三维打印产业发展概况

杨继全

(南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏南京 210042)

三维打印产业发展概况

杨继全

(南京师范大学电气与自动化工程学院，江苏南京 210042)

三维打印作为新兴战略产业已逐渐受到广泛的关注与重视。在介绍三维打印概况的基础上，分析了全球及中国三维打印发展现状，列出当前三维打印发展的几个趋势，为中国三维打印产业的健康持续发展提出了相应的发展思路与策略，最后指出了三维打印产业所面临的挑战。

三维打印;现状;趋势;思路

1 三维打印概况

三维打印(也称3D打印、快速成型、增材制造等)被认为是近20年制造技术领域的一次重大突破，也有众多国内外媒体称其为“第三次工业革命”的代表性技术。英国的著名杂志《经济学人》(The Economist)在2011年12月28日刊登文章“改变世界的三维打印技术”(Best of 2011:3D printing)指出，在3D打印技术得到广泛运用的情况下，制造业也许不再运用工厂这种将人力、资金、设备等生产要素大规模集中化的生产方式，而转变为一种以3D打印机为基础的、更加灵活的、所需要投入更少的生产方式。《经济学人》将这种趋势称之为“社会化制造(Social Manufacturing)”，当这种方式得以广泛的应用时，每台3D打印机都将可被视为一座协同运作的工厂。三维打印技术作为新兴产业，其在国内资本市场上也备受追捧。尽管3D打印在中国还是新兴行业，但在经济转型期间，旧行业很难看到希望，其估值极低，而能带来无限想象空间的新兴行业，尤其是革命性的公司，其发展潜力无可估量。

国外，尤其是欧美地区在三维打印技术方面的发展非常迅速。三维打印技术正逐渐改变美国制造业的格局，以至于2012年美国《时代》周刊已将三维打印产业列为“美国十大增长最快的工业”;英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。为重振美国的制造业，2011年6月份，美国出台了扶持三维打印产业的诸多政策，数亿美元资金开始涌入这个新兴的行业。

从国际市场来看，三维打印成型市场本身已进入商业化阶段，出现了多种成型工艺及相应的软件和设备，如美国的3D Systems公司、Stratasys公司、Z Corp公司(已与3D Systems公司合并)、德国的EOS公司、以色列的Objet公司(已与Stratasys公司合并)、瑞典的Arcam公司、比利时的Materialise公司等。

中国的三维打印市场已经渡过了启蒙期，正处于快速发展的阶段。相比发达国家，我国的三维打印技术及装备普及程度较差，一方面原因在于政府及相关机构对该领域的相关研究投入不够，仅由国家自然科学基金、“863”计划等部分项目给予资助，而资助力度仅够完成一些原理性的研究，无法向产品化、产业化的方向发展;另一方面原因在于国外三维打印设备非常昂贵，这类设备动辄几十万，甚至数百万元，这是广大的中小企业或者学校无法承担的，广大的普通民众更无法承受。目前国内的三维打印处于仅有零星研究、没有形成气候的阶段，这对于发展与形成新产业的确是十分不利的，并且很有可能影响我国在向制造强国和创新驱动等战略方向发展的步伐。

2 全球三维打印发展现状

从三维打印领域的年度权威报告“Wohlers Report 2012”，可看出当前三维打印的全球发展概况。

截止到2012年初，三维打印在各领域的分布如图1所示，主要应用在消费品、汽车、医疗、教育和航空工业等领域［1］。

图1 三维打印在各领域的分布情况

从每个国家和地区在全球三维打印市场所占份额来看(如图2所示)，美国占据绝对的优势，占38.3%的市场，其次是日本占据10.2%，德国占9.3%，中国大陆占8.6%，中国大陆和中国台湾的市场则占10.1%，仅次于日本［1］。可以肯定地说，2013年中国大陆可占据全球第二的位置，但是从绝对数量来看，与美国仍然有非常大的差距。

图2 各国和地区在全球三维打印产业中所占的份额

从亚洲地区来看(如图3所示)，中国大陆占32.9%的市场，与日本有一定的差距，其次是韩国、中国台湾和澳大利亚等国家和地区。

图3 亚洲国家和地区在亚洲三维打印产业中所占的份额

从全球销售额来看，2011年三维打印市场总共有17亿美元左右的销售收入(如图4所示)，包括两个部分:一部分是三维打印设备的销售收入;一部分是三维打印设计与制造服务方面的销售收入(该数据统计的是上千家三维打印设备销售、生产、材料、服务有关的公司所得到的数据)。

图4 三维打印全球市场销售收入

2004～2011年全球三维打印增长情况(如图5所示)，排除2008年全球金融危机造成整个行业下降的态势，基本上保证20%左右的市场增长率，但这部分数据仅是指工业三维打印领域的统计数据。

图5 全球三维打印产业增长情况(工艺型三维打印领域)

据Wohlers Report 2012预测，在工业型三维打印市场，未来几年的增长仍将保持稳步增长(如图6所示)，到2019年三维打印工业化设备的销售收入会达到70亿美元［1］。

图6 未来数年工业型三维打印市场增长情况预测

除了工业化三维打印设备是一个稳定增长的区域之外，最近两年，备受市场所热捧的应属于个人化的三维打印市场。由于该类三维打印的市场发展时间较短，其销量统计数据尚无法准确统计，据几家销量较大的公司的销售数据来计算，2011年总共销售23 265台，较2010年的市场增长量为289%，远高于工业化三维打印设备的市场增长量。

美国是三维打印领域的领头羊，奥巴马在最近几次的国情咨文中均提到，美国政府要投资建造包括三维打印的多个创新研究机构，希望能够把三维打印作为下一个振兴美国制造业的关键产业之一。如2012年8月投资3000万美元在俄亥俄州Youngstown建立制造创新研究所，主要研发三维打印技术，以带动制造业创新和增长，重新占据世界工业的领导地位。杜克大学企业家精神与商业化研究中心主任Vivek Wadhwa提出一个观点:三维打印技术的进步将使中国的制造业像过去20年里美国制造业那样迅速衰落!他认为未来三维打印的发展将使现在的规模化生产被个性化生产所取代，同时个性化的生产利用三维打印可以与现在的网络相结合，实现网络化的设计及定制，这样对中国传统的制造会带来巨大的冲击。

3 三维打印国内发展现状

我国三维打印技术研究工作起步于20世纪90年代初。我国早期对三维打印技术方面开展研究的科研机构主要有清华大学、西安交通大学、华中科技大学、南京理工大学、南京航空航天大学等。这些科研机构开始阶段在各成型工艺和成型设备的研究和开发方面各有侧重。目前仍从事三维打印技术研究的高校与科研机构有数十家，在相关的基础理论和关键技术的研究与开发方面均积累了较为丰富的经验和成果［2］。

当前，部分国产三维打印设备已接近或达到美国公司同类产品的水平，价格却便宜甚多，自主研发应用于三维打印的材料也逐步趋于完善，材料价格更具竞争优势。总体而言，我国已初步形成了三维打印设备和材料的生产与销售体系。

国内的家电行业在三维打印技术的应用上，走在了国内制造型企业前列。如广东美的、科龙，江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用三维打印系统来开发新产品，收到了很好的效果。近些年随着通讯事业在我国的高速发展，一些国内通讯巨头企业例如华为、中兴等公司也逐渐将三维打印技术引入到产品设计开发环节，使得公司对市场的响应效率、产品的竞争力提升了一个等级。

在模具制造业，三维打印技术同样起到了重要作用。利用三维打印技术制得快速原型，再结合硅胶模、金属冷喷涂、精密铸造、电铸、离心铸造等方法生产模具;快速成型件也可以直接或间接制得EDM电极，用于电火花加工生产模具;利用三维打印技术制得的快速原型也可以直接作为模具。

近年来，在国家科学技术部的支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆等地建立一批向企业提供三维打印技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了三维打印技术在我国的广泛应用，使我国三维打印技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为我国制造型企业的发展起到了支撑作用，提升了企业对市场的快速响应能力，提高了企业的竞争力，同时也为国民经济增长作出了重大贡献。

虽然目前三维打印市场整体的规模还很小，但这不代表三维打印未来就没有发展空间。为此，本课题组做了一些市场调研。现仅就国内的教育行业作简要分析。截止2011年，国内高校以及其他各类教育机构共有2 409所，总共研发人员4.2万人，普通中学有67 751所，职业中学有4 856所，普通小学有241 249所(以上数据来自《2012年中国统计年鉴》)。根据市场调查可以得到对三维打印需求的一些数据(见表1):在高等学校，从事研究与开发的人员中有2/3对三维打印有需求，不管是理科、文科还是工科;在普通中学，每个中学需要25台三维打印设备构建一个完整实验室;同样在普通小学情况相似，一个实验室需要25台设备左右;职业中学包括高中、中专、技校，每个学校建立2个实验室，共50台三维打印设备。通过以上情况可以粗略统计每个层次所需求的数量，高等学校共22.8万台，普通中学接近170万台，普通小学603万台。

不同层次的学校对三维打印的价格有不同的承受能力，承受能力最弱的就是小学，他们期望个人化的小型打印设备价格在几千到2万元左右;高等学校承受能力相对高一些，基本价格平均为15万元左右，由此可以计算出每个层次需要的设备占据市场的空间，其总共有2 800亿人民币左右的市场容量，但这不代表每年的采购量，仅表示在教育领域有如此规模的市场空间。

结合工业领域、医疗卫生领域、工艺品、建筑业等其他各市场的调研情况，国内三维打印市场的预期容量远大于1万亿元人民币的规模，这反映出当前的三维打印产业还有很远的道路要走。

表1 3D打印教育领域市场调查(2011年)

4 三维打印发展的趋势

三维打印的发展正日新月异，以下仅概述其中几个主要发展方向。

a.直接金属打印是未来的发展方向之一，从图7可以看出，直接金属打印占全球三维打印市场的份额从2003年的3.9%快速增加到2011年的24%，增长量一直在飞速地扩张，说明三维打印市场的对该类技术的需求远远高于市场平均发展速度。图8为直接金属打印的成型件。

图7 直接金属打印所占市场份额(2003～2011年)

图8 直接金属打印的零件

b.个人化的三维打印将迅速得以普及，逐渐得到业界的认可与推广。目前普遍的价格为5 000～20 000元人民币，对象主要为教育机构、DIY爱好者、设计师和中小企业。图9为作者所在的三维打印团队开发的针对个人和办公等场合使用的小型三维打印机。

c.生物三维打印将取代传统的医疗模型，美国和欧洲在生物打印方面做了很多研究工作，有的已经进入了临床试验［3］。如图10所示。

d.三维打印在一些新的工艺和新的应用方面

图9 个人化三维打印机

图10 三维打印在生物工程中的应用

会得到进一步的拓展。图11是德国的一个设计师Janjaap Ruijssenaars正在用三维打印制作一幢可让人居住的房子的设计效果图(据Tech Crunch报道)，计划于2014年完工。

图11 3D打印建筑效果图

三维打印在食品领域也显示出了其灵活、快捷、创意十足的优势，图12为国外用三维打印设备制作的巧克力等食品。

也有一些科研团队在尝试采用三维打印制作如图13所示的电路、显示屏或其他新产品。

5 三维打印产业的发展思路

国内三维打印产业虽有较好基础，但仍有很多不足，从政府层面上来讲，缺少统一的布局;从高校方面来看，研发后劲不足，尤其在后备的研发人才上;在工业方面的应用面比较窄，局限于某一部分的领域，远远没有拓及到食品、教育、新工业、民用等很多领域，尚未形成完整的产业集群。

图12 三维打印在食品领域中的应用

图13 三维打印在电路制作等新领域中的应用

如何发展国内的三维打印产业是个仁者见仁的论题，结合作者十余年来在三维打印技术研发及产业应用方面的经验，以下提供一些建议供参考。

a.制订三维打印产业的发展规划和相关引导政策。

首先在思想上要祛虚存真，现在很多报纸、媒体包括投资机构都在吹捧三维打印，容易造成一种三维打印“无所不能打、无所不能印”的假象，也已经形成了一定的市场乱象，给鱼目混珠者可乘之机扰乱方兴未艾的市场。

其次，各个地方政府和有关部门应该仔细梳理各自的三维打印产业发展现状、水平和优势，提出三维打印产业发展的重点及思路，因势利导选择性发展相应的三维打印技术及产业，而不是一窝蜂地盲目发展。

然后，对现有的地方三维打印产业链进行有效地整合，构建三维打印产业集群上、中、下游的完整产业链，形成强大的产业集群，而不是隔离式发展。

b.加强原始技术创新和关键技术研发。

在技术方面应该加强原始创新，对一些关键技术以及未来引领新型产业应用的方面提前加大支持力度，进行技术的引进和储备。重点解决三维打印产业的关键核心技术，如三维打印设计软件及设备、三维扫描软件及设备、三维打印设备生产工艺、三维打印材料制备及生产工艺等等。

c.加大应用领域引导和推进。

可以分行业进行引导和推进:(1)在教育领域，包括大学所使用三维打印技术和设备的比例都还非常低，而在已经运用三维打印技术和设备的教育机构，其使用率和效率仍相对较低。(2)在医疗领域，国内一些大型医院虽已尝试着应用三维打印，但往往是出于科研目的，没有走向真正为病人服务的通用化与常态化。三维打印在国内医疗领域的应用水平与美国相比仍有相当大的差距。(3)在工业、办公领域以及其他行业，也可以通过建立一些示范性工程，进行三维打印的普及或推广。

d.加强在人才培养与引进方面的力度。

引导国内高校科研机构以及全球的三维打印研发团队进行科研成果转化，培养高端的三维打印研发人才、应用型技术人员和产业工人，逐步形成三维打印产业大军。

e.完善针对三维打印产业的科技招商与融资体系。

作为一个新兴产业，很多小型公司在创业阶段会严重缺少资金，在政府的各个产业政策里虽然有一些规定，但没有落到实处，对于科技工作者创业是一个非常难的问题。所以在科技招商和融资方面，政府部门、开发园区和投融资等部门应该合力为创业型企业创造完善的投融资平台和创业环境。

6 三维打印产业面临的挑战

a.关键技术没有明显的突破。

三维打印未来发展的目标应做到如下4个方面:傻瓜式设计、一键式操作、宜人型材料、平民化价格。

傻瓜式的设计就是“所思即所见”。任何一个人都会天马行空式的胡思乱想，都会想像他心目中的理想造型为何模样，但有没有傻瓜式的设计软件或设计工具能帮助他快速实现呢?当前一些大的设计公司正在开发此类设计软件，如AutoDesk公司的123D软件，就是一款比较适合于普通用户使用的三维造型软件，图14即是用其设计的模型。这类傻瓜式的设计软件在国内尚是一个空白。

一键式操作即“所见即所得”，现在的三维打印设备操作都很复杂，远不像现在家用平面打印机操作那么简单，且模型后处理也较为麻烦，要想获得理想的模型，至少要经过一个比较长时间的培训。

图14 123D设计的三维模型

宜人型的材料是三维打印各成型工艺均面临的关键问题。目前常用的打印材料，如石膏粉末，虽然可以做彩色模型，但是无法做到百分之百循环利用;如PVC薄膜，虽然可以做透明型强度较高的零件，但材料浪费很严重，且无法回收;其他的打印材料，如金属粉末材料、液态树脂材料等也有上述类似问题存在，甚至有些成型材料在成形过程或后处理中对人体和环境造成一定程度的伤害，并有可能形成对环境永久性的破坏［4］。因此，如何研发宜人型的材料，是三维打印走向民用及办公领域过程中必须解决的关键问题。

平民化的价格也是制约三维打印实现普及和推广的重要因素。虽然个人化的三维打印现在有的已降到了每台几千元人民币，但对办公、对家庭用户有非常大帮助的办公设备离平民化还有很大的差距。可以想象，如果3D打印机降到现在平面打印机的价格，一个工厂能生产几十万台甚至几百万台三维打印设备，能够像现在的打印机、扫描仪一样作为计算机标配型外设，那个时候才能真正地说三维打印无论在上述关键技术，还是产业发展上都取得了实质突破。

b.知识产权保护面临挑战。

三维打印再加上三维扫描(也称逆向工程)，对知识产权的保护提出了很大的挑战，业界人士提出，三维打印技术普及后仿制或者修改别人的东西时怎么去保护产权问题，国内一些协会正在考虑这个问题，但还没有进入一个实际可操作阶段。

c.社会安全问题面临挑战。

如果三维打印进入家庭和个人，就像是把工厂搬入到家庭、办公室里，家庭就变成了一个无人监控的地下工厂。随着技术的飞速发展，实现金属零件的快速精确打印将越来越可能变成现实，离真实枪械打印的距离应该越来越短了。设想这样一种情形:一旦某个不法分子利用三维打印技术打印枪械和子弹、匕首以及其他管制器械，将会对社会安全造成极大危害，因此，如何进行三维打印产业的健康持续发展应是一个综合性的命题。

d.伦理道德问题面临挑战。

三维打印已可在实验室中进行细胞组装、人工皮肤和骨骼打印、肉制品打印等等，如果不加以约束和限制，数年以后可能会在实验室中打印出来器官、生物甚至是类人体，那时伦理道德问题也将面临严峻的挑战。

总结起来，三维打印是一个前景可观的新兴战略产业，国内三维打印产业在某些方面已经走在了前列，虽与美国相比仍有较大差距，但国内发展势头更为良好与快速，所以中国在三维打印方面应该奋起直追，同时戒骄戒躁、务虚务等。

［1］Terry Wohlers.Wohlers Report 2012［C］//Additive manufacturing and 3D printing state of the industry.Annual worldwide progress report.Colorado:Wohlers Associates，Inc，2012:125 －149.

［2］杨继全，徐国财.快速成形技术［M］.北京:化学工业出版社，2006:13－17.

［3］Alexander P，Valery A，Peter C.Heterogeneous Objects Modeling and Applications［M］.New York:Springer－ Verlag Berlin Heidelberg，2008:51 －156.

［4］ZHU Yufang，YANG Jiquan，CHEN Peng，et al.An Integrated design and fabrication approach for heterogeneous objects［J］.Advanced Materials Research，2012，383 －390:5810 －5817.

The Review on 3D Printing Industry Development

YANG Jiquan
(Nanjing Normal University，Jiangsu Nanjing，210042，China)

As strategic emerging industries，3D printing has gradually widespread concern and attention.It introduces the 3D printing technology development and development trend，puts forward some ideas and strategies for health and sustainable development of 3D printint industry，shows the challenges faced by 3D printing industry.

3D Printing;Status;Trend;Ideas

TH164

A

2095－509X(2013)05－0001－06

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.05.001

2013－04－02

杨继全(1973—)，男，安徽界首人，南京师范大学电气与自动化工程学院副教授、副院长，博士，主要从事三维打印技术基础研究、技术开发、产业转化与应用工作。