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中國3D打印5大應用前景分析_0

未知 2019-06-16 14:08

  3D打印起源于美國,最初由查爾斯胡爾(Charles W. Hull)于1986年開發出光固化技術(SLA),并成立3D Systems公司。此后,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Wohlers Associates統計,過去25年(1988-2012)3D打印產品和服務的收入復合年增長率為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%。

  未來預計3D市場將保持快速增長的勢頭,Wohlers Associates預計3D市場的規模將在2017年達50億美元,2021年達108億美元。

  世界范圍內,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制造,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%。如果將2012年被美國Stratasys收購的以色列Objet計入美國,美國所占的市場份額就更大了。此外,美國還是擁有3D打印設備保有量最多的國家,據《沃勒斯報告2013》,世界38%的專業工業級3D打印機在美國,中國占到8.7%,此外日本和德國占比也比較大,分別占到9.7%和9.4%。

  中國區市場規模目前偏小,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打印技術產業聯盟秘書長、亞洲制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目前的約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里沃勒斯在會上說,他也看好中國的3D打印市場潛力,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年發布全球3D打印產業報告,被視為全球3D打印行業的風向標。根據最新報告,2013年全球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,但隨后增速逐步趨于平緩;21世紀的前十年(2000-2009年),全球3D打印行業的年均復合增長率僅為7.76%,互聯網泡沫后的2001-2002年,以及金融危機后的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打印技術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。

  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(3D Systems和Stratasys)的收入增速在2010年之后均出現了明顯提高。

  據Wohlers Associates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。聯合國世界知識產權組織負責人格里則表示,2010年以來的高增長將得以延續,2015年全球3D打印行業總產值有望達到37億美元,年均增速28%以上。

  中國3D打印產業潛力巨大,2015年有望達到百億市場規模

  中國的3D打印技術盡管在某些特定領域(如大型鈦合金結構件激光快速成型)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制造,而中國制造的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,德國和日本也分別占有近10%的份額,而中國的占比仍不足9%。

  中國的3D打印產業尚處于發展的初級階段,仍存在部分核心技術與材料依賴進口、產業資源小而散、產業化程度不高等問題。但作為全球制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,其增長潛力都得到了國內外專家與企業界的一致認可。英國增材制造聯盟主席Graham Tromas表示,3至5年內中國有潛力成為世界最大的3D打印市場。中國3D打印技術產業聯盟秘書長羅軍最近也在2013世界3D打印技術產業大會上表示,中國有潛力成為全球最大的3D打印市場,未來3-5年有望以每年至少一倍的速度增長,2015年中國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打印在制造自由度、原材料利用率等方面具有明顯優勢,尤其適用于小批量、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,直接零部件制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WohlersAssociates統計,3D打印技術的行業應用主要分布于消費電子、汽車、醫療、航空航天、建筑、科研等領域;而從具體應用環節來看,3D打印技術目前主要用于設計樣品、展示模型及模具的制造,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。

  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(尤其是修復性醫學領域)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打印技術的優勢所在。目前,3D打印技術在助聽器材制造、牙齒矯正與修復、假肢制造等領域已經得到了成功應用且已經比較成熟。利用3D打印制造出的牙橋等制品更加精確精細,相比傳統制造方式也更加方便快捷。同樣,利用3D打印技術可以很好的實現對剩余肢體的復制,制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打印技術還可用于了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打印的復制品了解患者器官內部結構(如血管方向及腫瘤位置),還能夠在這些復制品上進行模擬手術。目前,Stratasys和3DSystems已經能夠提供復制人體器官模型的設備,通過CT掃描等醫學圖像,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技術打印骨架,再在骨架上培養干細胞,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于移植;最具想象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,其中干細胞夾雜在高分子材料里面,能夠逐漸轉換成人體細胞。目前,生物打印仍處于試驗階段,其應用障礙不僅在于技術領域,還涉及道德問題、監管程序等方面。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、航空航天是3D打印最具前景的應用領域之一,中國的鈦合金激光快速成型技術國際領先

  航空航天設備制造是3D打印最具前景的應用領域之一,原因主要在于:第一,航空航天設備往往具有多品種、小批量的特點,尤其在試制階段許多零部件都需要單件定制,若采取傳統工藝則周期長、成本高,3D打印則可以實現低成本快速成型;第二,出于減重與強度要求,航空航天設備中復雜結構件或大型異構件的比例越來越高,若采用傳統的鍛造+機加工方式,則所需工序繁多、工藝復雜,甚至根本無法直接加工,而3D打印在復雜部件加工方面具有明顯優勢;第三,采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打印的增量制造方式可將原材料利用率提高至90%以上。

  波音公司是率先將3D打印技術用于飛機設計和制造的國際航空制造企業,已累計利用3D打印技術生產了300多個不同的小型零部件。GE航空2012年收購了專門開發激光燒結金屬粉末技術的MorrisTechnologies公司,用來為其Leap系列發動機制造組件。普惠公司也投入數百萬聯合康涅狄格大學成立了增量制造中心。美國國家航天航空局(NASA)正在使用3D打印機生產航天器的引擎部件,并計劃將打印設備發射到國際空間站,以期宇航員能夠自給自足,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。

  我國的大型鈦合金結構件激光成形技術具有國際領先水平,是目前世界上唯一掌握了飛機鈦合金大型主承力結構件激光快速成型技術并實現裝機應用的國家。北航王華明教授憑借飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成型技術獲得了2012年度國家技術發明一等獎,據稱其實驗室只需要55天就能打印出C919機頭的四個主風擋窗框,而若向國外公司訂購至少需要兩年以上,且模具費就要上千萬元。西北工業大學凝固技術國家重點實驗室也是我國3D打印技術研發最出色的單位之一,其激光立體成形技術已經成功的用于C919中央翼緣條的制造。另據媒體報道,在艦載機、四代機等新型軍用飛機的研制過程中,3D打印技術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制任務。

  4、在消費電子與汽車行業,3D打印技術主要用于設計原型制造及模具開發

  從全球范圍來看,消費電子與汽車行業是3D打印技術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打印技術在上述兩個行業的應用主要集中于設計原型制造及生產過程中的模具加工。借助3D打印技術輔助設計和測試,可以大幅縮短新產品研發周期、降低試制與試驗成本。比如:Nokia曾借助3D打印技術完成手機外殼和結構件的設計和樣件制造;通用汽車已經用3D打印技術打印出應用于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打印技術應用于新車研發過程當中。

  在產品制造環節,由于消費電子和汽車行業均具有標準化、大規模生產的特點,3D打印技術在直接零部件制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制造模式。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。

  5、在建筑與服裝行業,3D打印可以實現復雜結構、極大的拓展設計師的想象空間

  在建筑領域,3D打印技術最初主要用于設計模型的制造,但近來已經有多位建筑師提出了3D打印實體建筑的構想。荷蘭阿姆斯特丹建筑大學的設計師JanjaapRuijssenaars設計的3D打印建筑物LandscapeHouse特別模擬了莫比烏斯環,計劃利用3D打印機逐塊打印出來,每塊的尺寸為69米,然后拼接成一個整體建筑,預計需要耗時一年半完成。倫敦的建筑設計工作室SoftkillDesign的3D打印建筑方案更具沖擊力,該建筑完全拋棄了傳統的固體墻,而是采用以骨骼為基礎的纖維尼龍結構,組件由激光燒結生物塑料制成。

  服裝制造方面,3D打印可以加工出傳統工藝難以完成的復雜款式,極大的拓展的設計師的想象空間。2011年巴黎春夏時裝展上,荷蘭時尚設計師Irisvan Herpen發布了他直接用3D打印機制作的立體服裝,這些超太空感的服裝由錦綸打印而成。耐克和阿迪達斯均已經開始用3D打印機制造一些運動鞋功能部件,也有直接制造運動服的打算。

  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:一是數字化設計+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;二是隨著技術的發展,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。

  目前,個人3D打印設備的應用主要在于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;基于3D打印技術的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年的時間里(自2007年成立到2012年7月)已經注冊了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、設計或材料。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。克里斯安德森所說的創客時代正在一步步走進現實。

  所有重大科技都是短期內被高估,長期被低估

  隨著技術的不斷進步,3D打印已經成功應用于消費電子、汽車、醫療、航空航天等行業,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打印技術的期待并不止如此。2012年4月,《經濟學人》雜志以大量篇幅刊登了關于數字化制造和3D打印的文章,并將其定位成引領第三次工業革命的關鍵技術。奧巴馬在國情咨文中也將3D打印作為重振美國制造業的關鍵技術提高到了國家戰略的高度。

  最近一年多以來,國內實業界和資本市場對于3D打印的熱情急劇升溫。政府部門對3D打印的政策支持力度也在加大,科技部最新公布的《國家高技術研究發展計劃(863計劃)以及國家科技支撐計劃制造領域2014年度備選項目征集指南》,首次將3D打印產業納入其中。甚至有專家認為,3D打印作為一項顛覆性的制造技術,誰能夠最大程度的研發、應用,誰就能掌握制造業乃至工業發展的主動權。

  3D打印技術在短期之內被炒得如此之熱,或許并不利于3D打印行業的長期發展,多位業內專家均表達了類似擔憂。克里斯安德森(《連線》雜志前主編,3D Robotics和DIY Drones的聯合創始人,《長尾理論》、《免費:商業的未來》及《創客:新工業革命》的作者)曾經說過:所有重大科技都是短期內被高估,長期被低估。3D打印技術當前的處境也是如此。

  客觀而言,3D打印技術盡管潛力巨大,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、材料等方面仍存在明顯不足。3D打印技術的優勢仍主要體現在小批量、定制化、結構復雜的產品制造領域。因此,在未來相當長的時期內,3D打印對于傳統制造工藝而言,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升教授等國內3D打印專家都表示,目前還看不到3D打印取代傳統制造工藝的可能。

  當然,如果放在足夠長的時間內考慮,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年的晶體管也是如此。我們仍然無法預測,3D打印機將在漫長的時光里將如何改變世界。

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