根據(jù)未來智庫發(fā)表的《金屬3D打印行業(yè)前瞻分析報(bào)告》，我國從20世紀(jì) 90 年代初就開始布局對(duì)3D打印典型成形設(shè)備、軟件、材料等方面的研究，但產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程相對(duì)滯后，直到近幾年才迎頭趕上。我國3D打印的產(chǎn)業(yè)化分兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是技術(shù)突破和標(biāo)準(zhǔn)制定，十二五期間增材制造相關(guān)的專利數(shù)量從 2011年的 5 個(gè)激增至 2016 年的 6564 個(gè)，打印材料、設(shè)備零件、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等核心能力成長(zhǎng)迅速。第二個(gè)階段是產(chǎn)業(yè)化的落地，2016年國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》，提出發(fā)展增材制造等技術(shù)，次年科技部公布《“十三五”先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》，將增材制造作為重點(diǎn)任務(wù)發(fā)展，3D打印成為國家重點(diǎn)資助領(lǐng)域。2018年國內(nèi)擁有約 90 多家涉及3D 打印業(yè)務(wù)的公司，近半數(shù)企業(yè)為2016年后進(jìn)入市場(chǎng)。目前，我國在選區(qū)激光熔化（SLM）等金屬 3D 打印技術(shù)和設(shè)備制造上，已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

 成本下降推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

l 契合工業(yè)級(jí)應(yīng)用，潛力大、成長(zhǎng)快

    金屬3D打印可服務(wù)于高端制造業(yè)金屬部件的制造，顛覆性強(qiáng)、發(fā)展?jié)摿Υ蟆７墙饘?3D 打印通常使用塑料、樹脂材料等，金屬3D打印通常使用各類合金粉末和線材。金屬3D打印除了具備無模化可定制優(yōu)勢(shì)外，能夠完成傳統(tǒng)工藝無法制造的高復(fù)雜度高精密度零部件的打印，具有良好的發(fā)展?jié)摿Α＝饘?D打印在航空航天、醫(yī)療的義齒和植入體制造、汽車等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊前景。

直接金屬3D打印工藝原理主要分為粉末床熔化和定向能量沉積兩大類別。1）粉末床熔化技術(shù)主要包括選區(qū)激光熔化技術(shù)（SLM）、電子束選區(qū)熔融技術(shù)（EBSM）；2）定向能量沉積技術(shù)包括激光近凈成形技術(shù)（LENS）、電子束熔絲沉積技術(shù)（EBDM）、直接金屬沉積技術(shù)（DMD）等。

總的來說，各技術(shù)間存在替代和互補(bǔ)的關(guān)系，但粉末床熔化技術(shù)路線由于更高的成型質(zhì)量，目前應(yīng)用更為廣泛。根據(jù) Wohlers 對(duì)2018年度全球36 家主要的金屬 3D 打印企業(yè)統(tǒng)計(jì)，其中采用粉末床選區(qū)熔化技術(shù)為 18 家，采用定向能量沉積技術(shù)為 8 家，合計(jì)占比達(dá)到 72%。目前粉末床激光熔化是高精度、高質(zhì)量金屬件加工領(lǐng)域主流的工藝技術(shù)，LENS 是大型復(fù)雜金屬件領(lǐng)域領(lǐng)域主流的工藝技術(shù)。

根據(jù)AMPower 的報(bào)告，全球范圍內(nèi)，粉末床金屬3D打印系統(tǒng)（Metal PBF）的銷售收入占比最大, 2020年占39%，預(yù)計(jì)2025年占34%。

金屬3D打印設(shè)備及耗材價(jià)值量占比接近全行業(yè)的一半。從設(shè)備端看，金屬3D 打印機(jī)價(jià)值量占比為49.5%，位居全行業(yè)首位，其次分別為塑料打印機(jī)、桌面打印機(jī)等產(chǎn)品。從材料端看，金屬耗材占比為 39.4%，低于塑料的 46.5%，也低于設(shè)備端的占比，主要由于金屬打印的產(chǎn)業(yè)化正處于快速擴(kuò)張階段，設(shè)備端的增長(zhǎng)領(lǐng)先于材料消耗的增長(zhǎng)。

© 來源：未來智庫

以金屬3D打印為代表的高價(jià)值量設(shè)備成為銷售增長(zhǎng)的主力。根據(jù)工信部數(shù)據(jù)，2017 年國內(nèi)出貨的3D打印機(jī)95%是個(gè)人或桌面打印機(jī)，工業(yè)級(jí)只占 5%，但從銷售收入來看，工業(yè)級(jí) 3D 打印機(jī)占總收入的 80%，工業(yè)級(jí)3D打印的占比在 2018 年進(jìn)一步擴(kuò)大。3D 科學(xué)谷對(duì)中國市場(chǎng)的調(diào)研數(shù)據(jù)也顯示，目前高端工業(yè)級(jí) 3D 打印設(shè)備的采購正在成為主流，44.1%的被調(diào)查企業(yè)采用的是10 萬美金（單臺(tái)）以上的 3D 打印設(shè)備。Sculpteo 調(diào)研了1000 多家應(yīng)用 3D打印的公司，從打印材質(zhì)來看，2018年塑料的運(yùn)用率高達(dá) 65%，但卻從 2017 年的 88%下降了 23%，唯一增長(zhǎng)的材料是金屬，其需求從 2017 年的 28%增長(zhǎng)到了 2018 年的 36%。《金屬3D打印行業(yè)前瞻分析報(bào)告》認(rèn)為，以金屬3D打印產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用加速為契機(jī)，高價(jià)值量的工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)的銷售規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，3D打印正往高端制造市場(chǎng)滲透。

l 主流打印技術(shù)專利保護(hù)陸續(xù)到期,產(chǎn)業(yè)化加速

3D 打印設(shè)備核心專利到期，成本下降推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。全球3D打印專利申請(qǐng)的高峰期在 2007年，其中主流技術(shù)的核心發(fā)明專利申請(qǐng)時(shí)間主要在1998 年以前。專利到期意味著個(gè)別廠商專利壟斷的結(jié)束，降低了技術(shù)使用成本和企業(yè)進(jìn)入 門檻，對(duì)于3D 打印設(shè)備和產(chǎn)品的進(jìn)一步大眾化和產(chǎn)業(yè)化是利好的。

粉末床熔融工藝核心技術(shù)專利陸續(xù)到期，推動(dòng)了金屬3D打印設(shè)備加速普及。其中，粉末床激光熔化（SLM ）系列技術(shù)專利于2016年陸續(xù)到期，其專利到期預(yù)計(jì)將通過專利授權(quán)費(fèi)用的減少而極大降低廠商的技術(shù)應(yīng)用成本，并使得更多廠商能夠更低的成本應(yīng)用該技術(shù)，金屬3D打印有望加速普及。

隨著核心技術(shù)專利到期，金屬3D打印近年來商業(yè)化明顯提速。從應(yīng)用角度，非金屬材料的商業(yè)化更早，但隨著金屬打印技術(shù)逐步成熟、以 SLM 技術(shù)（2016 年 12 月到期） 為代表的專利陸續(xù)到期，其商業(yè)應(yīng)用近年來開始加速。根據(jù) Wohlers、Gartner 等研究機(jī)構(gòu)判斷， 近三年內(nèi)全球增材制造增速將維持在 20%-30%的增長(zhǎng)水平，其中金屬3D打印受工業(yè)級(jí)3D打印需求的驅(qū)動(dòng)將維持在 40%的增長(zhǎng)水平。

© 來源：未來智庫

2009 年后中國專利申請(qǐng)數(shù)量超過美國，國產(chǎn)化加速，專利布局集中在提升可靠性和降低成本。從專利分布看，無論中美兩國，提高打印工藝可靠性和降低打印設(shè)備和打印工藝成本均是最主要的技術(shù)研發(fā)方向，這反映了行業(yè)在大力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)新的工藝技術(shù)依然在快速革新，這也體現(xiàn)在了3D打印行業(yè)現(xiàn)階段技術(shù)的多元化和互補(bǔ)性，尚未有單一的技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位。

對(duì)比中美總量差異，中國的專利數(shù)量大幅超過美國，一方面說明國內(nèi)3D打印行業(yè)正處于高速發(fā)展階段，另一方面也有國外企業(yè)在中國進(jìn)行專利布局的因素。對(duì)比中美結(jié)構(gòu)差異，中國專利分部在打印工藝可靠性方面數(shù)量不及美國，但在降低設(shè)備和工藝成本以及提升設(shè)備可靠性方面數(shù)量遠(yuǎn)超美國。前者主要是因?yàn)?D打印技術(shù)起源于美國，美國在基礎(chǔ)性專利和工藝革新方面在全球起主導(dǎo)作用。后者主要是因?yàn)橹袊�設(shè)備制造企業(yè)在近幾年進(jìn)入高速發(fā)展通道，相關(guān)專利的布局略微落后于美國。

專利到期、國產(chǎn)替代背景下，設(shè)備零部件和打印原材料采購單價(jià)逐年下降，產(chǎn)業(yè)化條件愈發(fā)成熟。以鉑力特為例，其打印設(shè)備的核心零部件光纖激光器主要從 IPG 采購，單價(jià)從2016年的 14.5 萬元大幅下降至 2018年的11.2 萬元，這與銳科激光等國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商的崛起有密不可分的關(guān)系。諾雅光電的振鏡也由2016 年的3.0萬元降低至 2018 年的1.8 萬元，帶動(dòng)設(shè)備成本大幅降低，提升了產(chǎn)品盈利能力和市場(chǎng)開拓能力。打印材料方面，價(jià)格下降也較為明顯，例如其中某種規(guī)格20~53μm的金屬粉末由2016 年的2506元下降至2018 年的1049 元，進(jìn)一步降低金屬打印的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用門檻。

l 耗材需求彈性大，高端金屬粉末逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代

原材料是金屬3D打印的制造成本中占比最大的一部分。DigitalAlloys 以鈦粉末（6Al-4V）為例，對(duì)于SLM、EBM、DED、Binder Jetting、Digital Alloys 等金屬3D打印工藝的制備成本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)每千克產(chǎn)品的打印成本中原材料成本是占比最高的（除 SLM 工藝外），同時(shí)隨著成型精度、成型質(zhì)量、打印時(shí)間的增長(zhǎng)，設(shè)備、維護(hù)和人工的占比逐步提升，在SLM工藝中，設(shè)備、維護(hù)和人工成本是占比最高的，其中也有專利保護(hù)因素，但是在打印效率越來越高、 規(guī)模效應(yīng)越來越明顯的趨勢(shì)下，材料成本占比將進(jìn)一步提升。根據(jù) IDTechEx 預(yù)測(cè)，到 2028 年金屬 3D 打印全球規(guī)模有望達(dá)到 120 億美元，其中超過 90%是由打印材料貢獻(xiàn)的。

規(guī)模化生產(chǎn)中打印材料占據(jù)最大部分的產(chǎn)值，金屬打印原材料要求高，其成本和供應(yīng)能力是制約3D打印發(fā)展的瓶頸之一。金屬粉末是3D打印產(chǎn)品具有良好性能的關(guān)鍵，所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。便宜的耗材無法制備高性能產(chǎn)品，無法向附加值更高需求更迫切的工業(yè)制造領(lǐng)域推廣；而高端耗材售價(jià)高昂且供應(yīng)能力有限，直接推高了 3D打印技術(shù)應(yīng)用的成本，尤其是金屬打印領(lǐng)域材料成本占比非常高，隨著設(shè)備成本的降低材料已逐漸成為商業(yè)化和規(guī)模化生產(chǎn)推廣的一大制約因素。

打印材料愈發(fā)受到重視，打印設(shè)備商和材料制造商紛紛設(shè)立獨(dú)立的 3D打印材料部門。近年來，隨著3D打印商業(yè)化應(yīng)用持續(xù)推廣，打印材料的重要性愈發(fā)凸顯：一方面打印材料逐漸由打印設(shè)備的配套部門轉(zhuǎn)變?yōu)楠?dú)立業(yè)務(wù)部門。另一方面，2016年以來全球大型材料制造商成立了專門的3D打印部門，如巴斯夫、杜邦等傳統(tǒng)材料企業(yè)紛紛開始布局專用材料領(lǐng)域，說明3D打印的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，隨著商業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，更具增長(zhǎng)彈性的材料端開始發(fā)力，尤其是處于產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用初期且技術(shù)難度較大的金屬專用材料領(lǐng)域。

Raise3D 推出MetalFuse 金屬3D打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于金屬熔絲制造，屬于一種間接金屬3D打印技術(shù)。其3D打印材料采用巴斯夫旗下3D打印解決方案品牌Forward AM 的Ultrafuse(R) 金屬線材。
© Raise3D

國內(nèi)3D打印金屬材料企業(yè)成長(zhǎng)迅速, 但限于發(fā)展歷史較短，產(chǎn)品集中于中低端領(lǐng)域。目前國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出鈦合金、高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎳基合金、尼龍粉末、碳纖維復(fù)合材料、玻璃微珠復(fù)合材料等近百種牌號(hào)專用材料，材料品質(zhì)性能、種類逐步提升。

倍豐科技創(chuàng)始人、澳大利亞工程院吳鑫華院士領(lǐng)導(dǎo)的莫納什大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的Al250C 高強(qiáng)高韌3D打印專用鋁合金材料。
© 倍豐科技

目前國內(nèi)的基礎(chǔ)3D打印材料已基本滿足國產(chǎn)設(shè)備的增材制造需要，但高性能金屬粉末耗材依然依賴進(jìn)口，國產(chǎn)材料在純凈度、顆粒度、均勻度、球化 度、含氧量等對(duì)打印成品性能影響較大的原料指標(biāo)方面相比國外仍存在較大的差距。

(責(zé)任編輯：admin)

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