目前正在开展钛合金零件激光直接沉积工艺、粉末、制件规范等5项行业标准的制定工作。

这些都将进一步推动增材制造行业的良性发展。当然,在3D打印迈向智能制造的过程中,我国存在着相当大的挑战,尤其是大数据的分析能力、对材料及加工工艺的控制能力,端对端的解决方案等软实力方面。举例来说,通过对增材制造原材料的精确控制,零件的性能可以实现可编程化。当前的增材制造材料来自于传统制造供应链链条,缺乏针对与增材制造的加工特点来量身定做所需要的材料。下一代的增材制造材料将是可定制化的,为定制化合金、混合材料以及精确控制晶体分布带来灵活性。而我国在基础共性的研究方面还十分欠缺,这或将制约我国在增材制造领域发展的高度,拉大与发达国家在增材制造领域方面的差距。

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