分析中国3D打印市场行业分析报告.docx
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分析中国3D打印市场行业分析报告
【关键字】分析
2014年中国大陆市场
3D打印行业分析报告
一、市场篇
“3D打印”是一种更便于大众理解的通俗称谓，在工业专业术语中，“3D打印”被称为“增材制造”——它与传统“减材制造”相对应，借助三维数字模型设计，使用各种打印技术来实现材料层层叠加，最终形成三维物体的一种制造方式。
1、市场规模22亿美元，工业级设备占主流
2012年，全球增材制造市场规模达22.04亿美元。
2009年之前的15年发展历程中，平均增速约13%，而2010~2012年进入快速发展期，三年复合增速达27%。
WohlersAssociates预测，未来几年，该市场仍会保持近20%的增长，到2021年，行业规模或达108亿美元，为目前的5倍。
整个增材制造市场可按价值链划分为设备、材料和服务三个大类。
设备市场6.2亿美元，占比并不大，约构成市场容量的28%，包括设备硬件、软件、系统更新、售后支持等；材料4.2亿美元，占19%；服务则占54%，主要来自服务供应商利用设备材料加工的零部件收入。
以上产值统计不包括衍生市场，即增材制造的中间产品（如模具及铸件）及其他服务（如模型设计），2012年衍生市场产值估计为11.9亿美元。
此外，增材制造设备可按照应用划分为工业机和个人机，一般将5000美元以上归属为工业级，5000美元以下属于个人桌面级产品。
2012年，工业级设备销售了7771台，占据市场价值量的94%；而媒体关注较多的个人3D打印机市场虽销量达3.5万台，但因单价低，价值量仅4000万美元，仅占6%。
本文除非特别指出是个人3D打印机，一般文字主要针对工业级应用。
2、增材制造需与制造工艺密切结合，产业链体系庞杂
增材制造的整个产业规模虽仍不大，但其纵向长度和横向宽度范围都相当广阔。
从产业链纵向角度，包括上游的打印材料、中游的打印设备制造，及下游的打印服务。
从产业链横向角度进一步细分，上游材料可分为塑料、金属两大类，以及蜡、石膏、砂等其他各种材料；
中游设备若从应用的维度划分包括个人桌面级应用、工业级应用两大类，以及建筑、食品、艺术等细分应用，若从技术的维度又可划分为FDM、LS、SL、3DP等多种技术路线，每种技术路线有各自的优缺点和适合的领域；
下游服务则包括结构造型设计、模型优化、制造成型服务、网络交易平台等多种方式和商业模式。
正是由于每一个非常细分的应用场景都对应着相应适合的材料、设备和工艺，令“增材制造”事实上是一个相当庞杂的制造体系。
不仅材料种类数以百计，设备价格从几百美元跨度到几百万美元不等，产业链上各个公司的生态模式也非常多样。
这令描述清楚整个产业的全貌并不容易。
3、与传统制造方法相比，增材制造的核心优势领域
业界普遍认为，增材制造并不会取代传统减材制造，而是一种补充。
增材制造的优势在两个领域最为突出：
第一，是传统方法难以制造的高复杂性产品；
第二，是传统制造缺乏经济性和快速反应能力的极小批量制造。
因而，目前最适用于增材制造的领域，主要包括航空航天（高复杂度结构、极小批量）、医疗（生物特征、个性化需求）、工业品的原型制作（极小批量、对导入快速性要求高）、模具（极小批量、提升新品开发速度）、个性化产品（如古董复制、定制消费品）。
此外，未来增材制造还将在下列方面具有潜力：
第一，设计理念革新带来制造流程优化，比如用增材制造方式设计生产，可减少零件个数，从而可降低库存、减少装配人工、降低管理复杂度，从而提升生产效率；
第二，设计优化带来材料节省及性能增强，比如在关键受力部位加强材料布臵，在非受力点采用中空等传统制造较难实现的方式，可在保证强度的情况下显著节省原材料，降低产品重量。
——这已经在航天器、飞机、顶级赛车的部分零件上取得成功应用。
另外还有在热交换器等部件设计上提升热效率。
4、增材制造的发展空间、动力与阻力
全球整个工业制造体量的数量级应当以几十万亿美元计，而目前增材制造的整个体量约几十亿美元，差距万倍。
增材制造市场的增速的确很快，但要达到传统工业制造的百分之一甚至千分之一，都仍有非常漫长的道路要走。
当然，即便是最终仅达到传统工业的千分之一份额，也意味着增材制造还有10倍的成长空间。
增材制造近年来的增长动力来自于两个方面：
一方面，下游应用层面对增材制造技术的认识理解逐步加深，工艺上的know-how普及促进了技术推广。
另一方面，增材制造技术自身日新月异，其能力范围不断扩张，例如材料种类拓展；设备性能提高；使用方便程度改善等。
在上述动力推动下，增材制造在原型试制、样品展示、模具、个性化消费等应用上取得飞速发展，但这些应用的产量都极小，因此可预见长期市场容量的天花板并不高。
未来，增材制造能否取得10倍的增长，关键还是看它能否实现零件的直接大批量制造。
在近十年的发展中，直接部件制造的应用比例快速提升，但2012年市场规模仍仅有6亿美元，且主要局限于高复杂性、极小批量领域。
增材制造应用于直接大批量制造的主要瓶颈在于：
第一，符合工业要求的材料种类仍然缺乏：
工业应用对材料的拉伸强度、疲劳强度、耐高低温提出更多更高要求；
第二，设备的稳定性和加工过程的可重复性有待进一步加强，如电压稳定性、粉末均匀性一致性等细节都可能导致产品质量问题，如何有效检测出问题产品亦需要研究；
第三，材料成本高：
如增材制造中常用的PLA和ABS塑料价格在100~250美元/kg，是普通材料的十倍以上；
第四，制造时间长：
如各种增材制造技术中，以速度见长的粘结剂喷射方法亦仅能实现每小时3cm高度的建造，在其他技术中，一个中型零件制造时间以天计算并不罕见，且制造完成后仍需经过后处理才能成为成品；
第五，尺寸受限：
单一方向最大尺寸超过50cm的设备价格基本都超过50万美元，更大尺寸加工对于精度和成本的考验几何级放大。
因而，对于大批量的普通零部件生产，传统制造方式仍具有无可替代的效率和成本优势。
增材制造技术也将在上述方面逐步缩短与传统制造的差距当中，逐步扩大其适用范围。
需要补充的是，去年，在航空航天领域，零件直接批量制造出现令人振奋的突破：
2012年11月，美国GE航空收购增材制造服务商Morris，后者被收购前为GE航空的外包供应商，与激光烧结领域领先的设备供应商德国EOS合作研发。
GE航空同时宣布，新一代的LEAP航空发动机燃油喷嘴将用增材制造技术生产。
由于每年LEAP发动机产量将达1700台且每台有19个燃油喷嘴，这意味着每年将有32000个高复杂性零件将由增材制造技术生产。
这将显著拉动设备需求，2012年EOS全球设备销售总量约140台，但仅此一个项目，估计将需要EOS设备量超过50台，考虑到EOS设备单价超过100万美金，那么这一项目的设备市场容量估计为5000万美元。
这标志着在航空领域高复杂性零件直接制造上，增材制造工艺的成熟度获得了主流生产商的认可。
二、技术篇
增材制造的核心理念是材料的逐层叠加，实现方式多样，每一种主流技术都找到了各自适合的应用领域，彼此间既有重叠亦各有所长，暂时看不到某一种或两种将成为绝对的趋势。
行业龙头公司Stratasys和3DSystems利用收购，令自己的产品和技术多元化，从而适应丰富多样的细分市场需求。
而EOS、ExOne、Envisiontec等众多专注于某一类别技术的公司也凭借专业性，拥有各自的成长空间。
1、七类增材制造技术的特点、优劣势比较
自1987年采用SL技术的第一台商用3D打印机问世以来，3D打印技术种类不断增加，且逐渐完善。
根据ASTM“增材制造技术标准术语”，“增材制造”的成型技术可分为七种（表3）。
目前市场上盛行的诸多打印技术，如FDM、SL、3DP、LENS、SLS等，均是在这七种成型技术的基础上发展而来。
为便于介绍清楚，我们将依次介绍使用半液态热塑性材料的FDM、使用液态光敏聚合物的SL和PolyJet、用固态粉末的3DP、DMLS、用片材的LOM。
不同材料决定了不同的应用领域和属性。
（1）材料挤出：
代表技术FDM（FusedDepositionModeling熔融沉积）
成型过程：
将丝状材料加热至熔融状态，然后从喷头挤压出并移动堆积。
其原理决定只能用热塑性材料，且喷头丝材直径相较其他工艺较大（0.5~1mm），因而制品层厚高，表面粗糙，呈现条纹。
但由于使用液化器而非激光，设备价格低，且运行过程无污染，易于操作，因而适合在家庭、学校、办公室等场所使用。
热塑性材料具有一定耐温性和强度，可用于制造精度要求不高的概念模型、功能测试原型。
Stratasys公司是该技术的发明者，目前依然领导该领域，其开发的支撑材料可通过溶解液自动溶解，减轻了后处理工作量。
由于FDM单价较低，简单易用，从数量而言，FDM是目前出货量最大的增材制造设备。
（2）光固化SL（StereoLithography立体光刻）和材料喷射PolyJet
两者都使用液态光敏聚合物作为材料。
光敏聚合物材料的特点是固化过程无热反应，因而其精细度是所有工艺中最高的。
下图展示了FDM和光固化技术制品的差异，在未经处理前，FDM技术制品存在明显的层叠纹路，而光固化技术制品光洁细腻。
光固化方式下，激光光斑可控制在极小尺寸，能实现25um（平均100um）精度；材料喷射PolyJet方式下，喷墨打印头分辨率更高，可实现16um的业界最高精细度。
因而这两种技术都特别适用于对精细度有较高要求的场景，如浇铸模具或其他高硬度模具的母模；也可用在成品生产出之前的印刷和宣传片需要。
但是，光敏聚合物的缺点也很突出。
第一，材料有毒，需要配通风系统及防护手套等，并不适用于家庭和学校；第二，强度、刚度、耐热性有限，难以用作耐久性、耐热性等功能测试，也不易长期保存。
如FDM中用的ABS材料可耐受100摄氏度，SL中用的光敏树脂材料只能耐受50摄氏度。
光固化与材料喷射两者因原材料属性类似而应用重合度较高。
由于光固化技术商业化较早，目前安装量显著大于材料喷射，但我们认为，材料喷射技术的增速可能会高于光固化，尤其在中高端领域。
原因一：
Objet公司（现被Stratasys收购）开发的PolyJet设备使用的支撑材料可用高压水枪去除，而3DSystems公司的SLA设备需要较多的手工打磨处理；
原因二：
Objet公司的高端产品Connex设备可同时喷射两种不同材料，这是各种增材制造工艺中唯一能在一次作业中实现两种材料结合的技术，这令其可创造出特殊材料，例如可以建模那些同时含有橡胶握把和硬质部件的产品，如牙刷、剃须刀等。
（3）粘结剂喷射：
代表技术3DP（3DimensionPrinting）
这一技术也采用喷墨打印头，通过喷出液态粘结体将铺有粉末的各层固化，实现成型。
由于材料是粉末状，选择范围较上述工艺更广泛，塑料、陶瓷、石膏、砂都可用。
该技术最大特色在于：
1）可在粘结体中添加颜料，从而实现图片全彩打印，特别适合于彩色消费品外观展示、游戏人物造型等需要用色彩传递信息的场景；
2）成型速度快，可达其他技术5~10倍。
3DP的缺点在于层厚较高，表面粗糙；另外成型强度有限，但可以通过渗树脂等后处理手段加强。
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（4）粉末床熔化：
代表技术EOS公司的DMLS（DirectMetalLaserSintering直接金属激光烧结）
DMLS用高能量激光束或电子束照射铺好的粉末材料，将其熔化同时层层烧结固化。
由于也是采用粉末材料，其应用范围相当广泛，尤其在难熔、难加工材料有突出用途，包括钛，不锈钢，钴铬合金，工具钢等，制品能实现高度复杂性并达到高强度机械性能。
这令DMLS被认为是未来最有可能实现工业零件直接制作的技术。
已经实现的应用包括GE航空新一代发动机喷油嘴、可注塑10万件塑料的金属模具、医疗种植体如膝盖、脊柱种植体、牙齿修复等等。
在对增材制造服务商的调研中，EOS位居最想购买的设备的首位，如果加上同类别的Arcam和ConceptLaser，多达38%的服务商愿意新添臵粉末床熔化设备。
由于材料成本、聚合物粉末的回收以及惰性气体与安全性对设备要求，粉末床熔化相对较为昂贵。
设备价格远高于前几种技术。
EOS公司年销量约150台，远低于StratasysFDM设备3000多台销量，也低于3DSystems光固化设备1000多台销量，但其收入规模估计达后面两家公司的三分之二。
（5）直接能量沉积：
代表技术LENS（LaserEngeeringNetShape激光净成形）
如果形象地说粉末床熔化是“铺粉烧结”，那么LENS是“喷粉烧结”，即在材料从喷嘴输出时，用高能量激光同步熔化材料，凝固后形成实体层。
LENS与粉末床熔化一样适用于难熔、难加工材料，不同点在于喷粉方式的成型精度较低，但成型空间不受限制，因而常用于制作大型金属零件精密毛坯。
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此外，由于构建过程不再限于连续水平层，并可以同时使用多种材料，使LENS技术具有在现有零部件中添加材料、增加结构（如在平板上制造加强筋）、快速修复金属零件的独特功能，在军工、航空航天、高速列车等领域有良好应用前景。
我国在其他增材制造技术上落后于国外，但在LENS技术上的部分领域处于领先地位。
我国北京航空航天大学研究团队以及西北工业大学研究团队都取得杰出成就。
（6）片材实体成型：
代表技术LOM（Laminatedobjectmanufacturing）
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LOM是将材料薄片（如纸、塑料）用外力切出，经多层压制而成。
由于材料浪费严重、成型件表面粗糙及强度差等原因，片材实体成型技术有渐趋淘汰之势。
2、各技术间价格差异10倍
不同技术典型设备的价格差异非常巨大。
在相同建造尺寸的设备间进行比较，越低的价格往往意味着用于更易加工的材料，这些材料在强度、性能上较弱，更适合于制作原型，作为外观、功能验证用途；而越高的价格往往用于更难加工的材料，尽管成本大幅上升，但可能会适用于直接制造工业用零件。
3、材料性能、精细度、色彩、构建尺寸、价格等指标决定适用领域
不同技术由于各自的特点和局限性，在不同领域的应用也有所差别。
一般来说，材料挤出由于其成本较低，在价格导向的个人消费领域有较多应用。
在原型制作领域，根据原材料的不同采用的技术也有所差异，如热塑性材料采用材料挤出，光敏性材料则多采用材料喷射或光固化。
粉末床熔化和直接能量沉积则主要应用于工业领域。
上表仅仅列出特色的应用领域，实际上，随着新材料的推出和工艺的进步，更多的应用领域日益涌现，互相之间的重叠度也在加大。
4、光固化占当前最大市场销售额，看好粉末床熔化（激光烧结）前景
各类技术若按照设备的销售量划分（仅指5000美元以上的工业级设备），材料挤出占比最大41%，其次是光固化25%和材料喷射19%，这意味着从用户使用的广泛程度而言，这三种居前。
但由于设备价格差异巨大，销量无法正确反映市场容量。
因而我们根据各公司的单价水平估计了每类设备的销售额，以此推算的占比则是光固化最大31%，材料挤出22%，粉末床熔化21%。
未来何种技术最受关注？
根据WohlersAssociates对增材制造服务供应商的调查，目前盈利性最佳的是3DSystems公司的光固化设备，其次是EOS的粉末床熔化，Stratasys公司基于材料挤出的FDM，列第三。
但从未来增材制造服务商最想购买的设备来看，则依次是EOS的粉末床熔化、Stratasys的FDM和3DSystems的粉末床熔化。
若按技术类别，粉末床熔化的需求量超过了50%。
由于粉末床熔化能够处理难加工金属和复杂结构，是未来直接制造零件的理想选择，因而该技术在未来将可能获得更大的成长空间。
而目前盈利性最佳且市场销售额最大的光固化技术则可能面临增速放缓。
5、主要技术的详细介绍
（1）材料挤出（Materialextrusion）
材料挤出是通过挤压头挤出原材料，将原材料有选择性地沉积为层的一种成型原理。
它依靠挤压头或工作台的移动将截面堆积成型，且要求具有支撑结构。
一般而言，材料挤出使用的是热塑性丝状材料。
在所有的“增材制造”设备中，材料挤出技术应用最为广泛。
由于不需要激光器，它所制造的设备也是相对较为便宜的。
它主要有以下两种典型的发展方向：
Stratasys的FDM。
FDM使用双线轴材料，分别用于建造材料与支撑材料。
1989年Stratasys申请了FDM技术专利，并于1991年成功研发了全球首款基于FDM的3D打印机。
公司产品售价为0.95-50万美元，之所以部分FDM设备较为昂贵，主要因为它们能应用更多的材料，且能制作更大尺寸的零件。
由于FDM具有一些显著优点，该工艺发展极为迅速，目前FDM系统在全球已安装快速成形系统中的份额大约为30％。
售价为500-4000美元的低成本个人3D打印机。
2011年，Stratasys的FDM相关专利技术到期，在Reprap开源运动下相关软件源码可免费获得，从而个人3D打印机售价降低，销量快速爆发。
同时，全球也迅速诞生了许多生产销售低价个人3D打印机的公司。
（2）材料喷射（Materialjetting）
材料喷射是通过喷墨打印头有选择性地喷射建造材料液滴，并将其堆积成型的一种技术。
一般而言，材料喷射使用的是光敏聚合物或是能用作铸造模型的蜡质材料。
为了打印多种材料及提高成型速度，材料喷射系统能够同时使用多个打印头。
因此一个单独作业能够使用多种材料，分别用于创建支撑结构与建造材料。
材料喷射系统也可以打印多维材料及有梯度级别的材料零部件。
它主要的发展技术如下：
Stratasys的Connex设备通过同时喷射两种不同材料创造出了“数字材料”，且搭配不同比例材料生产出的零部件具有不同的材料特性。
数字材料是一种沉积时借助UV（紫外线）将其固化的光聚合物。
Stratasys单一建造材料的材料喷射系统价格为2-17.3万美元，而Connex系统则需花费16-60万美元。
3DSystems提供了一种被称为多喷墨建模的材料喷射技术。
该技术属于3DSystemsProJet系列系统，该系统还包含其他三种技术工艺。
ProJet系列材料喷射系统价格为6-16万美元。
Solidscape提供的产品能够生产用来铸造金属小部件的蜡模，即小型高精度蜡成型。
这个技术同时结合了专有热塑性的喷墨技术及每一层的高精度铣削，其价格为2.6-4.6万美元。
瑞典Höganäs公司开发了一个专注于不锈钢的金属陶瓷材料喷射系统，其零部件在构建后必须经过热处理。
（3）粘结剂喷射（Binderjetting）
粘结剂喷射是通过喷墨打印头将液体粘结剂挤到材料粉末中的一种成型技术。
该技术喷射的材料与材料喷射几乎一样。
但是，不同之处在于，该技术喷射的不是建造材料，而是一种使粉末保持所需形状的液体，即液体粘结剂。
粘结剂喷射技术起源于MIT，也被称为3DP（三维打印）。
20世纪80年代，MIT的学生保罗〃威廉姆斯和他的导师伊莱〃萨克斯教授发明了3DP。
由于当时的“增材制造”设备操作复杂且价格昂贵，3DP成为了受欢迎的替代品。
MIT将3DP相关技术申请了专利并授权给了ZCorp.、ExOne、Voxeljet等公司。
随后该技术的发展主要如下：
最初ZCorp.进行商业化的ZPrinter系统，目前作为3DSystemsPROJETX60系列在售，该系统使用的是石膏粉末及水溶性粘合剂，且部分机型还能够实现全彩打印。
ProJetx60系列是办公兼容3D打印机，它能提供一系列料仓、成型速度以及色彩选项，价格为1.65-11.39万美元。
ExOne开发出将液体粘结剂喷射到金属粉末床或砂粉床的技术。
金属零部件由粘结剂喷射生产出来后，必须与金属进行再次烧结和渗透。
ExOne设备为砂粉和金属材料提供料仓。
虽然对于金属零部件，还要考虑烧结和渗透耗费的额外时间，但是，这些设备仍能以相对较高的速度构建零部件。
ExOne系统因为拥有大型构建盒，所以较为昂贵，价格为12.5-140万美元。
Voxeljet提供的是带有宽幅打印头的大型系统，使用的粉末材料包括丙烯酸类聚合物和铸造砂。
粘结剂在室温条件下发生反应，但是在零部件移动之前，粘结剂必须在粉床中经过数小时的固化。
Voxeljet系统拥有大型料仓，所以与其他高分子材料“增材制造”系统相比较为昂贵，价格为12-140万欧元。
（4）片材实体成型（Sheetlamination）
片材实体成型是将多层材料薄片压成一个单独的三维实体的一种成型原理。
它通过刀具或激光束将实体的外形轮廓从纸、塑料或金属的材料薄片中切出（想象将一个杯子放在一张纸片上，沿着杯底的形状切出轮廓），当切片全部完成后，再将这些切片层按压融合为一个三维实体。
它主要的发展技术如下：
LOM由来自美国Helisys公司的MichaelFeygin于1986年研制成功，是首个商业化的片材实体成型技术，它使用的主要是一面涂有热熔胶的牛皮纸和一个用来连续压层的热压辊。
因为LOM工艺材料仅限于纸，性能一直没有提高，以逐渐走入没落，大部分厂家已经或准备放弃该工艺。
McorTechnologies的3D打印机以标准纸张层为建造材料，该设备使用A4或信纸大小的办公用纸，选择性地将水溶性胶粘剂分散到纸张层，且借助钨硬质合金刀片在每一层中切割以形成轮廓。
该技术的材料成本是业内最低的，设备价格范围从Matrix300+的3.64万美元到全彩色光圈模型的4.76万美元。
Fabrisonic的UAM也是一种片材实体成型技术，它的工作原理是使用超声波焊接技术将金属薄片叠加成坚固的金属物体。
Fabrisonic提供结合了UAM和全数控加工能力的SonicLayer™系列三个系统。
（5）光固化（Vatphotopolymerization）
光固化是使用光聚合在定向区域内固化液体光敏树脂的一种成型技术。
立体光固化成型（SL）由3DSystems创始人CharlesW.Hull于1984年开发并申请专利。
SL使用UV激光和计算机系统控制的X-Y扫描镜逐层在液体光聚合物的表面循着所打印形状的轮廓和横截面进行扫描。
1986年3DSystems推出商品化样机SLA-1，这是世界上第一台快速原形系统。
随着新技术的不断发展，SL设备销量逐渐下降，但3DSystems仍生产该设备，其SLA系统相对较为昂贵，价格为18.5-80万美元。
随后该技术的发展主要如下：
Envisiontec使用DLP来固化光敏树脂。
DLP使用高分辨率的数字光处理器投影仪来逐层固化液态光聚合物，从而快速精准的完成模型的制造。
DLP的发展带来了高分辨率和精细化的部件。
该公司的Perfactory系统通过一个透明建成区来固化光敏树脂，且自上向下地构建部件。
根据成型速度、容量等特性的差异，Envisiontec系统的价格区间为1.3-24万欧元。
DWS是一个光固化系统的意大利制造商。
与Envisiontec的Perfactory相似，DWS的零部件也是自上而下的构建，但它是通过一个透明容器使用固态激光器来固化光敏树脂。
根据成型速度、容量等特性的不同，DWS三个模型的价格位于1万欧元到30万欧元之间。
Lithoz的CeraFab7500使用LED光源来固化陶瓷光聚合物，其最低价为22万欧元；Asiga使用DLP与LED技术的Pico，售价为
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