【干貨】3D打印的技術(shù)進(jìn)步從量變積累到質(zhì)變

1  引言：3D打印即將迎來爆發(fā)期
如果對3D打印的認(rèn)知還停留在那個(gè)又慢、又貴、僅能用來制作原型、離工業(yè)化還遙遙無期的酷感技術(shù)，那可能是因?yàn)?D打印近年來的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了您的想象。的確，從80年代就發(fā)明出來、經(jīng)歷了一輪又一輪概念炒作的3D打印，似乎終于要迎來真正的產(chǎn)業(yè)爆發(fā)期了。為什么是現(xiàn)在？我們的依據(jù)來自于：第一，3D打印技術(shù)近年來取得了較快發(fā)展，正在逐步突破原來的瓶頸，由量變進(jìn)化到了質(zhì)變，從而具有了進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域的可能；第二，3D打印已經(jīng)邁過了從科研成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的階段，轉(zhuǎn)向?yàn)閷⒓夹g(shù)產(chǎn)品大量而廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的階段。
而要理解這兩點(diǎn)，首先需要清楚3D打印的技術(shù)原理、工藝流程、優(yōu)勢與瓶頸是什么。本報(bào)告分為上下兩篇，上篇將詳細(xì)梳理3D打印的技術(shù)原理和近年來取得的技術(shù)突破，解析第一點(diǎn)依據(jù)；下篇?jiǎng)t整理3D打印的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，解析第二點(diǎn)依據(jù)。講清楚了這兩點(diǎn)，將會發(fā)現(xiàn)，那個(gè)關(guān)于3D打印帶來第三次產(chǎn)業(yè)革命的預(yù)言，正在由一個(gè)模糊的概念變得愈發(fā)可觸、可感、可控。

2  3D打印的技術(shù)原理與工藝流程
2.1   3D打印的技術(shù)原理
3D打印，俗稱“三維打印技術(shù)”或 “快速制造技術(shù)”，是對一系列“增材制造”技術(shù)的總稱。它通常以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)（3D打印機(jī)），利用激光束、熱熔噴嘴等方式，將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊的可粘合材料，進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，從而制造出實(shí)體產(chǎn)品。

3D打印技術(shù)集信息技術(shù)、精密機(jī)械及材料科學(xué)等科學(xué)技術(shù)于一身，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑�型或直接制造零件，被譽(yù)為是近20年來制造領(lǐng)域的最重大成果之一。

2.2   3D打印的工藝流程
3D 打印的工藝流程一般分為三步，即三維建模、產(chǎn)品成型和成品后處理。簡單來說，在進(jìn)行3D打印的之前，需要先通過計(jì)算機(jī)建模軟件進(jìn)行產(chǎn)品的建模（現(xiàn)成的模型文件可也），或者通過掃描設(shè)備獲取所打印產(chǎn)品的3D模型，比如動(dòng)物模型、人物、或者微縮建筑等等；然后將模型信息轉(zhuǎn)化成3D打印機(jī)可以識別的中間文件-STL文件數(shù)據(jù)，傳輸?shù)?D打印機(jī)上，打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個(gè)實(shí)體。

圖表 1 3D打印流程

資料來源：e-works數(shù)字化企業(yè)網(wǎng)，國信證券博士后工作站。

2.2.1三維建模
三維建模過程先通過CAD等計(jì)算機(jī)建模軟件建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面數(shù)據(jù)，即切片數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)打印機(jī)逐層打印。計(jì)算機(jī)建模軟件和3D打印機(jī)之間協(xié)作的標(biāo)準(zhǔn)文件格式是STL文件格式。一個(gè)STL文件使用三角面來近似模擬物體的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。三維文件的產(chǎn)生既可以來源于設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)物體，也可以通過掃描實(shí)際物體產(chǎn)生。PLY是一種通過掃描產(chǎn)生三維文件的掃描器，其生成的VRML或者WRL文件也被用作3D打印的輸入文件。


2.2.2產(chǎn)品成型
打印機(jī)通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。打印機(jī)打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米來計(jì)算的。一般的厚度為100微米，即0.1毫米，也有部分打印機(jī)如Objet Connex系列還有三維Systems’ProJet系列可以打印出16微米薄的一層。而平面方向則可以打印出跟平面激光打印機(jī)相近的分辨率。打印出來的“墨水滴”的直徑通常為50到100個(gè)微米。

2.2.3成品后處理
由不同打印技術(shù)特點(diǎn)和打印材料決定，3D打印機(jī)的分辨率有時(shí)對達(dá)不到應(yīng)用要求，為獲得更高分辨率的物品，需要進(jìn)行成品后處理。具體方法包括首先使用3D打印機(jī)打出稍大一點(diǎn)的物體，再經(jīng)過表面打磨得到表面光滑的“高分辨率”物品；在打印的過程中使用支撐物，例如打印有倒掛狀的物體時(shí)，需要用到支撐物，打印完成后通過成品后處理除去。

3  3D打印的技術(shù)優(yōu)勢
3D打印是對一系列“增材制造”技術(shù)的統(tǒng)稱，而所謂“增材制造”是相對于傳統(tǒng)制造業(yè)的“減材制造”而言的。傳統(tǒng)制造業(yè)的產(chǎn)品成型一般需要經(jīng)過開模具、鑄造或鍛造、切割、部件組裝等過程；相對于傳統(tǒng)制造業(yè)，增材制造是一種“自下而上” 的制造方法，不需要復(fù)雜的工藝、龐大的機(jī)床、眾多的人力，直接從三維建模數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件。因此，相對于傳統(tǒng)制造業(yè)，3D打印的的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

3.1   對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的邊際成本極低
就傳統(tǒng)制造而言，物體形狀越復(fù)雜，制造成本越高、耗時(shí)越久。而3D打印對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制造邊際成本幾乎為零，制造一個(gè)形狀復(fù)雜的物品并不比打印一個(gè)簡單的方塊消耗更多的時(shí)間、技能或成本，這打破了傳統(tǒng)制造業(yè)計(jì)算制造成本的方式。因此，所制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢就越明顯，在高度定制的部件，尤其是針對那些不可能通過傳統(tǒng)工藝來改進(jìn)的功能部件方面具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢。這將主要應(yīng)用于一些對于精度要求和工藝細(xì)節(jié)要求很高的制成品，包括小型零件和大型構(gòu)件。

圖表2 傳統(tǒng)制造技術(shù)與3D打印技術(shù)對比
資料來源：3D科學(xué)谷，國信證券博士后工作站。

例如F-22軍用戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身隔框是由鈦合金鍛件加工而成，傳統(tǒng)工藝的成本大約為加工1噸重量的鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件需花費(fèi)2500萬元。而LAM采用3D打印技術(shù)，節(jié)約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專用的模具，原本相當(dāng)于材料成本1-2倍的加工費(fèi)用現(xiàn)在只需要原來的10%。我國大型客機(jī)C919機(jī)頭工程樣機(jī)的鈦合金主風(fēng)擋整體窗框，也是用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的，只花了55天，零件成本不到20萬美元。
而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，還將至少帶來以下衍生的應(yīng)用價(jià)值：

3.1.1 輕量化
由于3D打印實(shí)現(xiàn)了各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的直接制造，從而使得通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化具有了可行性，降低產(chǎn)品重量的同時(shí)節(jié)省了寶貴的原材料，可以在航空、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、體育運(yùn)動(dòng)器材、船舶制造、列車機(jī)車等領(lǐng)域廣泛使用。具體來說，3D打印通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面實(shí)現(xiàn)輕量化的主要途徑有四種：中空夾層/薄壁加筋結(jié)構(gòu)、鏤空點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)、一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)。

圖表3 3D打印實(shí)現(xiàn)輕量化產(chǎn)品示例（左圖：中空夾層結(jié)構(gòu)；右圖：異形拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)）
資料來源：3D打印網(wǎng)，國信證券博士后工作站。

3.1.2 隨行冷卻
注塑成型是在傳統(tǒng)制造業(yè)中被大量使用的工藝。由于模具的質(zhì)量直接決定了注塑生產(chǎn)效率，并決定產(chǎn)品質(zhì)量，從而決定產(chǎn)品附加值，所以如何在最小周期時(shí)間內(nèi)，高效冷卻塑料產(chǎn)品成為隨形冷卻模具，是設(shè)計(jì)與制造過程中的關(guān)鍵考量因素，而冷卻在這其間扮演了重要的角色。傳統(tǒng)的模具內(nèi)冷卻通道是通過二次加工來實(shí)現(xiàn)的。通過交叉鉆孔產(chǎn)生創(chuàng)造管直線的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過內(nèi)置流體插頭來調(diào)整流速和方向。這種方法的局限性在于：渠道網(wǎng)絡(luò)的形狀是有限的，所以冷卻通道離模具的表面遠(yuǎn)，使得冷卻效率低。不僅如此，還也不得不面對額外的加工和裝配時(shí)間，以及盲點(diǎn)的渠道網(wǎng)絡(luò)可能被堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。而且，在復(fù)雜的情況下，為了預(yù)留隨形冷卻通道的加工，模具還需要被切分成幾個(gè)部分來制造，然后在拼接成一整塊模具，這導(dǎo)致了額外的制造環(huán)節(jié)，并且還會縮短模具的壽命�！�

3D打印制造擺脫了交叉鉆孔的限制，可以設(shè)計(jì)內(nèi)部通道更靠近模具的冷卻表面，并具有平滑的角落，更快的流量，增加熱量轉(zhuǎn)移到冷卻液的效率。還可以根據(jù)冷卻要求設(shè)計(jì)不同的冷卻回路，旨在以一致的速度進(jìn)行散熱，以促進(jìn)散熱的均勻性。

圖表4 3D打印技術(shù)在隨行冷卻方面的應(yīng)用實(shí)例
資料來源：3D打印網(wǎng)，國信證券博士后工作站。

3.1.3 設(shè)計(jì)空間無限
傳統(tǒng)制造技術(shù)和工匠制造的產(chǎn)品形狀有限，制造形狀的能力受制于所使用的工具。由于3D打印對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜性敏感度較低，將使得現(xiàn)在受制于制造工藝的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以在3D打印技術(shù)的輔助下突破這些局限，開辟巨大的設(shè)計(jì)空間。
空客、Arconic（一家專注于金屬3D打印的公司）等公司描繪了3D打印技術(shù)輔助下未來人類的生活場景——飛機(jī)、汽車、建筑乃至太空探索將呈現(xiàn)出完全不同的形態(tài)，而這并非完全是科幻小說，事實(shí)上一些技術(shù)已經(jīng)存在了，Arconic公司把這些設(shè)想實(shí)現(xiàn)的時(shí)間設(shè)定為2062年。


圖表 5  Arconic公司設(shè)想的2062年的3D打印技術(shù)應(yīng)用場景
資料來源：Arconic，國信證券博士后工作站。

3.2   小規(guī)模、定制化與多樣化
3D打印的成本對規(guī)模相對不敏感，一臺3D打印機(jī)可以打印各種形狀，可以用各種原料打印三維模型，應(yīng)用對象可以是任何行業(yè)，只要這些行業(yè)需要模型和原型。因此不必像傳統(tǒng)制造那樣設(shè)計(jì)專門的模具、配置專用的生產(chǎn)設(shè)備。因此3D打印更適用于生產(chǎn)小規(guī)模、定制化、多樣化的產(chǎn)品，從而改變了傳統(tǒng)制造的供給和需求關(guān)系，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)客戶需求高度個(gè)性化生產(chǎn)。
比如，在醫(yī)用領(lǐng)域，可以通過3D打印來打印病人的體內(nèi)器官或者組織模型，輔助制定精確的手術(shù)方案；體外醫(yī)療器械如假肢、助聽器、齒科手術(shù)模板等，已經(jīng)可以通過3D打印對特定病人實(shí)現(xiàn)深度定制。再如，在軍用領(lǐng)域，機(jī)械維修團(tuán)隊(duì)可以利用3D打印技術(shù)就地加工一些制成品，來保證緊急狀況下的機(jī)械平臺維護(hù)；而以往在大部分情況下，陸戰(zhàn)坦克、裝甲車等裝備在受到損害后，超過一定比例，就會因?yàn)槌杀驹�因直接廢棄。在快速制造高精度模型的領(lǐng)域，3D打印的優(yōu)越性是無法被傳統(tǒng)工藝取代的。

3.3   先天具有互聯(lián)網(wǎng)基因
制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展已經(jīng)成為“十三五”規(guī)劃的重要內(nèi)核，也是實(shí)現(xiàn)“中國制造2025”戰(zhàn)略規(guī)劃的重要手段。而3D打印的本質(zhì)是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型的制造方式，從建模到切片再到打印成型，天生就具備數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)的基因。3D打印可以通過互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)平臺，和物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)緊密融合，實(shí)現(xiàn)智能化制造，成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的重要途徑之一。

一是在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)端，實(shí)現(xiàn)“人人都可以開發(fā)產(chǎn)品”。3D打印支持構(gòu)建CAD分析和產(chǎn)品開發(fā)驗(yàn)證平臺，在這樣的一個(gè)平臺，3D打印技術(shù)能迅速將設(shè)計(jì)創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)物模型，特別針對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制作。企業(yè)和個(gè)人可以充分根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)和開發(fā)產(chǎn)品，不僅應(yīng)用自己的資源開發(fā)，更可以利用全社會、全世界的資源開發(fā)，從而打破了傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中設(shè)計(jì)和制造之間的生產(chǎn)資源、加工工藝壁壘，充分釋放了人的作用，讓創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)流動(dòng)了起來。同時(shí)，這些產(chǎn)品的數(shù)據(jù)將不斷積累在數(shù)據(jù)庫中，知識和經(jīng)驗(yàn)通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了共享，又將激發(fā)新的創(chuàng)新，一旦這種創(chuàng)新能力被釋放出來，未來的想象空間極大。

二是在生產(chǎn)制造端，實(shí)現(xiàn)“分布式制造”。由于工藝復(fù)雜，打印機(jī)購置成本高昂，打印需求不穩(wěn)定等，不是每個(gè)3D打印的客戶都需要購置3D打印機(jī)。通過打造線上線下聯(lián)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺，可以把閑置的3D打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)共享，平臺根據(jù)制造需求，將訂單分派到周邊的打印設(shè)備，能大大提高個(gè)性化定制的響應(yīng)速度，從而實(shí)現(xiàn)3D打印大規(guī)模定制化服務(wù)。而平臺自身由于鏈接起了上下游資源，可以在3D打印設(shè)計(jì)原型、數(shù)據(jù)提供、設(shè)備服務(wù)、工藝處理等方面快速積累優(yōu)勢。

4  3D打印的技術(shù)瓶頸
任何事物都具有兩面性，以往對于3D打印的認(rèn)知中所認(rèn)為的3D打印的技術(shù)瓶頸主要集中在以下幾點(diǎn)：

4.1   規(guī)�；�生產(chǎn)效率低
傳統(tǒng)的制造技術(shù)具有顯著的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，可以用較低的成本生產(chǎn)大量產(chǎn)品，主要面向同質(zhì)化產(chǎn)品的量產(chǎn)市場。而3D打印的成本對規(guī)模相對不敏感——單體的一體化成型，工作流程是完全固定的，對制造規(guī)模的邊際成本較低，打印1件產(chǎn)品需要10個(gè)小時(shí)，打印10件產(chǎn)品就需要100個(gè)小時(shí)。這種單體的一體化成型技術(shù)，從規(guī)�；�的生產(chǎn)效率上來講，肯定是比不上傳統(tǒng)制造業(yè)“行業(yè)內(nèi)分級零件加工+組裝”的效率的，因?yàn)楹笳呤窃谡{(diào)動(dòng)整個(gè)制造業(yè)體系的產(chǎn)能，半成品加工和分級加工可以把工序效率做到幾乎最高，相當(dāng)于整個(gè)業(yè)界就形成了一個(gè)流水線。因此，對于大規(guī)模、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品制造而言，由于無法形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，將使得產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間更長、產(chǎn)品價(jià)格更貴。

此外，目前的3D打印機(jī)體無法承受長時(shí)間，高強(qiáng)度的負(fù)荷，從長期來看且單體機(jī)的維護(hù)費(fèi)用和難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出傳統(tǒng)工藝把產(chǎn)業(yè)鏈平攤開的做法，這些都會導(dǎo)致規(guī)�；�生產(chǎn)的成本過高。據(jù)調(diào)研，如果使用3D打印的方式得到一件石膏制成品，耗時(shí)約24小時(shí)，而該產(chǎn)品的市場售價(jià)約為60000元；如果使用傳統(tǒng)的注塑的方法制造，由于批量生產(chǎn)的原因，每天約能生產(chǎn)120件，每件售價(jià)僅約50元（平安證券，2016）。

4.2   原材料種類和成本限制
增材制造工藝的材料都是特制的，一種3D打印機(jī)一般是使用某一種特定的打印材料，如金屬、尼龍、生物材料等，材料的性質(zhì)與打印成品的效率、性能高度相關(guān)。而原材料的種類和成本是3D打印目前所面臨的最大瓶頸。

首先，是原材料的適用性問題。3D打印技術(shù)對材料的性能和適用性的基本要求是可以液化、絲化、粉末化，在程序控制下打印后還要能重新結(jié)合起來；要性能穩(wěn)定，滿足3D打印連續(xù)生產(chǎn)的需要；要功能豐富，具有導(dǎo)電、水溶、耐磨等特性；要綠色環(huán)保，對人體安全且對環(huán)境友好，等等。但在現(xiàn)階段，3D打印材料的成熟度還不夠，材料精度、強(qiáng)度還不夠。在工業(yè)領(lǐng)域適用的金屬材料主要有10余種，鋁硅合金、鈦合金、鎳合金和不銹鋼相對比較成熟，但被普遍認(rèn)為生產(chǎn)成品的致密性、力學(xué)穩(wěn)定性不如傳統(tǒng)鑄造方法；在生物材料領(lǐng)域，現(xiàn)有材料打印出的結(jié)構(gòu)生物相容性較差，孔隙率小且孔洞分布不均勻，細(xì)胞附著生長繁殖率低，暫時(shí)還停留在模仿和藥物監(jiān)測階段，還不能實(shí)現(xiàn)特定功能性；在個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域，主流的有石膏、光敏樹脂、ABS塑料等�？傊�，現(xiàn)有材料與工業(yè)和民用領(lǐng)域成千上萬種材料需求相比還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

其次，是材料成本較高，限制了應(yīng)用領(lǐng)域。由于適用于3D 打印技術(shù)的材料有限且專用性較強(qiáng)，現(xiàn)階段量產(chǎn)較少，材料成本居高不下。如用于3D打印的石膏粉，市場價(jià)格在6元/克左右；用于桌面級3D打印機(jī)的進(jìn)口塑料線材的市場價(jià)格從50-500元/公斤不等，打印一個(gè)很小的玩具成本動(dòng)輒上百。材料成本是3D打印產(chǎn)品價(jià)格較貴的重要原因之一，限制了應(yīng)用的領(lǐng)域，尤其是民用領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖表 6淘寶網(wǎng)人氣最高的前三個(gè)3D打印ABS耗材
資料來源：淘寶網(wǎng)，國信證券博士后工作站。

通過以上分析，可以知道3D打印的兩個(gè)技術(shù)瓶頸主要來自于3D打印設(shè)備自身的打印效率以及所使用的原材料種類和成本的限制。打印效率低造成3D打印距離實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)還有距離；打印設(shè)備、原材料價(jià)格昂貴，打印效率低，造成3D打印產(chǎn)品成本居高不下，加上原材料的種類有限，限制了3D打印的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用范圍。而3D打印的效率又與原材料的品質(zhì)、工藝技術(shù)息息相關(guān)。因此，3D打印技術(shù)的突破，取決于3D打印設(shè)備的性能，以及原材料的品質(zhì)和價(jià)格的突破。

5  3D打印的技術(shù)進(jìn)化：突破瓶頸，從量變到質(zhì)變
我們通過上文的分析指出，3D打印技術(shù)的突破，取決于3D打印設(shè)備的性能，以及原材料的品質(zhì)和價(jià)格的突破，而這是整個(gè)3D打印行業(yè)從誕生至今30多年的努力方向。3D打印的設(shè)備不再停留在笨拙緩慢的階段，效率和可靠性不斷提高；3D打印的材料不再停留在中看不中用的階段，新材料不斷被研發(fā)和使用，成本逐漸下調(diào)；3D打印的應(yīng)用解決方案也不再是小打小鬧，正在逐步進(jìn)入多個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用�？傊�，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)逐漸從量變積累到了質(zhì)變，諸多因素匯集到一起催化了3D打印的潛能，原來的技術(shù)瓶頸正在被一步步突破，3D打印已經(jīng)開始進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域了。

圖表7 3D打印大事記


資料來源：國信證券博士后工作站。

5.1   打印技術(shù)：新技術(shù)層出不窮，效率和可靠性全面提升
3D打印技術(shù)問世于上世紀(jì)80年代，由查爾斯•赫爾發(fā)明，1986年他基于自己發(fā)明的SLA技術(shù)成立了3D Systems公司；1989年斯科特•克倫普基于本人發(fā)明的FDM技術(shù)成立了Stratasys公司。這兩家公司至今仍然引領(lǐng)著3D打印行業(yè)的發(fā)展方向。隨后，又出現(xiàn)了SLS、LOM、3DP等技術(shù)及依托于這些技術(shù)的公司。這五類技術(shù)被稱為3D打印的傳統(tǒng)五類技術(shù)。在3D打印近30年的發(fā)展歷程中，前20年都是以這傳統(tǒng)五類技術(shù)為核心進(jìn)行升級，3D打印技術(shù)還被稱為快速原型技術(shù)，制造的零件都是原型件即“模型”，尚不具備實(shí)用產(chǎn)品功能。

金屬3D打印機(jī)(SLM)的出現(xiàn)，標(biāo)志著3D打印從“快速原型”向“快速制造”過渡。SLM技術(shù)這一概念由德國Fraunhofer 激光技術(shù)研究所（ILT）[1]在1995年提出，隨后與SLM-Solution公司合作在2003年推出了第一臺專業(yè)的SLM設(shè)備。這一技術(shù)的突破使得3D打印技術(shù)能夠直接加工工業(yè)應(yīng)用的材料，從而讓人們看到了3D打印在工業(yè)、醫(yī)療以及航空航天領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。隨著成功案例逐漸增加，相關(guān)的研究向更加深入、廣泛的方向發(fā)展，尤其是近5年，新技術(shù)層出不窮，技術(shù)開發(fā)力度達(dá)到了歷史最高點(diǎn)（圖表8）。目前全球所有增材制造的研發(fā)公司的目標(biāo)都很明確，那就是——更快、更準(zhǔn)、更大、更可靠。

圖表8 增材制造領(lǐng)域?qū)＠�申請�?shù)量
資料來源：Castle Island，國信證券博士后工作站。
注：圖中藍(lán)線為1995-2014年專利申請的數(shù)量，粉線為2001-2014年專利申請數(shù)量的增長率。

在各類層出不窮的技術(shù)中，根據(jù)原材料形態(tài)、單元制造機(jī)理以及能量供給方式，市面上已存在幾十種不同的3D打印技術(shù)。為了比較這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，我們必須對技術(shù)進(jìn)行分類�；�于ASTM[2]制定增材制造標(biāo)準(zhǔn)的分類結(jié)構(gòu)，可以從三個(gè)層次上對現(xiàn)有的3D打印技術(shù)進(jìn)行歸類（圖表9）。第一層次包含基于設(shè)計(jì)、基于材料和工藝、基于術(shù)語和基于測試方法等的技術(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)；第二層次包含基于材料分類、加工工藝分類的技術(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)；第三層次在應(yīng)用行業(yè)需求層次上，包含基于適用材料分類、加工工藝分類的技術(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)（圖表9）。本報(bào)告采用第二層次——基于材料分類、加工工藝分類的技術(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)。

圖表9 ASTM增材制造分類結(jié)構(gòu)
資料來源：3D科學(xué)谷，國信證券博士后工作站。

根據(jù)ASTM的F2792標(biāo)準(zhǔn)，將3D打印技術(shù)基于加工工藝分類分為8大技術(shù)，分別為光聚合技術(shù)、粉末床融化技術(shù)、粘結(jié)劑噴射技術(shù)、材料噴射技術(shù)、層壓技術(shù)、材料擠出技術(shù)、直接能量沉積技術(shù)、混合增材制造技術(shù)（圖表10）。

圖表 10基于加工工藝分類的8大3D打印技術(shù)
資料來源：hybridmanutech.com，國信證券博士后工作站。

5.1.1 3D打印光聚合技術(shù)（VAT Photopolymerization）
使用這一技術(shù)原理的工藝包括：SLA光固化快速成形, DLP數(shù)字光處理，3SP掃描、旋轉(zhuǎn)、選擇性光固化,CLIP 連續(xù)液界面生產(chǎn)等。
適用的典型材料為：光敏樹脂。

光聚合技術(shù)是最早發(fā)展起來的快速成型技術(shù)，也是目前研究最深入、技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的快速成型技術(shù)之一。光聚合技術(shù)，主要使用液態(tài)光敏樹脂為材料，通過（激光頭或者投影，以及化學(xué)方式）凝固成型，逐層固化，最終得到完整的產(chǎn)品。

光聚合技術(shù)優(yōu)勢在于成型速度快、原型精度高，非常適合制作精度要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原型。使用光聚合技術(shù)的工業(yè)級3D打印機(jī)，最著名的是objet，該制造商的3D打印機(jī)提供超過123種感光材料，是目前支持材料最多的3D打印設(shè)備。

5.1.2 3D打印粉末床融化(PBF，PowderBed Fusion )
使用這一技術(shù)原理的工藝包括：SLS選擇性激光燒結(jié)，DMLS，SLM選擇性激光融化，EBM電子束激光融化，SHS選擇性熱燒結(jié)，MJF多噴頭融化

適用的典型材料為：塑料、金屬粉末，陶瓷粉末，砂子等。

粉末床融化工藝最早由美國德克薩斯大學(xué)提出，于1992年開發(fā)了商業(yè)成型機(jī)。粉末床融化技術(shù)利用粉末材料在激光或其他熱源照射下燒結(jié)的原理，由計(jì)算機(jī)控制層層堆結(jié)成型。粉末床融化技術(shù)同樣是使用層疊堆積成型，所不同的是，它首先鋪一層粉末材料，將材料預(yù)熱到接近熔化點(diǎn)，再使用激光在該層截面上掃描，使粉末溫度升至熔化點(diǎn)，然后燒結(jié)形成粘接，接著不斷重復(fù)鋪粉、燒結(jié)的過程，直至完成整個(gè)模型成型。
粉末床融化技術(shù)可以使用非常多的粉末材料，并制成相應(yīng)材質(zhì)的成品，燒結(jié)成品精度好、強(qiáng)度高，最主要的優(yōu)勢在于金屬成品的制作。該技術(shù)通過激光燒結(jié)可以直接燒結(jié)金屬零件，也可以間接燒結(jié)金屬零件，最終成品的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他3D打印技術(shù)。
粉末床融化技術(shù)雖然優(yōu)勢非常明顯，但是也同樣存在缺陷，首先粉末燒結(jié)的表面粗糙，需要后期處理，其次熱源多使用大功率激光器，除了本身的設(shè)備成本，還需要很多輔助保護(hù)工藝，整體技術(shù)難度較大，制造和維護(hù)成本非常高，普通用戶無法承受，所以目前應(yīng)用范圍主要集中在高端制造領(lǐng)域。

5.1.3 3D打印粘結(jié)劑噴射技術(shù)（Binder Jetting）
使用這一技術(shù)原理的工藝包括：3DP(3D打印名稱的由來）。
適用的典型材料為：塑料粉末，金屬粉末，陶瓷粉末，玻璃，砂子等。

粘接劑噴射3D打印技術(shù)由麻省理工在1993年研發(fā)出來，當(dāng)時(shí)的畢業(yè)生JimBredt和TimAnderson修改了噴墨打印機(jī)方案，變?yōu)榘鸭s束溶劑擠壓到粉末床，3D打印的名稱從此誕生。粘結(jié)劑噴射技術(shù)技術(shù)工作原理是，先鋪一層粉末，然后使用噴嘴將粘合劑噴在需要成型的區(qū)域，讓材料粉末粘接，形成零件截面，然后不斷重復(fù)鋪粉、噴涂、粘接的過程，層層疊加，獲得最終打印出來的零件。

粘結(jié)劑噴射技術(shù)的優(yōu)勢在于成型速度快、無需支撐結(jié)構(gòu)，材料廣泛，而且能夠輸出彩色打印產(chǎn)品，這是目前其他技術(shù)都比較難以實(shí)現(xiàn)的。粘結(jié)劑噴射技術(shù)的典型設(shè)備，是3DS旗下zcorp的zprinter系列，也是3D照相館使用的設(shè)備，zprinter的z650打印出來的產(chǎn)品最大可以輸出39萬色，色彩方面非常豐富，也是在色彩外觀方面，打印產(chǎn)品最接近于成品的3D打印技術(shù)。

粘結(jié)劑噴射技術(shù)也有不足，首先粉末粘接的直接成品強(qiáng)度并不高，只能作為測試原型，其次由于粉末粘接的工作原理，成品表面不如光聚合技術(shù)光潔，精細(xì)度也有劣勢，所以一般為了產(chǎn)生擁有足夠強(qiáng)度的產(chǎn)品，還需要一系列的后續(xù)處理工序。此外，由于制造相關(guān)材料粉末的技術(shù)比較復(fù)雜，成本較高，所以目前粘結(jié)劑噴射技術(shù)主要應(yīng)用在專業(yè)領(lǐng)域。

5.1.4 3D打印材料噴射技術(shù)（Material Jetting）
使用這一技術(shù)原理的工藝包括：Polyjet,SCP平滑的曲率打印，MJM多噴建模，Projet。
適用的典型材料為：光敏樹脂，樹脂，蠟等。

材料噴射技術(shù)大多采用陣列式噴頭，根據(jù)模型切片數(shù)據(jù)，幾百至數(shù)千個(gè)陣列式噴頭逐層噴射液體光敏樹脂、化學(xué)樹脂或熱融材料于平臺。工作時(shí)噴射打印頭沿XY平面運(yùn)動(dòng)，當(dāng)材料被噴射到工作臺上后，滾輪把噴射的樹脂表面處理平整，接著對聚合材料進(jìn)行光學(xué)或化學(xué)固化。完成一層的噴射打印和固化后，設(shè)備內(nèi)置的工作臺會極其精準(zhǔn)地下降一個(gè)成型層厚，噴頭繼續(xù)噴射材料進(jìn)行下一層的打印和固化。如此反復(fù)，直到整個(gè)工件打印制作完成。

材料噴射技術(shù)的優(yōu)勢是，加工精度高，打印層厚低至16微米，產(chǎn)品細(xì)節(jié)體現(xiàn)非常好。另外，材料噴射技術(shù)可同時(shí)噴射不同材料，適合多種材料、多色材料同時(shí)打印，因此可以滿足對產(chǎn)品不同顏色、透明度、剛度等方面的需求。

材料噴射技術(shù)目前應(yīng)用的瓶頸在于產(chǎn)品成本高，其所適用的材料價(jià)格貴，一般而言，打印過程材料消耗比光聚合技術(shù)大。

5.1.5 3D打印層壓技術(shù)（Sheet Lamination）
使用這一技術(shù)原理的工藝包括：LOM層壓技術(shù)，SDL選擇性沉積層壓,UAM超聲增材制造。
適用的典型材料為：紙張，塑料，金屬箔等。

層壓技術(shù)的基本原理如下。激光切割系統(tǒng)按照計(jì)算機(jī)提取的橫截面輪廓線數(shù)據(jù)，將背面涂有熱熔膠的片材進(jìn)行切割。切割完一層后，送料機(jī)構(gòu)將新的一層片材疊加上去，利用不同的層壓技術(shù)（熱粘壓、黏膠化學(xué)方法，或者超聲焊接，釬焊方式等）將已切割層粘合在一起，然后再次重復(fù)進(jìn)行切割。通過逐層地黏合、切割，最終制成三維物件。

層壓技術(shù)是傳統(tǒng)切削工藝與增材制造的結(jié)合工藝。不同于傳統(tǒng)切削工藝，它不是用大塊原材料進(jìn)行切割，而是將原來的零部件模型分割成多層，然后進(jìn)行逐層切割。層壓技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：成型速度較快，由于無需打印整個(gè)切面，只需要使用激光束將物體輪廓切割出來，所以成型速度較快；不存在收縮和翹曲變形，無須設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐結(jié)構(gòu)；相對成本低（非金屬類）；可以在打印過程中植入組件。

層壓技術(shù)的典型代表是LOM層壓技術(shù)，是當(dāng)前世界范圍內(nèi)幾種最成熟的快速成型制造技術(shù)之一，主要以片材（如紙片、塑料薄膜或復(fù)合材料）作為原材料。LOM層疊實(shí)體制造是目前眾多3D打印技術(shù)中唯一由中國企業(yè)掌握的關(guān)鍵技術(shù)。

值得注意的是，目前層壓技術(shù)的前沿代表是UAM超聲增材制造技術(shù)。這一技術(shù)來自德國的Fabrisonic，它的獨(dú)特之處在于其使用了一種將超聲波焊接與CNC數(shù)控加工機(jī)床結(jié)合起來的技術(shù)，因此被稱為超聲波增材制造（UAM）技術(shù)。

UAM主要使用使用超聲波去熔融用普通金屬薄片拉出的金屬層，從而完成3D打印。其制造過程包括通過使用頻率高達(dá)2萬赫茲超聲波施加在金屬片上，用超聲波的振蕩能量使兩個(gè)需焊接的表面摩擦，構(gòu)成分子層間的熔合，然后以同樣的原理逐層連續(xù)焊接金屬片，并同時(shí)通過機(jī)械加工來實(shí)現(xiàn)精細(xì)的3D形狀，從而形成堅(jiān)實(shí)的金屬物體。

UAM方法最大的特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)異種金屬在真正冶金學(xué)意義上的粘合，可以使用的金屬材料包括鋁、銅、不銹鋼和鈦等。由于超聲波焊接的特性，UAM工藝是固態(tài)的，不涉及熔化，因此生成的結(jié)合體不會產(chǎn)生不必要的冶金變化。這個(gè)工藝可以用來將導(dǎo)線、帶、箔和所謂的“智能材料”比如傳感器、電子電路和致動(dòng)器等完全嵌入密實(shí)的金屬結(jié)構(gòu)，而不會導(dǎo)致任何損壞。從而為電子器件的設(shè)計(jì)帶來新的可能性。2016年美國航空航天局（NASA）蘭利研究中心與Fabrisonic 公司合作，使用Fabrisonic的UAM 3D打印機(jī)將FBG傳感器嵌入到宇航飛船的金屬零部件中，以長期監(jiān)測零件的應(yīng)變。

5.1.6 3D打印材料擠出技術(shù)（Material Extrusion）
使用這一技術(shù)原理的工藝包括：FFF電熔制絲，F(xiàn)DM熔融擠出。
適用的典型材料為：塑料長絲，液體塑料，泥漿（用于建筑類）。

材料擠出技術(shù)，是將絲狀熱熔性材料加熱融化，通過帶有一個(gè)微細(xì)噴嘴的噴頭擠噴出來。熱熔材料融化后從噴嘴噴出，沉積在制作面板或者前一層已固化的材料上，溫度低于固化溫度后開始固化，通過材料的層層堆積形成最終成品。

材料擠出技術(shù)的典型代表是FDM熔融擠出技術(shù)。在3D打印技術(shù)中，F(xiàn)DM的機(jī)械結(jié)構(gòu)最簡單，設(shè)計(jì)也最容易，制造成本、維護(hù)成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面級3D打印機(jī)中使用得最多的技術(shù)，而工業(yè)級FDM機(jī)器，主要以Stratasys公司產(chǎn)品為代表。FDM技術(shù)的桌面級3D打印機(jī)主要以ABS和PLA為材料，ABS強(qiáng)度較高，但是有毒性，制作時(shí)臭味嚴(yán)重，必須擁有良好通風(fēng)環(huán)境，此外熱收縮性較大，影響成品精度；PLA是一種生物可分解塑料，無毒性，環(huán)保，制作時(shí)幾乎無味，成品形變也較小，所以目前國外主流桌面級3D打印機(jī)均以轉(zhuǎn)為使用PLA作為材料。

FDM技術(shù)的優(yōu)勢在于制造簡單，成本低廉，但是桌面級的FDM打印機(jī)，由于出料結(jié)構(gòu)簡單，難以精確控制出料形態(tài)與成型效果，同時(shí)溫度對于FDM成型效果影響非常大，而桌面級FDM 3D打印機(jī)通常都缺乏恒溫設(shè)備，因此基于FDM的桌面級3D打印機(jī)的成品精度通常為0.3mm-0.2mm，少數(shù)高端機(jī)型能夠支持0.1mm層厚，但是受溫度影響非常大，成品效果依然不夠穩(wěn)定。此外，大部分FDM機(jī)型制作的產(chǎn)品邊緣都有分層沉積產(chǎn)生的“臺階效應(yīng)”，較難達(dá)到所見即所得的3D打印效果，所以在對精度要求較高的快速成型領(lǐng)域較少采用FDM。

5.1.7 3D打印直接能量沉積技術(shù)（DED，DirectedEnergy Deposition )
使用這一技術(shù)原理的工藝包括：LMD激光金屬沉積，LENS激光凈型制造，DMD直接金屬沉積（DM3D)。
適用的典型材料為：金屬絲，金屬粉，陶瓷等。

直接能量沉積技術(shù)是一種很重要的金屬材料增材制造方法。它是以金屬粉末或金屬絲材作為原材料，在高能熱源的作用下直接將金屬在基板上熔化逐層堆積成型，進(jìn)而完成零件快速成型制造。直接能量沉積技術(shù)包括激光、等離子、電子束幾種不同的熱源，材料包括粉末或絲狀兩種主要的形態(tài)。金屬材料在沉積過程中實(shí)時(shí)送入熔池，這類技術(shù)以激光近凈成形制造（LENS）、金屬直接沉積（DMD）技術(shù)為代表，由激光在沉積區(qū)域產(chǎn)生熔池并高速移動(dòng)，材料以粉末或絲狀直接送入高溫熔池，熔化后逐層沉積，該技術(shù)成形出毛坯，然后依靠CNC數(shù)控加工達(dá)到需要的精度。
直接能量沉積技術(shù)沉積效率高，其最大優(yōu)點(diǎn)是不受軸的限制，因此容易通過機(jī)械手實(shí)現(xiàn)大尺寸加工和自動(dòng)化。另外，直接能量沉積技術(shù)非常適合修復(fù)零件，可以在同一個(gè)零件上使用多種材料。

5.1.8混合增材制造技術(shù)（HYBRID）
使用這一技術(shù)原理的工藝包括：AMBIT,該名稱由HybridManufacturing Technologies公司提出。
適用的典型材料為：金屬粉，金屬絲，陶瓷等。

混合增材制造技術(shù)是指與當(dāng)前的CNC數(shù)控加工機(jī)床配套的增材制造方法。AMBIT是一個(gè)由系列工具頭和對接平臺組成的多任務(wù)系統(tǒng)。它能夠把大多數(shù)數(shù)控機(jī)床（CNC）轉(zhuǎn)化成基于激光融覆技術(shù)的金屬3D打印設(shè)備以用于制造，并在極短時(shí)間內(nèi)切換這些功能。
混合增材制造技術(shù)通過將AMBIT工具可變沉積頭加到現(xiàn)有的CNC上以實(shí)現(xiàn)金屬3D打印，提供了一種新的方式來使增材制造的應(yīng)用擴(kuò)大——使其作為CNC的一種升級功能。此外，混合增材制造技術(shù)采取自動(dòng)化的過程來完成制成材料去除，精加工和檢測，因而能夠完成單一技術(shù)無法獨(dú)立完成的精加工任務(wù)。

5.2   材料技術(shù)：新材料范圍拓展，性能提升成本下調(diào)
3D打印材料成為限制3D打印發(fā)展的主要瓶頸，也是3D打印突破創(chuàng)新的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)所在。以往3D打印原材料之所以成為制約行業(yè)發(fā)展的重要瓶頸，很大的一個(gè)原因是3D打印市場尚未培育成熟，下游需求不足，產(chǎn)量少、研發(fā)不足，所以發(fā)展較慢。近年來隨著3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加速，材料領(lǐng)域的研發(fā)也在加快步伐，新材料范圍不斷拓展，目前的材料種類已超過200多種，性能不斷提升，成本逐步下調(diào)，應(yīng)用范圍不斷拓展（圖表11）。尤其是世界各國都非常重視新材料領(lǐng)域的研發(fā)，如我國將新材料列為七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)之一，政策的扶持以及巨大的市場空間，將進(jìn)一步加快3D打印材料技術(shù)的更新速度。


圖表11 3D打印材料與應(yīng)用領(lǐng)域分布
資料來源：GridlogicsTechnologies Pvt Ltd ，3DPrinting Technology Insight Report.

從主流材料的發(fā)展方向來看，3D打印材料主要包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料和復(fù)合材料等。
5.2.1聚合物材料
(1)    工程塑料
工程塑料指被用做工業(yè)零件或外殼材料的工業(yè)用塑料，是強(qiáng)度、耐沖擊性、耐熱性、硬度及抗老化性均優(yōu)的塑料。工程塑料是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的一類3D打印材料，常見的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯砜（PPSF）、聚醚醚酮（PEEK）、彈性塑料（EP）、Endur、尼龍材料等。
1）ABS
ABS材料因具有良好的熱熔性、沖擊強(qiáng)度，成為通過熔融沉積3D打印的首選工程塑料。目前主要是將ABS預(yù)制成絲、粉末化后使用，應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有日用品、工程用品和部分機(jī)械用品。近年來ABS不但在應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，而且性能不斷提升，借助ABS強(qiáng)大的粘接性、強(qiáng)度通過對ABS的改性，使其作為3D打印材料在更廣范圍得到應(yīng)用。
2014年國際空間站用ABS塑料3D打印機(jī)為其打印零件；世界上最大的3D打印材料公司Stratasys公司研發(fā)的最新ABS材料ABS-M30，專為3D打印制造設(shè)計(jì)，機(jī)械性能比傳統(tǒng)的ABS材料提高了67%，從而擴(kuò)大了ABS的應(yīng)用范圍。

圖表12 使用ABS材料打印的齒輪和車鏈模型
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

2）PA
PA強(qiáng)度高，同時(shí)具有一定的柔韌性，因此可直接利用3D打印制造設(shè)備零部件。利用3D打印制造的PA碳纖維復(fù)合塑料樹脂零件強(qiáng)度韌性很高，可用于機(jī)械工具代替金屬工具。另外，由于PA的粘接性和粉末特性，可與陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉等混合，通過粘接實(shí)現(xiàn)陶瓷粉、玻璃粉、金屬粉的低溫3D打印。索爾維公司作為全球PA工程塑料的專家，基于PA的工程塑料進(jìn)行3D打印樣件，用于發(fā)動(dòng)機(jī)周邊零件、門把手套件、剎車踏板等。用工程塑料替代傳統(tǒng)的金屬材料，最終解決了汽車的輕量化問題。
3）PC
PC具有優(yōu)異的強(qiáng)度，其強(qiáng)度比ABS材料高出 60%左右，因此適合于超強(qiáng)工程制品的應(yīng)用。索爾維公司作為全球PA工程塑料的專家，基于PA的工程塑料進(jìn)行3D打印樣件，用于發(fā)動(dòng)機(jī)周邊零件、門把手套件、剎車踏板等。德國拜耳公司開發(fā)的PC2605可用于防彈玻璃、樹脂鏡片、車頭燈罩、宇航員頭盔面罩、智能手機(jī)的機(jī)身、機(jī)械齒輪等異型構(gòu)件的3D打印制造。
4）PPSF
PPSF具有最高的耐熱性、強(qiáng)韌性以及耐化學(xué)品性，在各種快速成型工程塑料材料之中性能最佳，通過碳纖維、石墨的復(fù)合處理，PPSF顯示出極高的強(qiáng)度，可用于3D打印制造高承受負(fù)荷的制品，成為替代金屬、陶瓷的首選材料。
5）PEEK
PEEK具有優(yōu)異的耐磨性、生物相容性、化學(xué)穩(wěn)定性以及楊氏模量最接近人骨等優(yōu)點(diǎn)，是理想的人工骨替換材料，適合長期植入人體�；�于熔融沉積成型原理的3D打印技術(shù)安全方便、無需使用激光器、后處理簡單，通過與PEEK材料結(jié)合制造仿生人工骨。
6）EP
EP（Elasto Plastic）即彈性塑料，是Shapeways公司最新研制的一種3D打印原材料，它能夠避免用ABS打印的穿戴物品或可變形類產(chǎn)品存在的脆性問題。顧名思義，Elasto Plastic是一種新型柔軟的3D打印材料，在進(jìn)行塑形時(shí)和ABS一樣均采用“逐層燒結(jié)”原理，但打印的產(chǎn)品卻具有相當(dāng)好的彈性，易于恢復(fù)形變。這種材料可用于制作像3D打印鞋、手機(jī)殼和3D打印衣物等產(chǎn)品。

圖表13 使用EP材料打印的鞋和手機(jī)殼
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

7）Endur
Stratasys公司推出一款全新的3D打印材料——Endur，它是一種先進(jìn)的仿聚丙烯材料，可滿足各種不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求。Endur材料具有高強(qiáng)度、柔韌度好和耐高溫性能，用其打印的產(chǎn)品表面質(zhì)量佳，且尺寸穩(wěn)定性好，不易收縮。Endur具有出色的仿聚丙烯性能，能夠用于打印運(yùn)動(dòng)部件、咬合嚙合部件以及小型盒子和容器。

圖表14 使用Endur材料打印的筆筒
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

8）尼龍
尼龍材料是一種白色粉末，SLS尼龍粉末材料具有質(zhì)量輕、耐熱、摩擦系數(shù)低、耐磨損、粉末粒徑小、制作模型精度高等特點(diǎn)。燒結(jié)制件不需要特殊的后處理，即可以具有較高的抗拉伸強(qiáng)度。在顏色方面的選擇沒有像PLA和ABS那么廣，但是可以通過噴漆、浸染等方式進(jìn)行色彩選擇和后期上色。材料的熱變形溫度為110℃，在汽車、家電、電子消費(fèi)品、藝術(shù)設(shè)計(jì)及工業(yè)產(chǎn)品等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。

圖表15 使用尼龍材料3D打印的手板零件
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

(2)    生物塑料
3D打印生物塑料主要有聚乳酸（PLA）、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環(huán)己烷二甲醇酯（PETG）、聚-羥基丁酸酯（PHB）、聚-羥基戊酸酯（PHBV）、聚丁二酸-丁二醇酯（PBS）、聚己內(nèi)酯（PCL）等，具有良好的可生物降解性。

1）PLA
PLA（Poly LacticAcid）即聚乳酸可能是3D打印起初使用得最好的原材料，它具有多種半透明色和光澤質(zhì)感。作為一種環(huán)境友好型塑料，聚乳酸可生物降解為活性堆肥。它源于可再生資源——玉米淀粉和甘蔗，而不是非可再生資源——化石燃料。新加坡南洋理工大學(xué)的Tan K H等在應(yīng)用PLA制造組織工程支架方面的研究中，采用3D技術(shù)成型生物可降解的高分子材料，制造了高孔隙度的PLA組織工程支架，通過對該支架進(jìn)行組織分析，發(fā)現(xiàn)其具有生長能力。

圖表16 使用強(qiáng)韌PLA材料打印的電吉他
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

2）PETG
PETG是采用甘蔗乙烯生產(chǎn)的生物基乙二醇為原料合成的生物基塑料。具有出眾的熱成型性、堅(jiān)韌性與耐候性，熱成型周期短、溫度低、成品率高。PETG作為一種新型的3D打印材料，兼具PLA和ABS的優(yōu)點(diǎn)。在3D打印時(shí)，材料的收縮率非常小，并且具有良好的疏水性，無需在密閉空間里貯存。由于PETG的收縮率低、溫度低，在打印過程中幾乎沒有氣味，使得PETG在3D打印領(lǐng)域產(chǎn)品具有更為廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。
3）PCL
PCL是一種生物可降解聚酯，熔點(diǎn)較低，只有60℃左右。與大部分生物材料一樣，人們常常把它用作特殊用途如藥物傳輸設(shè)備、縫合劑等，同時(shí)，PCL還具有形狀記憶性。在3D打印中，由于它熔點(diǎn)低，所以并不需要很高的打印溫度，從而達(dá)到節(jié)能的目的。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用來打印心臟支架等。

(3)    熱固性塑料
熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂、氨基樹脂、聚氨酯樹脂、有機(jī)硅樹脂、芳雜環(huán)樹脂等具有強(qiáng)度高、耐火性特點(diǎn)，非常適合利用3D打印的粉末激光燒結(jié)成型工藝。哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)院的材料科學(xué)家與Wyss生物工程研究所聯(lián)手開發(fā)出了一種可3D打印的環(huán)氧基熱固性樹脂材料，這種環(huán)氧樹脂可3D 打印成建筑結(jié)構(gòu)件用在輕質(zhì)建筑中。

(4)    光敏樹脂
光敏樹脂是由聚合物單體與預(yù)聚體組成，由于具有良好的液體流動(dòng)性和瞬間光固化特性，使得液態(tài)光敏樹脂成為3D打印耗材用于高精度制品打印的首選材料。光敏樹脂因具有較快的固化速度，表干性能優(yōu)異，成型后產(chǎn)品外觀平滑，可呈現(xiàn)透明至半透明磨砂狀。尤其是光敏樹脂具有低氣味、低刺激性成分，非常適合個(gè)人桌面3D打印系統(tǒng)。
常見的光敏樹脂有somos NEXT材料、樹脂somos11122材料、somos19120材料和環(huán)氧樹脂。
1）somos NEXT材料
白色材質(zhì)，類PC新材料，韌性非常好，基本可達(dá)到selective laser sintering(SLS，選擇性激光燒結(jié))制作的尼龍材料性能，而精度和表面質(zhì)量更佳。somos NEXT材料制作的部件擁有迄今最優(yōu)的剛性和韌性，同時(shí)保持了光固化立體造型材料做工精致、尺寸精確和外觀漂亮的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于汽車、家電、電子消費(fèi)品等領(lǐng)域。

圖表17 3D打印散熱器風(fēng)扇和耳塞套
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

2）somos11122材料
看上去更像是真實(shí)透明的塑料，具有優(yōu)秀的防水和尺寸穩(wěn)定性，能提供包括ABS和PBT在內(nèi)的多種類似工程塑料的特性，這些特性使它很適合用在汽車、醫(yī)療以及電子類產(chǎn)品領(lǐng)域。   
3）somos19120材料
為粉紅色材質(zhì)，是一種鑄造專用材料。成型后可直接代替精密鑄造的蠟?zāi)ぴ�型，避免開發(fā)模具的風(fēng)險(xiǎn)，大大縮短周期，擁有低留灰燼和高精度等特點(diǎn)。   
4）環(huán)氧樹脂
是一種便于鑄造的激光快速成型樹脂，它含灰量極低（800℃時(shí)的殘留含灰量<0.01%），可用于熔融石英和氧化鋁高溫型殼體系，而且不含重金屬銻，可用于制造極其精密的快速鑄造型模。
(5)    高分子凝膠
高分子凝膠具有良好的智能性，海藻酸鈉、纖維素、動(dòng)植物膠、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝膠材料用于3D打印，在一定的溫度及引發(fā)劑、交聯(lián)劑的作用下進(jìn)行聚合后，形成特殊的網(wǎng)狀高分子凝膠制品。如受離子強(qiáng)度、溫度、電場和化學(xué)物質(zhì)變化時(shí)，凝膠的體積也會相應(yīng)地變化，用于形狀記憶材料；凝膠溶脹或收縮發(fā)生體積轉(zhuǎn)變，用于傳感材料；凝膠網(wǎng)孔的可控性，可用于智能藥物釋放材料。
(6)    橡膠類材料
橡膠類材料具備多種級別彈性材料的特征，這些材料所具備的硬度、斷裂伸長率、抗撕裂強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度，使其非常適合于要求防滑或柔軟表面的應(yīng)用領(lǐng)域。3D打印的橡膠類產(chǎn)品主要有消費(fèi)類電子產(chǎn)品、醫(yī)療設(shè)備以及汽車內(nèi)飾、輪胎、墊片等。


5.2.2金屬材料
3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低。目前，用于3D打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料以及金、銀等貴金屬粉末材料。金屬良好的力學(xué)強(qiáng)度和導(dǎo)電性使得金屬材料在3D打印領(lǐng)域尤其是工業(yè)應(yīng)用方面具備許多優(yōu)越性，應(yīng)用領(lǐng)域包括石化工程應(yīng)用、航空航天、汽車制造、注塑模具、輕金屬合金鑄造、食品加工、醫(yī)療、造紙、電力工業(yè)、珠寶、時(shí)裝等。


(1)     黑色金屬
1）工具鋼
工具鋼金屬材料的適用性來源于其優(yōu)異的硬度、耐磨性和抗形變能力，以及在高溫下保持切削刃的能力。模具H13熱作工具鋼就是其中一種，能夠承受不確定時(shí)間的工藝條件。
2）不銹鋼
不銹鋼是最廉價(jià)的金屬打印材料，經(jīng)3D打印出的高強(qiáng)度不銹鋼制品表面略顯粗糙，且存在麻點(diǎn)。不銹鋼具有各種不同的光面和磨砂面，常被用作珠寶、功能構(gòu)件和小型雕刻品等的3D打印。
奧氏體不銹鋼316L，具有高強(qiáng)度和耐腐蝕性，可在很寬的溫度范圍下降到低溫，可應(yīng)用于航空航天、石化等多種工程應(yīng)用，也可以用于食品加工和醫(yī)療等領(lǐng)域。
馬氏體不銹鋼15-5PH，又稱馬氏體時(shí)效（沉淀硬化）不銹鋼，具有很高的強(qiáng)度、良好的韌性、耐腐蝕性，而且可以進(jìn)一步的硬化，是無鐵素體。目前，廣泛應(yīng)用于航空航天、石化、化工、食品加工、造紙和金屬加工業(yè)。
馬氏體不銹鋼17-4PH，在高達(dá)315℃下仍具有高強(qiáng)度高韌性，而且耐腐蝕性超強(qiáng)，隨著激光加工狀態(tài)可以帶倆極佳的延展性。
2）高溫合金
高溫合金因其強(qiáng)度高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易成型加工和傳統(tǒng)加工工藝成本高等因素，目前已成為航空工業(yè)應(yīng)用的主要3D打印材料。隨著3D 打印技術(shù)的長期研究和進(jìn)一步發(fā)展，3D打印制造的飛機(jī)零件因其加工的工時(shí)和成本優(yōu)勢已得到了廣泛應(yīng)用。


(2)    有色金屬
1）鈦
應(yīng)用于金屬3D打印的鈦合金主要是鈦合金5級和鈦合金23級，因?yàn)槠鋬?yōu)異的強(qiáng)度和韌性，結(jié)合耐腐蝕、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽車制造中具有非常理想的應(yīng)用，而且，因?yàn)閺?qiáng)度高、模量低、耐疲勞性強(qiáng)，應(yīng)用于生產(chǎn)生物醫(yī)學(xué)植入物。鈦合金23級的純度更高，堪稱神級的牙科和醫(yī)療鈦品級。采用3D打印技術(shù)制造的鈦合金零部件，強(qiáng)度非常高，尺寸精確，能制作的最小尺寸可達(dá)1ｍｍ，而且其零部件機(jī)械性能優(yōu)于鍛造工藝。英國的Metalysis公司利用鈦金屬粉末成功打印了葉輪和渦輪增壓器等汽車零件。

圖表 18 3D打印的胎手表和渦輪葉輪
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

2）鋁合金
目前，應(yīng)用于金屬3D打印的鋁合金主要有鋁硅12和鋁硅10鎂兩種。鋁硅12，是具有良好的熱性能的輕質(zhì)增材制造金屬粉末，可應(yīng)用于薄壁零件如換熱器或其他汽車零部件，還可應(yīng)用于航空航天及航空工業(yè)級的原型及生產(chǎn)零部件；硅/鎂組合使鋁合金更具強(qiáng)度和硬度，使其適用于薄壁以及復(fù)雜的幾何形狀的零件，尤其是在具有良好的熱性能和低重量場合中。此外，還有鎂鋁合金因其質(zhì)輕、強(qiáng)度高的優(yōu)越性能，在制造業(yè)的輕量化需求中得到了大量應(yīng)用。

圖表 19佳能公司利用3D打印技術(shù)制造出了頂級單反相機(jī)鎂鋁合金特殊曲面頂蓋
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

3）銅基合金
應(yīng)用于市場的銅基合金，俗稱青銅，具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，可以結(jié)合設(shè)計(jì)自由度，產(chǎn)生復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和冷卻通道，適合冷卻更有效的工具插入模具，如半導(dǎo)體器件，也可用于微型換熱器，具有壁薄、形狀復(fù)雜的特征。

4）鎵及其合金
鎵(Ga)主要用作液態(tài)金屬合金的3D打印材料，它具有金屬導(dǎo)電性，其黏度類似于水。不同于汞(Hg)，鎵既不含毒性，也不會蒸發(fā)。鎵可用于柔性和伸縮性的電子產(chǎn)品，液態(tài)金屬在可變形天線的軟伸縮部件、軟存儲設(shè)備、超伸縮電線和軟光學(xué)部件上已得到了應(yīng)用。
北卡羅琳州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用鎵(Ga)與銦(In)的液態(tài)金屬合金通過3D打印技術(shù)在室溫下創(chuàng)造了一種三維的自立式結(jié)構(gòu)，這一奇跡的誕生得益于鎵-銦合金在空氣中與氧氣發(fā)生反應(yīng)形成了一層能夠保持零件形狀的氧化膜。這一技術(shù)在3D打印中被用于連接電子部件。

(3)    稀貴金屬
3D打印的產(chǎn)品在時(shí)尚界的影響力越來越大。世界各地的珠寶設(shè)計(jì)師受益最大的就是將3D打印快速原型技術(shù)作為一種強(qiáng)大，且可方便替代其他制造方式的創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)。在飾品3D打印材料領(lǐng)域，常用的有金、純銀、黃銅等。

圖表 20 3D打印的葉形金戒指、菌絲銀戒指、黃銅戒指。
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

5.2.3陶瓷材料
陶瓷材料主要指硅酸鋁陶瓷粉末，具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、低密度、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕等優(yōu)異特性，在航空航天、汽車、生物等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。3D打印的陶瓷制品不透水、耐熱（可達(dá)600℃）、可回收、無毒，但其強(qiáng)度不高，可作為理想的炊具、餐具（杯、碗、盤子、蛋杯和杯墊）和燭臺、瓷磚、花瓶、藝術(shù)品等家居裝飾材料。但由于陶瓷材料硬而脆的特點(diǎn)使其加工成形尤其困難，特別是復(fù)雜陶瓷件需通過模具來成形。模具加工成本高、開發(fā)周期長，難以滿足產(chǎn)品不斷更新的需求。

圖表 21 3D打印的陶瓷酒杯
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

而Formlabs公司在CES 2017上推出的陶瓷樹脂，給陶瓷材料帶來了新的風(fēng)向。Formlabs的首席產(chǎn)品官Dávid Lakato認(rèn)為Form X 陶瓷樹脂是目前在3D打印領(lǐng)域最為新穎的材料科學(xué)之一，其允許創(chuàng)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何形狀，并以傳統(tǒng)的陶瓷制造技術(shù)不可能達(dá)到的復(fù)雜程度制造出來。

5.2.4復(fù)合型石膏粉末（全彩砂巖）
3D打印領(lǐng)域里使用較為廣泛的材料之一。由全彩砂巖制作的對象色彩感較強(qiáng)，3D打印出來的產(chǎn)品表面具有顆粒感，打印的紋路比較明顯使物品具有特殊的視覺效果。當(dāng)一個(gè)設(shè)計(jì)師希望使用多種顏色打印他們的設(shè)計(jì)時(shí)，他們往往選擇的是彩色砂巖。因?yàn)樗�可以打印多種顏色，顏色層次和分辨率都很好。砂巖打印出的的模型較為完美并且栩栩如生。因此全彩砂巖被普遍應(yīng)用于制作模型、人像、建筑模型等室內(nèi)展示物。缺點(diǎn)是它的質(zhì)地較脆容易損壞，并且不適用于打印一些經(jīng)常置于室外或極度潮濕環(huán)境中的對象。

圖表 22 3D打印的全彩砂巖建筑模型
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

5.2.5藍(lán)蠟/紅蠟
采用多噴嘴立體打�。∕JM）技術(shù)，表面光滑，可用于標(biāo)準(zhǔn)熔模材料和鑄造工藝的熔模鑄造，蠟?zāi)？梢杂糜诰�密鑄造，其在功能上超越了以前純模型制作與展示功能，是制作珠寶、服飾、醫(yī)療器械、機(jī)械部件、雕塑、復(fù)制品、收藏品的石蠟?zāi)Ｐ丸T造的主要材料之一。

5.2.6復(fù)合材料
復(fù)合材料，顧名思義就是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。這種材料在性能上能相互補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。2016年5月16日，工業(yè)級3D打印打印機(jī)生產(chǎn)商Envision TEC宣布推出第一款工業(yè)級復(fù)合材料3D打印機(jī)。復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展較新，將其應(yīng)用于3D打印是未來發(fā)展的趨勢之一。

(1)    碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
美國硅谷Arevo實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出了高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。相比于傳統(tǒng)的擠出或注塑定型方法，3D打印時(shí)通過精確控制碳纖維的取向，優(yōu)化特定機(jī)械、電和熱性能，能夠嚴(yán)格設(shè)定其綜合性能。由于3D打印的復(fù)合材料零件一次只能制造一層，每一層可以實(shí)現(xiàn)任何所需的纖維取向。結(jié)合增強(qiáng)聚合物材料打印的復(fù)雜形狀零部件具有出色的耐高溫和抗化學(xué)性能。

圖表 23應(yīng)用增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)3D打印的電磁發(fā)動(dòng)機(jī)（左）和仿生肌電假手（右）
資料來源：Stratasys，國信證券博士后工作站。

(2)    形狀記憶聚合物材料（SMP）
來自麻省理工學(xué)院（MIT）和新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)（SUTD）的研究人員研發(fā)出一種形狀記憶聚合物（SMP），在被彎曲、受到極端的壓力變形后，經(jīng)過受熱即可恢復(fù)到原來的形狀。將這種材料應(yīng)用于3D打印，即產(chǎn)生了所謂的“4D打印”——在3D打印的基礎(chǔ)上增加了時(shí)間元素。4D打印技術(shù)將在太陽能、醫(yī)學(xué)和太空等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。比如，制作出一個(gè)軟性驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)太陽能電池板與太陽光線的角度；或者制作微型藥物膠囊，利用人體溫度作為觸發(fā)器，當(dāng)人發(fā)燒、體溫上升的時(shí)候，里面的藥物自動(dòng)釋放出來。

圖表 24形狀記憶聚合物材料在溫度變化時(shí)發(fā)生形變
資料來源：3D打印世界，國信證券博士后工作站。

5.3技術(shù)進(jìn)化使3D打印進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用
5.3.1產(chǎn)品性能已媲美乃至超越傳統(tǒng)工藝
最終直接生產(chǎn)零件，是3D打印的目標(biāo)和未來。在過去的認(rèn)知中，往往認(rèn)為3D打印的產(chǎn)品受到制造參數(shù)、原材料品質(zhì)的影響較大，獲得的力學(xué)性能不穩(wěn)定，利用3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)的鑄造技術(shù)得到的同樣大小、形狀和材質(zhì)的工件，其工件內(nèi)部致密度不夠，在性能上往往不如不如普通鍛造件。這是因?yàn)?D打印需要預(yù)先制成專用的金屬粉末，打印出的金屬制品致密度低，最高能達(dá)到鑄造件致密度的98%，某些情況下低于鍛造件的力學(xué)性能；某些打印制品表面質(zhì)量差，需要打磨拋光機(jī)加工等后處理；3D打印具有復(fù)雜曲面的零部件時(shí)，支撐材料難以去除。

    而這個(gè)問題在目前來看已經(jīng)不能夠成為3D打印的技術(shù)瓶頸了。事實(shí)上3D打印是能夠提高力學(xué)性能的。隨著3D打印設(shè)備工藝的性能改進(jìn)優(yōu)化，對金屬打印的精度、致密度已經(jīng)有了極大的提升。從材料角度講，傳統(tǒng)常規(guī)工藝采用原始的液體、固體、粉末等材料，材料本身無特殊處理；而3D打印使用的金屬粉末材料，是經(jīng)過特殊處理的，加入了更多成分元素，已經(jīng)具有了屈伸強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、延伸率、楊氏模量、硬度、斷裂拉伸界點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、彈性模數(shù)、熔度范圍、耐腐蝕性、粘合強(qiáng)度等幾十項(xiàng)指標(biāo)。而此類材料的性能是經(jīng)過研究、測試、引用，已經(jīng)證明是符合結(jié)構(gòu)件的需求。而且，一般工業(yè)應(yīng)用中直接由3D打印制造出來的金屬部件還會再經(jīng)過一系列地加工后才會進(jìn)入實(shí)用。

目前金屬3D打印的部件，經(jīng)過熱處理后，強(qiáng)度應(yīng)該可以與傳統(tǒng)砂型鑄造相當(dāng)甚至優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造，只不過暫時(shí)還不如傳統(tǒng)冷加工（CNC、加工中心這類的）金屬結(jié)構(gòu)件、單晶鑄造等，這在可預(yù)見的未來中也是可以達(dá)到的。在某些構(gòu)件如大型鈦合金構(gòu)件上（在航空業(yè)中應(yīng)用較多），是完全能夠滿足力學(xué)性能的。當(dāng)前學(xué)術(shù)界與工業(yè)界普遍認(rèn)為，由選擇性激光融化技術(shù)（Selective Laser Melting，即SLM）直接制造出來的金屬3D打印部件所能達(dá)到的性能超過了鑄造件，并且可以逼近鍛造件的質(zhì)量（Wohlers Report，2013）；近年來澳大利亞RMIT University已經(jīng)用激光做出鈦64打印件，達(dá)到了很強(qiáng)的力學(xué)性能和延展性。

5.3.2效率提升和材料價(jià)格下降將引起成本曲線改變
一方面，我們應(yīng)當(dāng)清晰地認(rèn)識到3D打印將不會取代傳統(tǒng)制造方法。3D打印尤其是金屬3D打印，本來就不是為了替代生產(chǎn)已有部件。不管是機(jī)加工，鑄造，鈑金和焊接，傳統(tǒng)的工藝都非常成熟，無論成本還是效率，金屬3D打印不占優(yōu)勢。3D打印的應(yīng)用當(dāng)前仍然主要是在于高精度、小規(guī)模、多樣化、定制化的生產(chǎn)領(lǐng)域，在該領(lǐng)域的優(yōu)越性暫時(shí)還無法被其他制造方法替代。只不過這些領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚未被充分發(fā)掘，市場尚未培育成熟，

另一方面，雖然當(dāng)前3D打印技術(shù)只在小批量原型及個(gè)性化定制方面具有價(jià)格優(yōu)勢，但隨著將來增材制造技術(shù)的提升以及材料價(jià)格的下降，其成本曲線將進(jìn)一步下移，改變與傳統(tǒng)制造模式的平衡點(diǎn)，在更大范圍內(nèi)具有性價(jià)比的優(yōu)勢，進(jìn)一步擠占傳統(tǒng)制造方式的空間。


圖表 25 3D打印成本曲線下移將帶來與傳統(tǒng)制造業(yè)均衡點(diǎn)的改變
資料來源：3dprint.com，國信證券博士后工作站。

6  結(jié)論
3D打印是實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的重大戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。相比于傳統(tǒng)制造工藝，3D打印的技術(shù)優(yōu)勢包括對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的邊際成本極低，適用小規(guī)模、定制化和多樣化生產(chǎn)，先天具有互聯(lián)網(wǎng)基因，等等。同時(shí)，由于其技術(shù)原理和當(dāng)前發(fā)展階段的限制，具有規(guī)�；�生產(chǎn)效率低、原材料種類和成本限制等技術(shù)瓶頸。

然而，3D打印經(jīng)過30多年的發(fā)展，即將迎來真正的產(chǎn)業(yè)爆發(fā)期。我們作出該判斷的依據(jù)來自于：第一，3D打印技術(shù)近年來取得了較快發(fā)展，正在逐步突破原來的瓶頸，由量變進(jìn)化到了質(zhì)變，從而具有了進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域的可能；第二，3D打印已經(jīng)邁過了從科研成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的階段，轉(zhuǎn)向?yàn)閷⒓夹g(shù)產(chǎn)品大量而廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的階段。

來源：國信證券博士后站