中國增材制造（3D打印）發展歷程、競爭格局及增材制造行業發展前景分析[圖]增材制造又稱“3D打印”，是以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層離散和數控成型系統，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出實體產品。與傳統制造業通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產成品不同，3D打印將三維實體變為若干個二維平面，通過對材料處理并逐層疊加進行生產，大大降低了制造的復雜度。這種數字化制造模式不需要復雜的工藝、不需要龐大的機床、不需要眾多的人力，直接從計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件，使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。一、發展歷程增材制造技術起源于美國。1940年，Perera提出了切割硬紙板并逐層粘結成三維地形圖的方法，直到20世紀80年代末，3D打印制造技術實現了根本性發展。1988年美國科學家Hull獲得光固化技術的發明專利，并成立了全球首家增材制造公司3DSystems。21世紀開始，隨著工藝、材料和裝備的日益成熟，增材制造技術的應用范圍由模型和原型制造進入產品快速制造階段，在航空航天等高端制造領域得到規模應用。國外增材制造技術的發展歷程

思想萌芽

技術誕生

裝備推出

大規模應用

增材制造技術的核心思想起源于美國。1940年，Perera提出了切割硬紙板并逐層粘結成三維地形圖的方法。直到20世紀80年代末，3D打印制造技術實現了根本性發展，僅在1986至1998年注冊的美國專利就多達24項。

1986年美國的Hull發明了光固化技術（SLA）。1988年Feygin發明了分層實體制造技術（LOM）。1989年Deckard發明了粉末激光燒結技術（SLS）。1992年Crump發明了熔融沉積制造技術（FDM）。1993年Sachs發明了噴頭打印技術（3DP）。

1988年美國的3DSystems公司生產出了第一臺增材制造裝備SLA250，開創了增材制造技術發展的新紀元。1996年，3DSystems使用噴墨打印技術，制造出其第一臺3DP裝備Actua2100。同年，美國Zcorp公司也發布了Z402型3DP裝備。

2002年，德國成功研制了選擇性激光熔化增材制造裝備（SLM），同時，電子束熔化（EBM）、激光工程凈成形（LENS）等一系列新技術與裝備涌現出來。這些技術解決一些傳統制造工藝面臨的難加工甚至是無法加工等制造難題。

數據來源：公開資料整理二、現狀1、應用國內高校和企業通過科研開發和設備產業化改變了增材制造設備早期仰賴進口的局面。我國也逐漸建立起20多個增材制造設備服務中心，設備用戶遍布醫療、航空航天、汽車、軍工等行業。但是增材制造技術仍處于發展之中，其成熟度還遠不如金屬切削、鑄、鍛、焊、粉末冶金等制造技術。增材制造技術是綜合多學科的新技術，其在大型復雜構件和高價值材料產品等制造中具有成本、效率、質量諸多優勢。縮短研發周期：制造速度快，成形后的近形件僅需少量后續機加工，可以顯著縮短零部件的生產周期，滿足快速響應要求。復雜結構得以實現：能輕松實現復雜結構件的制造，同時還能實現單一零件中材料成分的實時連續變化，使零部件的不同部位具有不同的成分和性能，是制造異質材料的最佳工藝，大幅提升了設計和創新能力。滿足輕量化需求，減少應力集中，增加使用壽命：優化復雜零部件的結構，在保證性能的前提下，將復雜結構經變換重新設計成簡單結構，從而起到減輕重量的效果。而且通過優化零件結構，能使零件的應力呈現出最合理化的分布，減少疲勞裂紋產生的危險，從而增加使用壽命。提升零部件的強度和耐用性：金屬增材制造技術能方便地加工高熔點、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工材料。金屬零件直接成形時的快速凝固特征可提高零件的機械性能和耐腐蝕性能。具有較高的設計自由度：可以構建出其它制造工藝所不能實現的形狀，可以從純粹考慮功能性的方面來設計部件，且無需考慮與制造相關的限制。小批量生產的經濟性高：無需生產或裝配硬模具，且裝夾過程用時較短，因此不存在需要通過大批量生產才能抵消的典型的生產成本。提高材料利用率：是凈成形水平最高的工藝，其后續機加工所必須切削掉的材料數量是很微量的。能減少裝配次數：通過增材制造所構建的復雜形狀可以一體成形，能省去投入到裝配工序的工作量、需涉及的堅固件、釬焊或焊接工序，還節省了為裝配操作而添加的多余表面形狀和材料，大大提升了生產效率。增材制造主要應用領域

應用領域

典型應用

航空發動機

機身結構件、發動機零件、燃油噴嘴等

航空航天

鈦合金進氣邊、高溫合金機匣、大型結構件整體等

汽車零件

汽車發動機、變速箱、泵、車身、底盤、壓縮機等

醫療

齒科、骨科、醫療器械、醫用教學、活體器官等

模具

液壓膨脹夾頭、外圓鉸刀、冷卻麻花鉆頭、整體式液壓膨脹夾頭

數據來源：公開資料整理在國外，增材制造技術已經在火箭發動機噴嘴、飛機復雜結構件、航空發動機復雜構件等武器裝備產品研制中獲得應用，并且開始由分析開發階段向工程化應用階段邁進。金屬三維打印材料的應用領域相當廣泛，如石化工程、航空航天、汽車制造、注塑模具等。這項技術已被應用于多個行業領域，并且發揮著越來越重要的作用。即使已經過較長時間的發展，增材制造技術還面臨一些困難和挑戰等待全世界的學者去克服。首先，增材制造技術的工業標準需要被系統建立。生產過程需要有清晰的指導和參數設置，以便使生產出的產品具有穩定的性能表現。其次，可用的材料和產品的尺寸需要被進一步擴大。這項困難在航空航天行業表現的尤為突出，因為它所使用的材料通常需要能夠耐住極高溫和極低溫的考驗。最后，對于增材制造技術產品的機械性能需要繼續深入分析。即使對于增材制造技術所生產的產品的機械性能分析從未停止，但在疲勞性能、殘余應力和斷裂韌性方面還有較大的空白。2、產業鏈增材制造打印產業鏈上游主要包括3D建模工具和原材料。其中，3D建模工具包括3D建模軟件、3D建模掃描儀和3D模型數據平臺。與此相對應，聚集在產業鏈上游企業包括三維軟件開發商以及耗材生產商等。增材制造原材料主要包括金屬增材制造材料、無機非金屬增材制造材料、有機高分子增材制造材料以及生物增材制造材料等幾類。增材制造材料的類別和應用領域

類別

材料名稱

應用領域

金屬增材制造材料

鈦合金、高溫合金、鋁合金等金屬粉末、液態金屬材料等

航天航空、船舶工業、核工業、汽車工業、軌道交通等高性能、難加工零部件與模具的直接制造

非金屬增材制造材料

高性能陶瓷，非金屬礦、寶玉石材料、樹脂砂、覆沙膜、硅砂、硅酸鹽類等

航天航空、汽車發動機等制造用模具開發及功能零部件制造；工業產品原型制造及創新創意產品生產

有機高分子增材制造材料

樹脂類：光敏樹脂；絲材類：PLA、ABS、PC、PPSF、PETG等；粉末

工/模具制造、原型驗證、科研教學、文物修復與保護、生物醫療等

生物增材制造材料

生物可降解材料、生物相容性材料、活細胞等

藥物控制釋放、器官移植、組織和軟骨質結構再生與重建等

數據來源：公開資料整理增材制造設備是牽動增材制造行業發展的關鍵之一。增材制造設備可分為桌面級打印機和工業打印機。近年來隨著國外桌面級打印機相關專利保護到期，技術壁壘下降，國內桌面級打印機廠家數量急劇增長，新進企業增多，加大了國內桌面級增材制造市場的競爭程度。與桌面級打印機市場相比，工業級打印機技術壁壘高，資本投入大，一直以來發展較為緩慢，但當前工業級增材制造產業受到國家政策大力支持，整個市場目前已開始呈現快速增長形勢。增材制造的核心專利大多被設備廠商掌握，因此在整個產業鏈中占據主導地位，這些設備生產廠商大多亦提供打印服務業務。近年來，增材制造行業整合加劇，通過并購增材制造打印軟件公司、材料公司、服務提供商等，設備生產企業轉變為綜合方案提供商，加強了對產業鏈的整體掌控能力。增材制造技術的下游應用以航空航天、軍工、船舶工業、核工業、汽車工業、軌道交通及醫療為主。目前該技術在下游行業的應用方式主要分為直接制造、設計驗證和原型制造。直接制造是根據三維模型，直接用增材制造技術生產最終產品，具有產品定制性強與產品精度/硬度高的特點，是未來增材制造技術的主要發展趨勢。與傳統制造相比，采用增材制造技術進行設計驗證及原型制造可節約時間與經濟成本。此外，增材制造在維修領域也具有市場，使用增材制造技術不僅能簡化維修程序，還可實現傳統工藝無法實現的高還原度與制造材料原型匹配的功能。三、格局全球增材制造產業已基本形成了美、歐等發達國家和地區主導，亞洲國家和地區后起追趕的發展態勢。美國率先將增材制造產業上升到國家戰略發展高度，引領技術創新和產業化。歐盟及成員國注重發展金屬增材制造技術，產業發展和技術應用走在世界前列。俄羅斯憑借在激光領域的技術優勢，積極發展激光增材制造技術分析和應用。日本全力振興增材制造產業，借助增材制造技術重塑制造業國際競爭力。1、國內高校（1）西北工業大學金屬高性能增材制造重點實驗室金屬高性能增材制造與創新設計工業和信息化部重點實驗室于2015年獲得工業和信息化部認定，是西北工業大學首批獲得工業和信息化部認定的三個重點實驗室之一。實驗室以金屬構件的高性能增材制造技術與結構功能一體化創新設計技術為分析對象，提升我國金屬高性能增材制造技術及其相關自主創新能力，發展創新設計與金屬高性能增材制造的科學原理和先進技術，培養大批具備增材制造新理念、新知識和新技能的設計師、工程師和管理者，推動金屬高性能增材制造技術在航空、航天、航海、能源等行業的更廣泛應用。實驗室現有支撐學科為材料科學與工程和航空宇航科學與技術兩個一級學科國家重點學科，以及控制理論與控制工程和計算機應用技術兩個二級學科國家重點學科。現任實驗室主任為林鑫教授，學術委員會主任為中國工程院院士盧秉恒教授。實驗室圍繞兩個分析方向，設置了8個分析團隊，其中載能束增材制造團隊的帶頭人黃衛東即是鉑力特公司的董事、首席科學家。（2）清華大學生物制造與快速成形技術北京市重點實驗室生物制造與快速成形技術是機械工程與生物、醫學及材料科學的新興交叉領域。實驗室自1990年代初開始進行快速原型技術的探索和開發，先后開發了分層實體制造（SSM）、熔融擠出制造（MEM）、無模鑄型制造（PCM）、冷凍冰成形（FIC）、多功能快速成形系統（M-RPMS）。2000年后，實驗室開始了金屬材料和生物材料及細胞的增材制造（3D打印）技術分析，開發了電子束選區熔化制造（EBSM）、低溫沉積制造（LDM）和三維細胞受控組裝（3DCCA）等增材制造和生物三維打印技術與裝備。2014年實驗室在世界上首次用三維打印方式構建出體外三維腫瘤模型，BBC也為此進行了采訪，并做了特別報道。此外，實驗室還在異質多細胞打印、細胞芯片3D打印制造、體外生命系統構建、電子束復合增材制造、增材制造多尺度多物理場計算模擬等前沿領域進行了開拓和探索。近年來，實驗室獲得了2011年“863”生物和醫藥技術領域重點項目課題、2012年自然科學基金重點項目、2017年科技部“增材制造與激光制造”重點研發計劃等重要項目。2016年實驗室被教育部批準成為“111計劃”生物制造與體外生命系統工程交叉學科創新引智基地，進一步促進了實驗室與世界各國優秀學者的交流，促進實驗室國際學術地位保持和提升。實驗室獲得過北京市科技進步一等獎和國家科技進步二等獎。（3）北京航空航天大學“大型整體金屬構件激光直接制造”分析中心分析中心以王華明院士為核心，依托大型金屬構件增材制造“國家工程實驗室”和激光增材制造“國防科技工業分析應用中心”，從事鈦、鋼、鎳、鋁等高性能難加工合金構件增材制造及關鍵運動副零部件激光表面工程技術的基礎、應用基礎和工程化應用關鍵技術分析，主要集中于大型復雜金屬結構件的制造，為中國航空航天的快速發展提供強有力的支持。分析中心已承擔包括國防973、國家自然科學基金、863等重要科研項目30余項，發表SCI收錄論文200余篇，獲得國家發明專利授權10余項，獲國防科學技術一等獎2項、國家技術發明一等獎1項。2、國內科研單位（1）中航工業航空制造技術分析院中國航空制造技術分析院隸屬于中國航空工業集團公司，是專門從事航空與國防先進制造技術分析與專用裝備開發的綜合性分析機構，是2016年12月以北京航空制造工程分析所（625所）為基礎，整合中航工業基礎院相關單位和業務組建而成。制造院以625所為院本部，下設2家分析所（北京航空精密機械分析所、濟南特種結構分析所）和1家上市公司（中航航空高科技股份有限公司），擁有1個國家級重點實驗室、1個國家級創新中心、1個國家級國際科技合作基地、3個北京市重點實驗室、1個北京市工程技術分析中心、1個北京市國際科技合作基地、6個集團重點實驗室（其中之一為增材制造航空科技重點實驗室）、4個集團技術（研發、創新）中心。制造院主要承擔航空材料、制造工藝、專用裝備等基礎、應用和工程轉化分析工作，為我國新型飛機、發動機、導彈等航空裝備研制和航空工廠的技術改造提供了大量先進制造技術和工藝裝備。同時，制造院也為國防工業其它領域，如航天、電子、兵器、船舶等提供了先進制造技術。制造院先后與美國、俄羅斯、德國、法國、瑞士、意大利、日本等30多個國家和地區的分析機構、企業建立了長期的技術交流和經濟合作關系。（2）南京增材制造分析院“南京增材制造（3D打印）分析院”成立于2013年12月8日，是在江蘇省政府領導下，由南京市江寧區政府與盧秉恒院士共同發起創建的一個專門從事“3D打印技術、裝備及應用”的科研和成果轉化機構。中國工程院院士、西安交通大學盧秉恒教授擔任“南京增材制造分析院”院長，研發團隊包括專職研發隊伍80余人，來自國內著名高校的在讀博士和碩士分析生40余人，同時聘請了國內外著名高校、分析單位和知名企業的專家、教授和藝術家30余人擔任技術顧問、導師或兼職研發人員。3、國內外企業（1）德國EOS德國EOS成立于1989年，是金屬和高分子材料工業3D打印的領導者。EOS公司現在已經成為全球最大的金屬增材制造設備提供商，覆蓋產品開發、材料、設備、工藝和咨詢服務等一整套體系，年產能可達1000臺工業級3D打印機。公司在全球擁有超過2000家客戶，分布在65個不同國家。截止2017年底，EOS全球裝機量已經超過3000臺，在中國的總裝機量已經超過300臺，也是中國裝機量最大的供應商。2017年公司3D打印設備（可能包含材料、軟件等）銷售收入2.4億美元（按照美元兌人民幣匯率6.87計算，約合人民幣16.49億元）。（2）美國3DSystems3DSystems成立于1986年，是全球銷售規模最大的3D打印解決方案供應商，提供“從設計到制造”全套增材制造解決方案，包括3D打印機、打印材料、打印服務和云計算按需定制部件。公司主要技術路線包括材料擠出、激光燒結、光固化成形及3DP等，可選材料包括塑料、金屬、陶瓷等。2018年公司實現營業收入6.88億美元（（按照美元兌人民幣匯率6.87計算，約合人民幣47.27億元），同比增長6.44%，歸母凈利潤-4551萬美元。（3）美國通用電氣公司與3DSystems、Stratasys等隨3D打印一同興起的增材制造巨頭不同，GE（通用電氣）誕生于第二次工業革命期間，在3D打印出現之前早已成為工業巨擘，是傳統工業企業入局3D打印市場取得巨大成功的杰出代表。GE通過全球并購實現了從增材制造應用向增材制造裝備及服務供應商轉變。2016年，GE公司成功收購瑞典Arcam公司和德國ConceptLaser公司，成為金屬增材制造領域的佼佼者，并在航空發動機領域實現了增材制造零部件的規模化應用。除了成立GEAdditive主攻增材制造之外，GE的其他部門，例如GEHealthcare、GEAviation、GEPower等也在積極探索這一領域，將3D打印融入自己的商業項目。2017年，通過一系列的技術攻堅和商用轉化，GE進一步鞏固了自身增材制造巨頭的地位。（4）德國SLMSolutions德國SLMSolutions集團是世界領先的金屬激光增材制造設備生產商及服務提供商，在法克蘭福證券交易所上市。一直以來SLM專注于選擇性激光熔化（SLM）相關的高新技術研發及產業化，致力于提供3D金屬打印行業最優解決方案。公司同時也是該技術領域的先驅之一，為客戶提供具有高自由度形態部件的設計和制造方法，適用于個性化定制及批量生產的部件。公司目前在德國、美國、新加坡、俄羅斯、中國擁有超過310名員工。2018年公司營業收入7166萬歐元（按照歐元兌人民幣匯率7.86計算，約合人民幣5.63億元），同比下降13.1%，凈利潤-1338萬歐元。（5）杭州先臨三維杭州先臨三維成立于2004年，于2014年在股轉系統（新三板）上市，2019年擬在科創板上市。公司總部設在杭州，并在北京、德國斯圖加特、美國舊金山等地設有子公司。公司專注3D數字化及3D打印技術十余年，主營業務為3D數字化與3D打印設備及相關智能軟件的研發、生產、銷售。公司現已擁有3D數字化和3D打印設備兩大核心產品線，為高端制造、精準醫療、定制消費、啟智教育等領域用戶提供數字化、定制化、智能化的“3D數字化—智能設計—3D打印”智能制造解決方案，是擁有自主研發的“從3D數字化數據設計到3D打印直接制造”的軟硬件一體化完整技術鏈的科技創新企業。公司旗下易加三維專注金屬3D打印等直接制造3D打印技術的研發。公司2018年實現營業收入4.01億元，同比增長10.41%；歸母凈利潤941萬元，同比下降50.34%；子公司易加三維2018年實現營業收入8655萬元，凈利潤-5.97萬元。（6）北京鑫精合鑫精合激光科技發展（北京）有限公司（以下簡稱“鑫精合”）以增材制造、特種連接、金屬鈑金成型、復合材料加工、復雜機械加工、精密裝配等先進制造工藝為依托，面向航天、航空、航海、核電等高端制造領域，從事產品設計與優化、原材料制備、結構分總體制造與修復、增材制造設備生產、軟件定制開發、技術咨詢與服務的國家級高新技術企業；是中國領先的金屬增/減材制造技術全套解決方案提供商。2017年底經過公司資源整合，正式成立精合集團，集團總部位于北京，在天津、重慶、沈陽、西安、濰坊、上海設有分公司/子公司。精合集團掌握國際領先的增材制造技術，其中激光選區熔化（SLM）、激光沉積制造（LDM）等工藝技術具備國際領先水平。公司現擁有50臺自主研發的系列化金屬選區熔化設備，11臺超大型號自主研發的金屬沉積制造設備，擁有核心技術專利100余項。公司現有在職人員600余人，其中技術研發團隊157人，主要來自于清華、北大、北航、西工大等國家重點高校，以及部分海外人才，團隊成員70%以上擁有10年以上的結構產品研制經驗。公司依托自身先進制造技術的優勢，承接了大量高端制造領域的國家重點型號結構產品的研制生產任務，產品已應用于30多型飛機、火箭、導彈、衛星、飛船等裝備，打破了多項國外技術壟斷，填補了國內空白。（7）湖南華曙高科華曙高科成立于2009年，是工業級3D打印領航企