張鵬

作為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ男屡d技術(shù)之一的3D打印，其獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法與顛覆性的工藝技術(shù)正在制造行業(yè)內(nèi)形成一股熱潮，以飛快的發(fā)展速度占據(jù)著制造業(yè)市場(chǎng)，以3D打印為中心的原材料市場(chǎng)、工業(yè)設(shè)計(jì)、軟件模擬、3D掃描、服務(wù)等正在蓬勃發(fā)展，形成以3D打印為中心的新產(chǎn)業(yè)集群。本文圍繞3D打印產(chǎn)業(yè)鏈，介紹了3D打印的產(chǎn)業(yè)鏈組成及市場(chǎng)發(fā)展概況，顛覆性的技術(shù)是否能動(dòng)搖傳統(tǒng)制造業(yè)的根基，3D打印的未來(lái)所面臨的挑戰(zhàn)。

一、3D打印技術(shù)概況

3D打印技術(shù)，也稱“增材制造”或“增量制造”。它是一種基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過(guò)增加材料逐層制造，是一種直接制造與相應(yīng)數(shù)學(xué)模型完全一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法。它涵蓋了產(chǎn)品生命周期前端的“快速原型”和全生產(chǎn)周期的“快速制造”相關(guān)的所有打印工藝、技術(shù)、設(shè)備類(lèi)別和應(yīng)用[1]。

增材制造技術(shù)第一次出現(xiàn)于 1980年，第一次應(yīng)用是在汽車(chē)的原型設(shè)計(jì)方面。通過(guò)研究者和企業(yè)近30年來(lái)的努力，3D打印技術(shù)已經(jīng)漸趨成熟，衍生出7種重要的子技術(shù)，詳見(jiàn)圖1。3D打印的直接制造將成為技術(shù)發(fā)展史上重要的里程碑。

二、3D打印產(chǎn)業(yè)鏈組成

1.3D打印生產(chǎn)制造商

3D打印制造商主要生產(chǎn)3D打印機(jī)和開(kāi)發(fā)增材制造子技術(shù)。設(shè)備制造是3D市場(chǎng)最重要的組成部分，占據(jù)市場(chǎng)最大份額。其中著名的生產(chǎn)制造商有斯川塔斯（Stratasys）、3Ds ystems、EOS、Concept Laser、SLM Solutions、ExOne和Ultimaker。這些制造商除了生產(chǎn)3D打印配套設(shè)備外，還提供相關(guān)軟件、材料、技術(shù)、咨詢和其他服務(wù)等。

3D打印設(shè)備制造商與與其它供應(yīng)商實(shí)現(xiàn)捆綁，包括軟件、材料和咨詢服務(wù)，可以更好地實(shí)現(xiàn)根據(jù)客戶需求為客戶定制，包括設(shè)備和軟件等。

2.原材料供應(yīng)商

原材料供應(yīng)商提供3D打印所需原材料，其中涵蓋材料制備、材料熱處理和后續(xù)燒結(jié)工藝等各個(gè)方面。材料的種類(lèi)有高分子材料和金屬材料，其中金屬材料包括粉末和線材。

目前，高分子類(lèi)原材料主要應(yīng)用于桌面級(jí)的3D打印機(jī)，而金屬類(lèi)原材料主要應(yīng)用于工業(yè)級(jí)的3D打印。隨著3D打印應(yīng)用越來(lái)越工業(yè)化，金屬材料的3D打印將具有廣闊的前景

3.3D打印軟件

3D打印機(jī)所用軟件主要還是來(lái)源于大型的軟件公司和一些特定的3D打印服務(wù)商。例如，西門(mén)子（Siemens）公司在PLM NX軟件中新增用于3D打印模塊?；萜眨℉P）公司的3D打印機(jī)使用的是Siemens公司的增材制造軟件。歐特克（Autodesk）、達(dá)索（Dassault Systemes）和奧多比（Adobe）公司也開(kāi)始進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)，3D打印服務(wù)商Materialise也開(kāi)始為3D打印提供軟件方面解決方案。

4.3D掃描/逆向工程

此類(lèi)公司主要是將產(chǎn)品實(shí)物掃描錄入電腦使其成為3D打印設(shè)計(jì)模型，該項(xiàng)技術(shù)在建筑、汽車(chē)和工程上被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的目的主要是用來(lái)測(cè)試和產(chǎn)品驗(yàn)證，是3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的一部分。

5.產(chǎn)品服務(wù)商

3D打印服務(wù)商主要負(fù)責(zé)3D打印原型和產(chǎn)品的交付，他們處于整個(gè)3D打印供應(yīng)鏈的中間位置，既是產(chǎn)品供應(yīng)商的顧客，也為其他公司或個(gè)體提供3D打印產(chǎn)品。

三、3D打印市場(chǎng)發(fā)展

Canalys預(yù)測(cè)，全球3D打印市場(chǎng)價(jià)值（包括原材料及服務(wù)）在2016年底將達(dá)到49億美元，從2015年到2020年，全球市場(chǎng)的年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)為43.5%，達(dá)到224億美元。其中3D打印機(jī)的年增率預(yù)計(jì)為67.2%，到2020年將達(dá)到240萬(wàn)臺(tái)[2]，詳見(jiàn)圖2。

2015年，全球3D打印機(jī)供應(yīng)商總共售出18.2萬(wàn)臺(tái)3D打印機(jī)，同比增長(zhǎng)37%，其中，企業(yè)和個(gè)體的需求明顯增加。

研究人員估計(jì)，2016年3D打印市場(chǎng)將達(dá)到73億美元，主要包括3D打印機(jī)、材料、咨詢及服務(wù)，從2012年到2014年，每年至少以30%的速度增長(zhǎng)[3]。

在市場(chǎng)份額方面，如圖3所示，西方國(guó)家占到整個(gè)3D打印市場(chǎng)的2/3（68%），亞太地區(qū)僅占到 27%。在行業(yè)方面，消費(fèi)電子和汽車(chē)行業(yè)各自貢獻(xiàn)了3D打印總收入的20%，這些行業(yè)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)。除此之外，手機(jī)制造商也逐漸使用3D技術(shù)制造產(chǎn)品零部件。醫(yī)療器械行業(yè)作為第3大3D打印市場(chǎng)，需求量正在迅速增長(zhǎng)，他們使用3D打印技術(shù)大批量定制產(chǎn)品例如人體助聽(tīng)器等。

盡管增長(zhǎng)顯著，但3D市場(chǎng)的潛力還未完全開(kāi)發(fā)。事實(shí)上，3D僅占到全球制造業(yè)市場(chǎng)的0.04%，其中僅有的幾家3D設(shè)備制造商占據(jù)3D打印市場(chǎng)很大份額。例如，2015年，Stratasys、3D Systems和EOS三家公司市場(chǎng)份額占到整個(gè)3D打印市場(chǎng)的70%；同樣，3D打印服務(wù)商也是2家獨(dú)大：Materialise和ProtoLabs，市場(chǎng)份額占到10%[4]。圖4詳細(xì)展示了3D打印設(shè)備制造商和服務(wù)商市場(chǎng)份額分布情況。

目前3D打印應(yīng)用最大的市場(chǎng)在于零部件生產(chǎn)。在2003年，使用3D打印生產(chǎn)的零部件幾乎呈現(xiàn)零增長(zhǎng)趨勢(shì)，但截至2014年，3D零件生產(chǎn)已經(jīng)占到全球3D打印產(chǎn)品和服務(wù)收入的43%（約18億美元）。

在零部件生產(chǎn)方面，如圖5所示，其中功能性零部件占據(jù)29%，原型設(shè)計(jì)占據(jù)10%，模具設(shè)計(jì)占到10%，成品組合占到18%。

3D打印市場(chǎng)已經(jīng)越來(lái)越成熟，使用3D打印精簡(jiǎn)了生產(chǎn)工藝過(guò)程，從而提高生產(chǎn)效率。對(duì)于公司來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一個(gè)巨大的機(jī)遇。

四、3D打印VS 傳統(tǒng)制造業(yè)

雖然3D打印發(fā)展迅猛，但是并不是一刀切的解決方案，在高容量，標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用方面，傳統(tǒng)制造業(yè)有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。目前，3D打印的適用方面主要有：原型設(shè)計(jì)（25%）、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)（16%）、想法驗(yàn)證（11%），詳見(jiàn)圖6。

3D打印的優(yōu)勢(shì)在于：①加速定制產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和交付；②提高庫(kù)存的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)生產(chǎn)具有可變需求的產(chǎn)品；③小批量制造優(yōu)勢(shì)明顯；④在特定應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面，效率高，成本低；⑤在新市場(chǎng)開(kāi)拓方面，靈活性高。除此之外，3D打印也可以提高輕量化產(chǎn)品的品質(zhì)，使其更好的符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)，增加更多的設(shè)計(jì)自由度。

然而，工藝穩(wěn)定性和重現(xiàn)性低對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和耐久性產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。

最后，對(duì)于傳統(tǒng)行業(yè)和3D打印，在不同的應(yīng)用方面，有著各自獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，必須根據(jù)自身的需求和產(chǎn)品性質(zhì)去決定是否選擇3D打印或傳統(tǒng)制造，圖7顯示了3D打印與傳統(tǒng)行業(yè)在不同方面的優(yōu)勢(shì)。

五、3D打印行業(yè)未來(lái)發(fā)展機(jī)遇

1.電子消費(fèi)行業(yè)

3D打印已經(jīng)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)和零部件原型制造等方面對(duì)電子消費(fèi)行業(yè)產(chǎn)生積極的影響。例如，大型消費(fèi)電子公司使用3D打印將產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)間從一周縮短至一天，顯著提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)完成效率，并通過(guò)3D打印短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造出更好的產(chǎn)品。大型電腦配件公司使用3D打印技術(shù)，僅僅8個(gè)月就可以實(shí)現(xiàn)盈利。

在未來(lái)，下一個(gè)3D打印機(jī)遇將出現(xiàn)在手機(jī)行業(yè)，它將占到整個(gè)電子消費(fèi)市場(chǎng)的35%，當(dāng)先進(jìn)的材料和制造技術(shù)成熟之后，智能手機(jī)制造商將逐漸從原型設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向3D打印產(chǎn)品。

2.汽車(chē)行業(yè)

汽車(chē)行業(yè)最早將3D打印實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。今天，汽車(chē)生產(chǎn)制造商主要將該技術(shù)用于原型設(shè)計(jì)，而在零部件生產(chǎn)方面，并沒(méi)有大規(guī)模使用3D打印技術(shù)，主要是因?yàn)?D打印尺寸限制，目前還不能很好實(shí)現(xiàn)大型零部件的直接打印。但是，在其他方面，3D打印為汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)了便利。例如，縮短了汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)原型件生產(chǎn)周期，使用3D打印展示產(chǎn)品的概念原型、預(yù)生產(chǎn)原型和最終產(chǎn)品模型。

汽車(chē)使用零部件更便宜、更輕、制造更快速將成為未來(lái)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的目標(biāo)，這為3D打印在汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的前景。

六、3D打印未來(lái)發(fā)展方向

1.更快的生產(chǎn)速度

未來(lái)，在整個(gè)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上，3D打印的前景廣闊，預(yù)計(jì)到2023年，3D打印的平均生產(chǎn)速度有望提高88%，此外，隨著打印速度的提高，打印尺寸及容量也很有可能隨之提高。

2.新型的3D打印材料

3D打印新型復(fù)合材料，以及改進(jìn)的現(xiàn)有材料，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的3D打印應(yīng)用，也有助于降低產(chǎn)品價(jià)格。在這方面，金屬材料的3D打印需求將快速增長(zhǎng)。

2015年，Stratasys公司調(diào)查報(bào)告顯示，金屬材料3D打印預(yù)計(jì)增長(zhǎng)速度快于塑料，其中84%的受訪者表示希望看到金屬材料3D打印在未來(lái)的進(jìn)一步發(fā)展（圖8）。

3.先進(jìn)的打印技術(shù)和增材制造能力

隨著裝備制造能力的發(fā)展，將促進(jìn)3D打印技術(shù)及增材制造能力提高，進(jìn)一步擴(kuò)大3D打印應(yīng)用范圍。

七、3D打印未來(lái)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

雖然3D打印技術(shù)目前能滿足創(chuàng)新發(fā)展的需要，但其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題還未完全解決。在打印過(guò)程中，模型掃描和運(yùn)動(dòng)捕捉工具需要多方面技術(shù)來(lái)支撐，例如模型收集裝置和軟件、模擬技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)等，這些技術(shù)還未與3D打印實(shí)現(xiàn)完美結(jié)合。如果沒(méi)有這些技術(shù)應(yīng)用，3D打印將會(huì)停留在原型設(shè)計(jì)層面。因此，企業(yè)在使用3D打印的同時(shí)，也應(yīng)注重這些支撐技術(shù)的研究投入，以提高3D打印產(chǎn)品的研究、生產(chǎn)及實(shí)際應(yīng)用效率。

相關(guān)的工業(yè)設(shè)計(jì)和藝術(shù)設(shè)計(jì)與智能制造對(duì)3D打印的影響已經(jīng)不能忽視。對(duì)于軟件行業(yè)，隨著圖形軟件的日益發(fā)展，3D打印促使模型設(shè)計(jì)者成為行業(yè)主流，促使產(chǎn)品造型行業(yè)位于整個(gè)3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的上游。3D打印在發(fā)展的過(guò)程中需要共享這些工業(yè)資源、服務(wù)和完整的行業(yè)鏈條，以促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)集群的發(fā)展。

我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)在國(guó)際上已經(jīng)有了立足之地，但是創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展除了技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)外，還取決于國(guó)家大環(huán)境的影響。國(guó)內(nèi)3D打印行業(yè)在商業(yè)化過(guò)程中發(fā)展仍相對(duì)較慢，而且完整的產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成，在迅速發(fā)展的過(guò)程中，仍然暴露出很多問(wèn)題，這迫切需要國(guó)家的政策和財(cái)政支持[5]。

參考文獻(xiàn)

[1] 李小麗，馬劍雄，李萍.3D打印技術(shù)及應(yīng)用趨勢(shì)[J].自動(dòng)化儀表，2014，35（1）.

[2] Canalys（2016） 3D printing market to be worth US$22.4 billion in 2020[R].Media alert，2016.

[3] Johnson D.3D Printing：The Next Revolution in Industrial Manufacturing[R].UPS and The Consumer Thechnology Association（CTA），2016.

[4] EY （2016） How will 3D printing make your company the strongest link in the value chain[R].EYs Global 3D printing Report，2016.

[5] Zhang Feixiang，Zong Liyong.Study of Impact of 3D Printing Technology and Development on Creative Industry[J]. Journal of Social Science Studies，2016（3）.