1.3 3D打印技术的发展现状

3D打印行业的发展一直处于快速增长的趋势。根据美国专门从事3D打印技术咨询服务的Wohlers Associates公司发布的2019年度报告，2018年全球3D打印产品和服务市场增长了33.5%，达到97.95亿美元，如图1-18所示。在过去30年中，全球3D打印所有产品和服务的年平均收入增长率高达26.9%。这个产业在过去的九年中经历了爆发式的增长，在这期间内3D打印市场增长了近7.4倍。在最近的四年（2015—2018）中，年平均收入的增长率为24.4%。产品收入包括3D打印设备、系统升级、材料以及售后市场产品（例如软件、激光器等）带来的收入。服务收入包括制造服务提供商和设备制造商在3D打印设备上生产部件的收入，还包括设备维护合同、培训、会议、展览、广告、出版物、研究和咨询服务等带来的收入。上述收入不包括生产飞机零件、医疗和牙科产品、珠宝、眼镜、照明、艺术和雕像等公司生产的3D打印零件的收入，这些3D打印应用型的公司正在发展中，数量相当大，但却难以量化，也不包括3D打印相关风险投资和其他私人投资。如果将上述因素都包含在内，3D打印产业的实际规模要大很多。

在Wohlers Associates公司2019年发布的年度报告中，对各行业应用3D打印技术的情况进行了分析，图1-19所示为全球3D打印技术产业应用情况。从主要行业分布来看，工业/商用机器约占19.8%；汽车领域约占19.6%；航空航天领域为17.7%；消费品/电子产品领域约占13.6%；医疗/牙科领域约占11.5%。

图1-20所示为2018年3D打印技术主要应用功能的分布比例。它主要包括：①最终用途零件；②功能模型，用于工程装配和功能测试；③外观和展示模型、直观教具；④教育、科研；⑤快速模具原型（如硅橡胶模具和精密铸造）和砂型模具；⑥夹具、检具；⑦金属模具，如随形冷却水路等；⑧其他应用。

其中最终用途零件的比例最高，为28.4%；排在第二位的是功能模型，为27.9%；二者合计比例高达56.3%，远高于其他应用；第三大应用类型是外观和展示模型、直观教具，约占10.7%；第四大应用类型是教育、科研，约占9.9%。

目前3D打印技术已在全球范围内得到广泛关注和重视，世界上许多国家都在致力于发展和应用3D打印技术。图1-21所示为3D打印设备数量区域分布，从图中可以看出，欧洲、北美洲和亚太地区成为3D打印设备的主要需求市场。其中，2018年北美占37.1%，亚太地区占29.9%，欧洲占28.4%，其他地区占4.6%。

2018年不同国家和地区3D打印设备数量情况分布如图1-22所示，其中美国的3D打印设备数量位居第一（占35.3%），中国位居第二（占12.1%），日本和德国分别位居第三和第四（分别占9.2%和8.3%）。

按照售价的不同，通常将3D打印机分为工业级3D打印机和桌面级3D打印机两种。工业级3D打印机是指售价在5000美元及以上的设备，而售价低于5000美元的设备被称为桌面级3D打印机。图1-23所示为1988～2018年工业级3D打印机的销售数量情况。在2018年，有19285台工业级3D打印机被售出，相比于2017年16369台的售出数量增长了17.8%，仍然保持了较高的增长速度。

图1-24所示为2007～2018年桌面级3D打印机销售数量的增长情况，从图中可以看出，2018年桌面级3D打印机的销售数量约为59.1万台，较上年增长11.7%，相比于2017年24.7%和2016年49.4%的高增长率，增长速度明显放缓。

据Wohlers Associates公司预测，到2024年3D打印技术的年产值将达到355.7亿美元，如图1-25所示。

1.3.1 3D打印技术国外发展现状

3D打印技术集合了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术，是先进制造业的重要组成部分，被称为第三次工业革命的标志性技术之一，正在推动智能制造、产品开发和生命科学领域的新一轮创新，已在全球范围内得到广泛关注和重视。

2012年3月，美国白宫宣布了振兴美国制造的新举措，将投资10亿美元帮助美国制造体系的改革。其中，白宫提出实现该项计划的三大背景技术就包括了增材制造，强调了通过改善增材制造材料、装备及标准，实现创新设计的小批量、低成本数字化制造。2012年8月，美国增材制造创新研究所成立，联合了宾夕法尼亚州西部、俄亥俄州东部和弗吉尼亚州西部的14所大学、40余家企业、11家非营利机构和专业协会。美国材料试验协会ASTM（American Society of Testing Materials）和国际标准化组织ISO分别成立了专门的增材制造技术委员会ASTM F42和ISO/TC 261，开展增材制造领域的标准研究制订和修订工作，进一步推动了增材制造技术在各领域的快速发展。

除了美国，其他发达国家也积极采取措施，以推动3D打印技术的发展。英国政府自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费。英国工程与物理科学研究委员会中设有增材制造研究中心，参与机构包括拉夫堡大学、伯明翰大学、英国国家物理实验室、波音公司以及德国EOS公司等15家知名大学、研究机构及企业。德国建立了直接制造研究中心，主要研究和推动增材制造技术在航空航天领域中结构轻量化方面的应用。法国增材制造协会致力于增材制造技术标准的研究。在政府资助下，西班牙启动了一项发展增材制造的专项，研究内容包括增材制造共性技术、材料、技术交流及商业模式等四方面内容。澳大利亚政府于2012年启动“微型发动机增材制造技术”项目，旨在使用增材制造技术制造应用于航空航天领域的微型发动机零部件。日本政府也很重视增材制造技术的发展，通过优惠政策和大量资金鼓励产学研用紧密结合，有力促进该技术在航空航天等领域的应用。

在国外最有代表性的3D打印巨头公司有美国的3D Systems、Stratasys、德国的EOS，下面逐个简要介绍。美国3D Systems公司创立于1986年，是全球最大的3D打印解决方案供应商，提供3D打印机、打印耗材、打印软件和培训等产品及服务。作为全球SLA技术的领导者，3D Systems于1987年推出了全球首款立体光固化成型（SLA）SLA-1打印机；后将工业机器人与3D打印机相结合，于2016年推出了行业内首个模块化、可扩展和全集成的3D打印生产平台—Figure4。与传统SLA设备相比，Figure4生产平台的生产效率快50倍以上，生产成本仅为原来的80%，可以用于自动化生产和大规模制造。从2001年开始，3D Systems公司陆续收购了几十家3D打印企业，以不断提升在其他3D打印技术方面的技术实力。2001年，3D Systems公司收购了DTM公司，DTM公司是选择性激光烧结（SLS）技术的开发者；2012年收购了彩色3DP技术领导者Z Corporation公司。目前，3D Systems公司已经成为一家有能力提供集多种3D打印技术、3D内容和3D设计服务于一体的综合平台公司，业务遍及汽车、航空航天、国防、消费品、建筑、医疗器械和牙科等许多领域。

Stratasys公司是与3D Systems公司齐名的全球3D打印领域龙头企业，创立于1989年，是3D打印技术FDM的最早开发者。2012年Stratasys公司和发明PolyJet技术的以色列Objet公司合并成立新的Stratasys公司，拥有了两种在性能上相互补充的主流3D打印技术：FDM技术和PolyJet技术，这两种打印技术有各自的特点。FDM技术可用于构建坚固耐用的零件，这些零件精度高、可重复使用，并且稳定可靠，但是表面比较粗糙；PolyJet技术能够同时喷射不同的材料，在细节和表面光滑度方面表现优异，能够模拟出透明、柔软和坚硬的材料以及工程塑料，甚至还可以将多种颜色和材料性质融入一个模型。2013年Stratasys收购桌面级打印机公司MakerBot，开始将3D打印装备从原来的工业制造领域等拓展到普通消费市场。2014年Stratasys推出全球首款彩色多材料3D打印机Objet 500 Connex3。通过对Objet、MakerBot等公司的并购，Stratasys公司成为3D打印行业的领导者。近30年来，该公司已拥有3D打印相关技术超过1200项，涵盖了从设计原型到工具、模具制造，再到终端零件的整个产品生命周期，在航空航天、汽车、医疗、消费品和教育等行业都可以提供解决方案。Stratasys公司已在全球安装了大量的原型和直接数字化生产系统，数量占有绝对优势。

德国EOS公司自1989年在德国慕尼黑成立以来，一直致力于SLS、SLM快速制造系统的研究开发与设备制造工作，已经成为全球一流的SLS、SLM快速成型系统的制造商，其装备的制造精度、成型效率及材料种类在同类产品中达到世界领先水平。EOS公司生产的系列SLS设备，可用于铸造用蜡模、砂型制造，以及尼龙等塑料零件的直接制造。EOS公司生产的SLM设备可以打印不锈钢、铝合金、钛合金、模具钢、高温合金等多种金属粉末材料，广泛应用于航空航天、医疗、汽车、家电等众多领域。

除了上述知名3D打印制造商外，其他较为著名的设备制造商还有LENS装备生产商美国Optomec公司、SLM装备生产商德国Concept Laser公司、SLM装备生产商德国SLM Solutions公司、EBM装备生产商瑞典Arcam公司、SLM装备生产商瑞英国Renishaw公司、MJF装备生产商美国惠普公司、CLIP装备生产商美国Crabon3D公司等，具体见表1-2。

1.3.2 3D打印技术国内发展现状

中国3D打印技术自20世纪90年代初开始发展，清华大学、北京航空航天大学、华中科技大学、西安交通大学、西北工业大学等高校在典型的成型设备、软件、材料等方向的研究和产业化方面获得了重大进展，接近国外产品水平。这些最早接触3D打印的高校研究力量带动了北京殷华激光快速成形与模具技术有限公司（北京太尔时代科技有限公司的前身）、江苏永年激光成形有限公司、陕西恒通智能机器有限公司、西安铂力特增材技术股份有限公司、武汉华科三维科技有限公司、北京增材制造技术研究院有限公司等的创立和发展，随后国内其他许多高校和研究机构也开展了相关研究。国内研究3D打印技术的主要高校及其相关创办企业见表1-3。

清华大学于1988年成立了国内首个快速成型实验室——清华大学激光快速成型中心，率先开展FDM快速成型技术的研究与开发，成功开发了多系列低成本FDM设备，并通过北京殷华激光快速成形与模具技术有限公司和北京太尔时代科技有限公司实现了商品化。1998年，将制造科学引入到生命科学领域提出了“生物制造工程”学科概念和框架体系，并研发了多台生物材料快速成型机。

北京航空航天大学从2000年开始，面向航空航天等重大装备制造业发展的战略需求，在LENS金属直接制造方面开展了长期的研究工作，突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型整体关键构件激光成型工艺、成套装备和应用关键技术，解决了大型整体金属构件激光成型过程零件变形与开裂瓶颈难题和内部缺陷与内部质量控制及其无损检验关键技术，飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件，使我国成为目前世界上唯一突破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。该技术已经成功应用于大型客机C919等多种型号飞机和发动机的制造上。依托上述领先的高性能大型金属增材制造技术，于2014年成立了北京增材制造技术研究院有限公司。公司紧密结合产学研用，面向三航（航空、航天、航海）及热核聚变反应堆等高端重大装备制造业发展的战略需求，致力于钛合金、高强钢、铝合金、镍基合金、热核聚变反应堆用特殊合金等高性能难加工大型复杂关键金属构件3D打印工艺、装备、材料及应用关键技术的工程化应用研发和产业化推广。

西安交通大学于1993年在国内率先开展SLA技术的研究，于1997年研制出国内第一台光固化成型机，并于2005年成立了快速制造国家工程研究中心。快速制造国家工程研究中心子公司陕西恒通智能机器有限公司，主要研制、生产和销售各种型号的激光快速成型设备、自主开发的光敏树脂材料以及快速模具设备，同时从事快速原型制作、快速模具制造以及逆向工程服务。近年来西安交通大学已在全国范围内成功建设了20多家产学研相结合的推广基地和示范中心。2017年西安交通大学联合西北工业大学等其他单位在西安成立了国家增材制造创新中心。

华中科技大学1991年成立快速制造中心，在国内率先开展LOM技术研究，并于1997年研制出LOM设备。随后致力于SLS、SLM技术的开发，并于2000年左右研制成功了基于CO ₂ 激光器的HRP型SLS装备。在SLS技术基础上，华中科技大学从2003年左右开始研发直接制造金属零部件的SLM技术与装备。后来，又在大型复杂制件整体成型的关键技术方面获得突破，研制出了当时世界上最大成型空间（1.2m×1.2m）基于粉末床的激光烧结3D打印技术，获得了2011年“国家技术发明”二等奖，并入选当年中国十大科技进展。通过转化技术，华中科技大学先后成立了武汉滨湖机电技术产业有限公司和武汉华科三维科技有限公司，这些企业成为3D打印设备研发和制造领域的领军企业。

西北工业大学凝固技术国家重点实验室于1995年开始研究SLM、LENS金属直接制造技术，在金属材料的打印和金属构件的修复再制造等领域取得了许多开创性的成果。已研制出的具有自主知识产权的系列化激光打印和修复再制造装备，可满足大型机械装备的大型零件及难拆卸零件的原位修复和再制造。应用该技术实现了C919飞机大型钛合金零件3D打印成型制造，为满足航空航天领域不断提升的制造技术要求提供了新的设计和制造工艺。2011年率先实现商业化，成立西安铂力特增材技术股份有限公司，它目前已经成为国内规模最大的金属3D打印技术全套解决方案提供商之一。

除了上述主要研究高校相继创办企业外，国内还有许多3D打印设备研发和制造公司，具有代表性的有上海联泰科技股份有限公司、湖南华曙高科技有限责任公司、武汉易制科技有限公司、珠海赛纳打印科技股份有限公司等，见表1-4。

上海联泰科技股份有限公司成立于2000年，是国内最早从事3D打印技术应用的企业之一，公司为中国3D打印技术产业联盟理事单位，上海产业技术研究院3D打印技术产业化定点单位。联泰科技开发了SLA光固化成型设备和成型控制系统，目前拥有国内SLA技术最大份额的工业领域客户群，国内市场占有率超过60%。

湖南华曙高科技有限责任公司（简称华曙高科）由许小曙博士2009年创立，专攻SLS、SLM工业级3D打印技术。经过多年的快速发展，华曙高科已逐步建立形成集金属、尼龙3D打印设备研发制造、3D打印材料研发生产以及产品加工服务为一体的全产业链格局。华曙高科是工信部3D打印智能制造试点示范项目企业，拥有高分子复杂结构增材制造国家工程实验室。华曙高科可为航空航天、医疗（含口腔）、汽车、工业模具、教育科研、电动工具、原型制作、消费品（眼镜、鞋底、首饰）、设计创意等行业提供高质量的SLS和SLM技术3D打印设备、材料、软件和加工服务。

武汉易制科技有限公司和珠海赛纳打印科技股份有限公司是在彩色3D打印技术研发及设备制造方面的领军企业。其中，武汉易制科技有限公司长期专注于3DP彩色3D打印技术的研发应用，2015年推出了中国首台全彩色3D打印机，填补了国内空白。珠海赛纳打印科技股份有限公司长期从事彩色多材料3D打印自主核心技术的研究，是中国少数掌握直喷式彩色多材料3D打印自主核心技术的厂商。

随着3D打印技术在各领域的不断融合，其产业及技术发展中面临的标准化问题日益凸显，严重制约了3D打印产业的进一步发展。2016年4月，全国增材制造标准化技术委员会（SAC/TC 562）正式成立，在国家层面上开展3D打印技术标准化工作，并对口国际标准化组织ISO/TC 261。该标准化委员会的成立顺应了3D打印行业发展的迫切需求，并通过促进3D打印产业标准体系的建立与完善，有效推动3D打印技术的规模化应用，对行业发展具有十分重要的意义。 +nIQpFyB0QexRUn6RWeHNIVTZk63K6YjLwLa6kbvypEXiCk6kWu2bcjmKHELdAUt