3D打印專題研究系列報告之一3D打印概覽：崛起中的智能制造方式
時間：2016-03-24 11:36 來源：南極熊 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
研究背景及目的
3D打印又被稱為增材制造，是一種新型的制造方式，始于上世紀 80年代，經(jīng)過 30多年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，被廣泛應用于航天、軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域，同時也被應用于與我們生活息息相關(guān)的文化創(chuàng)意領(lǐng)域。2015年 2月，工信部、發(fā)改委和財政部聯(lián)合發(fā)布《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》；8月份，李克強總理主持國務院先進制造與 3D打印專題講座，聽取了相關(guān)專家對于 3D打印的介紹。我們相信未來將會有更多的扶持政策出臺以支持國內(nèi) 3D打印的發(fā)展，該行業(yè)有望涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀的企業(yè)。從市場表現(xiàn)看，未來幾年，全球 3D打印市場規(guī)模年均增速有望繼續(xù)保持在 30%以上，國內(nèi)則超過 40%，相關(guān)優(yōu)質(zhì)企業(yè)業(yè)績增速則遠高于行業(yè)平均水平。
為了能夠讓市場對 3D打印有更加直觀的認識，同時也為了實現(xiàn)資本和產(chǎn)業(yè)的良好結(jié)合，華融證券近期對 3D打印進行了深度梳理，實地走訪了 40多家國內(nèi)優(yōu)質(zhì) 3D打印企業(yè)，足跡遍布全國 20多個城市，行程數(shù)萬公里，在與相關(guān)企業(yè)建立良好聯(lián)系的同時，收集整理了大量一手資料我們希望通過這些研究，能夠使市場更加了解這個具有朝氣的行業(yè)，同時也希望能夠借助資本的力量助推我國 3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為我國向制造業(yè)強國邁進貢獻一份力量。
我們后續(xù)還將發(fā)布一系列 3D打印相關(guān)研究報告，涵蓋技術(shù)、應用、市場、競爭格局、未來發(fā)展趨勢及重點公司研究等內(nèi)容，敬請期待。同時也希望各方提出寶貴意見。
目錄
一、3D打印介紹 .......................................................................................................................................................................... 4
1、技術(shù)原理 ......................................................................................................................................................................... 4
2、技術(shù)類別 ......................................................................................................................................................................... 5
二、3D打印發(fā)展歷程 .................................................................................................................................................................. 6
1、早期階段（1984年以前） ............................................................................................................................................. 6
2、發(fā)展階段（1984-2006） ................................................................................................................................................ 6
3、成長階段（2007至今） ................................................................................................................................................. 6
三、3D打印產(chǎn)業(yè)鏈 ...................................................................................................................................................................... 9
1、全球 ................................................................................................................................................................................. 9
2、中國 ................................................................................................................................................................................. 9
3、行業(yè)整合路徑................................................................................................................................................................ 10
[size=12.0000pt]圖表目錄
圖表 1: 傳統(tǒng)打印與 3D打印對比 ............................................................................................................................................... 4
圖表 2: 3D打印流程圖 ................................................................................................................................................................. 5
圖表 3：3D打印技術(shù)類別 ........................................................................................................................................................... 5
圖表 4: 3D打印行業(yè)發(fā)展歷程表（1984-2014） ....................................................................................................................... 7
圖表 5：全球 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈 ...................................................................................................................................................... 9
圖表 6：中國 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈 .................................................................................................................................................... 10
圖表 7: 2014年全球工業(yè)級廠商市場份額 ................................................................................................................................ 10
圖表 8：3D SYSTEMS和 STRATASYS的整合路徑 ............................................................................................................. 11
圖表 9：先臨三維 3D打印生態(tài)圈 ............................................................................................................................................ 11
一、3D打印介紹
1、技術(shù)原理
3D打印學名增材制造或者快速成型，是一種集合了機械、電子、軟件、材料等多個學科的制造技術(shù)。增材制造，顧名思義，就是增加材料，以從無到有的方式制造物件到建筑行業(yè)的混凝土澆灌，小到蛋糕行業(yè)的奶油裱花工藝，都可以看作是增材制造。美國材料與測試協(xié)會增材制造技術(shù)委員會（ASTM F42）對增材制造的定義是：一種與減材制造相反，根據(jù)三維數(shù)據(jù)把材料集中一體的生產(chǎn)過程。按照這一權(quán)威定義，增材制造必須由數(shù)據(jù)驅(qū)動。3D打印其實和傳統(tǒng)打印機類似，都是由數(shù)據(jù)驅(qū)動硬件完成打印，且都集合了軟件、機械、電子多個學科。但兩者在打印材料和原理上存在極大的差異。3D打印材料可以分為金屬和非金屬兩大類，形態(tài)包括固態(tài)、液態(tài)、粉末等。每一類材料對應一種或多種打印原理。因此，3D打印在復雜程度上遠超傳統(tǒng)打印。
3D打印流程一般包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理，打印和后處理四個步驟。前兩個步驟主要涉及軟件和光學成像技術(shù)，第三個步驟涉及材料、機械和電子。前三個步驟相輔相成，任何一個環(huán)節(jié)存在問題都會影響打印的最終結(jié)果。后處理步驟更多是采用傳統(tǒng)加工方式改善打印物品的外觀和特性。由于打印步驟所涉及的技術(shù)和領(lǐng)域最廣泛，行業(yè)內(nèi)的關(guān)注點普遍集中在打印步驟。3D打印的核心技術(shù)大多也圍繞著這一步驟發(fā)展。
2、技術(shù)類別
3D打印技術(shù)發(fā)展至今，在最初的基礎(chǔ)上已經(jīng)衍生出幾十種打印技術(shù)。ASTM F42增材制造技術(shù)委員會在其發(fā)布的《增材制造技術(shù)標準術(shù)語》（ASTMF2792-12a）把打印原理分為七大類，主流的技術(shù)都可以歸入這七類原理。
二、3D打印發(fā)展歷程
1、早期階段（1984年以前）
3D打印技術(shù)的起源可以追溯到 19世紀中期。攝影技術(shù)發(fā)明后不久，發(fā)明家開始嘗試如何將二維圖像轉(zhuǎn)化為三維圖像。 1860年，法國人 FrançoisWillème首次設計出一種多角度成像的方法獲取物體的三維圖像。 1892年，Joseph Blanther發(fā)明了用蠟板層疊的方法制作等高線地形圖的技術(shù)。1904年，Carlo Baese注冊了一項用感光材料制作塑料件的專利。20世紀 60年代，美國巴特爾紀念研究所（Battelle Memorial Institute）開展了一系列的實驗，試圖用不同波長的激光束固化光敏樹脂，其原理已經(jīng)非常接近后期的光固化成型技術(shù)。但由于受到計算機、激光、材料等領(lǐng)域的技術(shù)限制， 3D打印遲遲沒有實質(zhì)性的發(fā)展。1870至 1984年之間，在美國注冊的相關(guān)的技術(shù)專利不到 20項。
2、發(fā)展階段（1984-2006）
1984至1989年的五年時間里，3D打印最核心的4個專利技術(shù)SLA、SLS、FDM、3DP相繼問世，專利技術(shù)數(shù)量較 1984年以前大幅增加，行業(yè)由此步入了初始發(fā)展期。3D Systems、Stratasys、EOS等企業(yè)成立，開啟了 3D打印商業(yè)化時代。同一時期的中國，以清華大學、華中科技大學、西安交通大學等高校為代表的研究團隊開始研究 3D印，并研制出少量快速成型的樣機。這些最早接觸 3D打印的高校研究力量形成了如今國內(nèi) 3D打印的“五大流派”。3D打印在 1996至 2006的十年間經(jīng)歷了快速發(fā)展， LENS、DLP等新技出現(xiàn)，專注特定領(lǐng)域的新進公司涌現(xiàn)，如：Objet（Polyjet技術(shù)）、Z Corp.（3DP技術(shù)）、Arcam（EBM技術(shù)）、Envisiontec（DLP技術(shù)）等。工業(yè)級設備的成型速度、尺寸和工作溫度大幅提升，售價維持在較高水平。較為成熟的SLA和 SLS技術(shù)開始應用于汽車、齒科、航空等行業(yè)。在中國，這一時期 3D打印的技研發(fā)仍以高校為主。一些高校企業(yè)嘗試產(chǎn)業(yè)化，但由于國內(nèi)對3D打印缺乏認知度，產(chǎn)業(yè)化的進程緩慢。但 3D打印已經(jīng)開始應用于泵閥、珠寶設計等領(lǐng)域。這一時期國內(nèi)出現(xiàn)了市場化的企業(yè)，如上海聯(lián)泰三維、北京太爾時代等。
3、成長階段（2007至今）
2007年開始，行業(yè)進入快速成長階段。RepRap和 Fab@Home開源項目的出現(xiàn)和 FDM專利到期等因素，推動了桌面級 3D打印市場快速發(fā)展。在線打印服務這一新的商業(yè)模式出現(xiàn)。老牌設備廠商開始考慮新的增長點，重視打印服務，并購同行業(yè)公司。2013年美國總統(tǒng)奧巴馬的國情咨文演講把 3D打印推向新的高潮。此后兩年多時間里，3D打印上市公司的股價經(jīng)歷了過山車行情。相比國外的熱鬧景象，國內(nèi)對 3D打印的關(guān)注度直到 2013年才開始顯著提升。此前工業(yè)級 3D打印行業(yè)一直不溫不火。2013年 5月，科技部公布《國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)、國家科技支撐計劃制造領(lǐng)域 2014年度備選項目征集指南》，3D打印產(chǎn)業(yè)首次入選。2014年，桌面級 3D打印機熱潮傳導至國內(nèi)，短短一年內(nèi)涌現(xiàn)出上百家廠商。而在此之前只有北京太爾時代和杭州銘展等少數(shù)幾家以出口為主的廠商。3D打印也吸引了資本市場的關(guān)注，先臨三維等企業(yè)登陸資本市場。2015年 2月，工信部、發(fā)改委及財政部聯(lián)合發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃（2015~2016年）》，首次將增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展上升到國家戰(zhàn)略層面。
三、3D打印產(chǎn)業(yè)鏈
1、全球
3D打印經(jīng)過 30年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)都聚集了一批領(lǐng)先企業(yè)。上游涵蓋了掃描設備、逆向工程軟件、在線社區(qū)、CAD軟件、數(shù)據(jù)修復和材料，解決了 3D打印的數(shù)據(jù)和材料來源；中游以設備企業(yè)為主，這些企業(yè)大多都提供材料和打印服務業(yè)務，在整個產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)主導地位；下游打印服務是行業(yè)發(fā)展到一定階段才出現(xiàn)的商業(yè)模式，該環(huán)節(jié)介于中游和下游之間，負責銜接 3D打印與下游行業(yè)應用。從專業(yè)級別劃分來看，企業(yè)大多數(shù)集中在工業(yè)級領(lǐng)域。
2、中國
國內(nèi) 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈中也是由中游設備企業(yè)占據(jù)主導地位。相比之下，中國 3D打印產(chǎn)業(yè)鏈上游掃描設備和 CAD軟件環(huán)節(jié)力量薄弱，逆向工程軟件和數(shù)據(jù)修復領(lǐng)域空白。之所以形成這種局面一方面是由于國內(nèi)企業(yè)進入這些行業(yè)較晚，另一方面國內(nèi)在知識產(chǎn)權(quán)保護方面和國外存在差距。國外廠商大多專注細分領(lǐng)域，通過長期的積累和投入形成了獨有的技術(shù)優(yōu)勢，能夠牢牢把握所處的環(huán)節(jié)。而國內(nèi)廠商在細分領(lǐng)域的關(guān)注度普遍不夠，時間積累也相對較短。要想在這些領(lǐng)域有所突破，單靠研發(fā)難度較大，采用整合的方式可以在短期內(nèi)彌補短板。
3、行業(yè)整合路徑
3D打印的核心專利大多被設備廠商掌握，因此在整個產(chǎn)業(yè)鏈中設備廠商占據(jù)主導地位。其中美國的 Stratasys和 3D Systems市場份額排名居前。Stratasys公司的創(chuàng)始人是 FDM熔融沉積技術(shù)的發(fā)明人，公司掌握了三項核心技術(shù)。3D Systems的創(chuàng)始人 Hull發(fā)明了 SLA光固化成型技術(shù)，奠定了公司在3D打印和數(shù)字制造領(lǐng)域的龍頭地位。
隨著專利陸續(xù)到期，設備廠商的地位必然會受到?jīng)_擊。近年來， 3D打印行業(yè)整合加劇，其中以 3D Systems和 Stratasys的整合路徑最具代表性。3DSystems采取上下游并購路徑，并購對象包括服務商、軟件公司、材料和設備廠商。 Stratasys的整合路徑以橫向整合為主，如與 Objet的合并和收購MakerBot。通過一系列的整合，設備企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合方案提供商，加強了對產(chǎn)業(yè)鏈的整體掌控能力。與此同時，國內(nèi)以先臨三維為代表的企業(yè)也開始了行業(yè)整合之路。
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