中国3D打印5大应用前景分析_0

作者: admin 分类: 随心杂谈 发布时间: 2019-06-09 14:04

  3D打印起源于美国,最初由查尔斯胡尔(Charles W. Hull)于1986年开发出光固化技术(SLA),并成立3D Systems公司。此后,经过二十多年的发展,技术日臻完善,3D打印有关的产品和服务销售额也不断上升。据Wohlers Associates统计,过去25年(1988-2012)3D打印产品和服务的收入复合年增长率为25.4%,2013年销售额达到28.43美元,相较2012年22,04亿美元的规模增长了29%。

  未来预计3D市场将保持快速增长的势头,Wohlers Associates预计3D市场的规模将在2017年达50亿美元,2021年达108亿美元。

  世界范围内,生产和购买3D打印机最多的国家均是美国,中国所占的份额还很小。有近四分之三十美国制造,以色列和欧洲各国的份额分别占到9.3%和10.2%,而中国3D打印设备仅占到3.6%。如果将2012年被美国Stratasys收购的以色列Objet计入美国,美国所占的市场份额就更大了。此外,美国还是拥有3D打印设备保有量最多的国家,据《沃勒斯报告2013》,世界38%的专业工业级3D打印机在美国,中国占到8.7%,此外日本和德国占比也比较大,分别占到9.7%和9.4%。

  中国区市场规模目前偏小,但发展速度最快

  2013年全球3D打印的市场规模为28.43亿美元,但中国3D打印市场规模只有14亿元人民币。不过,中国有望在近年跃升为全球最大的3D打印市场。

  中国3D打印技术产业联盟秘书长、亚洲制造业协会首席执行官罗军预测,中国的3D打印市场约在三年内会从目前的约14亿元人民币增长到100亿元。

  全球3D打印产业的权威研究机构美国沃勒斯公司总裁特里沃勒斯在会上说,他也看好中国的3D打印市场潜力,但认为中国成为全球相关最大市场可能需要更长时间。该公司已经连续18年发布全球3D打印产业报告,被视为全球3D打印行业的风向标。根据最新报告,2013年全球3D打印设备和服务整体市场为28亿美元,其中,美国约占60%,德国、日本、中国等各约占10%。

  全球3D打印行业未来5-10年仍将保持年均20%以上的增长

  2013年,全球3D打印行业总产值约为28亿美元,同比增长29%。回顾历史,3D打印行业在上世纪90年代初曾经出现过每年40%以上的高速增长,但随后增速逐步趋于平缓;21世纪的前十年(2000-2009年),全球3D打印行业的年均复合增长率仅为7.76%,互联网泡沫后的2001-2002年,以及金融危机后的2009年,3D打印行业甚至出现了负增长;但是从2010年开始,随着3D打印技术的进步以及个人需求的爆发,3D打印行业再次进入快速成长期。

  最近三年,3D打印行业增速的加快在公司层面也得到了印证,全球3D打印行业龙头公司(3D Systems和Stratasys)的收入增速在2010年之后均出现了明显提高。

  据Wohlers Associates预测,未来5-10年,3D打印行业仍将以年均20%以上的速度增长,至2021年全行业实现产值将达到108亿美元。联合国世界知识产权组织负责人格里则表示,2010年以来的高增长将得以延续,2015年全球3D打印行业总产值有望达到37亿美元,年均增速28%以上。

  中国3D打印产业潜力巨大,2015年有望达到百亿市场规模

  中国的3D打印技术尽管在某些特定领域(如大型钛合金结构件激光快速成型)取得了国际领先地位,但整体而言和美国仍有较大差距。从3D打印设备的生产数量来看,全球累计销售的3D打印机,其中近四分之三为美国制造,而中国制造的3D打印设备仅占3.6%;从3D打印设备的保有量来看,美国仍以将近40%的占比遥遥领先,德国和日本也分别占有近10%的份额,而中国的占比仍不足9%。

  中国的3D打印产业尚处于发展的初级阶段,仍存在部分核心技术与材料依赖进口、产业资源小而散、产业化程度不高等问题。但作为全球制造业第一大国和人口第一大国,不论是工业应用还是个人消费,其增长潜力都得到了国内外专家与企业界的一致认可。英国增材制造联盟主席Graham Tromas表示,3至5年内中国有潜力成为世界最大的3D打印市场。中国3D打印技术产业联盟秘书长罗军最近也在2013世界3D打印技术产业大会上表示,中国有潜力成为全球最大的3D打印市场,未来3-5年有望以每年至少一倍的速度增长,2015年中国3D打印产业的市场规模将达到100亿元左右。

  3D打印:应用领域拓展消费需求爆发

  1、工业应用领域不断拓展,个人消费需求开始爆发

  3D打印在制造自由度、原材料利用率等方面具有明显优势,尤其适用于小批量、定制化的加工制造。近年来,3D打印在工业应用和个人消费两个市场均取得了长足发展:工业应用的下游行业不断拓展,直接零部件制造的占比也逐年提高;个人消费市场虽起步较晚,但近年来呈现快速爆发趋势。

  据WohlersAssociates统计,3D打印技术的行业应用主要分布于消费电子、汽车、医疗、航空航天、建筑、科研等领域;而从具体应用环节来看,3D打印技术目前主要用于设计样品、展示模型及模具的制造,但直接零部件加工的占比从2003年的不足4%已快速上升到了2013年的29%左右。

  2、医疗器械的定制化需求恰是3D打印的优势所在,生物打印令人憧憬

  医疗行业(尤其是修复性医学领域)存在大量的定制化需求,难以进行标准化、大批量生产,而这恰是3D打印技术的优势所在。目前,3D打印技术在助听器材制造、牙齿矫正与修复、假肢制造等领域已经得到了成功应用且已经比较成熟。利用3D打印制造出的牙桥等制品更加精确精细,相比传统制造方式也更加方便快捷。同样,利用3D打印技术可以很好的实现对剩余肢体的复制,制造出的假肢也更加符合人体工学,在欧洲使用3D打印的钛合金骨骼的患者已经超过3万例,美国一家医院甚至用3D打印出的头骨替换了患者高达75%的受损骨骼。

  除了上述医学修复领域,3D打印技术还可用于了解患者病情以及辅助医患交流。比如:3D打印机可以打印出患者的立体骨骼模型,医生可以通过骨骼模型探讨治疗过程,与患者沟通手术方案;医务人员还可以通过3D打印的复制品了解患者器官内部结构(如血管方向及肿瘤位置),还能够在这些复制品上进行模拟手术。目前,Stratasys和3DSystems已经能够提供复制人体器官模型的设备,通过CT扫描等医学图像,直接打印出患者器官的模型,这些模型不仅外观逼真,还像器官一样湿润带有纹理。

  3D打印的模型或无生命假肢仅仅是一个开始,最令人憧憬的应用则是直接打印具有活性的组织器官,即所谓生物打印。现有的想法包括:利用3D技术打印骨架,再在骨架上培养干细胞,诱导其形成组织;更进一步的方法是直接打印出组织器官用于移植;最具想象力的方案则是在人体内直接打印活性组织或活性器官,连植入的过程都可以省掉。

  Organovo公司已经在生物打印领域取得了一些突破,成功打印出了心肌组织、肺脏、血管等;美国康奈尔大学的生物学家巴切尔利用生物高分子材料打印出能正常工作的心脏瓣膜,其中干细胞夹杂在高分子材料里面,能够逐渐转换成人体细胞。目前,生物打印仍处于试验阶段,其应用障碍不仅在于技术领域,还涉及道德问题、监管程序等方面。不过,随着生物科技的发展、以及配套制度的完善,3D打印的人体器官将逐步走进现实应用当中。

  3、航空航天是3D打印最具前景的应用领域之一,中国的钛合金激光快速成型技术国际领先

  航空航天设备制造是3D打印最具前景的应用领域之一,原因主要在于:第一,航空航天设备往往具有多品种、小批量的特点,尤其在试制阶段许多零部件都需要单件定制,若采取传统工艺则周期长、成本高,3D打印则可以实现低成本快速成型;第二,出于减重与强度要求,航空航天设备中复杂结构件或大型异构件的比例越来越高,若采用传统的锻造+机加工方式,则所需工序繁多、工艺复杂,甚至根本无法直接加工,而3D打印在复杂部件加工方面具有明显优势;第三,采用传统工艺加工飞机零部件的原材料利用率只有10%左右,其他部分都在铸模、锻造、切割和打磨过程中浪费了,而3D打印的增量制造方式可将原材料利用率提高至90%以上。

  波音公司是率先将3D打印技术用于飞机设计和制造的国际航空制造企业,已累计利用3D打印技术生产了300多个不同的小型零部件。GE航空2012年收购了专门开发激光烧结金属粉末技术的MorrisTechnologies公司,用来为其Leap系列发动机制造组件。普惠公司也投入数百万联合康涅狄格大学成立了增量制造中心。美国国家航天航空局(NASA)正在使用3D打印机生产航天器的引擎部件,并计划将打印设备发射到国际空间站,以期宇航员能够自给自足,利用空间站上的原料直接生产所需品,改变完全依赖地面供给的补给模式。

  我国的大型钛合金结构件激光成形技术具有国际领先水平,是目前世界上唯一掌握了飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成型技术并实现装机应用的国家。北航王华明教授凭借飞机钛合金大型复杂整体构件激光成型技术获得了2012年度国家技术发明一等奖,据称其实验室只需要55天就能打印出C919机头的四个主风挡窗框,而若向国外公司订购至少需要两年以上,且模具费就要上千万元。西北工业大学凝固技术国家重点实验室也是我国3D打印技术研发最出色的单位之一,其激光立体成形技术已经成功的用于C919中央翼缘条的制造。另据媒体报道,在舰载机、四代机等新型军用飞机的研制过程中,3D打印技术已经发挥了重要作用,承担了包括起落架在内的钛合金主承力构件的试制任务。

  4、在消费电子与汽车行业,3D打印技术主要用于设计原型制造及模具开发

  从全球范围来看,消费电子与汽车行业是3D打印技术最主要的两个应用领域,分别占20%左右的市场份额。从具体用途来看,3D打印技术在上述两个行业的应用主要集中于设计原型制造及生产过程中的模具加工。借助3D打印技术辅助设计和测试,可以大幅缩短新产品研发周期、降低试制与试验成本。比如:Nokia曾借助3D打印技术完成手机外壳和结构件的设计和样件制造;通用汽车已经用3D打印技术打印出应用于测试的零部件和模具超过20000个,现代、宝马等汽车厂家也已将3D打印技术应用于新车研发过程当中。

  在产品制造环节,由于消费电子和汽车行业均具有标准化、大规模生产的特点,3D打印技术在直接零部件制造方面尚无法满足加工速度和经济性要求,故短期内很难取代传统的制造模式。但在一些个性化的小众市场,3D打印直接加工的产品仍拥有一定的受众群。比如:由用户定制的手机外壳、用户可以参与设计的汽车等。

  5、在建筑与服装行业,3D打印可以实现复杂结构、极大的拓展设计师的想象空间

  在建筑领域,3D打印技术最初主要用于设计模型的制造,但近来已经有多位建筑师提出了3D打印实体建筑的构想。荷兰阿姆斯特丹建筑大学的设计师JanjaapRuijssenaars设计的3D打印建筑物LandscapeHouse特别模拟了莫比乌斯环,计划利用3D打印机逐块打印出来,每块的尺寸为69米,然后拼接成一个整体建筑,预计需要耗时一年半完成。伦敦的建筑设计工作室SoftkillDesign的3D打印建筑方案更具冲击力,该建筑完全抛弃了传统的固体墙,而是采用以骨骼为基础的纤维尼龙结构,组件由激光烧结生物塑料制成。

  服装制造方面,3D打印可以加工出传统工艺难以完成的复杂款式,极大的拓展的设计师的想象空间。2011年巴黎春夏时装展上,荷兰时尚设计师Irisvan Herpen发布了他直接用3D打印机制作的立体服装,这些超太空感的服装由锦纶打印而成。耐克和阿迪达斯均已经开始用3D打印机制造一些运动鞋功能部件,也有直接制造运动服的打算。

  个人3D打印设备销量猛增,开启创客时代

  自2008年开始,个人3D打印设备的销量出现爆发式增。个人消费需求的爆发主要源自两方面的动力:一是数字化设计+快速成型的组合大幅简化了从创意到产品的过程,从而刺激了多种个性化需求的释放;二是随着技术的发展,3D打印设备的价格已经下降至普通人可以承受的水平,个人3D打印机的价格通常在5000美元以下,最便宜的已降至一两千美元。或许在不远的将来,3D打印机将和PC一样走进千家万户。

  目前,个人3D打印设备的应用主要在于满足人们的个性化需求,比如:用户可以自己在家中做出独具个性的首饰、玩具、餐具等产品;基于3D打印技术的3D照相馆可以为人们留下逼真的立体留影等。

  3D打印设备与互联网结合,带来了商业模式的创新。如提供3D打印服务和交易的网络平台--Shapeways在不足6年的时间里(自2007年成立到2012年7月)已经注册了6000名独立设计师和十几万的用户。类似的网站还有Ponoko、i.materialise等。用户通过这些网站可以购买设计模型、订购3D打印产品,也可以自己开设商店,出售3D打印产品、设计或材料。设计师、加工厂以及用户之间的交流和交易成本大大降低,甚至已经模糊了彼此之间界限。新的商业模式不仅满足了个人的创造欲望,还可以将其转化为商业盈利,反过来必将进一步推动个人3D打印需求的增长。克里斯安德森所说的创客时代正在一步步走进现实。

  所有重大科技都是短期内被高估,长期被低估

  随着技术的不断进步,3D打印已经成功应用于消费电子、汽车、医疗、航空航天等行业,且直接零部件加工所占的比例不断提高,个人消费市场也已经呈现爆发式增长。但是,市场对3D打印技术的期待并不止如此。2012年4月,《经济学人》杂志以大量篇幅刊登了关于数字化制造和3D打印的文章,并将其定位成引领第三次工业革命的关键技术。奥巴马在国情咨文中也将3D打印作为重振美国制造业的关键技术提高到了国家战略的高度。

  最近一年多以来,国内实业界和资本市场对于3D打印的热情急剧升温。政府部门对3D打印的政策支持力度也在加大,科技部最新公布的《国家高技术研究发展计划(863计划)以及国家科技支撑计划制造领域2014年度备选项目征集指南》,首次将3D打印产业纳入其中。甚至有专家认为,3D打印作为一项颠覆性的制造技术,谁能够最大程度的研发、应用,谁就能掌握制造业乃至工业发展的主动权。

  3D打印技术在短期之内被炒得如此之热,或许并不利于3D打印行业的长期发展,多位业内专家均表达了类似担忧。克里斯安德森(《连线》杂志前主编,3D Robotics和DIY Drones的联合创始人,《长尾理论》、《免费:商业的未来》及《创客:新工业革命》的作者)曾经说过:所有重大科技都是短期内被高估,长期被低估。3D打印技术当前的处境也是如此。

  客观而言,3D打印技术尽管潜力巨大,但以现有的技术条件尚不具备取代传统工艺的实力,其在规模经济、加工精度、材料等方面仍存在明显不足。3D打印技术的优势仍主要体现在小批量、定制化、结构复杂的产品制造领域。因此,在未来相当长的时期内,3D打印对于传统制造工艺而言,都是一种补充,而非颠覆。这个判断其实也是业内的普遍共识,Stratasys中国公司总经理表示,全球主流3D打印企业中,实际上没有一家将打印最终产品作为主要市场方向。西安交大的卢秉恒院士、华中科技大学的史玉升教授等国内3D打印专家都表示,目前还看不到3D打印取代传统制造工艺的可能。

  当然,如果放在足够长的时间内考虑,也不能完全排除3D打印带来新工业革命的可能。就像《经济学人》所说:伟大发明所能带来的影响,在当时那个年代都是难以预测的,1750年的蒸汽机如此,1450年的印刷术如此,1950年的晶体管也是如此。我们仍然无法预测,3D打印机将在漫长的时光里将如何改变世界。

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