1.3D打印：第三次工业革命的标志性生产工具

　　3D打印技术是指由计算机辅助设计模型(CAD)直接驱动的，运用金属、塑料、陶瓷、树脂、蜡、纸、砂等材料，在快速成形设备里分层制造任何复杂形状的物理实体的技术。基本流程是，先用计算机软件设计三维模型，然后把三维数字模型离散为面、线和点，再通过3D打印设备分层堆积，最后变成一个三维的实物。

　　传统制造技术是“减材制造技术”，3D打印则是“增材制造技术”，具有制造成本低、生产周期短等明显优势，被誉为“第三次工业革命最具标志性的生产工具”。3D打印将多维制造变成简单的由下而上的二维叠加，从而大大降低了设计与制造的复杂度。同时，3D打印还可以制造传统方式无法加工的奇异结构，尤其适合动力设备、航空航天、汽车等高端产品上的关键零部件的制造。

　　上一轮的工业革命中，制造业主要通过批量化的流水线制造和集约生产来降低生产成本，实现规模效益。原来是制造商和消费者分离，现在是制造商和消费者合为一体，开展自工业化。3D打印将引发真正意义上的制造业革命，产业组织形态和供应链模式都将被重新构建，带来无穷的创新空间。

　　1.13D打印仍处于前沿科学

　　根据2012年Gartner技术成熟曲线显示，目前3D打印技术处于“过高期望的峰值”(PeakofInflated Expectations)：在此阶段的特征就是早期公众过分关注。

　　回顾过去10年，2000年3D打印出现一轮高潮，当时的概念为“快速成型”，全国很多地方都建立相应的生产力促进中心，主要购买光固化设备。但是后来受到CNC技术(数控加工，是数字化加工的一种，属于去除加工的形式)的竞争，很多快速成型的工艺，CNC也能做，且快速成型生产的产品在精度和效率方面都高于3D打印；之后3D打印在工业上慢慢萎缩。当然，过去10年3D打印技术也在发展，目前已经达到与铸造精度相媲美的技术水平，但与一般的工业应用仍有距离。目前，3D打印是作为CNC技术的一个补充。

　　目前3D打印仍待解决的问题包括：1)材料，开发专用材料的成本大。2)行业标准待建立。3)涉及到法律法规及伦理领域的问题。

　　1.2欧美发展：应用广泛

　　3D打印技术诞生于上世纪80年代的美国，此后马上出现第一波小高潮，美国很快涌现出多家3D打印公司：1984年，Charles Hull开始研发3D打印技术，1986年，他自立门户，创办了世界上第一家3D打印技术公司(3DSystems公司也是目前3D市场领军者之一)，同年发布了第一款商用3D打印机。

　　1988年，Scott Crump发明了FDM(热熔挤制成型)技术，并于1989年成立了现在的另一家3D打印上市公司Stratasys(NASDAQ:SSYS)，该公司在1992年卖出了第一台商用3D打印机。

　　到了21世纪初，3D打印沉寂下来，许多人开始质疑这种技术的可靠性，当时只能做一些塑料模型，强度和精度都不高。直到2008年，开源3D打印项目【RepRap】发布“Darwin”，3D打印机制造进入新纪元；同年，Objet推出Connex500，让【多材料】3D打印成为可能。

　　在欧美3D打印技术已经广泛应用。目前限制金属材料发展的主要的问题是其成形制造效率不高，每个小时大约只有100-3000克。

　　1.3国内发展：设备多集中在教育领域

　　中国从1991年开始研究3D打印技术，当时的名称叫快速原型技术(RapidPrototyping)，即开发样品之前的实物模型；具体在国际上有几种成熟的工艺，分层实体制造(LOM)、立体光刻(SL)、熔融挤压(FDM)、激光烧结(SLS)等(后文会将重要技术一一详述)，国内也在不断跟踪开发。2000年前后，这些工艺从实验室研究逐步向工程化、产品化转化。

　　由于做出来的只是原型，而不是可以使用的产品，而且国内对产品开发也不重视，大多是抄袭，所以快速原型技术在中国工业领域普及得很慢，全国每年仅销售几十台快速原型设备，主要应用于职业技术培训、高校等教育领域。

　　2000年以后，清华大学、华中科技大学、西安交大等高校继续研究3D打印技术。西安交大侧重于应用，做一些模具和航空航天的零部件；华中科技大学开发了不同的3D打印设备；清华大学把快速成形技术转移到企业--殷华(后改为太尔时代)后，把研究重点放在了生物制造领域。

　　目前国内的3D打印设备和服务企业一共有二十多家，规模都较小。一类是十年前就开始技术研发和应用，如北京太尔时代、北京隆源、武汉滨湖、陕西恒通等。这些企业都有自身的核心技术。另一类是2010年左右成立的，如湖南华曙、先临三维、紫金立德、飞尔康、峰华卓立等。而华中科技大学、西安交通大学、清华大学等高校和科研机构是重要的3D技术培育基地。

　　1.4国内外技术差距大

　　从2012年设备数量上看，美国目前各种3D打印设备的数量占全世界40%，而中国只有8%左右。国内3D打印在过去20年发展比较缓慢，在技术上存在瓶颈。1)材料的种类和性能受限制，特别是使用金属材料制造还存在问题。2)成形的效率需要进一步提高。3)在工艺的尺寸、精度和稳定性上迫切需要加强。

　　随着美国“再工业化、再制造化”的口号呼喊，3D打印所打造的少劳动力制造将给美国极大的动力去发展。中国与美国的差距主要表现在：1)产业化进程缓慢，市场需求不足；2)美国3D打印产品的快速制造水平比国内高；3)烧结的材料尤其是金属材料，质量和性能比我们好；4)激光烧结陶瓷粉末、金属粉末的工艺方面还有一定差距；5)国内企业的收入结构单一，主要靠卖3D打印设备，而美国的公司是多元经营，设备、服务和材料基本各占销售收入的1/3。在全球3D模型制造技术的专利实力榜单上，美国3DSystems公司、日本松下公司和德国EOS公司遥遥领先。

　　展望未来，3D打印是以数字化、网络化为基础，以个性化、短流程为特征，实现直接制造、桌边制造和批量定制的新的制造方式。其生长点表现在：与生物工程的结合，与艺术创造的结合，与消费者直接结合。

　　目前，在欧美等发达国家，3D打印技术的应用已较为广泛，大到飞行器、赛车，小到服装、手机外壳、甚至是人体组织器官。尤其在一些交叉学科领域中，3D打印的应用更加明显。

　　2.3D打印细分工艺：未来主流方向是金属打印

　　根据打印所用材料及生产片层方式的不同，实现方法有以下几种：1)熔化或软化材料产生层。2)液体材料加工方法。3)层压板制造(LOM)，将纸、聚合物、金属等材料薄层剪裁成一定形状并粘接在一起。这些3D打印技术由不同公司研发倡导，主要区别在于打印速度、成本、可选材料及色彩能力等。

　　2.1FDM:最早的3D打印技术

　　FDM技术是由Stratasys公司于1980年中后期发明。该成型设备采用成卷的塑料丝或金属丝作为材料，工作时将材料供应给挤压喷嘴，喷嘴加热融化材料，并在计算机辅助制造软件的控制以及步进电机或伺服电机的驱动下，沿着水平和垂直方向移动打印，热塑性材料凑够喷嘴挤出，形成层并迅速硬化。打印完成后，拿掉固定在零件或模型外部的支撑材料即可。

　　整个成型过程需要恒温环境，熔融状态的丝挤出成型后如果骤然受到冷却，容易造成翘曲和开裂，适当的环境温度最大限度地减小这种造型缺陷，提高成型质量和精度。由于FDM工艺不用激光，使用、维护简单，成本较低，同时兼具成型材料种类多，成型件强度高、精度较高的特点，使该工艺可以直接制造功能性零件。

　　目前，FDM技术可以打印的材料包括ABS、聚碳酸酯、PLA、聚苯矾等。与其他的3D打印技术相比，FDM是唯一使用工业级热塑材料作为成型材料的积层制造方法，打印出的物件具有可耐受高热、腐蚀性化学物质、抗菌和强烈的机械应力等特性，被用于制造概念模型、功能模型，甚至直接制造零部件和生产工具。

　　FDM技术被Stratasys公司的Dimension、uPrint和Fortus全线产品以及惠普大幅面打印机作为核心技术所采用。由于其成型材料种类多，成型件强度高、精度高，表面质量好，易于装配、无公害，可在办公室环境下进行等特点，使得该工艺发展极为迅速，目前FDM在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30%。

　　2012年3月，Stratasys公司发布的超大型快速成型系统Fortus900mc，代表了当今FDM技术的最高成型精度、成型尺寸和产能，成型尺寸高达914.4mm×696mm×914.4mm，打印误差为每毫米增加0.0015~0.089mm，打印层厚度最小仅为0.178mm，被用于打印真正的产品级零部件。

　　2.2粒状物料成型技术

　　(1)激光烧结

　　激光烧结是在粒状层中选择性地融化打印材料，通常采用激光来烧结材料并形成固体。在这种方法中，未融化的材料作为生成物件的支撑薄壁，从而减少了对其他支撑材料的需求。激光烧结技术主要包括2种类型：一种是SLS技术，主要采用金属和聚合物为打印材料，具体包括尼龙、添加玻璃纤维的尼龙、刚性玻璃纤维、聚醚铜、聚苯乙烯、尼龙及铝粉等混合材料、尼龙及碳纤维的混合材料、人造橡胶等，3DSystems公司的sPro系列3D打印机就是采取SLS技术；另一种是直接金属激光烧结(DMLS)技术，已经实现可打印几乎任何金属合金，具有代表性的设备是德国EOS公司的直接金属激光烧结设备。

　　对于SLS而言，国产设备大约100万元/台，进口设备300万元/台，进口材料大约100美元/公斤。

　　(2)EBM

　　电子束熔炼是一种金属部件的积层制造技术，可打印钛合金等材料。电子束熔炼技术是通过高真空环境下的电子束将融化的金属粉末层层叠加，与直接金属激光烧结技术低于熔点的生产环境有所不同，EBM技术生产出的物件密度高、无空隙且非常坚固。采用EBM技术的代表设备为瑞典ARCAM公司的EBM系统。

　　(3)PP

　　使用PP技术的3D打印机每次喷一层石膏或者树脂粉末，并通过横截面进行粘合。打印机不断重复该过程，直到打印完每一层。此技术允许打印全色彩原型和弹性部件，将蜡状物、热固性树脂和塑料加入粉末一起打印，还可以增加强度。采用此打印技术的代表设备为3DSystems公司的ZPrinter系列3D打印机。

　　2.3光聚合成型技术

　　(1)SLA

　　SLA的主要实现途径是用于生产固件部件的光固化成型技术。SLA技术最早由美国3DSystems公司成功实现商业化，其生产的Projet系列和iPro系列3D打印设备均采用了SLA技术。该技术由于具有成型过程自动化程度高、制作原型表面质量好、尺寸精度高以及能够实现比较精细的成型尺寸等特点，因而成为广泛应用的快速成型工艺方法。但SLA系统的缺点是对液态光敏聚合物进行操作的精密设备，对工作环境要求苛刻，同时，成型件多为树脂类，强度、刚度和耐热性有限，不利于长期保存。

　　Objet公司的PolyJet系统是一种喷头打印技术，目前已实现以16~30μm的超薄层喷射光敏聚合物材料，并层层构建到托盘上，直至部件制作完成。每一层光敏聚合物在喷射时即采用紫外线光固化，打印出的物件即为完全凝固的模型，无需后固化。被设计用来支撑复杂几何形状的凝胶体支撑材料，通过手剥和水洗即可除去。

　　(2)DLP

　　在数字光处理技术中，大桶的物体聚合物被暴露在数字光处理投影机的安全灯环境下，暴露的液体聚合物快速变硬，然后设备的构建盘以较小的增量向下移动，液体聚合物再次暴露在光线下。这个过程不断重复，直到模型建成。最后排出桶中的液体聚合物，留下实体模型。采用DLP技术的代表设备是德国EnvisionTec公司的Ultra3D打印数字光处理快速成型系统。

　　DLP激光成型技术和SLA立体平版印刷技术比较相似，也是采用光敏树脂作为打印材料，不同的是SLA的光线是聚成一点在面上移动，而DLP在打印平台的顶部放置一台高分辨率的数字光处理器(DLP)投影仪，将光打在一个面上来固化液态光聚合物，逐层的进行光固化，因此速度比同类型的SLA立体平版印刷技术速度更快。

　　DLP的应用非常广泛，该技术最早是由德州仪器开发的，它至今仍然是此项技术的主要供应商。最近几年该技术放入3D打印中，利用机器上的紫外光(白光灯)，照出一个截面的图像，把液态的光敏树脂固化。该技术成型精度高，在材料属性、细节和表面光洁度方面可匹敌注塑成型的耐用塑料部件。

　　SLA与DLP打印所需的液态光敏树脂材料也因生产商家和机型的不同而各有特点，比如EnvisionTec的各类机型都可以使用EC-500型蜡基液体树脂材料制造各类精致饰品模型以用于失蜡法铸造，但其每千克材料成本高达几千元。其民用代表机型有B9Creator(2500美元)，Form1(3300美金)等。

　　2.43DP三维喷绘打印技术

　　3DP是一种基于微喷射原理(从喷嘴喷射出液态微滴)，按一定路径逐层打印堆积成形的打印技术，这种技术和平面打印非常相似。3DP打印机主要部件为储粉缸和成形室工作台。打印时首先在成形室工作台上均匀地铺上一层粉末材料，接着打印头按照零件截面形状，将粘结材料有选择性地打印到已铺好的粉末层上，使零件截面有实体区域内的粉末材料粘接在一起，形成截面轮廓，一层打印完后工作台下移一定高度，然后重复上述过程。如此循环逐层打印直至工件完成，再经后处理，得到成形制件。

　　同立体印刷、叠层实体制造和选择性激光烧结快速成形技术相比，3DP不需要昂贵的激光系统，具有设备价格便宜、运行和维护成本低的优势。与熔融沉积快速成形技术相比，3DP可以在常温下操作，具有运行可靠，成形材料种类多和价格低的优势。此外，与其它RP系统相比，3DP还有操作简单、成形速度快、制件精度高、成形过程无污染，适合办公室环境使用等优点。

　　2.5几种方法优劣比对：目前FDM和SLS为主流

　　金属零件快速制造技术代表了RP技术的最新发展方向。目前，真正能够制造精密金属零件的快速成型技术只有选择性激光熔化和选择性激光烧结。SLS成型方法成型金属零件时，多采用树脂或低熔点材料包覆的金属粉末作为原材料，通过激光扫描使树脂熔化将金属粉末固结在一起，在成型后经过脱脂、浸渗低熔点金属(如青铜等)来提高致密度。使用该技术成型，金属零件工序复杂且零件强度与精度多数情况下仍达不到要求。而选择性激光熔化SLM技术是一种极具创新的快速成型技术，能一步加工出具有冶金结合，相对密度接近100%，具有复杂结构、高的尺寸精度的金属零件。目前，金属3D打印成本偏高是其主要缺点之一。

　　在总成本构成中，购置设备成本约占总成本的3/4。而上述两种工艺的设备均属于工业级打印设备，价格普遍较为昂贵。其次，金属3D打印的材料通常有钛粉、铝合金粉和不锈钢粉。耗材成本虽然仅占总成本11%，但是相较于其他普通金属材料，这些材料成本要高出将近10倍左右。如德国EOS公司所生产的不锈钢粉、铝硅粉、钛合金粉，其价格是传统粉体的10至20倍。而3D打印用钛粉成本约为180万/吨，是普通航空用钛材价格的9倍多。

　　在下图中，我们将3家核心3D打印公司(Stratasys、3DSystems和Materialise)持有的专利数目一一梳理。可以看出，Stratasys和Materialise专注在光固化成型(Stereolithography)和FDM。同时，相比3DSystems和Materialise，Stratasys在CNC的专利更多。

　　3。市场现状：个人打印高增速、功能应用以模具为主

　　根据2013版的Wohlers显示，2013年全球3D打印市场规模约40亿美元，相比2012年几乎翻了一番。其大体分布概况是欧洲约10亿美元，美国约15亿美元，中国所占份额约3亿美元。面向工业的3D打印机设置台数按国家进行统计的话，美国占38%，位居第一，其次是日本占9.7%，第三位德国占9.4%，第四位中国占8.7%。

　　近年来，3D打印市场高速发展，个人3D打印市场也已开启。根据市场研究机构Frost&Sullivan发布的《2012年全球3D打印市场研究报告》显示，从1994年到2011年，全球3D打印机市场规模一直保持高速增长态势，复合增长率达到了17.6%。2011年全球个人3D打印设备销售量呈现爆发式增长，销售量从5987台猛增至23265台，增幅接近300%，大幅超过商用3D打印设备增速。

　　就企业实力来看，目前欧美较具规模的3D打印企业的年销售收入一般都在10亿元人民币左右，而国内目前仍没有一家企业收入过亿，甚至超过5000万元的企业都寥寥无几。目前，我国3D打印行业整体上发展不错，设备、材料、软件等核心领域都能够不同程度实现自给，并在文化创意、工业、生物医学等领域得到应用。但是，缺乏龙头企业、核心技术、成熟的商业模式，以及市场广泛应用和政策资金扶持。激光器、软件、材料等核心技术还依赖进口。

　　4.3D打印未来发展以及市场空间

　　根据2013版的Wohlers显示，2013年全球3D打印市场规模约40亿美元，2012年全球3D打印产业整体的销售规模达到22.04亿美元。2010-2012年三年的年复合增长率达27%。该机构预计2017年则将进一步上升至50亿美元，并且此后整个市场将维持近20%增长率。预计至2021年，3D打印市场规模将达到近110亿美元。

　　2013年我国产值20亿元。世界3D打印技术产业联盟秘书长、中国3D打印技术产业联盟执行理事长罗军表示：现在还是3D打印技术的起步阶段、产业化的初级阶段。未来3-5年将是3D打印技术最为关键的发展机遇期，如果推进顺利，2014年同比翻一番没有大问题，而2015年则有望达到80-100亿，到2016年产值将达百亿元人民币。