1、中国3D打印行业研究下游市场应用概况中国3D打印行业研究-下游市场应用概况下游市场应用概况1、增材制造应用领域分布根据Wohlers Associates（2018）报告显示，2017年增材制造主要应用于航空航天、汽车、工业机械、消费品/电子、医疗/牙科领域，上述行业在增材制造整体应用领域的份额占比合计接近80%，已经成为航空航天等高端设备制造及修复领域的重要技术手段，逐步成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具。其中，增材制造在航空航天、汽车领域的应用占比逐年提升，2017年分别为18.9%、16.0%，相较于2015 年分别提升了2.3 个百分点、
2、2.2 个百分点。同时，增材制造的应用范围也在不断向建筑、服装、食品等领域扩展。2015-2017 年全球增材制造应用领域分布资料来源：Wohlers Associates: Wohlers Report 20182、航天航空及国防领域是金属3D 打印应用的重要领域（1）市场规模和增速根据Wohlers Associates,Inc 统计，2017 年度，全球增材制造行业市场规模达到了73.36 亿美元，按照销售规模排名，3D 打印在航空航天和国防工业的应用规模分别为18.9%和5.1%，市场规模分别为13.87 亿美元和3.74 亿美元。3D 打印技术在航空航天的应用规模近年来增长迅速，其市
3、场份额从2015 年的16.6%提升到2017 年的18.9%。当前，航空航天零部件产业产值规模超过1,500 亿美元，但3D 打印应用在其中的份额尚不足1%，未来市场空间巨大。2016 年6 月，空客公司搭载有增材制造部件以及拓扑优化设计的A350 完成了为期两年的测试，实验表明增材制造在实际工业上已经展现了技术可行性和未来潜力；2017年，波音公司宣布聘请挪威金属3D 打印公司Norsk Titanium AS，负责为波音787Dreamliner 飞机打印钛合金部件，以期将每架波音787 Dreamliner 飞机每架制造成本节省200300 万美元；美国GE 公司应用3D 打印技术生产
4、的喷气发动机LEAP-1C 已获得联邦航空局（FAA）和欧洲航空安全协会（EASA）的批准，该发动机被誉为“革命性推进系统”，是由通用电气和赛峰集团合资的CFM 公司所生产。2017 年12 月，由中国航发商用航空发动机有限责任公司负责研制的大型客机发动机验证机（CJ-1000AX），累计试车46 次，实现100%设计转速稳定运转，该发动机部分部件采用铂力特3D 打印技术实现技术突破，初步验证了核心机各部件及相关系统的性能、功能和匹配性，为后续开展深入研发及试制提供了有力支撑。（2）应用优势“轻量化”、“高强度”、“高性能”及“复杂零件集成化”一直是航空航天零部件制造和研发的主要目标。3D 打
5、印技术所制造出来的零件能够很好的迎合这些要求。其应用优势主要体现在以下几个方面：1）缩短新型航空航天装备及零部件的研发周期航空航天技术是国防实力的象征，世界各国之间竞争异常激烈。因此，各国都试图以更快的速度研发出更新的武器装备，使自己在国防领域处于不败之地。金属3D 打印技术让高性能金属零部件，尤其是高性能大结构件的制造流程大为缩短，而无需研发零件制造过程中使用的模具，这将极大的缩短产品研发制造周期。由于航空航天设备所需要的零部件往往都是一些需要单件定制的复杂部件，如果运用传统工艺制作势必会存在制作周期过长，且成本过高的问题。而3D 打印技术低成本快速成形的特点则能很好地弥补这一问题，3D 打
6、印工艺制造速度快，成形后的近形件仅需少量后续机加工，可以显著缩短零部件的生产周期，满足对航空航天产品的快速响应要求。加之该技术的高柔性、高性能灵活制造特点，以及对复杂零件的自由快速成形，金属3D 打印将为航空航天及国防装备的制造提供强有力的技术支撑。2）复杂结构设计得以实现3D 打印技术和航空航天、国防工业最契合的优势就在于其能够轻松实现复杂结构件的制造，过去依靠传统制造难以实现的复杂几何结构在以灵活著称的3D 打印技术面前不再是难题，同时，3D 打印工艺能够实现单一零件中材料成分的实时连续变化，使零件的不同部位具有不同成分和性能，是制造异质材料（如功能梯度材料、复合材料等）的最佳工艺，这大幅
7、提升了航空航天业的设计和创新能力。尤其对于工业基础相对薄弱的国家来说，3D 打印技术有助于缩小其与发达国家的差距。3）满足轻量化需求，减少应力集中，增加使用寿命减重是航空航天业最关键的问题之一，轻量化的组件能够显著降低飞机重量，提升燃油经济性。实现复杂结构意味着减重的潜力可以得到最大限度的激发。粗略统计，飞机重量减少一磅，平均每年可以节省1.1 万加仑燃油。美国GE 公司预计采用金属直接增材制造的零件，未来可占航空发动机零部件的50%，使其研发的大型航空发动机每台至少减重454kg。对于卫星和运载火箭来说，轻量化的意义尤为重大。金属3D 打印技术的应用可以优化复杂零部件的结构，在保证性能的前提
8、下，将复杂结构经变换重新设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果。而且通过优化零件结构，能使零件的应力呈现出最合理化的分布，减少疲劳裂纹产生的危险，从而增加使用寿命。4）提升航空航天装备的零部件强度和耐用性航空航天装备的零部件由于工作环境的特殊性通常对材料的性能和成分有着严格甚至苛刻的要求，大量试用各种高性能的难加工材料，而金属3D 打印技术可以方便地加工高熔点、高硬度的高温合金、钛合金等难加工材料。金属零件直接成形时的快速凝固特征可提高零件的机械性能和耐腐蚀性，与传统制造工艺相比，成形零件可在不损失塑性的情况下使强度得到较大提高。金属3D 打印技术可以提升航空发动机关键零部件的多项重要特性。美
9、国F16 战机上使用3D 技术制造的起落架，不仅满足使用标准，而且平均寿命是原来的2.5 倍。5）提高材料的利用率，降低制造成本相比传统制造方法，3D 打印技术在材料利用率方面具有无以伦比的优势。航空航天制造领域大多使用价格昂贵的战略材料，比如像钛合金、镍基高温合金等金属材料。3D 打印加工过程的材料利用率较高，可以节省制造航空航天装备零部件所需的昂贵原材料，显著降低制造成本。采用传统的制造方法，材料的使用率很低，而采用3D 打印技术能提高材料的利用率到60%，甚至到90%以上，从而显著降低生产成本。6）增材再制造是未来蓝海市场增材再制造就是利用增材制造技术对装备损伤零部件（包括战损和正常服役
10、中出现的损伤）进行再制造修复。金属3D 打印技术除用于生产制造之外，其在金属高性能零件修复方面的应用价值绝不低于其制造本身。航空发动机关键核心部件在工作中损伤报废严重、报废量大、损伤模式复杂，成为制约发动机维修周期和成本的主要因素，如烧蚀、裂纹、异物打伤等，因此，压气机叶片、涡轮叶片等航空发动机关键核心部件的再制造技术是目前国内外前沿研究技术和应用领域之一。3D 打印为再制造提供了个性化、高效率的实现手段，是欧美发达国家首选的航空发动机零部件再制造技术。通过利用增材制造的金属工艺探索几何形状修复，维修人员可以针对性的修复损伤零部件，而无需传统的主要结构修复或部件更换。该过程甚至可以在不拆卸和运
11、输回中央维护设施的情况下进行修理。以高性能整体涡轮叶盘零件为例，当盘上的某一叶片受损，则整个涡轮叶盘将报废，直接经济损失价值在百万之上。但是基于3D 打印逐层制造的特点，维修人员只需将受损的叶片看作是一种特殊的基材，在受损部位进行激光立体成形，就可以恢复零件形状，且性能满足使用要求，甚至是高于基材的使用性能。由于3D 打印过程中的可控性，其修复带来的负面影响非常有限。将3D 打印技术应用于高价值设备损伤零部件的再制造修复中，可以大幅节约成本，降低高价值备用件的库存量，节省开支，对于大幅提升损伤设备零部件的快速精确保障和降低企业成本有着重要的意义。金属3D 打印在航空航天业的应用3、汽车工业是3
12、D 打印技术最早的应用领域之一（1）市场规模和增速根据Wohlers Associates,Inc 统计，2017年度，3D 打印在汽车工业的应用规模占比为16%，市场规模达到11.74 亿美元。汽车行业由于自身规模大、研发投入多、应用3D 打印技术时间长等因素，在3D 打印技术应用中占据重要位置。汽车行业巨大的市场规模为3D 打印技术在汽车领域的应用提供了广阔的市场空间。保守估计，3D 打印未来即使只在每年过万亿美元的汽车研发、生产环节中占有很小的份额，比如1%，那其每年在汽车领域的市场规模将超百亿美元。随着目前3D 打印技术在汽车工业中的应用迅速增加，知名市场咨询机构Frost & Sul
13、livan 发布了的市场调查报告预测，汽车3D 打印的市场规模有望于2025 年达到43 亿美元。福特、宝马、兰博基尼、大众、通用、保时捷、本田、克莱斯勒、奔驰、奥迪等几乎所有的整车厂都在持续探索3D 打印带来的无限可能。（2）应用优势3D 打印技术在汽车行业的应用贯穿汽车整个生命周期，包括研发、生产以及使用环节。就应用范围来看，目前3D 打印技术在汽车领域的应用主要集中于研发环节的试验模型和功能性原型制造，在生产和使用环节相对较少。未来，3D 打印技术在汽车领域仍将被广泛应用于原型制造。随着3D 打印技术不断发展、车企对3D 打印认知度提高以及汽车行业自身发展需求，3D 打印技术在汽车行业的
14、应用将向市场空间更大的生产和使用环节扩展，在最终零部件生产、汽车维修、汽车改装等方面的应用将逐渐提高。1）在研发设计方面利用3D 打印技术，可以在数小时或数天内制作出概念模型，由于3D 打印的快速成形特性，汽车厂商可以应用于汽车外形设计的研发。相较传统的手工制作油泥模型，3D 打印能更精确地将3D 设计图转换成实物，而且时间更短，提高汽车设计层面的生产效率。目前许多厂商已经在设计方面开始利用3D 打印技术，比如宝马、奔驰设计中心。2）在材料方面3D 打印允许多样的材料选择，不同的机械性能以及精准的功能性原型制作，让制造商在前期可以随时修正错误并完善设计，使得错误成本最小化。3）在最终使用部件制
15、造方面汽车制造商借助3D 打印技术，能够实现小批量定制部件和生产自动化，并且可以实现有机形状、中空和负拉伸等复杂几何形状的创建和制造。在传统汽车制造领域，汽车零部件的开发往往需要长时间的研发、测试。从研发到测试阶段还需要制作零件模具，不仅时间长，而且成本高。当存在问题时，修正零件也需要同样漫长的周期。而3D 打印技术则能快速制作造型复杂的零部件，当测试出现问题时，修改3D 文件重新打印即可再次测试。3D 打印技术让未来汽车零部件的开发成本更低，效率更高。4、增材制造在其他领域的应用情况（1）医疗行业依照材料的发展与生物性能的差别，医疗领域3D 打印分为两类：非生物3D 打印与生物3D 打印。非
16、生物3D 打印是指利用非生物材料和3D 打印技术来打印非生物假体，非生物材料包括塑料、树脂、金属、高分子复合材料等，主要应用于齿科、骨科、医疗器械、辅助器械（术前模拟）、医用教学等医疗领域。生物3D 打印是基于活性生物材料、细胞组织工程、MRI 与CT 技术以及3D 重构技术等而进行的活体3D 打印，其目标是打印活体器官。相对于生物3D打印而言，非生物3D 打印的原理相对较为简单，所需材料也相对易得，因此在医疗领域的应用已经比较广泛。非生物3D 打印的产品大多不具备生物相容性，大多产品可归于医疗器械的范畴，具体应用在：个性化假体的制造，可用在骨科、齿科、整形外科等；复杂结构以及难以加工的医疗器
17、械制品，包括植入物与非植入物，如多孔结构的髋关节、模拟人体器官的医用模型等。医疗行业一直是3D 打印技术主流应用领域。以口腔医学为例，据市场研究机构Transparency Market Research报告，2016 年全球牙科3D 打印市场规模达9.03 亿美元，2025 年将达到34.41 亿美元，年复合增长率达到16.5%。3D 打印技术具有的灵活性高、不限数量、节约成本等特点，能够非常好地满足医学领域个体化、精准化医疗的需求。特别在口腔医疗领域，3D 打印对口腔材料、加工方式、医师技能、手术形态等方方面面产生颠覆性影响。3D 打印技术使数字化口腔医疗实现了从虚拟模拟到现实模拟的跨越，
18、是实现精准医疗的重要手段。（2）模具行业模具工业是全球最大的横向产业，面向每个主要的垂直工业制造业。无数的产品都需要通过生产线上的刀具夹具来生产或是由模具来制造，模具制造包括模制（注射、吹塑和硅胶）或铸模（熔模、翻砂和旋压）两大类。CNC 加工是在制造模具时最常用的技术。虽然它能够提供高度可靠的结果，但同时也非常昂贵和费时。所以很多模具制造企业也开始寻找更加有效的替代方式，3D 打印技术就是一个很好的替代方式。传统的模具冷却水路通过交叉钻孔行程内部网络，金属3D 打印技术则突破了交叉钻孔方式对冷却水路设计的限制，可以依据散热条件靠近模具表面设置随形水路，具有平滑的角度、更大的流量以及更高的冷却
19、效率。3D 打印模具涵盖了多个优点，包括：模具生产周期缩短；制造成本降低；模具设计的改进为终端产品增加了更多的功能性如随型水冷等；优化工具更符合人体工学和提升最低性能；定制模具帮助实现最终产品的定制化，提升注塑模具的生产效率以及模具寿命。（3）消费和电子产品行业消费品行业涵盖范围较广，主要包括手机、电子产品、电脑、家电、工具和玩具等行业。目前3D 打印在消费品行业的应用主要集中在产品设计和开发环节。消费品行业具有产品生命周期短，更新换代快的特性，需要持续不断的开发和投入。借助3D 打印的优势，可以缩短产品开发周期，大幅削减设计成本，现有的3D 打印技术可以实现各种复杂设计的模型制作，赋予设计师更多的自由，产品设计水平大幅提升，这对于消费品行业意义重大。另外，3D 打印已经在一定程度上解决了消费品行业产品定制化大规模应用的问题。随着技术的发展，个性化需求将持续释放。当大规模定制时代来临，消费者购买的对象由实物转变为数据。消费者对品牌的重视程度减弱，能否个性化定制成为消费者的首要考虑，其次是产品的设计和材料。数据的传递将替代传统供应链各环节之间的实物传递。
