3D打印技术产业化现状及发展趋势分析

唐 洋，陈海锋，刘志强，肖 倩

(西南石油大学机电工程学院，四川 成都 610500)

0 引言

3D打印技术是一种采用“增材制造”的三维制造技术。其思想源于1989年的美国麻省理工学院，并在20世纪后期得到了发展[1-2]。其制造方式是将三维模型转换为数据，采用分层加工、叠加成型的方式构建三维实体。3D 打印技术具有成型速度快、操作简单、通用性高等优点。

3D打印技术降低了制造业从业人员的技术门槛,也在企业的生产运作管理方面降低了资金投入,有利于实现制造业结构调整。在我国,由于国家相关政策对制造业的支持,为3D打印技术的发展提供了良好的条件；同时，3D打印的生产模式在工业制造中越来越受到重视。3D打印技术在商业中也有广泛的应用,拉动了整个3D打印产业链的发展,“互联网+3D打印机”的商业模式是新兴商业服务模式,是对传统商业服务模式的极大变革。

1 3D打印设备的发展

3D打印机是基于3D打印技术的打印设备。德国公布的一款纳米级3D打印机Photonic Professional GT具有较高的分辨率，能打印出具有纳米级微观结构的实体。维也纳技术大学发明了一款小型的3D打印机，只有牛奶盒大小。相比其他的机型，该款3D打印机的成本大为降低。电机工程师RichardHcrne研发了一款名为RichRap 的3D打印机。该款机器采用多种打印材料相结合的技术，能够实现彩色打印。世界上大型的3D打印机来自华中科技大学[3]。该打印机可降低部件设计的复杂度，缩短铸件工期。

对于增材制造技术和3D打印技术相结合的开发和应用，发达国家领先于发展中国家。从1988年商业化的增材制造设备销售开始，近30年来，各行业的技术领导者都先后引进增材制造技术。从3D打印设备应用的数量上来看，美国占有38%的份额，而日本、德国、俄罗斯和中国等紧跟其后。在全球范围内，美国和日本对3D打印技术的发展与应用走在前列。因工业起步晚，中国的3D打印技术发展缓慢；但由于行业的应用需求，其蓬勃发展的趋势日益凸显。

2 3D打印产业链分析

3D打印行业产业链覆盖了上游基础配件、3D打印设备、3D打印材料、支持配套、下游应用等环节，推动了传统产业的优化与升级[4]。3D打印行业产业链如图1所示。

图1 3D打印行业产业链示意图Fig.1 Industry chain of 3D printing

由图1分析可知，上游基础配件涉及控制电路板、电机、打印喷头等机电行业；3D打印设备商引领材料商的发展；配套企业成为该产业链的关键节点，将软件、销售、信息服务等行业联系起来；3D打印技术应用于不同的领域，包括航天航空、军工制造、建筑设计、食品加工等。

3D打印产业主要由设备、材料与服务组成。设备主要是指3D打印机、控制系统；材料是指各类型3D打印材料；服务是指利用3D打印机提供的商业服务，包括零件加工及售后服务。

2012年，全球3D打印机产业占比如图2所示。由图2分析可知，2012年3D打印产业主要以服务行业为主，占整个产业的一半以上，贸易额达到12.0亿美元。由于3D打印材料是3D打印技术的壁垒，各研究机构都致力于材料科学的技术突破，故该行业也占有很高的比重，贸易额达到4.2亿美元。

图 2 3D打印产业占比图Fig.2 3D printing industry account diagram

3 3D打印机产业市场分析

2010～2016年，全球3D打印设备总出货及增长率情况如图3所示。

图3 3D打印设备总出货及增长率情况图Fig.3 Total shipment and growth rate of 3D printing equipment

由图3可知，2015年全球3D打印设备的总出货量为23.02万台，达到了近几年的小高峰；而2016年上半年全球3D打印机的总出货量已达到14.08万台。总出货量几乎每年都在持续增长，增长率在2011年就达到154.34%的高峰，虽然在2014年后增幅有所下降，但是根据总的发展趋势来看，不足以说明3D打印机的发展趋于萎缩。

3.1 工业级3D打印机

专业级3D打印机又称为工业级3D打印机。工业级3D打印机主要应用于工业产品设计[5]。与传统的铸造技术相比，工业级3D打印机具有操作简单、自动化程度高、效率高等特点，适用于概念设计阶段的快速成型、玩具模型生产、医疗器械与人体器官制造、汽车与军事等行业。2010～2016年，全球工业级3D打印设备总出货及增长率情况如图4所示。

从图4分析可知，2014年后，工业级3D打印机的发展已出现开始下滑的趋势。出货量从2014年的1.29万台下降到2015年的1.16万台，同比增长-10.07%，到2016年仍然呈现持续下滑趋势。

图4 工业级3D打印设备总出货及增长率情况图Fig.4 Total shipment and growth rate of industrial grade 3D printing equipment

自2010年开始，工业级3D打印设备逐渐发展。其中，金属3D打印机占有工业级3D打印设备的大部分份额。尽管金属3D打印设备价格昂贵，但是近年销售量始终不断增长，说明了金属3D打印机在工业中的应用逐步受到重视。2015年，全球工业级3D打印设备出货量TOP5企业如表1所示。由于金属3D打印市场扩大化日益凸显，根据2015年全球工业级3D打印设备销售量排名，全球前五位的3D打印厂商中有3家的主要经营业务在金属3D打印领域。

表1 工业级3D打印设备出货量TOP5企业Tab.1 Total shipments of top 5 enterprises of industrial grade 3D printing equipment

3.2 消费级3D打印机

消费级3D打印机主要以桌面级3D打印机为主。其成型技术主要是熔融沉积制造(fused deposition medeling,FDM)技术，以高分子材料加工成的丝状材料作为该类型打印机的主要耗材。2010～2015年,全球消费级3D打印设备出货量及增长率情况如图5所示。

由图5可知，从2010年到2015年，全球范围内桌面级3D打印设备发展持续增长，这与专业级3D打印机成为发展焦点有关。虽然桌面级3D打印机普遍被认为是低端打印设备，但是随着FDM 熔融打印技术的发展的日趋成熟，市场竞争愈加激烈，2015年消费级3D打印机出货量达到21.87万台。

图5 桌面级3D打印设备总出货量及增长率情况图Fig.5 Total shipment and growth rate of desktop 3D printing equipment

根据2015年销售量数据统计，当年全球桌面级3D打印设备出货量TOP5企业如表2所示。由表2可知，XYZprinting在消费级3D打印机行业保持全球领先地位，其市场份额达到22.92%。根据全球主营消费级3D打印设备的公司发展状况来看，Stratasys和3D Systems两大公司市场份额大幅缩减，被Ultimaker和M3D取而代之。

表2 消费级3D打印设备出货量TOP5企业Tab.2 Shipments of top 5 enterprises of desktop 3D printing equipment

4 3D打印机的应用及质量指标分析

4.1 3D打印机应用

随着计算机控制技术和3D打印技术的发展，基于3D打印的计算机辅助制造已广泛运用于各行各业[6]。3D打印技术与网络技术的结合，创造了一个“互联网+3D打印机”的新商业模式。各行业3D打印机对比分析如表3所示。

表3 各行业3D打印机对比分析Tab.3 Comparison and analysis of 3D printers in different industries

分析表3可知，目前的3D打印设备呈现发展不平衡的特点。3D打印设备在工业和制造业运用更为广泛[7]，而且逐步向技术运用成熟化方向靠拢；而在生物、医疗[8]、教育等行业，其尚处于起步阶段，在这些行业运用的成绩不够显著。此外，3D打印机的通用性强，即使是同类型的3D打印机，也并不局限于在某一个特定行业的运用。

4.2 3D打印机的质量指标分析

4.2.1 打印速度

打印速度是3D打印机基本的指标。由于各生产商的标准不同，各机构对打印速度的定义也存在差异。①打印单个部件在Z轴方向构建一段距离所用的时间。这种定义方式适用于部件垂直建立速度快、X轴和Y轴尺寸方向速度受损影响小、效率受打印部件数约束小的3D打印机。②打印完成一个特定部件或者单个实体所需的时间。这种定义适用于打印单个具体部件的3D打印机。

目前，打印速度广泛的定义是打印喷头单位时间内的出料长度。通常认为，在不影响质量的前提下，打印速度始终是越快越好。现阶段的3D打印机的打印速度可以分为三个层次。第一层次打印速度是150 mm/s，第二层次打印速度是80～100 mm/s，而第三层次则是40～50 mm/s。

3D打印机的高速运转可能导致印刷质量不高。目前，市场上有部分3D打印机的速度已经达到150 mm/s以上。因为耗材必须跟随挤出机的运作而进行调整，所以在这种高速情况下，打印质量明显下降，技术未完全成熟，还未被充分认可。

4.2.2 分辨率

分辨率的表示方法有很多种，一般可以表示为每英寸点数(dots per inch，DPI)、Z轴单层厚、喷嘴直径等。这些指标与同类型的3D打印机可以比较，但是对于不同类型的3D打印机就不适用。

在实际应用中，通常都以喷嘴出料的直径来表示分辨率。在机器的概念设计阶段，总是将该指标设计得尽可能小，从而使打印出的部件质量更好。Dremel生产一种DigiLab数字制作产品3D45打印机。该机器采用一个加热打印床设计，可以兼容多种类型的线型耗材，其构建分辨率达到100 μm。

Wave3D展示了一款商用光固化成型(stereo lithography appearance,SLA)3D打印机Wave3D Pro，其分辨率则达到了50 μm。

4.2.3 打印精度

打印精度是打印部件与概念模型比较的准确程度，可以用打印部件与概念模型的相差尺寸表示。3D打印独特的制造特点决定了其在处理过程中容易受到部件尺寸、几何形状、材料的特性、光、热等因素的影响。所以在打印过程中必须进行补偿，以确保最终部件的准确度。

意大利Tecnica公司公布了一款叫CASA的3D打印机。该打印机配备了25 W的激光喷头，内置温度调节系统，能保证打印过程温度可控，精度可达70 μm。

4.2.4 材料属性

几乎每种3D打印技术都受限于具体的材料属性及类型[9]。与单种打印材料3D打印机相比，多种打印材料相结合的3D打印机可提高打印灵活性与多样性，扩展应用领域。

基于FDM熔融技术的3D打印技术常使用的材料类型及属性[10]如表4所示。

表4 3D打印材料及其属性Tab.4 3D printing materials and their properties

5 3D打印技术的未来发展

5.1 3D打印技术发展趋势

在大数据和信息化的背景下，单一化、纯机械化的3D打印机已不能顺应时代发展的需要。随着3D打印机运用的推广，对其技术发展也有更高的要求，主要表现在对3D打印机的操作便利性和打印完成的实体质量有更严格的要求。因此，控制技术与大数据、信息化、智能化的结合，将成为3D打印技术发展的新趋势。

①精密化。

随着制作工艺的提高，提升3D打印的精度是3D打印技术发展的必然趋势。多喷头交替打印、多材料结合打印、大型零部件打印等是3D打印技术的应用方向，对打印出来的部件表面质量和内部的物理性能都将有更高的要求。这得益于3D打印技术的高精密化指标，也是3D打印技术直接面向成品制造和零部件生产的保证。

②智能化和便捷化。

3D打印设备所具备的较高自动化程度，源于产品的软件设计、后期处理以及软件控制的优化。加工过程中不同材料的转换使用、部件内部的气泡去除、成型后的支撑材料修饰等，都需要程序化智能设备的配套支撑。基于3D打印技术生产的小型无人机、小型汽车等概念产品已用于商业宣传、营销活动中[11]。智能化和便捷化的一系列问题都直接影响3D打印的设备推广与应用。

③通用化。

通用化是指3D打印机运用越来越普及并且能“一机多用”。3D打印机作为计算机的外部输出设备,使用便利。用户通过相关软件设计的概念模型打印为三维实体。通过更换不同的打印材料，能打印出适用于不同场景的部件，节省了设备更换和维护的费用。3D打印服务成为行业发展的新潮流，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。

④稳定化。

稳定化包括控制稳定和运行稳定。随着工业的发展，工业级3D打印机必然会起到举足轻重的作用。在工业中，扰动因素复杂，必然会对工业3D打印机的稳定性有更高的要求。提高控制稳定性是对3D打印机控制器算法的优化，包括经典算法和人工智能算法在3D打印机的应用[12]。提高运行稳定性是指控制技术指标的优化，包括控制参数中超调量、滞后时间常数、稳态误差等指标优化。

5.2 3D打印技术应用趋势

3D打印技术的发展包括设备制造、材料研发与加工、软件设计、服务商等方面。若应用没有跟上，则会限制技术的发展。3D打印技术的应用将从多方面对传统制造业产生深远的影响。

①使制造模式发生深刻变革。传统的制造技术多采用减材加工的方式。这种方式最大的缺陷是原材料浪费严重。3D打印技术改变了这种加工模式，能有效节省材料、缩短加工时间、提高工业生产效率。

②带动产业技术的快速提升。3D打印技术是一门综合应用嵌入式系统、计算机辅助设计、激光、控制、网络、材料科学等诸多科学的高新技术。3D打印技术使该项高新技术由理论向实践转化。

③使商业模式发生革命性变化。3D打印可以使产品生产走向个性化、定制化，这将缩短产品推向市场的生命周期。其优势是通过互联网，快速建立高效的供应链、市场销售和用户服务网。该商业模式能实现敏捷制造、精益制造。

④推动人工智能的发展。21世纪人工智能已经开始融入大众生活。物联网、机器人、智能家居等智能化产品与3D打印机的结合，已成为3D打印改变传统制造业的新趋势。这将提高技术的共享性，从而促进3D打印与人工智能新技术的诞生。

6 结束语

3D打印技术是制造技术发展的一个里程碑，是人们在工业制造方面取得巨大进展的标志。随着3D打印技术的不断更新，该技术越来越多地进入人们的视野，使产品制造的高成本障碍得以缓解。3D打印技术在商业与服务业的应用，将促使生产模式、商业模式、竞争模式等发生巨大的变革，促进“个性化定制”商业模式的产生，并衍生出新的细分产业，引导新的经济发展，从而更好地提高人们的生活品质，为人们提供更优质的服务。

参考文献:

[1] 史玉升,张李超,白宇,等.3D打印技术的发展及其软件实现[J].中国科学,2015,45(2):197-203.

[2] 郭日阳.3D打印技术及产业前景[J].自动化仪表,2015,36(3):5-8.

[3] 向友来,杜艾,谢志勇,等.3D打印技术应用于加工微靶零件[J/OL].强激光与粒子束,2016,28(12):77-83.

[4] LEE J Y,AN J,CHUA C K.Fundamentals and applications of 3D printing for novel materials[J].Applied Materials Today,2017,7(7):120-133.

[5] 崔俊星.浅析工业制造中的3D打印机[J].中国新技术新产品,2016(3):25.

[6] 赵秋云,楚恩惠.3D打印机在各领域的发展前景[J].软件导刊(教育技术),2015(5):81-82.

[7] 李小丽,马剑雄,李萍,等.3D打印技术及应用趋势[J].自动化仪表,2014,35(1):1-5.

[8] SOON D S C,CHAE M P,PILGRIM C H C.3D haptic modelling for preoperative planning of hepatic resection:A systematic review[J].Annals of Medicine and Surgery,2016(10):1-7.

[9] ZOU R,XIA Y,LIU S Y.Isotropic and anisotropic elasticity and yielding of 3D printed material[J].Composites Part B:Engineering,2016(99):506-513.

[10]DUDEK P.FDM 3D printing technology in manufacturing composite elements[J].Archives of Metallurgy and Materials,2013,58(4):1415-1418.

[11]BRANS K.3D printing,a maturing technology[J].IFAC Proceedings,2013,46(7):468-472.

[12]郭飞,梁园,杨朝航,等.轴动式激光固化3D打印技术的研究与实践[J].自动化仪表,2017,38(8):14-16+22.