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3D打印产业研究:高端制造需求将成为3D打印应用蓝海(二)

来源:火狐体育在线登录  作者:火狐体育官网登录   发布日期: 2022-09-07   浏览量:1

  自 20 世纪 80 年代起,3D 打印有了初步发展。而 3D 打印技术线 年,全球 3D 打印产值增长近 4.2 倍,到 2020 年达到 126 亿美元。预计 2020-2026 年间 将保持 20%的年均复合增幅,到 2026 年有望达到 372 亿美元。

  欧美国家 3D 打印产业起步于上世纪 80 年代,其他地区则普遍起步于 20 世纪 90 年代中 后期。中国在技术方面起步并不算晚,但在产业化方面相对落后。根据沃勒斯全球 3D 打 印细分产业调查结果显示,2019 年,3D 打印设备实现 52.97 亿美元产值,占比 44.3%, 为三项产业占比最大。其次是 3D 打印服务与 3D 打印材料,分别占 31.6%与 24.1%。

  产业化方面,美国和欧洲在产业化方面优势明显,3D 打印产业链中多为欧美企业。2019 年,美国以 34.4%份额占据全球 3D 打印设备数量首位,而中国以 10.8%位居其次。日本、 德国紧跟其后,分别占据 9.3%与 8.2%。

  全球 3D 打印产业区域结构占比显示,目前美国以 40.40%的比例占据 3D 打印行业的主导 地位,第二位为德国,占 22.5%的市场份额。中国在全球 3D 打印产业中占 18.6%,大约 是美国的一半。日本和英国占据全球 3D 打印市场的比例大于 5%,位居中国之后。

  上个世纪九十年代,我国的一批科研院所开启了 3D 打印研究工作,经过近三十多年的科 技攻关,中国 3D 打印产业已初具规模,产值在全球的占比也不断上升。在全球市 场的比重也不断上升,2016 年占比将近 18%。自 2015 年,在党的“加快建设制造强国,加快发展先进制造业”思想的指导下,我 国发布了一系列推动“增材制造”产业发展的政策,并且将“增材制造”纳入国家重点发 展领域。“十三五规划”为国内 3D 打印技术进一步开展指明了方向,在政策的指导和科研 人员的不断努力下,近五年来我国的 3D 打印产业发展迅猛。

  2020 年 2 月,国家标准化管理委员会联合六部门发布《增材制造标准领航行动计划 (2020-2022 年)》,提出“到 2022 年,立足国情、对接国际的增材制造新型标准体系基本 建立”。此外,为提升国际竞争水平,计划研制出 80-100 项增材制造“领航”标准,并推动国内标准国际化,转化率将达到 90%。结合国家层面政策指导以及国内近 6 年 3D 打印 产业发展态势,前瞻产业研究院预测,到 2025 年,我国 3D 打印市场规模将超过 630 亿 元,2021-2025 年复合年均增速 20%以上。

  从产业细分结构来看,根据赛迪顾问(CCID)公布的数据显示,我国的 3D 打印设备市场 规模最大,2020 年产值达到 92.54 亿元,这主要是因为设备单价高、部分依赖进口导致。由于许多工业零部件存在唯一适配性,许多公司为客户提供定制化服务,目前规模第二大 的是 3D 打印服务市场,2020 年的产值为 64.46 亿元。由于我国对 3D 打印材料研发水平 较为局限,加上 3D 打印材料整体单价相对较低,因此目前规模最小、增速最慢。在 2020 总产值为 50.59 亿元。

  2019 年,我国 3D 打印材料产业规模达 40.94 亿元,从市场细分情况来看,金属材料产业 规模为 15.56 亿元,非金属材料产业规模 25.38 亿元,分别占 38.01%与 61.99%。非金属 材料主要为塑料、陶瓷、光敏树脂等,广泛应用于消费品、医疗教育等行业。而目前,我 国工业级应用的金属粉末(钛、不锈钢等)研发较少,相关的 3D 打印技术(SLS、SLM 等)对金属粉末的形状、大小要求较为严格,金属 3D 打印制作技术与设备还较为缺乏。

  从我国 3D 打印下游市场细分情况来看,主要集中在民用消费、工业设计、航天军工三大 板块。在 2019 年,中国 3D 打印应用服务产业 结构中,工业领域应用服务产业规模达 29.23 亿元,占比达 64%,消费领域产业规模 16.44亿元,占比 36%。

  综合 3D 打印技术、产值等分析情况来看,根据波特的行业生命周期理论,我们推测目前 3D 打印处在成长初期。从产值角度看,目前行业增长率超过 20%,在中国年均增长率甚 至超过 25%,根据相关机构预测,未来五年内还将加快增长速度。从技术的角度来看, 3D 打印经历过产品新、质量差,专攻研发与技术改进的“负盈利”导入期,目前部分技 术较为成熟、销量开始攀升、市场份额不断扩大、竞争者不断涌入,符合成长期的特征。在未来还将有一段较长的成长期,最终过渡到成熟期,达到最高的产值和利润总量。

  1985 年 3D 打印之父 Hull 提交了名为“UVP INC”的专利申请(US4575330B1),这也 是大众熟知的立体光固化成型技术。1987 年,Scott Crump 发明了熔融沉积成型(FDM) 技术并申请了相关专利。从 3D 打印专利申请趋势来看,早期的年专利申请量较为稳定, 在 1985-2011 年间,年均申请量仅为 2000 件,年均复合增速 3.6%。2012 年后,随着各 大高校院所积极参与研究、3D 打印公司深入布局核心专利,3D 打印专利申请量迎来了爆 发小高潮。

  根据上个世纪美国的《专利法》,申请的专利有两种到期计算方法,从专利申请日开始计 算的 17 年后,或者从专利备案日开始的 20 年。结合时间线,可以看出许多领先的工业 3D 打印专利在 2009-2015 年已经退出霸主地位。3D 打印核心技术的释放,将大大减少 相关企业的生产成本,降低准入门槛,鼓励更多的企业参与市场竞争,激发市场活力。

  由历史可见,2009 年熔融层积成型(FDM)专利到期后,3D 打印机的销量迅速增长,售 价从数千美元跌到最低 300 美元,市场上涌现了不少中国制造的低价 3D 打印机。2014 年是专利到期的“高峰年”,3D Systems 的 3 项专利(涉及 SLA 光固化方法)、Stratasys 的 6 项专利(涉及 FDM、支撑移除和优化调整)陆续到期,全球 3D 列印制造商纷纷抢攻 这项 3D 打印技术市场。同年,Deckard 在 20 世纪 90 年代初申请的激光烧结技术(SLS) 的专利到期。2016 年 12 月选择性激光熔化技术(SLM)到期。同年 12 月,Z Corp 公司 关于“制作三维立体物体原型的方法和设备”的专利到期。

  过去 5 年内,3D 打印工艺核心专利的到期为行业带来了新的活力。伴随着旧专利逐渐退 出历史舞台,许多 3D 打印巨头在全球范围内对新专利进行紧锣密鼓的布置。Innography 平台公布的数据显示,全球综合竞争力排名前 20 的专利权人只有中国科学院是中国机构, 没有中国企业出现。而在中国区域综合竞争力排名前 100 的专利权人中,有通用电气、西 门子、Stratasys 公司等大量国外公司。这说明国外企业比较注重通过专利技术实现 3D 打 印在中国市场的全面布局。

  从 INCOPAT 平台整理数据来看,全球专利申请量最大的企业前三名分别是德国巴斯夫、 韩国 LG、美国通用。在专利申请量排名前十名中,美国企业占据一半,主要领域是航空 航天。而中国仅有西安交通大学上榜,未出现专营 3D 打印的公司。从专利价值度的分析 结果看,德国巴斯夫专利价值最高;而韩国 LG、美国通用、韩国三星、STRATASYS 公 司也有较多的高价值专利。西安交通大学的专利价值分布为中等水平,高价值专利比例不 多。

  近年来,随着行业从导入期逐渐过渡至成长初期,资源抢占、行业整合加剧。收购对象涵 盖包括服务商、软件公司、材料和设备厂商在内的 3D 打印生产链企业。

  在中国,资本主要流向金属 3D 打印技术,对微米级电板 3D 打印、生物医疗 3D 打印的 投资也比较多。在国外,化工材料巨头加大对 3D 打印复合材料的投资;此外还有一些创 新性的 3D 打印技术得到种子轮、A 轮资本支持;针对 3D 打印的生产管理、后处理等产 业配套方向,逐渐成长出优质创业公司。

  总体来说,3D 打印相关企业融资案例主要发生在美国、德国、英国、以色列等 3D 打印 技术较为成熟的国家;3D 打印公司的技术,更注重生产制造的质量和效率的提升,剑指 批量化生产;金属 3D 打印相关企业融资案例不多,但发生融资的一般金额都很大,产业 已逐步发展成熟,市场格局初具形态。

  与此同时,应用领域不断拓展,新的行业模式也在不断演进。全球各地的增材制造工厂形 态缓慢成型,从“原型制造”阶段过渡到了根据需要、可灵活的进行工业规模化批量生产 阶段。如 2016 年西门子投资 2000 多万欧元,将芬斯蓬一处学校旧址改造成了西门子工业 型燃气轮机 3D 打印研发基地和工厂,负责燃气轮机零部件的快速原型设计、快速维修和 快速生产。

  预计在成熟期,3D 产业链上的专业分工会进一步深化,专业 3D 数字化服务商、材料供 应商和专业 3D 打印企业会出现,产品设计服务会独立或向下游消费企业转移。同时还会 出现为 3D 打印产业提供支持服务的第三方检测验证、金融、电子商务、知识产权保护等 服务平台。

  起初,3D 打印问世时设计的桌面级打印机主要服务于消费领域,规模较小,增速较慢。近年来,3D 打印技术已经成为航空航天等高端设备制造及修复领域的重要技术手段,并逐 步向建筑、服装、食品等领域扩展,成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手 段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具。

  从总体情况来看,航空航天、汽车工业、医疗齿科三大领域是 3D 打印未来重点应用领域。

  3D 打印技术已成为提高航天器设计和制造能力的一项关键技术,主要应用于设计模具铸造、 功能性零部件制造、重要构件修复。近年来,由于航空航天构件对于材料的性能(如硬度、 熔点等)要求较高,国内外 3D 打印技术的研究主要集中在形状复杂的功能性金属材料(包 括金属、合金和金属基复合材料)方面。目前,航空发动机是 3D 打印重点应用领域,在 一些技术较为成熟的国家,3D 打印也开始用于导弹、无人机以及卫星的零部件。

  在模具铸造方面,由于 3D 打印技术 SLS 熔模铸造工艺无需制造蜡模压型,缩短了铸造用 熔模的准备时间,具有速度快、成本低的优势,十分适用于航空发动机复杂铸件研制阶段 所需进行的反复铸造工艺试验。普惠公司采用 3D 打印生产了超过 10 万件部件和原型件, 包括铸模、设备工具以及试验台架硬件等。普惠公司在 PW1100G 发动机的部件设计中, 采用增材制造技术极大地减少了部件的研制时间以及原材料和成本的浪费,发动机单个零 件的制造速度提高 4-8 倍,相比锻造,部分零部件最多节约 90%的材料。

  在零部件制造方面,采用 3D 打印技术能够减少大量零件的焊接组装工作,同时能实现更 复杂内部结构,提高零部件性能。GE 公司采用 3D 打印技术制作航空发动机的燃油喷射 系统,其将传统工艺的 20 片部件组装或焊接的结构制造为一个部件,这种方法得到的制 件具有接近锻造的材料性能。而且 3D 打印工艺能够避免产生变形和形成微裂纹,提高了 燃油喷射系统寿命将近4倍,重量减轻 25%,研制成本进一步降低,预计能够通过 50-100 个增材机械实现每年 40000 个喷嘴的产量,这一生产率将能够确保每月 175 台发动机交 付量。

  在修复制件方面,利用 3D 打印技术修复的航空发动机整体叶盘的高周疲劳性能优于原始 材料。通过大量基础技术研究工作,国外已经初步建立起整体叶盘的激光修复装备、技术 流程和相应数据库,推动了整体叶盘激光修复技术的工程化应用,我国的相关科研机构也 积极布局 3D 打印激光修复技术。德国弗朗恩霍夫协会与 MTU 公司合作利用激光修复技 术修复钛合金整体叶盘。北京航空制 造工程研究所采用激光修复技术修复了某钛合金整体叶轮的加工超差,并成功通过了试车 考核。

  在航天领域,欧洲航天局(ESA)和瑞士 SWISS to 12 公司开发出专门为未来空间卫星设计 的首个 3D 打印双反射面天线D 打印,不仅显著增加天线的 精度,还可降低成本,缩短交付时间,增加射频设计的灵活性,最重要的是减轻部件质量。美国航空喷气发动机洛克达因公司(AerojetRocketdyne)完成首批“猎户座”载人飞船 12 个喷管扩张段的 3D 打印任务,使为期 3 周的制造时间比传统制造工艺技术缩短了约 40%。

  汽车零部件:3D 打印可以制造很多传统工艺无法实现的复杂结构零件,例如点阵结构、 一体化结构、异形拓扑优化结构等,这些复杂结构不仅降低零件的质量,还能发挥其他功 能性的作用。美国加利福尼亚州的 FIT 公司通过选择性激光熔化 3D 打印技术制造充满点 阵结构的仿生发动机气缸盖,该气缸盖质量减少了 66%,表面面积从 823 平方厘米增加 到 6052 平方厘米 ,显著提高了气缸盖的冷却性能,从而改善了赛车的发动机性能。法拉 利 668 赛车应用了 3D 打印的钢合金活塞,该零件内部添加了复杂的点阵结构,不仅可以 减少材料的使用,减轻零件质量,又可以保证高冲击区域的强度,使发动机实现更充分地 燃烧。

  内外饰应用:汽车外形和内饰风格与消费者的购买决策是息息相关的,3D 打印技术的应 用,可以为汽车提供更舒适的环境或更个性的造型。法国标致曾有一款 Fractal 的纯电动 概念车,该车的内饰件表面具有凹凸不平的结构,这些结构是将白色尼龙粉末通过选择性 激光烧结 3D 打印方式制成,这种内饰不仅可以减少声波和噪声水平,而且会使声波从一 个表面反射到另一个表面,从而实现对声音环境的调整。

  宝马 Mini 已经开始将 3D 打印运用到了汽车内饰的定制上,客户可以在侧舷窗以及内饰板 两个零件上,充分发挥自己的创意,将彰显个性的签名,图案、颜色整合到零件的设计中, 然后采用 3D 打印制造出来。

  整车制造:3D 打印不仅可以直接制造汽车零部件,甚至可以颠覆传统的整车设计理念和 制造方式,用于整车制造。Blade 跑车是一款颠覆传统设计的全新跑车,它的底盘和支撑 结构是通过将 3D 打印的铝合金节点与现成的碳纤维管材连接而成,整个装配过程像搭建 积木一样。汽车底盘大约由 70 个 3D 打印的铝节点组成,这种结构不仅质量减轻 90%, 并且可以经受住五星级碰撞,承受得了在公路上的颠簸。

  人体组织主要由自组装聚合物(蛋白质)和骨矿物质组成,金属以微量元素的形式存在,具 有分子尺度的功能。金属生物材料是人类应用最早也是目前使用最多的医用生物材料之一, 目前临床使用的金属生物材料包括不锈钢、钴铬合金(Co-Cr 合金)、钛(Ti)等不可降解金属 及镁(Mg)、铁(Fe)、锌(Zn)等可降解金属。近年来随着 3D 打印技术的进步和 3D 打印材料 的发展,有学者提出利用 3D 打印技术克服传统制作工艺缺陷,这在一定程度上促进了外 科手术规划和外科金属植入物的进步。目前已有大量体内外实验证实 3D 打印金属基生物 材料在实践应用中的可行性,为推进个性化医学提供了前所未有的可能性。目前,3D 打 印金属基生物材料主要用于口腔科、组织修复、骨科植入及心血管设备的应用。

  齿科:随着生活水平的提升,大众对于自身外观的重视度不断提升,加之三维影像和光学 扫描仪设备的研发以及 SLA、DLP 技术的成熟,3D 打印在口腔数字化加工、个性化定制、 特别是数字化种植导板,通过口扫、设计、3D 打印,来实现真正的精准种植和精准医疗, 减少了患者的等待时间,提高了患者的舒适度,降低了手术风险,给患者带去更快捷安全 的体验。3D 打印目前主要用于口腔正畸、口腔修复、口腔种植。

  Technavio 公司《2019-2023 年全球牙科 3D 打印设备市场》指出,2019 年至 2023 年, 全球牙科 3D 打印设备市场将增长至 6.67 亿美元。据国家统计局《第三次全国口腔流行病 抽样调查结果》显示,全国有 94%的人口存在某种形式的牙齿问题,85%的人口患有牙周 病,在 35-45 岁的人群当中仅有 14.5%的人口拥有健康的牙周组织,30%-50%的人口存 在牙齿咬合问题。由此可见,中国齿科产品市场前景非常广阔,预计隐形矫正市场将迎来 爆发式增长。

  2017 年联泰科技正式成立口腔应用事业部,投入了一千多万元的研发资金,从硬件、软 件、材料三大维度投入,研发出专业用于口腔齿科 EvoDent 系列数字化牙科专用的 3D 打 印设备,为深挖口腔应用进一步助力。目前,联泰科技 SLA 技术的隐形正畸市场已经占 据 30%以上市场应用份额,DLP 技术也占到市场的近 20%。

  辅助治疗及解剖模型:中山大学的学者通过计算机断层扫描患者骨盆三维模型,并运用 3D 打印技术构建 3D 物理模型,为继发于髋关节发育不良(DDH)患者实施全髋关节置 换术(THA),模型的使用让手术有更好的计划从而简化了外科手术过程,组件在术前计 划和手术中使用的实际大小之间的一致性较高。

  支架与假体:因为钛表面有致密的氧化钛(TiO2)保护膜,具有高强度重量比,非磁性和 高耐腐蚀性的优点,通常永久性骨组织假体采用金属钛或其他材料,并在表面附加凝胶材 质涂层,增强生物相容性,促进植入物假体周围的细胞生长并降低钛或其他永久性材料可 能造成的炎症和感染风险。Winder 等将 3D CT 成像和 3D 打印技术相结合,通过制作出 患者头骨模型得到定制钛板,实现对患者颅骨缺损部分进行修复。

  生物 3D 打印:生物 3D 打印是利用快速成型技术(RP)将生物材料和生物单元按仿生形态 学、生物体功能、细胞生长微环境等要求,使得细胞单个或串联打印,一层一层,直接创 建三维组织或器官的制造方法,细胞直接打印是对组织工程的一种延伸,相比于支架,生 物打印可以在支架不同位置实现不同种类、不同密度的细胞沉积,直接对组织或器官进行 打印。人造血管具有较好的灌注能力和很高的渗透性,可以使介质沿径向扩散,类似于天 然血管。