3D打印區(qū)別于傳統(tǒng)減材制造,它通過(guò)對(duì)模型數(shù)字化立體掃描、分層處理,借助于類似打印機(jī)的數(shù)字化制造設(shè)備,利用材料不斷疊加形成所需的實(shí)體模型。3D打印在特定應(yīng)用領(lǐng)域大大節(jié)省了生產(chǎn)成本,提高了效率。 與2D打印的B2C相比,3D打印目前集中于B2B模式,同時(shí)也在進(jìn)一步擴(kuò)展B2C的定制化多樣性消費(fèi)市場(chǎng)。 3D打印金屬和復(fù)合材料憑借其比傳統(tǒng)材料更優(yōu)異的機(jī)械特性(剛性、抗沖擊性、輕便性等)和力學(xué)性能成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。材料的制作成本和使用性能仍是目前3D打印上游的痛點(diǎn)。 目前中國(guó)3D打印設(shè)備主要以燒結(jié)/粘結(jié)成型(SLS、SLM)和非金屬的熔融擠出成型(FDM)為主。設(shè)備使用性能和應(yīng)用時(shí)效性是主要痛點(diǎn)。 技術(shù)和材料的創(chuàng)新突破以及復(fù)合型人才的培養(yǎng)將成為3D打印行業(yè)螺旋式上升發(fā)展的關(guān)鍵因素。 3D打印——傳統(tǒng)技術(shù)的革新 從“減材”到“增材”, 3D打印是對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的升級(jí)革新 3D打?。?DP)即快速成型技術(shù)的一種,又稱增材制造,是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ),運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。區(qū)別于傳統(tǒng)減材制造, 3D打印通過(guò)對(duì)模型數(shù)字化立體掃描、分層處理,借助于類似打印機(jī)的數(shù)字化制造設(shè)備,將材料不斷疊加形成所需的實(shí)體模型。3D打印在中小批量生產(chǎn)成本控制、個(gè)性化生產(chǎn)、生產(chǎn)可預(yù)測(cè)性,和材料利用率等方面與傳統(tǒng)技術(shù)相比都具有明顯優(yōu)勢(shì)。 3D打印產(chǎn)業(yè)政策梳理 政策出臺(tái)速度快、支持力度大,助力轉(zhuǎn)型“中國(guó)智造” 目前政策重點(diǎn)主要集中在3D打印材料、技術(shù)提升與標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面。2015年,我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)在“中國(guó)智造”引導(dǎo)下迎來(lái)高速發(fā)展契機(jī),《中國(guó)制造2025》等一系列政策描繪了增材制造行業(yè)的發(fā)展路徑。2016年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》標(biāo)志著產(chǎn)業(yè)化的落地。中國(guó)3D打印發(fā)展以來(lái),行業(yè)扶持政策發(fā)力迅速。從整體戰(zhàn)略,應(yīng)用領(lǐng)域、關(guān)鍵技術(shù)再到企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),政策指導(dǎo)不斷細(xì)化,促進(jìn)行業(yè)發(fā)展。 3D打印商業(yè)模式 2D打印 vs. 3D打印 2D打印機(jī)商業(yè)模式較為單一,打印機(jī)廠商主要依靠耗材盈利。3D打印可能的商業(yè)模式存在于五個(gè)層面——制造端(3D打印機(jī)制造)、材料端、模具端、零售端、樣品端(研發(fā))。與2D打印的B2C相比,3D打印目前集中于B2B模式,同時(shí)也在進(jìn)一步擴(kuò)展B2C的定制化多樣性消費(fèi)市場(chǎng)。 3D打印行業(yè)發(fā)展進(jìn)程與拐點(diǎn) 快速由制造流轉(zhuǎn)化為數(shù)字流 3D打印作為高端制造技術(shù)的指引者備受業(yè)界重視,國(guó)家出臺(tái)相關(guān)政策,客觀科學(xué)地規(guī)劃布局,引領(lǐng)技術(shù)合理發(fā)展,已鋪設(shè)多個(gè)科研院所和高校進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。目前3D打印行業(yè)正快速由制造流轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字流,數(shù)字經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新增長(zhǎng)點(diǎn),以產(chǎn)業(yè)數(shù)字化為代表的數(shù)字技術(shù)與制造業(yè)的深度融合,是推進(jìn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化、產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化,構(gòu)建新發(fā)展格局的關(guān)鍵動(dòng)能與戰(zhàn)略抉擇。 研發(fā)階段-科學(xué)研發(fā)推動(dòng)3D打印發(fā)展 核心專利到期激發(fā)市場(chǎng)活力 2009 年之前3D打印專利申請(qǐng)數(shù)量維持在個(gè)位數(shù),2009~2015年許多領(lǐng)先的工業(yè)3D打印專利到期,隨著3D打印核心技術(shù)的釋放,降低了行業(yè)準(zhǔn)入門檻與成本,激發(fā)了市場(chǎng)活力,推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。2009年熔融層積成型(FDM)專利到期后,促進(jìn)了中國(guó)3D打印機(jī)的發(fā)展,專利布局集中在提升可靠性和降低成本;2012年后,隨著各大高校和科研院所積極參與研究、3D打印公司深入布局核心專利,3D打印專利授權(quán)量迎來(lái)了爆發(fā);2014年是專利到期的高峰年,SLS和SLM核心技術(shù)專利陸續(xù)到期,推動(dòng)了金屬3D打印商業(yè)化。2021年中國(guó)3D打印專利授權(quán)主要集中在制造工具和醫(yī)藥科學(xué)領(lǐng)域,而服飾、食品科學(xué)等消費(fèi)級(jí)領(lǐng)域數(shù)量較少。 產(chǎn)業(yè)化階段-3D打印不斷向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn) 多企業(yè)布局3D打印設(shè)備/材料產(chǎn)業(yè)化 近年來(lái),3D打印熱度不斷提升。2021年,國(guó)內(nèi)共有3D打印融資案例34例,國(guó)外共有融資案例108例,相比于2019年均有較大增長(zhǎng)。中國(guó)3D打印頭部企業(yè)快速布局3D打印產(chǎn)業(yè)化,多家企業(yè)擁有較高的3D打印設(shè)備與材料年產(chǎn)能/年銷量。 目前國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備與材料主要供給國(guó)內(nèi),而消費(fèi)級(jí)3D打印設(shè)備主要銷往國(guó)外。根據(jù)3D行業(yè)專家的觀點(diǎn),這是由于國(guó)內(nèi)原材料較為便宜,加工3D打印設(shè)備成本較低,且國(guó)內(nèi)消費(fèi)級(jí)供應(yīng)鏈較為完善,已經(jīng)可以滿足鞋子、衣服等日用品的需求,3D打印的用途沒(méi)有完全凸顯,國(guó)外則更需要3D打印簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈。 3D打印未來(lái)發(fā)展形態(tài) 3D打印向離散型生產(chǎn)模式發(fā)展 隨著消費(fèi)升級(jí)推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步,未來(lái)3D打印市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)較為分散。在工業(yè)級(jí)滿足高精尖需求,在消費(fèi)級(jí)則更為離散,滿足每個(gè)消費(fèi)者的需求,甚至可能更多應(yīng)用于客戶更愿意溢價(jià)支付的產(chǎn)品。目前公司和個(gè)人更偏向于通過(guò)3D打印平臺(tái)生產(chǎn)訂單,同時(shí)也有企業(yè)建立自己的3D打印中心。未來(lái)3D打印平臺(tái)會(huì)進(jìn)一步向3D打印農(nóng)場(chǎng)發(fā)展,通過(guò)云端聯(lián)網(wǎng)多機(jī)集群高效率管理,實(shí)行簡(jiǎn)單操作指令就可以控制上百臺(tái)3D打印機(jī),大大提高了時(shí)間效率,節(jié)約了人力成本,實(shí)現(xiàn)個(gè)性化批量生產(chǎn)。 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的上游為原材料、核心硬件和輔助運(yùn)行系統(tǒng)的供應(yīng)商。 中游主要為3D打印設(shè)備和相關(guān)服務(wù)制造商。 下游主要為3D打印服務(wù)對(duì)象,3D打印主要應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域,以工業(yè)級(jí)應(yīng)用為主。 中國(guó)3D打印行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局 3D打印企業(yè)處在發(fā)展上升期,行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)不激烈 憑借我國(guó)相關(guān)政策驅(qū)動(dòng),(例如《發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》明確增材制造行業(yè)要在2020年增速達(dá)30%,核心技術(shù)與國(guó)外水平看齊),以及政策指引下企業(yè)端、研發(fā)端、資本端等齊力發(fā)展,推動(dòng)3D打印行業(yè)迎熱潮大發(fā)展。據(jù)中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì),2021年中國(guó)增材制造企業(yè)營(yíng)收265億元,近四年平均增長(zhǎng)率約30%,高出全球平均水平約10%。 2021年國(guó)內(nèi)現(xiàn)有以增材制造為主營(yíng)業(yè)務(wù)的上市公司已有22家。實(shí)力較為雄厚的有 鉑力特、 先臨三維、 華曙高科等。 我國(guó)3D打印區(qū)域特點(diǎn)為:京津冀全國(guó)領(lǐng)先,長(zhǎng)三角地區(qū)憑借良好的經(jīng)濟(jì)發(fā)展優(yōu)勢(shì)、區(qū)位條件基礎(chǔ),已初步形成全3D打印產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展形式;而華中部地區(qū)以研發(fā)為主,以陜西、湖北為核心建立產(chǎn)業(yè)培育重地。珠三角地區(qū)則為3D打印應(yīng)用服務(wù)的高地,主要分布在廣州、深圳等地。 3D打印工作流程 3D打印操作流程通常分三步。首先打印前需要依靠計(jì)算機(jī)和特定軟件將所需產(chǎn)品的模型搭建在系統(tǒng)中,再通過(guò)優(yōu)化調(diào)整、分層切片、規(guī)劃路徑等操作完善前期準(zhǔn)備工作。打印制作過(guò)程中,利用3D打印設(shè)備按照規(guī)劃設(shè)計(jì)的模型和路徑將材料逐層堆積,獲得制成品。打印后按需將成品進(jìn)行外表處理后投入使用進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)。 前期軟件的建模至關(guān)重要,需要精通軟件建模技術(shù)、材料等多學(xué)科人才參與把關(guān)。模型搭建對(duì)產(chǎn)品是否符合所需標(biāo)準(zhǔn)起到?jīng)Q定性作用。而打印設(shè)備則主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品的產(chǎn)出成型,技術(shù)和材料兩者互相搭配制成綜合性能好的實(shí)物。 上游:3D打印軟件技術(shù)的重要性 軟件技術(shù)—九層之臺(tái),起于累土 無(wú)論是在3D數(shù)據(jù)模型獲取、3D數(shù)據(jù)模型處理還是3D打印機(jī)的控制等過(guò)程中,都離不開(kāi)3D軟件技術(shù)。軟件系統(tǒng)集合掃描切片、制造與故障診斷、溫場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、數(shù)字化掃描控制、數(shù)據(jù)反饋與集成控制等功能于一體,為成品的精細(xì)化滿足需求提供保障;提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)備效率、優(yōu)化打印質(zhì)量、增強(qiáng)產(chǎn)品精細(xì)化。 上游:3D打印材料使用現(xiàn)狀 我國(guó)材料市場(chǎng)仍以非金屬類型為主;材料研發(fā)邁向復(fù)合化 3D打印技術(shù)的興起和發(fā)展離不開(kāi)3D打印材料的發(fā)展。3D打印有多種技術(shù)種類,如SLS、SLA和FDM等。每種打印技術(shù)使用的材料各有不同,如SLM技術(shù)常用金屬材料,而SLA通常用光敏樹(shù)脂,F(xiàn)DM適應(yīng)于工程塑料等。 目前我國(guó)材料使用非金屬仍占主要部分,與金屬材料大致形成6:4的格局,不過(guò)也發(fā)現(xiàn)我國(guó)對(duì)于材料技術(shù)的更新創(chuàng)造不斷加速,目前相關(guān)專利申請(qǐng)量2021年達(dá)3079件,超過(guò)美國(guó)位列第一。從專利內(nèi)容可以看出各類復(fù)合材料、可降解材料以及更優(yōu)性能的金屬材料是目前研發(fā)的重點(diǎn)方向。 上游:材料的發(fā)展制約因素及解決路徑 材料的制作成本和使用性能是上游核心痛點(diǎn) 中游:3D打印設(shè)備市場(chǎng)現(xiàn)狀及特點(diǎn) 目前中國(guó)3D打印設(shè)備主要以SLS、SLM和非金屬的FDM為主,前兩者占比約32%,F(xiàn)DM大約占整體的15%,分別對(duì)應(yīng)主應(yīng)用于工業(yè)級(jí)和桌面級(jí)。 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)商業(yè)模式和技術(shù)路徑有所差別。綜合看商國(guó)外企業(yè)核心技術(shù)涉獵金屬和非金屬兩大板塊,應(yīng)用范圍廣。國(guó)內(nèi)企業(yè)核心技術(shù)專攻性強(qiáng),例如鉑力特70%以上設(shè)備應(yīng)用于航空航天制造。 3D打印設(shè)備主要痛點(diǎn) 中游的3D打印設(shè)備問(wèn)題現(xiàn)主要呈現(xiàn)零散化形態(tài) 3D打印設(shè)備現(xiàn)仍處于不斷磨合技術(shù),提高設(shè)備使用成熟度和精細(xì)化階段。問(wèn)題呈現(xiàn)零散化形態(tài),例如設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中故障率高、進(jìn)料系統(tǒng)運(yùn)行卡頓、打印產(chǎn)品精度低等問(wèn)題。目前科研領(lǐng)域和企業(yè)實(shí)操領(lǐng)域同步研發(fā)實(shí)驗(yàn),共同推動(dòng)優(yōu)化設(shè)備操作。 下游:3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域 B端是3D打印主要價(jià)值領(lǐng)域 3D打印目前集中在B端,直面C端需要巨量投資,技術(shù)從大規(guī)模使用到鋪向應(yīng)用端需要迭代。目前3D打印在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用已處于產(chǎn)業(yè)化階段。工業(yè)級(jí)應(yīng)用范圍已經(jīng)較廣,而消費(fèi)領(lǐng)域需求還需要進(jìn)一步挖掘,大眾消費(fèi)品需要從成本端落地。 下游:國(guó)內(nèi)3D打印應(yīng)用市場(chǎng)特點(diǎn) 對(duì)外主要面向工業(yè)級(jí)高端制造,對(duì)外主要向桌面級(jí)設(shè)備服務(wù)消費(fèi)領(lǐng)域出口 3D打印國(guó)內(nèi)外應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)比 國(guó)內(nèi)應(yīng)用側(cè)重B端工業(yè)級(jí),國(guó)外B、C端雙管齊下 國(guó)外3D打印技術(shù)整體落地服務(wù)時(shí)間早于我國(guó),并且以航空航天、生物醫(yī)學(xué)為先發(fā)應(yīng)用,后不斷滲透至C端桌面級(jí)3D打印應(yīng)用范圍,形成B、C兩端同步突破規(guī)?;?、精細(xì)化、創(chuàng)新化的發(fā)展特點(diǎn)。 國(guó)內(nèi)3D打印技術(shù)發(fā)展與21世紀(jì)初期,憑借國(guó)家的支持,主要以工業(yè)級(jí)(航空航天、汽車制造、生物醫(yī)療)應(yīng)用為主,未來(lái)將不斷優(yōu)化技術(shù)和材料,實(shí)現(xiàn)B端更成熟化的應(yīng)用。 3D打印行業(yè)未來(lái)發(fā)展形態(tài) 3D打印行業(yè)將呈螺旋式上升發(fā)展趨勢(shì) 3D打印行業(yè)作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),其發(fā)展迭代過(guò)程將呈現(xiàn)螺旋式周期性上升形態(tài)。行業(yè)整體的階段性突破主要依靠材料和技術(shù)的革新?lián)Q代,以及政策扶持下逐步形成成熟的商業(yè)化模式。例如在航空航天、國(guó)防軍工領(lǐng)域由國(guó)家領(lǐng)頭逐步實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代。消費(fèi)生活領(lǐng)域中則需要從消費(fèi)者的需求端出發(fā),由B端帶頭實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)、不斷提升產(chǎn)品的良品率和穩(wěn)定性,同時(shí)降低成本,多方開(kāi)拓市場(chǎng)發(fā)展空間,實(shí)現(xiàn)3D打印行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
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