3d打印到底是什么意思(3d打印机原理是什么)

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一、 3D 打印，科幻与现实的交汇处
在人类的历史长河中，另外两个被称为工业革命代表的技术，是蒸汽机技术和电力技术，它们一个为人类带来了动力，另一个为世界带来了光明。自 1986 年美国科学家 Charles Hull 开发了第一台商业 3D 打印机以来，3D 打印的概念就受到学术界、工业界的广泛关注。随后的 30 多年中，3D 打印经历了一次次的热炒，也一次次考验着人们的耐心。近几年，随着技术的逐步成熟，3D 打印行业已经步入成长期，快速发展的 3D 打印技术将成为智能制造中一支重要的新兴力量。

1.1 什么是 3D 打印？
电影《银河护卫队 2》的开始，浣熊偷了阿耶莎的能量电池，银河小分队遭到至高星的围捕猎杀，仓惶之下，飞船在一个蛮荒小岛上硬着陆而被摔的稀碎，而这并没有难倒银河护卫队，浣熊手持一个类似水枪的设备，朝飞船破损处喷射物质，破损处随之奇迹般恢复了！这出现在科幻电影中的神奇修复技术，其实并非完全来自臆想，在现实中，已经存在类似的技术，这就是 3D 打印。

什么是 3D 打印？3D 打印技术，又称增材制造技术，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是智能制造的重要组成部分。
3D 打印的称谓，是与常见的平面打印类比而来的，它与平面打印有许多共同的特征：
平面打印是将需要打印的信息形成打印机可读的文件（图片、文档、或其他格式），然后将此文件信息传送到打印机，经打印机解读后在打印纸上以平面形状的方式将文件内容打印出来。通常来讲，平面上打印出来的任何形状或符号并不具备实际的功能，而只作为传递信息用。

3D 打印的步骤是首先将想要打印的物品的三维形状信息写入到 3D 打印机可以解读的文件，然后将文件传输到 3D 打印机，3D 打印机解读文件后，以材料逐层堆积的方式打印出立体形状。通常情况下，三维的形状是功能的基础，因此，打印出了形状，也就打印出了功能。平面打印是为了传递信息，而 3D 打印作为一种制造加工的技术，却可以直接实现功能。

下表简述了平面打印与 3D 打印的技术对比情况。

此外，3D 打印又称为增材制造，这个概念是与“减材制造”相对比而言的。我们通常所使用的材料加工技术多为“减材制造”技术，即对原材料进行去除、切削、组装等加工，使原材料具备特定的形状并可执行特定的功能。而“增材制造”直接将原材料逐层堆积成特定的形状，以实现特定的功能。

下图是通过车工和铣工对一整块钢材进行加工并得到零部件的过程示意图，主要加工过程是通过车工和铣工将钢材上多余的材料去除掉。

下图是通过 FDM（一种应用比较多的 3D 打印技术）制作一个三维模型的过程。该过程主要使用的原材料是 PLA 塑料线材，FDM-3D 打印机通过加热将 ABS 线材融化，并通过压力将其挤出，依照已设定好的三维形状，逐层的将材料堆积起来，得到最后的形状。在整个过程中，几乎不存在将材料去除的步骤。由于 3D 打印将立体的结构，拆解成了足够多个平面图形，然后再堆积起来，而对于厚度很薄的平面图形来说，可以容忍的形状复杂程度大大提高，因此 3D 打印的一个主要优点就是尤其适应于内外部结构复杂的零部件的制造。

1.2 3D 打印的分类
3D 打印的分类方式有很多，最主要的三种分类方式分别是按应用领域分类、按原材料分类、按照技术原理进行分类。
按照最终产品的应用领域，3D 打印可分为消费级 3D 打印和工业级 3D 打印。消费级 3D 打印主要面对消费型、娱乐型以及对产品精度要求不高的产品，例如玩具模型、教学模型等；而工业级 3D打印主要面对质量精度要求较高的航空航天、医疗器械、汽车、模具开发等下游应用场景。二者在众多方面存在较大差别，工业级 3D 打印精度更高，打印速度更快，可打印的尺寸范围更广，产品可靠性也更好。但也正由于这些，工业级 3D 打印的价格更高，主要是 to B 的业务为主。

根据所使用的原材料不同，可大致将 3D打印技术分为金属材料的 3D打印和非金属材料的 3D打印。按照打印技术的特点，3D 打印又可分为选择性激光熔化成型(SLM)、选择性激光烧结成型(SLS)、激光直接烧结技术(DMLS)、电子束熔化技术(EBM)、熔融沉积式成型(FDM)、选择性热烧结(SHS)、立体平板印刷(SLA)、数字光处理(DLP)、三维打印技术(3DP)、及细胞绘图打印(CBP)等。

1986 年，美国科学家 Charles Hull 利用液态光敏树脂被一定波长的紫外光照射后即变成固体的特性，发明出世界上第一台 3D 打印机。它的基本原理是将液态光敏树脂倒进一个容器，液面上方有一台激光器，当电脑发出指令，激光器发射紫外光，紫外光照射液面特定位置，该位置的光敏树脂即发生固化。液态光敏树脂的液面在打印的过程中随固化的速度上升，使得紫外光照射的地方始终是液态树脂，最终经过层层累积，形成一定形状。这种技术也被称为立体平板印刷技术(SLA)，这也是目前最成熟的 3D 打印技术之一。


除 SLA 技术外，FDM 技术应用也比较广泛，其基本原理是加热喷头在计算机的控制下，根据产品零件的截面轮廓信息，作 X-Y 平面运动，热塑性丝状材料由供丝机构送至热熔喷头，并在喷头中加热和熔化成半液态，然后被挤压出来，有选择性的涂覆在工作台上，快速冷却后形成一层大薄片轮廓。一层截面成型完成后工作台下降一定高度，再进行下一层的熔覆，如此循环，最终形成三维产品零件。这种技术可以用于大体积物品的制造，成本也较低，设备技术难度较低；缺点是所生产的物品常常纵向的力学性能原小于横向的力学强度，且打印速度缓慢，产品表面质量也有待进一步提高。

由以色列 Objet 公司开发的聚合物喷射技术（PolyJet）打印技术与传统的喷墨打印机类似，由喷头将微滴光敏树脂喷在打印底部上，再用紫外光层层固化。喷头沿 X／Y 轴方向运动，光敏树脂喷射在工作台上，同时 UV 紫外光灯沿着喷头运动方向发射紫外光对工作台上的光敏树脂进行固化，完成一层打印；之后工作台沿 Z 轴下降一个层厚，装置重复上述过程，完成下一层的打印, 重复前述过程，直至工件打印完成。PolyJet 3D 打印技术具有快速加工和原型制造等诸多优势，甚至能快速、高精度地生成具有卓越的精致细节、表面平滑的最终用途零件。因此 PolyJet 技术应用广泛，在航空航天、汽车、建筑、军工、商业品、消费品、医疗等行业具有很好的应用前景。PolyJet 3D 打印技术使用的光敏聚合物多达数百种，从橡胶到刚性材料，从透明材料到不透明材料，从无色材料到彩色材料，从标准等级材料到生物相容性材料，以及用于在牙科和医学行业进行 3D 打印的专用光敏树脂，都能使用 PolyJet 技术进行打印。


选择性激光熔化成型技术（SLM）和选择性激光烧结成型技术（SLS）是发展最早、也是目前使用最广泛的金属 3D 打印技术。SLM 技术所使用的材料多为单一组分金属粉末，包括奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金、铝合金、钴-铬合金和贵重金属等。理论上讲只要激光束的功率足够大，可以使用任何材料进行打印。SLM 技术的基本原理是激光束快速熔化金属粉末，形成特定形状的熔道后自然凝固。其优点包括表面质量好、具有完全冶金结合、高精度、所使用的材料广泛。主要缺点是打印速度慢、零件尺寸受到限制、后处理过程比较复杂。目前该技术已较广泛的应用到了航空航天、微电子、工业机械、医疗、珠宝首饰等行业。
SLS 技术的原理是预先在工作台上铺一层粉末材料（金属粉末或非金属粉末），激光在计算机控制下，按照界面轮廓信息，对实心部分粉末进行烧结，然后不断循环，层层堆积成型。与 SLM 技术不同，在打印金属粉末时 SLS 技术在实施过程中不会将温度加热到使金属熔化。


电子束熔化技术（EBM）是一种较新的可以打印金属材料的 3D 打印技术，它与 SLS 或 SLM 技术最大的区别在于使用的热源不同：SLS 或 SLM 技术以激光作为热源，而 EBM 技术则以电子束为热源。EBM 技术在打印速度方面具有显著优势，所得工件残余应力也较小，但设备比较昂贵，耗能较多。

除了上述介绍的较成熟的技术路线外，一些新的技术路线也在不断出现。2016 年 7 月 22 日，张海鸥团队经过十多年潜心攻关，研制出微铸锻 3D 打印一体化设备，创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一，大幅降低了 3D 打印工件的缺陷率，提高了制件强度、韧性、和疲劳寿命。该技术不仅能打印薄壁金属零件，而且能打印出大壁厚差的金属零件，省去了传统巨型锻压机的成本。该技术以金属丝材为原料，材料利用率达到 80％以上，丝材价格成本为目前普遍使用的粉材的 1/10 左右；在热源方面，使用高效廉价的电弧为热源。

2018 年 9 月，惠普公司推出了名为 Metal Jet 的新型 3D 打印机，该技术专为大批量生产工业级金属零件而研发。它的基本原理是使用喷嘴选择性地将粘合剂按照设定的图形喷射到打印层中，使金属粉末粘结在一起，下降指定层厚度后，添加新的粉末层，并重复以上流程，直到创建完成整个零件；之后将零件放入烧结炉中进行高温烧结的致密化处理，使金属颗粒熔融在一起，同时去除喷砂。这种新的 3D 打印技术在成本上较此前的金属 3D 打印工艺相比，不仅效率大大提高，成本也显著降低。

各种 3D 打印技术在技术优点上各有千秋，也有各自的劣势。根据精度、材料、力学性能、及成本的要求，不同的应用场景可根据需要选择不同的打印技术。
1.3 3D 打印的优劣势分析
结合 3D 打印技术的特点，对于这种技术的优势总结如下：
（1）制造复杂的物品而不增加成本。对于传统的减材制造来说，零部件的形状越复杂，制造的成本越高。但对于 3D 打印来说，制造一个形状复杂的零件和一个相当体积的简单形状零件所用的时间成本、物力成本都不会更多。因此，相比减材制造而言，增材制造尤其适合制造形状复杂的零部件。
（2）实现高柔性生产，产品多样化而不增加成本。一台 3D 打印机可以打印出许多形状，它可以像工匠一样每次都做出不同的零件。对于传统的机床生产线来说，要加工不同形状的零件，需要对产线进行复杂的调整。因此，增材制造尤其适合定制化的、非批量生产的物品。
（3）无需组装。由于 3D 打印可以制造出足够复杂形状的零部件，因此也就没有必要通过组装的方式来获得复杂的内部结构。这个特点除了节省了组装时间外，也带来了一些其他的好处，例如省去了焊接等环节，提高了强度；省去了螺丝、栓等连接零件，减小了零部件的重量；这在航空航天等追求轻量化的高端应用领域中显得尤为重要。
（4）零时间交付。3D 打印机可以按需打印，即时生产可减少企业的实物库存。
（5）拓展了设计的空间。受限于传统的加工制造方式，一些形状复杂的零部件即使设计出来、并预期在功能上有更好的表现，也无法真正的加工得到。3D 打印的使用，使得更多的设计有了付诸实际产品的可能性。
（6）零技能制造。传统的手工制造以及机床加工制造等，都需要工匠进行长期的练习锻炼才能胜任。而对于 3D 打印来说，无论将要打印的零部件形状多么复杂，所需要的都只是设计图纸而已。
（7）减少废弃的副产品。传统的减材制造方式，难免带来大量废品废料，为环境带来了压力，增材制造则完全无此顾虑。




相对的，3D 打印也有一些不足。
（1）得到的零部件力学性能不稳定，是 3D 打印技术发展前期遇到的比较大的问题，这主要与 3D打印零部件制造过程中，氧化杂质较多、微观组织不够致密、原材料一致性差等因素有关。近年来随着 3D 打印技术工艺的不断成熟，以及气氛保护等方法的合理使用，3D 打印得到的零件强度已经达到甚至超过了常规加工手段得到的零件。

（2）对于标准产品的加工，3D 打印的规模效益不如传统的加工方式。相比传统的加工方式来说，3D 打印制造过程中的固定成本更少（或者说 3D 打印本身省了一部分的固定成本），这导致在规模化生产标准产品时，3D 打印制造的边际成本下降不如传统的加工方式。举例来说，当使用传统的注塑的方式加工一个橡胶零部件，所使用的模具属于固定成本，由于产品是标准化的，批量加工该零部件时，每个零部件分摊的该项固定成本就变小了，如果利用该模具加工的零件趋向于无限多，则每个零部件均摊的成本趋近于 0；而如果利用 3D 打印加工该零部件，不需要用到任何模具，因此即使用该技术批量加工完全相同的零部件，也不存在均摊的固定成本降低的情况。此外，一般情况下，对于标准产品的批量制造来说，模具铸造的时间成本低于 3D 打印。从这个角度也能说明，3D 打印技术更适合定制化的、非批量生产的物品，以及无法摊薄固定成本的环节，例如零部件的研发环节，因为它直接减少了无法摊薄的固定成本。

（3）当前可用的原材料种类仍然有限。一些文献出处提到 3D 打印可用的原料种类比传统加工方式更加广泛，这是站在展望的角度来说的，从当前的情况来看，3D 打印技术能加工的材料种类不如传统加工方式多，主要有两个原因，一是由于对于性质不同的原材料，往往使用的设备原理有所不同，因此可以使用的原材料种类的开发，受限于对应的设备研发进展；二是由于 3D 打印的原材料往往需要特定的形态，例如金属 3D 打印常使用金属粉末作为原材料，且对金属粉末的均匀度、含氧量、颗粒大小等都有所要求，相对于型材来说，粉末的加工难度更高，且相应的产业链尚不如传统材料那样广泛而庞大。对于利用 ABS 塑料、光敏树脂等非金属进行的打印来说，目前市场上已经有比较多的原材料供应商，原材料的成本已经不是制约该技术发展的瓶颈；但对于金属、高端聚合物材料来说，由于供应产能的限制，价格仍然比较昂贵。
（4）3D 打印技术、尤其是金属 3D 打印在加工精度、表面粗糙度、加工效率等方面与传统的精密加工技术相比，还存在差距，例如由于 3D 打印加工的零部件表面比较粗糙，往往还需要进一步的机加工后才能满足要求，但其工作量较常规的减材制造要小很多，因此整体上还是提高了效率。
结合 3D 打印的种种优劣势进行展望，在更远的未来，如果定制化经济兴盛起来，3D 打印有望成为其中主流的加工方式。随着互联网技术的成熟，目前已允许消费者将消费需求直接传导给生产商、品牌商，甚至原材料供应商，现有的产业价值链正在向价值网转变，批量制造正在向个性化定制转变，3D 打印在该种商业环境下可能会大有勇武之地。



1.4 总结
作为对本章的总结：
（1）增材制造又称 3D 打印，它以将材料逐层堆积的方式得到特定形状的零部件（或物品），这与传统的减材制造方式有本质上的区别；
（2）相比减材制造来说，增材制造有制造复杂的物品而不增加成本、产品多样化而不增加成本、无需组装等优点，尤其适合形状复杂的、定制化的、轻量化诉求强烈的制造加工场景；
（3）增材制造是一种新的加工理念，在这种理念之下，可以有很多不同的技术路线，目前比较常见的减材制造技术包括选择性激光熔化成型(SLM)、选择性激光烧结成型(SLS)、激光直接烧结技术(DMLS)、电子束熔化技术(EBM)、熔融沉积式成型(FDM)、选择性热烧结(SHS)、立体平板印刷(SLA)、数字光处理(DLP)、三维打印技术(3DP)、细胞绘图打印(CBP)等。
二、 3D 打印产业链：正在由导入期迈入成长期
经过 30 多年的发展，3D 打印行业已经形成一条比较完成的产业链：
上游：主要包括制造 3D 打印设备所需的零部件、打印过程中所使用的各类原材料、设计和逆向工程所需要的软硬件；
中游：3D 打印设备及服务；
下游：航空航天、汽车、医疗、教育等下游应用领域。

3D 打印产业链条的完整程度、细化程度和各环节的发育程度在不同的市场上相差较大。3D 打印技术在美国市场最早出现，美国的 3D 打印产业链也最完整，在各细分行业内发育也较充分。美国不仅拥有世界上最大的几家 3D 打印设备生产厂家，且在逆向工程、图像处理及下游的细分应用领域都出现了实力较强的龙头企业。相比之下我国市场中 3D 打印产业链发展尚显滞后，大多数产能和优秀的企业主要集中于 3D 打印机的生产和综合服务等环节，而在原材料、图像处理、逆向工程以及细分的下游市场中都显得比较薄弱。目前我国中低端的原材料基本实现了国内供应，但高端的原材料仍然依赖进口，在图像处理、逆向工程等领域也尚未有龙头企业出现。统计中国主要 3D 打印公司，可以发现打印服务的毛利率普遍较高，设备其次，原材料的毛利率最低。
每个行业都有自己的生命周期，都会经历导入、成长、成熟、衰退等阶段。根据当前 3D 打印行业表现出的种种特征，我们认为 3D 打印行业目前正处于从导入期步入成长期的阶段。

首先，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增长。据咨询机构 Wohlers Associates 统计，2013 年全球 3D 打印行业总产值为 30.3 亿美元，2018 年达到了 96.8 亿美元，5年间的复合增速达 26.1%，该机构同时预测到 2020 年、2022 年、2024 年，全球 3D 打印行业总产值将分别有望达到 158 亿美元、239 亿美元、356 亿美元，即从 2019 年-2024 年间，全球 3D 打印行业仍将保持着年均 24%左右的复合增速。

相比全球平均水平，我国 3D 行业的市场规模增速更高，2013 年国内 3D 打印产业规模仅 3.2 亿美元，2018 年规模达 23.6 亿美元，5 年的复合增速达 49.1%。预计 2023 年，我国 3D 打印行业总收入将超过 100 亿美元。

从历史的数据来看，我国的 3D 打印产业规模占全球的比例持续提升，2012 年该比例仅为7.08%， 到 2018 年提升到了 24.38%，中国作为全球最大的制造业基地和消费大国，未来仍有巨大潜力。

其次，大多企业仍处于微利状态，逐渐有企业开始盈利。我们统计了在海外上市的 10 家 3D 打印公司及 7 家国内的 3D 打印上市公司。在 10 家海外上市公司中，有 4 家是美国企业，而有 7 家是在美国的纳斯达克或纽约证券交易所上市。全球领先的 3D 打印公司 STRATASYS 注册于以色列，但上市于美国纽交所。

7 家国内的 3D 打印上市公司中，有 4 家上市于新三板，1 家上市于科创板（铂力特），另有 1 家原上市于新三板现拟登陆科创板（先临三维），还有 1 家在上海股权托管交易中心挂牌（三的部落）。可以看到无论是海外的还是国内的知名公司，其业务往往涉及产业链中的多个环节，例如海外的SRATASYS、3D SYSTEM，国内的先临三维、铂力特、联泰科技等，业务均涉及原材料、设备、服务等多个环节。

从 2018 年的财务数据来看，已经有一些海外 3D 打印企业的收入达到了较大规模，其中 STRATASYS和 3D SYSTEM 的营业收入分别达到了 6.63 亿美元和 6.88 亿美元。（Renishaw 的业务中除了 3D打印业务外，还有医疗保健品的业务。）

2018 年，海外的大多数 3D 打印企业仍处于微利或亏损状态。Renishaw 的净利润达到了 1.74 亿美元，但如前述，Renishaw 的医疗保健品业务占据了相当大的比例。

2018 年，国内的 3D 打印公司中，收入体量最大的是先临三维，达到 4.01 亿元，其次是铂特，达到 2.91 亿元。先临三维是一家集材料、软件、设备的研发以及打印服务为一体的综合服务商，下游包括各种工业级和消费级的需求；铂力特是一家以工业金属 3D 打印为主要业务的公司，其业务也包含了材料、设备、和服务。

类似海外，国内大部分 3D 打印公司处于微利状态，铂力特是国内盈利体量最大的公司，2018 年其净利润达到 5718 万元。国内营业收入体量最大的先临三维，2018 年归母净利润仅 941 万元。

最后，除了行业的快速增长和微利状态外，高额的研发投入也符合成长期行业的特征。如果仅从盈利能力的指标来看，虽然国内和海外的 3D 打印公司的净利率都比较低，但毛利率都处于比较高的水平，其中，2018 年，海外的 SRATASYS、3D SYSTEM、SLM solution 的毛利率分别为 49.0%、47.2%、46.9%，国内的先临三维、铂力特的毛利率分别为 52.2%、43.7%。在国内上市的 3D 打印企业中，峰华卓立的毛利率最低，但 2018 年也超过了 30%。
导致毛利率和净利率出现不一致的原因很多，其中研发投入较大是比较重要的一项。2018 年SRATASYS、3D SYSTEM、先临三维、铂力特等公司的研发费用占营业收入的比例分别为14.92%、 13.86%、23.96%、8.79%。
随着技术的发展和市场逐渐成熟，国内已经出现了铂力特这样的盈利能力较强的公司，相信未来会有更多公司越过盈利的拐点，接下来的一个阶段将会是行业性利润率提高的阶段。从技术发展上来看，2013 年对于中国 3D 打印行业来说是一个爆发点，根据万方数据库的专利数量统计，2012 年我国 3D 打印相关专利数量不足 40 项，而 2013 年激增至 791 项，而 2017 年更是达到了 7402 项。再加上近几年全球主要的 3D打印技术相关专利进入解禁期，也为 3D 打印行业的高速发展提供了支持。

作为对本章的总结：
（1）经过 30 多年的发展，3D 打印行业已经形成一条比较完成的产业链，上游包括制造 3D 打印设备所需的零部件、打印过程中所使用的各类原材料、设计和逆向工程所需要的软硬件；中游包括 3D打印设备及服务；下游包括航空航天、汽车、医疗、教育等下游应用领域；
（2）近年来 3D 打印行业规模保持着高速增长，2018 年全球和国内的 3D 打印产业规模分别达到了96.8 亿美元、23.6 亿美元，5 年间的复合增速分别达 26.1%、49.1%，预计未来几年仍将快速增长；
（3）3D 打印行业逐渐从行业导入期步入了成长期，出现了铂力特这样选对了赛道和模式，盈利能力较强的公司。
三、 3D 打印原材料：低端产能充足，高端产能受限
理论上来说，利用 3D 打印技术打印出一个汽车轮毂，该轮毂就拥有了实际的功能。而如果要将该轮毂用到汽车上，它还必须是由金属制成。如果不存在可以用来打印轮毂用的铝粉原料，即使使用3D 打印技术也无法制造出汽车可用的轮毂。因此，3D 打印原材料种类的丰富程度，决定了 3D 打印技术的应用范围。2017 年我国 3D 打印材料市场规模达到 29.92 亿元，同比增长了约 40%；预计到 2024 年将达到 164 亿元。

常用的 3D 打印原材料包括工程塑料、光敏树脂、橡胶类材料、陶瓷材料、金属材料等。

2017 年，我国 3D 打印原材料环节的市场规模占整个 3D 打印行业市场规模的比例约为 27.6%。如果我们假设 2017 年全球范围内，原材料环节在整个行业的市场中占比也为 27.6%，可大致估算 2017年全球 3D 打印材料的市场规模约为 26.7 亿美元。

另有报导指出，2016 年，中国 3D 打印制造装备、材料和服务的产值比例分别为 50.1%、26.9%和23.0%，其中材料产值规模的占比与前述的估算很接近。

据前瞻网的统计，2017 年在我国整个 3D 打印市场中，铝合金、不锈钢、钛合金分别占10.1%、9.1%、 20.2%，合计占 39.4%，其余 60.6%均为非金属材料，包括尼龙、PLA、ABS 塑料、树脂等。

一般来说，各种非金属材料，在工业领域和消费领域都有应用，其中在消费领域由于技术要求相对较低，目前供应已比较充足，高端的、应用于特定工业或医疗的原材料，供应能力尚显不足。金属原材料由于比较昂贵，故多用于工业领域。通常用于 3D 打印的金属原材料为金属粉末（也有一些技术路线使用金属线材，但目前仍不是主流），金属材料的纯净度、颗粒度、均匀度、球化度、含氧量等指标都对最终的打印产品性能影响极大。而获得高品质金属粉末材料的技术要求和成本都很高，最终导致产量不足。目前得到应用的金属粉末主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。

2009 年全球金属原材料销售量仅 1200 万美元，到 2017 年达到 1.83 亿美元，复合增长率达 40.6%。

技术壁垒高、生产困难也导致金属原材料的生产厂家一旦获得技术突破就可以得到很高的毛利率。德国的 EOS、TLS，及瑞典的 Arcam、Hoganas、Sandvik，比利时的 Solvay 等都能提供比较高端的 3D 打印粉末原材料。这些企业普遍历史悠久，3D 打印原材料往往只是它们业务的一部分（在工业的很多其他领域也用到高质量的金属粉末材料）。此外，不少从事 3D 打印设备研发、3D 打印服务的企业，也同时供应原材料，例如 STRATASYS，3D system 等。

国内能提供高质量金属粉末的公司包括中航迈特、飞而康、塞隆金属、西安欧中、铂力特等。

目前来说，使用的原材料的种类（以及成本），仍然是决定 3D 打印零部件价格的重要因素。国内知名 3D 打印综合服务商先临三维的旗下网站“3D 造”中可给出不同材料工艺的 3D 打印产品的报价，以其中的一个尺寸为 71.15mm*71.15mm*165.1mm 的花瓶工艺品为例，使用 FDM（PLA 塑料）和SLA（光敏树脂）等工艺打印，价格仅百元左右；但若使用 PloyJet（各种高精树脂）或 SLM（不锈钢和 Ti64 合金等），则价格可高至 3000 元。

随着技术的成熟，金属粉末价格也逐年降低。我们通过与多家粉末厂商交流沟通获悉，目前很多粉末价格相比于两年前，已经降低 50%左右。国内粉末厂商近几年也逐渐增多，目前国内粉末价格只有大概进口粉末的 60%左右。国产粉末的质量也逐渐和进口粉末缩小距离，越多越多的企业开始使用国产粉末，例如国内 3D 打印粉末生产龙头中航迈特已经具备年产球形金属粉末 800 吨的能力。预计随着越来越多种类的材料投入使用以及工艺的成熟，各类 3D 打印材料的价格仍有较大下行空间，将进一步推动金属 3D 打印的应用和发展。
前瞻网曾预测，到 2022 年全球 3D 打印材料中，金属材料占比或将超过 50%。

非金属材料、尤其是高分子原材料，国内已有较多厂家可以供应，相当多的设备或服务供应商，同时也供应原材料。目前 FDM-3D 打印等使用的 PLA 等原材料价格已比较便宜，从公开信息来看，每千克线材价格不足 100 元。由于市场比较分散，此处不再做详细统计。
作为对本章的总结：
（1）原材料是决定 3D 打印零部件最终质量、价格的基础因素；
（2）2017 年我国 3D 打印材料市场规模达到 29.92 亿元，同比增长了约 40%，占当年整个 3D 打印行业市场规模的 27.6%；预计到 2024 年将达到 164 亿元；
（2）随着国内技术的不断突破，金属原材料的价格正在快速下降，不少金属原材料的价格大约只有2 年前的一半，有利于未来 3D 打印技术的普及。
四、 3D 打印设备：工业级占主流，进口替代大幕已开启
4.1 设备目前仍是国内 3D 打印产业中产值最大的环节
我们在第一章介绍 3D 打印主流的技术路线时，已经较详细的介绍了各类型设备，并简要的介绍了技术的发展方向，故本章不再作进一步的阐述，而主要讨论与市场相关的内容。
设备是国内 3D 打印产业中产值最大的环节。参照前述，2016 年中国 3D 打印装备、材料和服务的产值比例分别为 50.1%、26.9%和 23.0%，我们预计 2017 年、2018 年设备环节产值的占比有所下滑，整体应在 40%-50%之间，如果假设 2017 年、2018 年该占比都为 45%，则对应的国内的 3D打印装备市场规模分别为 7.5 亿美元、10.6 亿美元。
向更远的未来展望，3D 打印服务的产值将超过设备和材料（设备作为投资品，只有在产业发展的较前时期会超过下游应用的产值，目前的产值分布情况与行业的微利状态也相互呼应）。Lux Research预测，到 2025 年，3D 打印服务的市场规模将占到整个市场 58%左右，而材料和装备则分别占 17%和 25%。
目前在中国市场，工业级的 3D 打印设备占据主流位置。根据 3D 科学谷的统计，国内 44.1%的企业采购并使用单价在 10 万美元以上的 3D 打印设备，采购使用单价在 2500 美元以下的 3D 打印设备的企业仅占 16.9%。考虑到 3D 科学谷访谈调研形式和范围的限制（所调研的主要是企业用户），上述比例数据可能更多的反应的是工业级 3D 打印机的情况，以下同理。事实上无论是在国内还是国外，存在大量的消费级的桌面 3D 打印机，单价较低，但销量很大，且客户多为文教机构、个人等，比较难以统计。
同样根据 3D 科学谷的访谈调研，国内 39.8%的企业（访谈调研范围内）拥有光固化 3D 打印设备，在所有类型中占比最高。
在国内 3D 打印设备的存量市场中，有 16.4%的企业拥有联泰科技的 3D 打印设备，14.8%的企业拥有 STRATSYS 的设备，13.1%的企业拥有 EOS 的设备，他们是国内 3D 打印设备品牌保有量中的 前三名。
4.2 美国是最大设备存量市场，中国正在迎面追赶
2017 年，全球 3D 打印机出货量为 39.6 万台，同比增长 30.1%，这其中就包含了大量的、低价值的消费级 3D 打印机。
美国是最大的 3D 打印设备存量市场（也理应是全球最大的应用市场）。根据 Wohlers Associates 的统计，北美、欧洲和亚太地区这三个地区的 3D 设备累计装机量占到了全球的 95%，其中美国占 35.9%，中国占 10.6%。
从全球的市场份额来看，Stratasys 和 3D Systems 在设备环节也是全球性的龙头企业，2017 年，Stratasys 在全球 3D 打印设备领域的市场份为 27.2%（以当年销售数量计），连续 16 年保持市场占有率第一；3D Systems 的市场份额为 9.8%，位居第二。在 Wohlers Associates 的这份统计中，中国企业联泰科技（UnionTech）同样榜上有名，2017 年其在全球新销售设备市场中的市占率达到 3.3%。主打金属 3D 打印设备的德国 EOS 和我国的铂力特并未在上述统计名单中显示出来，这是由于金属3D 打印设备虽然单台价值较高，但从数量上来说，仍远低于非金属 3D 打印机。
据 Wohlers Associates 的统计，2017 年度全球金属增材制造装备的销售量约为 1768 台，同比增长了近 80%；销售额达 7.21 亿美元，均价 40.79 万美元（若按照 2019 年 7 月 28 日汇率换算，折合约 280 万 RMB），该价格远高于一般的非金属 3D 打印机。
先临三维是国内一家 3D 打印行业的综合方案供应商，其产品包括了各类 3D 打印设备、上游软件、及下游服务，从其发布的招股说明书信息来看，公司所销售的金属 3D 打印机的价格远高于非金属3D 打印机：2018 年先临三维金属 3D 打印机、非金属 3D 打印机、桌面打印机的平均单价分别为107.5 万元/台、27.4 万元/台、0.33 万元/台。（其中桌面打印机主要是消费级的 3D 打印机，绝大多数为非金属 3D 打印机。）但销量上看，2018 年，先临三维桌面打印机销量高于非金属 3D 打印机一个数量级，高于金属 3D 打印机两个数量级。
从技术实现的难度来说，一般情况下，金属 3D 打印机＞非金属 3D 打印机＞桌面打印机，这也与各类打印机的毛利率水平相对应。从上述 3 类打印机的价格走势来看，工业级 3D 打印机的价格正在快速下降，尤其是非金属 3D 打印机更加明显，我们预计这种趋势将在未来几年持续，性价比的逐步提高有利于下游应用的拓展。桌面打印机，或称消费级 3D 打印机，常应用于娱乐、文教等领域，目前竞争已比较激烈，从数据上看价格下降也不再明显，且我们预计，受到客户性质、技术壁垒等因素的影响，该细分领域的市场集中度在短期内仍难以提升。工业级 3D 打印机领域（无论是金属还是非金属 3D 打印机），比较容易在技术、渠道、资本等方面拉开差距。
4.3 总结
作为对本章内容的总结：
（1）设备是国内 3D 打印产业中产值最大的环节，目前大约占整个行业总产值的 40%-50%；
（2）从国内的 3D 打印市场来看，进口替代的大幕已经拉起，在存量市场上，联泰、铂力特、华曙等 3 家企业的合计占有率已达到 27.9%（主要是工业级 3D 打印机范围内）；
（3）从全球来看，美国仍是最大的设备和应用的市场，中国市场正在快速增长；
（4）工业级 3D 打印机的价格正在快速下降，性价比的逐步提高有利于下游应用的拓展。桌面打印机目前竞争已比较激烈，市场集中度在短期内仍难以提高。工业级 3D 打印机领域（无论是金属还是非金属 3D 打印机），比较容易在技术、渠道、资本等方面拉开差距。
五、 下游应用：医疗、汽车、航空航天、机械多点开花
5.1 工业应用占主导，工业机械是最大的下游应用领域
目前 3D 打印技术已经在军事、航空航天、医疗、汽车、机械设备制造及消费领域得到了一定的应用。2017 年国内 3D 打印下游行业中，工业产品占比 55%，军用产品占比 16%，民用产品 29%。若将消费产品之外的其他领域都归类于工业领域，其应用规模远远超过消费级 3D 打印。从更加细分的应用领域来看，工业机械是国内 3D 打印最大的应用领域，2017 年占 20%左右，其次分别是航 空航天、汽车、消费电子、医疗等。全球范围内下游应用占比与国内情况相近，2017 年 3D 打印在工业机械中的应用也占 20%左右。
我们认为，目前 3D 打印技术成本虽然在下降，但仍处于较高水平，因此判断未来一个时期内，3D打印仍将在高附加值的行业内首先得到发展。下文将对几个主要的应用场景做举例说明。
5.2 3D 打印在医疗行业中的应用
2017 年，3D 打印在全球医疗领域的市场规模达 8.3 亿美元。3D 打印技术可以直接将 3D 设计模型转化为现实的产品，相较于传统制造方式，更适合制作小批量定制化的产品，以及复杂形状的产品。由于人体的个体差异，手术导板、医疗植入物、义齿等医疗器械，对个性化定制的要求很高。因此，“个性化”为 3D 打印技术与医疗行业搭建了深度结合的桥梁。目前全球都处于老龄化持续严重的进程中，这更为医疗产业的发展、及 3D 打印技术在医疗领域的应用发展提供了广阔空间。
据统计，2017 年，全球医疗器械行业的市场规模超过 4000 亿美元，并仍将稳步增长。而同年我国医疗器械行业的市场规模达到 774 亿美元，占当年全球市场规模的 19.2%。考虑到中国巨大的人口基数，未来随着我国经济水平的不断提升，医疗器械行业仍有非常巨大的发展空间。
3D 打印技术在医学行业的主要应用，包括用于手术与规划或教学的 3D 打印医疗模型、手术导板、外科/口腔科植入物、康复器械等医疗器械的应用，还包括生物 3D 打印这种可以打印具有“生命”的人体组织、器官的应用。目前，3D 打印血管、气管、3D 打印肾脏、肝脏已经在少量临床中开始使用。市场研究机构 SmarTech 将 3D 打印在医疗中的应用总结为 4 类：直接给患者使用的医疗用品、专业医疗辅助器械、医疗器械制造、生物医学研究，并认为 3D 打印技术在这 4 类应用中的使用程度将经历：“探索阶段”、“小众阶段”、“主流阶段”、“普及阶段”，并分别对目前 4 类应用的对3D 打印技术的使用程度，和未来十年预计使用程度做了分析。“生物医学研究”应用目前处于探索阶段，SmarTech 预计未来 10 年，该应用仍将处在探索阶段；“医疗器械制造”和“专业医疗辅助器械”应用目前已经进入小众阶段，3D 打印技术已经在这两类应用中有成功的应用，但是尚未成为主流技术；在”医疗器械制造”领域，3D 打印技术有望在 10 年后将逐渐成为主流的制造技术；SmarTech 对”专业医疗辅助器械”应用的预估最为乐观，预计 10 年后 3D 打印技术将在该应用领域普及；”直接给病人使用的医疗用品”与前两类应用类似，目前已经开始进入小众阶段，预计在未来10 年，3D 打印在该类别中的应用将成为主流。
以 3D 打印在口腔医学中的应用为例，其大致流程形式包括：以扫描或口腔印模的方式获得原始形状数据、利用软件进行数据处理重构生成三维数据文件、将文件交付打印机、打印得到最终产品并实施于患者。

目前 3D 打印已比较成熟的应用于口腔医疗的义齿打印、矫正器制作、预演手术模型制作、手术导板制作等方面，大大的提高了医疗的精度和效率。




3D 打印技术可以成型微小复杂结构，在植入物应用上有着得天独厚的优势。2017 年中国各类植入物销售收入总计 190 亿元，预计在 2022 年，将达到 366 亿元的市场。2017 年底获得 FDA 医疗器械注册证的 3D 打印医疗器械已超过了 100 个，其中包括了多款由不同品牌制造的 3D 打印脊椎植入物和关节植入物。2017 年爱康医疗 3D 打印植入物产品实现销售超过 3000 万。
3D 打印骨科植入物在我国部分三甲医院临床治疗中的应用已处于国际先进水平，例如上海交通大学附属第九人民医院在 2014 年就已将金属 3D 打印个性化假体用于骨盆肿瘤切除与重建手术，在该疾病临床治疗上实现了从“削足适履”到“量体裁衣”的突破，实现了个性化假体在形态、力学、生物学三方面的适配。除上述外，3D 打印在眼科、心脏外科等领域也有重要应用，大多数都能归类于模型、导板、辅助器械等大类，限于篇幅，此不赘述。

5.3 3D 打印在航空航天领域的应用
航空工业应用的 3D 打印主要集中在钛合金、铝锂合金、超高强度钢、高温合金等材料加工方面，这些材料基本都是强度高，化学性质稳定，不易成型加工，传统加工工艺成本高昂的类型。3D 打印中的 SLM 技术、EBM 技术、DMLS 技术等在航空领域应用较多。
与消费行业不同，航空航天工业越来越多地采用 3D 打印快速成型技术，主要原因之一是为了降低飞机零部件的制造费用。由于飞机上许多零件形状复杂，用传统方式制造成本很高。波音公司已经广泛的利用 3D 打印技术，波音 787 梦幻飞机上有 30 个打印的零件，这本身是一个行业记录。2017年，波音公司宣布聘请挪威金属 3D 打印公司 Norsk Titanium AS，负责为波音 787Dreamliner 飞机打印钛合金部件，以期将每架波音 787 Dreamliner 飞机的每架制造成本节省 200～300 万美元。
航空航天行业加大增材制造技术的投入力度的另一个主要原因是飞机轻量化要求。根据计算飞机每减少 1 磅，航空公司每年节省的燃油达 11,000 加仑。2016 年，GE 公司成功收购瑞典 Arcam 公司和德国 Concept Laser 公司，成为金属增材制造领域的佼佼者，并在航空发动机领域实现了增材制造零部件的规模化应用。美国 GE 公司应用 3D 打印技术生产的喷气发动机 LEAP-1C 已获得联邦航空局（FAA）和欧洲航空安全协会（EASA）的批准，该发动机被誉为“革命性推进系统”。此外，通用电气（GE）还投资了 5000 万美元到 3D 打印上，以期开发下一代的 LEAP 引擎的燃油喷嘴。

除了应用于复杂零部件的直接快速制造，3D 打印技术还可用于航空航天装备零部件的快速修复。在航空航天领域，许多重大装备造价高昂，如果在试用中出现零部件损坏或尺寸性能不符合要求，将造成重大经济损失。在这种情况下，可以利用 3D 打印制造工艺来修复零部件的误加工或破损部分，以延长装备的试用寿命。航空航天行业是典型的需要用也用的起 3D 打印技术的行业。近三年全球3D 打印在航空航天领域的应用市场规模复合增长率达 60.4%，2017 年全球 3D 打印在航空航天领域的应用市场规模达到 13.9 亿美元。

我国飞机制造业基础一直比较薄弱。据统计和预测，2018 年我国通用航空器总保有量为 2495 架，预计到 2020 年将超过 3000 架，飞机制造业有广阔的潜在市场空间。

近年来我国飞机制造行业取得重大突破，随着 C919 客机的下线，未来在中国本土制造的飞机数量有望大大增加，3D 打印技术将获得更广阔的发展空间。
5.4 3D 打印在汽车行业的应用
汽车及其零部件制造是我国的主导产业之一。随着近年来我国汽车保有量和产量的快速上升，已成为未来全球汽车行业的最大市场。汽车行业是最早使用 3D 打印技术的行业之一，早在 20 世纪 90年代，欧美一些发达国家的汽车制造企业如福特汽车等，就将 3D 打印应用于汽车的研发和试制环节。基础快速原型制造、分布式思想的产生、先进的成型与探索、快速制造与工具制造是 3D 打印与汽车工业逐渐走向深度结合的路线图。
3D 打印从最初用于概念模型的打印，再到功能模型的制作，目前正逐步应用于功能部件的制造，甚至于整车的打造。
在汽车设计方面，由于 3D 打印快速成型的特性，汽车厂商已将其应用于汽车的外形设计。相较于传统的手工制作油泥模型，3D 打印技术制作周期更短，设计图纸复原也更精确，大大提高了汽车外形设计的效率。
在汽车零部件开发方面，3D 打印技术适合制造形状复杂的零件。传统汽车制造领域的零部件研发，需要反复的设计和测试，而每一次设计和测试都要进行配套的模具设计的制作，导致汽车零部件的开发往往需要很长的周期。3D 打印技术则完全摆脱了制作模具的繁琐过程，大大缩短了汽车零部件的研发周期。

2019 年亚洲 3D 打印展中展出 Divergent 公司利用 SLM Solutions 仪器打印出一系列铝制零件和碳纤维车壳，经过人工轻松组装，车壳和底盘完美结合，使得整车质量减轻了 90%，车身强度也相应增强，且比使用传统技术制造的汽车更耐用。这是 3D 打印应用在汽车领域的重大突破，为整车制造提供了新的思路。
我国目前已经是全球最大的汽车生产国和消费国，未来还有进一步的增长空间，这为 3D 打印在汽车行业的应用发展提供了广阔空间。据统计，2018 年全球共产出汽车 9563 万辆，其中中国产出 2797万辆，占全球总产量的比例接近 30%。

近几年全球 3D 打印在汽车行业中的应用产值规模稳步增长，2017 年总规模达 11.7 亿美元。

5.5 3D 打印在其他行业的应用
3D 打印技术除了上述几个行业的应用之外，在鞋制造、建筑等领域也渐渐崭露头角，在模具制造中的应用也越来越广泛。3D 打印鞋为特定运动群体的个性化需求做出响应，为制造商带来无模具化，去中心化的制造模式，与传统的大规模生产有着显著的区别。2017 年以来，3D 打印运动鞋陆续登陆市场。例如阿迪达斯 Futurecraft 4D,Alpha Edge 4D，匹克 FutureI 都是小批量定制化生产的尝试。Alpha Edge 4D 全球累积销量已超过十万双。


美国设计师 Loan Florea，采用世界上最大的 3DP 打印机 VX4000 设备一次性打印完成了整个房屋，包括厕所、厨房、家具。这台 3D 打印机花费了 60 小时打印完成房屋的两片组块，费用总计约 60000欧元，房子重约两吨，并且符合建筑师关于房屋承重和安全性的所有要求。设计师通过维捷公司的VX4000 的设备将他所设计的充满独特感且带有壮观色彩的墙壁打印出来，这些墙壁的设计包含了传统制造工艺很难实现的自由曲面。
3D 打印很适合模具的制造，尤其可以解决某些模具内部结构比较复杂的问题。目前中国模具行业年产值在 1700 亿左右，3D 打印技术即使在此领域有 1%的渗透率，也对应了 17 亿左右的产值。
在文教娱乐领域，3D 打印的应用也已比较广泛，以非金属的桌面级 3D 打印为主。总之 3D 打印在越来越多行业崭露头角，未来将成为各行各业不可或缺的力量，应用前景越加广泛。
六、 政策的支持，标准的完善
在我国产业升级的背景下，3D 打印技术得到国家层面的重视。尤其是 2017 年 12 月工业和信息化部联合发展改革委、教育部、公安部、财政部、商务部、文化部、卫计委、国资委、海关总署、质量监总局、知识产权局等 12 部门印发了《增材制造产业发展行动计划（2017-2020 年）》，为我国的3D 打印行业提出了 2020 年要实现的五大目标：
（1）产业保持高速发展，年均增速在 30%以上，2020 年增材制造产业销售收入超过 200 亿元；
（2）技术水平明显提高，突破 100 种以上满足重点行业需求的工艺装备、核心器件及专用材料；
（3）行业应用显著深化，开展 100 个以上试点示范项目，在重点制造（航空、航天、船舶、核工业、汽车、电力装备、轨道交通装备、家电、模具、铸造等）、医疗、文化、教育等四大领域实现规模化应用；
（4）生态体系基本完善，形成完整的増材制造产业链，包括计量、标准、检测、认证等在内的生态体系基本形成；
（5）全球布局初步实现，培育 2-3 家以上具有较强国际竞争力的龙头企业，打造 2-3 个国际知名品牌，一批装备、产品走向国际市场。
国家政策的强力支持，为 3D 打印行业的发展壮大提供了强有力的后盾和保障。
对于 3D 打印行业来说另一个好消息是各种相关标准正在逐步完善。目前全球增材制造协会主要有两个标准，ASTM F42 和 ISO/TC 261，ASTM F42 目前已发布 29 项标准，19 项正在制定中；ISO/TC 261 已发布 9 项，25 项正在制定中。我国已有 5 个相关现行标准，另有 3 个即将发布，12 个在研，覆盖从上游原材料到下游应用的众多环节。行业标准的逐步完善，有利于 3D 打印行业的高质量发展。
七、 投资建议（略）
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（报告来源：平安证券；分析师：胡小禹/吴文成）