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“十二五”期间3D打印产业发展回顾

 

  “十二五”期间,中国3D打印产业的市场规模呈几何级增长态势,2015年3D打印产品和服务市场增长约38.2%,是全国3D打印行业最近 10年来增长速度最高的一年。而过去26年来,全球3D打印产业市场平均年增长率为 27%,最近3年的年复合增长率为 32.3%。预计2016年全球 3D打印产业的市场规模达到 100亿美元,2018年将比 2013年翻 4倍到 125亿美元,而 2020年将突破 210亿美元。

  全国3D打印产业的市场潜力巨大,从 2010 年开始,3D 打印行业整体收入进入加速期。2012 年全球3D 打印整体收入约为22.04 亿美元,主要包括设备、材料和服务三个部分,较2011 年的17.14 亿元增长了28.6%;2011年和2010 年,这一增长率分别为29.4%和24.1%,预计行业整体增速持续保持在20%左右。3D 打印设备和材料方面,2012 年的收入约为10.03亿元,较2011年的8.34 亿元增长了20.3%,2011 年和2010 年,这一增长率分别为28%和22.9%。3D 打印服务收入方面,2010 年、2011 年和2012 年的增长率分别为25.3%、30.7%和36.6%,收入增长呈现加速趋势。

  3D打印产业链自上而下主要包含打印材料、打印设备和打印服务三大类,这三类市场份额占比分别为37%、39%和 24%。

  一、3D打印产业发展格局良好

  “十二五”期间,国内3D打印产业发展格局良好。3D打印技术研发任务主要由清华大学、西安交通大学、华中科技大学等多所知名高校和部分专业研发机构承担,并且形成了产学研一体化的发展格局。

  国产3D打印企业处在发展上升期。3D打印设备的研制生产主要有两种形式,一种是以北京殷华、陕西恒通智能机器、湖北滨湖机电为代表的部分企业,依托高校研究成果,对 3D 打印设备进行产业化运作,实现了整机生产与销售;另一种是以南京紫金立德为代表的部分企业,采取引进技术与自我开发相结合的办法,实现了 3D 打印机的整机生产和销售。

  部分公司生产的便携式桌面 3D 打印机的价格已具备国际竞争力,成功进入欧美市场,产品技术逐步接近国外厂商同类产品,打印精度、打印速度、打印尺寸和软件支持等方面基本满足商用需求。部分东部发达地区企业采取购入 3D 打印设备,专门为相关企业的研发、生产提供服务。其服务范围涉及设计模具、样品制作、辅助设计、文物复原等领域,取得了良好的经济效益。同时,在政府推动和市场驱动下,部分产业链上游企业也纷纷考虑投资开展3D 打印设备生产和服务,3D 打印企业的数量和规模将进一步扩大。

  目前,国内 3D 打印产业发展呈现加速增长态势,技术侧重点根据地域经济特点而各有特色。北京、陕西、上海三地是国内 3D 打印专利申请量最多的省市,3D 打印的研究上均侧重于生物体制造、塑料成型、图像数据处理、电数字数据处理。陕西、辽宁、湖北等省份重工业基础雄厚,3D 打印研究侧重于金属粉末成型、激光烧结成型方法、金属材料镀覆等方面,广东、江苏轻工业和生物医药产业基础较好,3D 打印产业及技术研究侧重于生物体制造和塑料成型。目前国内 3D 打印较为突出的省市多有其域内的高校支撑,如北京的清华大学,陕西的西安交通大学、西北工业大学,湖北的华中科技大学,上海的上海大学、东华大学等高校。这些高校汇集了 3D 打印技术领域的领军人才,并带出来一批研究团队,也带动了其对于 3D 打印技术的研究。

  二、3D打印设备发展迅速

  “十二五”期间,全国3D打印设备发展迅速,3D打印设备保有量位居世界前列。中国快速成型制造设备制造商主要有:陕西恒通、北京殷华、北京隆源、武汉滨湖、南京紫金立德、湖南华曙等。 快速制造服务中心有:西安交大国家快速制造工程研究中心、宁波合创公司、苏中秉创公司、中山汉信、杭州先临三维、上海美唐机电等。目前已有100多家。

  相关研究机构有清华大学、西安交大、华中科技、北航、西北工大、中航工业北京航空制造工程研究所等,西安交大至今已开发出5个品种、11个系列产品。

  中国目前的3D打印机产品分为工业级、专业级和个人型、桌面型两种类型,正在逐步实现工业化量产,国内3D打印领军企业控制核心的专利与技术。3D打印上市公司有着40%以上的毛利率。小量生产形态居多、大多数产品操作复杂、成型条件正在逐步满足高精度3D模型需求,3D打印机正在进入消费性市场。

  据保守统计,“十二五”期间,中国有超过100家厂商制造个人级的3D打印机产品,并且,机台销售数字在近年高速增长。目前,国内3D打印机市场由萌芽阶段快速增长,预计每年的个人3D打印机销售数量将以成倍的速度上升。

  三、3D打印专利申请数量大幅增加

  “十二五”期间,中国3D 打印技术专利申请数量逐年增长,以 25%的份额占据世界第3的位置。3D 打印设备制造技术、3D 打印材料技术、3D 设计与成型软件开发、3D打印工业应用研究等方面研究成果丰硕,激光直接加工金属技术、生物细胞 3D 打印技术等已经处于世界先进水平。

  《2015年世界知识产权报告:突破式创新与经济增长》显示,2010年以来,全球3D打印领域的专利申请中,有超过1/4来自中国,这一占比为世界各国之最;报告说,在3D打印这项有潜力促进未来经济增长的前沿技术创新方面,中国是唯一向先进工业化国家靠近的新兴中等收入国家。相对于更早建立的创新型国家,中国的专利格局中,大学和公共研究机构的身影更为显著。

  近10年国内3D打印专利申请量增长迅猛。2010年前,国内几乎没有3D打印的专利申请,以2011年为起点,国内3D打印的专利申请量逐步提升,并在2012年迎来转折点(56件),迎来2013年的专利申请大爆发(624件)。在2014年,申请量几乎实现了双倍增长,达到1345件。截止到2015年6月1日,国内3D打印专利申请综述为2415件,其中外观设计专利141件,实用新型专利875件,发明1399件。

  四、3D打印产业应用领域广泛

  全国 3D 打印应用领域广泛,与各行业的结合日趋完善。目前3D打印主要应用于工业制造、军事、建筑、产品设计、快速模具制造、铸造、医学、考古、文化艺术、首饰加工等领域。从下游应用占比来看,2015年消费电子、汽车、医疗、航天分别占 20%、20%、15%和 12%。

  3D打印在汽车行业的应用主要有五大方面:1.用于设计;2.结构复杂零件的直接制作;3.汽车上的轻量化结构零件的制作;4.定制专用的工件和检测器具;5.整车模型的制作。

  国内3D打印在航空航天领域已经突破了钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂整体关键构件激光成形工艺、成套装备和应用关键技术。

  3D打印在医疗领域主要应用于医学模型快速建造、组织器官代替品制作、脸部修饰与美容。

  五、金属3D打印取得较大进步

  “十二五”期间,国内在金属3D打印领域取得了长足的进步。金属零件3D打印技术作为3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术,是先进制造技术的重要发展方向。为了满足国家科技发展及推广应用的需求,利用3D打印直接制造金属功能零件成了快速成型主要的发展方向。目前可用于直接制造金属功能零件的快速成型方法主要有:选择性激光烧结(Selective Lasver Sintering SLS)、选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)、电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting, EBSM)、激光近净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS) 等。

  2010—2015年,全国通过开展金属零件3D打印技术理论与工艺的研究,已有多家公司推出商品化的设备。金属零件的3D打印技术发展迅速,在各领域都取得了长足发展,已成为现代金属零部件制造的有效手段,在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了一定应用。工业制造:可应用于产品概念设计、原型制作、产品评审、功能验证。制作模具原型或直接打印模具,直接打印产品:3D打印技术制造的小型无人飞机、小型汽车等概念产品已问世,家用器具模型也被用于企业的宣传、营销活动中。文化创意和数码娱乐:可作为形状和结构复杂、材料特殊的艺术表达载体。科幻类电影运用3D打印技术塑造了部分角色和道具,3D打印技术制造的小提琴接近了手工艺的水平。航空航天、国防军工:可对形状复杂、尺寸微细、性能特殊的零部件、机构进行直接制造。生物医疗:可应用于人造骨骼、牙齿、助听器、假肢等的制作。消费品:可应用于珠宝、服饰、鞋类、玩具、创意DIY作品的设计和制造。建筑工程:可应用于建筑模型风动实验和效果展示,建筑工程和施工(AEC)模拟。教育:可应用于模型验证科学假设,用于不同学科实验、教学。在国内许多中学、普通高校和军事院校,3D打印机已经被用于教学和科研。个性化定制:可提供基于网络的数据下载、电子商务的个性化打印定制服务。

  六、3D打印材料研发受到重视,发展前景广阔

  “十二五”期间国内3D打印技术取得了快速的发展,随着3D打印装备趋于成熟和商业化,3D打印材料已经成为影响3D打印未来发展方向的关键因素。目前,3D打印用材料根据化学组分大体上可以分为有机高分子材料、金属材料、无机非金属材料和复合材料。根据行业知名报告wohlers report的数据,2013年全球3D打印产业产值达到了15.52亿美元,与2012年相比增幅44.5%,3D打印用材料2013年的产值达到了5.288亿美元,与2013年相比增幅26.8%,其中光敏类高分子材料约为22.89亿美元,激光烧结用高分子材料约为1.35亿美元。根据推测,未来3D打印产业将会形成材料、设备、服务并驾齐驱的局面。

  从总体上看,“十二五”期间是中国3D打印成形材料方面的起步阶段,发展迅速,并且正在逐步掌握材料研发的核心技术并形成一定的产业规模,这也与中国制造业长期以来的发展思路和经济结构的调整和发展相关。材料发展的进步在高性能终端零部件上体现得尤为明显,由于材料研发技术及产业化的发展,国内3D打印技术从原先主要应用于模型制作,现已逐步应用于太空、高端装备功能部件等国家重大战略的需求领域。

  七、3D打印产业受到资本市场高度关注

  2010—2015年,3D打印行业在国内以飞快速度进入人们的视线,其广泛的应用令人对其未来的市场空间产生无限联想,被誉为是引领“第三次工业革命”的新兴产业。越来越多的企业积极布局进入3D打印行业,渴望分得一杯羹。

  A股与3D打印相关的主要个股合计24家,在上、中、下游的分布分别是6、10和8家,分布最多的还是在中游打印设备及零部件投资项目。在上游材料中,绝大多数为金属材料,可见工业化生产也是驱动材料发展方向的核心动力。而在中游领域,大约80%的公司将视野直接定位于设备生产,而其中绝大多数专注于激光熔覆方向;零部件投资项目包括三维扫描和激光投影关键元件。下游打印成型领域中桌面级打印和工业级打印比例分布大约为1:1。

  国内A股3D打印投资潮集中在2011—2013年,发展模式包括:依靠高校平台进行产学合作,产业并购,自行研发,引进专业团队。在高校领域中,西安交通大学、华中科技大学、北航无疑成为公司合作的首选科研平台。

  八、3D打印产业带动就业增长

  新的技术必将推动新一轮的就业热,中国政府牵头开展3D打印关键共性技术攻关,大力推进3D打印进校园项目,普及3D打印基础知识及技能培训,完善3D打印技术研发技术人才培养体系,加快为从“中国制造”到“中国智造”转型提供人才支持。

  资料显示,“十二五”期间全国3D打印从业人数逐年攀升,每年的增长幅度在25%至40%之间,2012年3D打印行业从业人数1.3万人,2013年为1.92万人,2014年则增加至2.41万人,显示出良好的增长势头。另外,3D打印为大众创业、万众创新提供了有利条件,随着3D打印技术不断成熟,中国3D打印市场规模增长迅速,涌现了一批本土3D打印重点企业。3D打印展现了全民创新的通途,“互联网+”和3D打印相结合能够为大众创业、万众创新的最佳技术途径,同时带来创材、创新等科技的重大突破。

  目前,随着3D打印的逐步兴起,其带来的商机被越来越多的人察觉,涉足3D打印技术的店面也不断出现,盈利模式也各不相同,有的销售打印机,有的销售打印材料,有的销售打印成品⋯⋯3D打印被誉为“‘第三次工业革命’最具标志性的生产工具”,2013年6月份,深圳首家3D打印机体验站落户龙岗平湖华南城,一个月过后销售了25台小型3D打印机,纯利润超过10万元。紧接着7月28日,深圳首家3D打印照相馆在深圳科学馆开业,开业两天,询问的市民络绎不绝。2010年至2015年,有越来越多的创业者通过3D打印创造出财富,3D打印产业成为中国就业增长新的助推器。

  3D打印在中国以及国际上已经被列入教育的范畴,而不仅仅是职业培训。以中国台湾为例,政府给每家中小学8万元的扶持资金,将3D打印纳入中小学必修的劳工课中。

  中国制造行业目前数字化3D设计技术应用人才的缺口约为800万人,未来的需求还在不断攀升。经济的发展和技术的进步促生出一种比传统模式更加自由、灵活和有效的3D人才培养模式。这种培养模式的变革正是中国教育改革的重要方向。

  中国3D打印产业已经开启数字化设计教育模式,培养学生掌握有关科技创新,艺术创新,服务创新,市场模式创新的知识、方法和工具,具备协同创新的素质。

  线上的3D打印云平台和线下的3D职业教育构建的O2O学习模式,使学习方式由被动式向主动式、互动式转变,从知识传授转向能力培养,让泛在学习、移动学习、个性化学习成为现实。这种培养方式适应了未来基于网络的智能制造对人才的需求,让人的智力和知识在虚拟空间内得到最大化的开发,这种产学对接、实战训练、线上线下互动配合的多元的立体化的全新三维人才培养模式,不仅对探索“第三次工业革命”背景下的教育变革有着积极意义,而且对提升中国创新能力建设,积极应对产业升级带来的挑战,起到了先锋示范作用。

  西安交通大学

  卢秉恒 王永信 赵旷怡