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3D打印起源於美國,最初由查爾斯・胡爾於1986年開發出光固化技術,並成立3DSystems公司。此後,經過二十多年的發展,技術日臻完善,3D打印有關的產品和服務銷售額也不斷上升。據WohlersAssociates統計,過去25年3D打印產品和服務的收入複合年增長率為25.4%,2013年銷售額達到28.43美元,相較2012年22.04億美元的規模增長了29%。

世界範圍內,生產和購買3D打印機最多的國家均是美國,中國所占的份額還很小。有近四分之三十美國製造,以色列和歐洲各國的份額分別占到9.3%和10.2%,而中國3D打印設備僅占到3.6%。

中國區市場規模現時偏小,但發展速度最快

2013年全球3D打印的市場規模為28.43億美元,但中國3D打印市場規模只有14億元人民幣。不過,中國有望在近年躍升為全球最大的3D打印市場。

中國3D打印科技產業聯盟秘書長、亞洲製造業協會首席執行官羅軍預測,中國的3D打印市場約在三年內會從現時的約14億元人民幣增長到100億元。

全球3D打印產業的權威研究機構美國沃勒斯公司總裁特裡・沃勒斯在會上說,他也看好中國的3D打印市場潜力,但認為中國成為全球相關最大市場可能需要更長時間。該公司已經連續18年發佈全球3D打印產業報告,被視為全球3D打印行業的風向標。根據報告,全球3D打印設備和服務整體市場為28億美元,其中,美國約占60%,德國、日本、中國等各約占10%。

全球3D打印行業未來5-10年仍將保持年均20%以上的增長

2013年,全球3D打印行業總產值約為28億美元,同比增長29%。回顧歷史,3D打印行業在上世紀90年代初曾經出現過每年40%以上的高速增長,但隨後增速逐步趨於平緩;21世紀的前十年,全球3D打印行業的年均複合增長率僅為7.76%,互聯網泡沫後的2001-2002年,以及金融危機後的2009年,3D打印行業甚至出現了負增長;但是從2010年開始,隨著3D打印科技的進步以及個人需求的爆發,3D打印行業再次進入快速成長期。

中國3D打印5大應用前景的分析

最近三年,3D打印行業增速的加快在公司層面也得到了印證,全球3D打印行業龍頭公司的收入增速在2010年之後均出現了明顯提高。據預測,未來5-10年,3D打印行業仍將以年均20%以上的速度增長,至2021年全行業實現產值將達到108億美元。

中國的3D打印科技儘管在某些特定領域取得了國際領先地位,但整體而言和美國仍有較大差距。從3D打印設備的生產數量來看,全球累計銷售的3D打印機,其中近四分之三為美國製造,而中國製造的3D打印設備僅占3.6%;從3D打印設備的保有量來看,美國仍以將近40%的占比遙遙領先,德國和日本也分別佔有近10%的份額,而中國的占比仍不足9%。

中國的3D打印產業尚處於發展的初級階段,仍存在部分核心技術與資料依賴進口、產業資源“小而散”、產業化程度不高等問題。但作為全球製造業第一大國和人口第一大國,不論是工業應用還是個人消費,其增長潜力都得到了國內外專家與企業界的一致認可。英國增材製造聯盟主席GrahamTromas表示,3至5年內中國有潜力成為世界最大的3D打印市場。中國3D打印科技產業聯盟秘書長羅軍在“2013世界3D打印科技產業大會”上表示,中國有潜力成為全球最大的3D打印市場,未來3-5年有望以每年至少一倍的速度增長,中國3D打印產業的市場規模將達到100億元左右。

3D打印:應用領域拓展消費需求爆發

1、工業應用領域不斷拓展,個人消費需求開始爆發

3D打印在製造自由度、原材料利用率等方面具有明顯優勢,尤其適用於小批量、定制化的加工制造。近年來,3D打印在工業應用和個人消費兩個市場均取得了長足發展:工業應用的下游行業不斷拓展,直接零部件製造的占比也逐年提高;個人消費市場雖起步較晚,但近年來呈現快速爆發趨勢。
據統計,3D打印科技的行業應用主要分佈於消費電子、汽車、醫療、航空航太、建築、科研等領域;而從具體應用環節來看,3D打印科技現時主要用於設計樣品、展示模型及模具的製造,但直接零部件加工的占比從2003年的不足4%已快速上升到了2013年的29%左右。

中國3D打印5大應用前景的分析

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2、醫療器械的定制化需求恰是3D打印的優勢所在,“生物打印”令人憧憬

醫療行業存在大量的定制化需求,難以進行標準化、大批量生產,而這恰是3D打印科技的優勢所在。現時,3D打印科技在助聽器材製造、牙齒矯正與修復、假肢製造等領域已經得到了成功應用且已經比較成熟。利用3D打印製造出的牙橋等製品更加精確精細,相比傳統製造管道也更加方便快捷。同樣,利用3D打印科技可以很好的實現對剩餘肢體的複製,製造出的假肢也更加符合人體工學,在歐洲使用3D打印的鈦合金骨骼的患者已經超過3萬例,美國一家醫院甚至用3D打印出的頭骨替換了患者高達75%的受損骨骼。

除了上述醫學修復領域,3D打印科技還可用於瞭解患者病情以及輔助醫患交流。比如:3D打印機可以打印出患者的立體骨骼模型,醫生可以通過骨骼模型探討治療過程,與患者溝通手術方案;醫務人員還可以通過3D打印的複製品瞭解患者器官內部結構,還能够在這些複製品上進行類比手術。現時,Stratasys和3DSystems已經能够提供複製人體器官模型的設備,通過CT掃描等醫學影像,直接打印出患者器官的模型,這些模型不僅外觀逼真,還像器官一樣濕潤帶有紋理。

3D打印的模型或無生命假肢僅僅是一個開始,最令人憧憬的應用則是直接打印具有活性的組織器官,即所謂“生物打印”。現有的想法包括:利用3D科技打印骨架,再在骨架上培養幹細胞,誘導其形成組織;更進一步的方法是直接打印出組織器官用於移植;最具想像力的方案則是在人體內直接打印活性組織或活性器官,連植入的過程都可以省掉。

Organovo公司已經在生物打印領域取得了一些突破,成功打印出了心肌組織、肺臟、血管等;美國康奈爾大學的生物學家巴切爾利用生物高分子材料打印出能正常工作的心臟瓣膜,其中幹細胞夾雜在高分子材料裡面,能够逐漸轉換成人體細胞。現時,“生物打印”仍處於試驗階段,其應用障礙不僅在於科技領域,還涉及道德問題、監管程式等方面。不過,隨著生物科技的發展、以及配套制度的完善,3D打印的人體器官將逐步走進現實應用當中。

3、航空航太是3D打印最具前景的應用領域之一,中國的鈦合金雷射快速成型科技國際領先

航空航太設備製造是3D打印最具前景的應用領域之一,原因主要在於:第一,航空航太設備往往具有“多品種、小批量”的特點,尤其在試製階段許多零部件都需要單件定制,若採取傳統工藝則週期長、成本高,3D打印則可以實現低成本快速成型;第二,出於减重與强度要求,航空航太設備中複雜結構件或大型异構件的比例越來越高,若採用傳統的“鍛造+機加工”管道,則所需工序繁多、工藝複雜,甚至根本無法直接加工,而3D打印在複雜部件加工方面具有明顯優勢;第三,採用傳統工藝加工飛機零部件的原材料利用率只有10%左右,其他部分都在鑄模、鍛造、切割和打磨過程中浪費了,而3D打印的增量製造管道可將原材料利用率提高至90%以上。

中國3D打印5大應用前景的分析

波音公司是率先將3D打印科技用於飛機設計和製造的國際航空製造企業,已累計利用3D打印科技生產了300多個不同的小型零部件。GE航空2012年收購了專門開發雷射燒結金屬粉末科技的MorrisTechnologies公司,用來為其Leap系列發動機製造組件。普惠公司也投入數百萬聯合康涅狄格大學成立了增量製造中心。美國國家航太航空局正在使用3D打印機生產航天器的引擎部件,並計畫將打印設備發射到國際空間站,以期太空人能够自給自足,利用空間站上的原料直接生產所需品,改變完全依賴地面供給的補給模式。

中國的大型鈦合金結構件雷射成形技術具有國際領先水準,是現時世界上唯一掌握了飛機鈦合金大型主承力結構件雷射快速成型科技並實現裝機應用的國家。另據媒體報導,在艦載機、四代機等新型軍用飛機的研製過程中,3D打印科技已經發揮了重要作用,承擔了包括起落架在內的鈦合金主承力構件的試製任務。

4、在消費電子與汽車行業,3D打印科技主要用於設計原型製造及模具開發

從全球範圍來看,消費電子與汽車行業是3D打印科技最主要的兩個應用領域,分別占20%左右的市場份額。從具體用途來看,3D打印科技在上述兩個行業的應用主要集中於設計原型製造及生產過程中的模具加工。借助3D打印科技輔助設計和測試,可以大幅縮短新產品研發週期、降低試製與試驗成本。比如:Nokia曾借助3D打印科技完成手機外殼和結構件的設計和樣件製造;通用汽車已經用3D打印科技打印出應用於測試的零部件和模具超過20000個,現代、寶馬等汽車廠家也已將3D打印科技應用於新車研發過程當中。

在產品製造環節,由於消費電子和汽車行業均具有標準化、大規模生產的特點,3D打印科技在直接零部件製造方面尚無法滿足加工速度和經濟性要求,故短期內很難取代傳統的製造模式。但在一些個性化的小眾市場,3D打印直接加工的產品仍擁有一定的受眾群。比如:由用戶定制的手機外殼、用戶可以參與設計的汽車等。

中國3D打印5大應用前景的分析

5、在建築與服裝行業,3D打印可以實現複雜結構、極大的拓展設計師的想像空間

在建築領域,3D打印科技最初主要用於設計模型的製造,但近來已經有多位建築師提出了3D打印實體建築的構想。荷蘭阿姆斯特丹建築大學的設計師JanjaapRuijssenaars設計的3D打印建築物“LandscapeHouse”特別類比了莫比烏斯環,計畫利用3D打印機逐塊打印出來,每塊的尺寸為6×9米,然後拼接成一個整體建築,預計需要耗時一年半完成。倫敦的建築設計工作室SoftkillDesign的3D打印建築方案更具衝擊力,該建築完全拋弃了傳統的固體牆,而是採用以骨骼為基礎的纖維尼龍結構,組件由雷射燒結生物塑膠製成。

服裝製造方面,3D打印可以加工出傳統工藝難以完成的複雜款式,極大的拓展的設計師的想像空間。耐克和爱迪达均已經開始用3D打印機製造一些運動鞋功能部件,也有直接製造運動服的打算。

個人3D打印設備銷量猛增,開啟「創客」時代

自2008年開始,個人3D打印設備的銷量出現爆發式增。個人消費需求的爆發主要源自兩方面的動力:一是“數位化設計+快速成型”的組合大幅簡化了從創意到產品的過程,從而刺激了多種個性化需求的釋放;二是隨著科技的發展,3D打印設備的價格已經下降至普通人可以承受的水平,個人3D打印機的價格通常在5000美元以下,最便宜的已降至一兩千美元。或許在不遠的將來,3D打印機將和PC一樣走進千家萬戶。

現時,個人3D打印設備的應用主要在於滿足人們的個性化需求,比如:用戶可以自己在家中做出獨具個性的首飾、玩具、餐具等產品;基於3D打印科技的“3D照相館”可以為人們留下逼真的立體留影等。

3D打印設備與互聯網結合,帶來了商業模式的創新。如提供3D打印服務和交易的網絡平臺–Shapeways在不足6年的時間裏已經注册了6000名獨立設計師和十幾萬的用戶。類似的網站還有Ponoko、i.materialise等。用戶通過這些網站可以購買設計模型、訂購3D打印產品,也可以自己開設商店,出售3D打印產品、設計或資料。設計師、加工廠以及用戶之間的交流和交易成本大大降低,甚至已經模糊了彼此之間界限。新的商業模式不僅滿足了個人的創造欲望,還可以將其轉化為商業盈利,反過來必將進一步推動個人3D打印需求的增長。克裡斯・安德森所說的“創客”時代正在一步步走進現實。

中國3D打印5大應用前景的分析

所有重大科技都是短期內被高估,長期被低估
隨著科技的不斷進步,3D打印已經成功應用於消費電子、汽車、醫療、航空航太等行業,且直接零部件加工所占的比例不斷提高,個人消費市場也已經呈現爆發式增長。但是,市場對3D打印科技的期待並不止如此。奧巴馬在國情咨文中也將3D打印作為重振美國製造業的關鍵技術提高到了國家戰畧的高度。

最近一年多以來,國內實業界和資本市場對於3D打印的熱情急劇升溫。甚至有專家認為,3D打印作為一項顛覆性的製造技術,誰能够最大程度的研發、應用,誰就能掌握製造業乃至工業發展的主動權。

3D打印科技在短期之內被炒得如此之熱,或許並不利於3D打印行業的長期發展,多位業內專家均表達了類似擔憂。克裡斯・安德森曾經說過:“所有重大科技都是短期內被高估,長期被低估。”3D打印科技當前的處境也是如此。

客觀而言,3D打印科技儘管潜力巨大,但以現有的技術條件尚不具備取代傳統工藝的實力,其在規模經濟、加工精度、資料等方面仍存在明顯不足。3D打印科技的優勢仍主要體現在小批量、定制化、結構複雜的產品製造領域。囙此,在未來相當長的時期內,3D打印對於傳統制造技術而言,都是一種補充,而非顛覆。這個判斷其實也是業內的普遍共識,Stratasys中國公司總經理表示,全球主流3D打印企業中,實際上沒有一家將打印最終產品作為主要市場方向。西安交大的盧秉恒院士、華中科技大學的史玉昇教授等國內3D打印專家都表示,現時還看不到3D打印取代傳統制造技術的可能。

當然,如果放在足够長的時間內考慮,也不能完全排除3D打印帶來新工業革命的可能。就像《經濟學人》所說:「偉大發明所能帶來的影響,在當時那個年代都是難以預測的,1750年的蒸汽機如此,1450年的印刷術如此,1950年的電晶體也是如此。我們仍然無法預測,3D打印機將在漫長的時光裏將如何改變世界。」

來源:南極熊