3D打印起源于美國(guó),最初由查爾斯·胡爾于1986年開(kāi)發(fā)出光固化技術(shù),并成立3DSystems公司。此后,經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展,技術(shù)日臻完善,3D打印有關(guān)的產(chǎn)品和服務(wù)銷(xiāo)售額也不斷上升。據(jù)WohlersAssociates統(tǒng)計(jì),過(guò)去25年3D打印產(chǎn)品和服務(wù)的收入復(fù)合年增長(zhǎng)率為25.4%,2013年銷(xiāo)售額達(dá)到28.43美元,相較2012年22.04億美元的規(guī)模增長(zhǎng)了29%。
世界范圍內(nèi),生產(chǎn)和購(gòu)買(mǎi)3D打印機(jī)最多的國(guó)家均是美國(guó),中國(guó)所占的份額還很小。有近四分之三十美國(guó)制造,以色列和歐洲各國(guó)的份額分別占到9.3%和10.2%,而中國(guó)3D打印設(shè)備僅占到3.6%。
中國(guó)區(qū)市場(chǎng)規(guī)模目前偏小,但發(fā)展速度最快
2013年全球3D打印的市場(chǎng)規(guī)模為28.43億美元,但中國(guó)3D打印市場(chǎng)規(guī)模只有14億元人民幣。不過(guò),中國(guó)有望在近年躍升為全球最大的3D打印市場(chǎng)。
中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)、亞洲制造業(yè)協(xié)會(huì)首席執(zhí)行官羅軍預(yù)測(cè),中國(guó)的3D打印市場(chǎng)約在三年內(nèi)會(huì)從目前的約14億元人民幣增長(zhǎng)到100億元。
全球3D打印產(chǎn)業(yè)的權(quán)威研究機(jī)構(gòu)美國(guó)沃勒斯公司總裁特里·沃勒斯在會(huì)上說(shuō),他也看好中國(guó)的3D打印市場(chǎng)潛力,但認(rèn)為中國(guó)成為全球相關(guān)最大市場(chǎng)可能需要更長(zhǎng)時(shí)間。該公司已經(jīng)連續(xù)18年發(fā)布全球3D打印產(chǎn)業(yè)報(bào)告,被視為全球3D打印行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)。根據(jù)報(bào)告,全球3D打印設(shè)備和服務(wù)整體市場(chǎng)為28億美元,其中,美國(guó)約占60%,德國(guó)、日本、中國(guó)等各約占10%。
全球3D打印行業(yè)未來(lái)5-10年仍將保持年均20%以上的增長(zhǎng)
2013年,全球3D打印行業(yè)總產(chǎn)值約為28億美元,同比增長(zhǎng)29%?;仡櫄v史,3D打印行業(yè)在上世紀(jì)90年代初曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)每年40%以上的高速增長(zhǎng),但隨后增速逐步趨于平緩;21世紀(jì)的前十年,全球3D打印行業(yè)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率僅為7.76%,互聯(lián)網(wǎng)泡沫后的2001-2002年,以及金融危機(jī)后的2009年,3D打印行業(yè)甚至出現(xiàn)了負(fù)增長(zhǎng);但是從2010年開(kāi)始,隨著3D打印技術(shù)的進(jìn)步以及個(gè)人需求的爆發(fā),3D打印行業(yè)再次進(jìn)入快速成長(zhǎng)期。
最近三年,3D打印行業(yè)增速的加快在公司層面也得到了印證,全球3D打印行業(yè)龍頭公司的收入增速在2010年之后均出現(xiàn)了明顯提高。據(jù)預(yù)測(cè),未來(lái)5-10年,3D打印行業(yè)仍將以年均20%以上的速度增長(zhǎng),至2021年全行業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值將達(dá)到108億美元。
中國(guó)的3D打印技術(shù)盡管在某些特定領(lǐng)域取得了國(guó)際領(lǐng)先地位,但整體而言和美國(guó)仍有較大差距。從3D打印設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)量來(lái)看,全球累計(jì)銷(xiāo)售的3D打印機(jī),其中近四分之三為美國(guó)制造,而中國(guó)制造的3D打印設(shè)備僅占3.6%;從3D打印設(shè)備的保有量來(lái)看,美國(guó)仍以將近40%的占比遙遙領(lǐng)先,德國(guó)和日本也分別占有近10%的份額,而中國(guó)的占比仍不足9%。
中國(guó)的3D打印產(chǎn)業(yè)尚處于發(fā)展的初級(jí)階段,仍存在部分核心技術(shù)與材料依賴進(jìn)口、產(chǎn)業(yè)資源“小而散”、產(chǎn)業(yè)化程度不高等問(wèn)題。但作為全球制造業(yè)第一大國(guó)和人口第一大國(guó),不論是工業(yè)應(yīng)用還是個(gè)人消費(fèi),其增長(zhǎng)潛力都得到了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家與企業(yè)界的一致認(rèn)可。英國(guó)增材制造聯(lián)盟主席GrahamTromas表示,3至5年內(nèi)中國(guó)有潛力成為世界最大的3D打印市場(chǎng)。中國(guó)3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟秘書(shū)長(zhǎng)羅軍在“2013世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)”上表示,中國(guó)有潛力成為全球最大的3D打印市場(chǎng),未來(lái)3-5年有望以每年至少一倍的速度增長(zhǎng),中國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到100億元左右。
3D打?。簯?yīng)用領(lǐng)域拓展消費(fèi)需求爆發(fā)
1、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展,個(gè)人消費(fèi)需求開(kāi)始爆發(fā)
3D打印在制造自由度、原材料利用率等方面具有明顯優(yōu)勢(shì),尤其適用于小批量、定制化的加工制造。近年來(lái),3D打印在工業(yè)應(yīng)用和個(gè)人消費(fèi)兩個(gè)市場(chǎng)均取得了長(zhǎng)足發(fā)展:工業(yè)應(yīng)用的下游行業(yè)不斷拓展,直接零部件制造的占比也逐年提高;個(gè)人消費(fèi)市場(chǎng)雖起步較晚,但近年來(lái)呈現(xiàn)快速爆發(fā)趨勢(shì)。
據(jù)統(tǒng)計(jì),3D打印技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用主要分布于消費(fèi)電子、汽車(chē)、醫(yī)療、航空航天、建筑、科研等領(lǐng)域;而從具體應(yīng)用環(huán)節(jié)來(lái)看,3D打印技術(shù)目前主要用于設(shè)計(jì)樣品、展示模型及模具的制造,但直接零部件加工的占比從2003年的不足4%已快速上升到了2013年的29%左右。
自動(dòng)售彩票機(jī)汽車(chē)起重機(jī)港口機(jī)械防爆電器電動(dòng)機(jī)鑄造機(jī)械智能電網(wǎng)壓濾機(jī)輪轂電機(jī)健康秤割灌機(jī)高低壓配電柜
2、醫(yī)療器械的定制化需求恰是3D打印的優(yōu)勢(shì)所在,“生物打印”令人憧憬
醫(yī)療行業(yè)存在大量的定制化需求,難以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、大批量生產(chǎn),而這恰是3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)所在。目前,3D打印技術(shù)在助聽(tīng)器材制造、牙齒矯正與修復(fù)、假肢制造等領(lǐng)域已經(jīng)得到了成功應(yīng)用且已經(jīng)比較成熟。利用3D打印制造出的牙橋等制品更加精確精細(xì),相比傳統(tǒng)制造方式也更加方便快捷。同樣,利用3D打印技術(shù)可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余肢體的復(fù)制,制造出的假肢也更加符合人體工學(xué),在歐洲使用3D打印的鈦合金骨骼的患者已經(jīng)超過(guò)3萬(wàn)例,美國(guó)一家醫(yī)院甚至用3D打印出的頭骨替換了患者高達(dá)75%的受損骨骼。
除了上述醫(yī)學(xué)修復(fù)領(lǐng)域,3D打印技術(shù)還可用于了解患者病情以及輔助醫(yī)患交流。比如:3D打印機(jī)可以打印出患者的立體骨骼模型,醫(yī)生可以通過(guò)骨骼模型探討治療過(guò)程,與患者溝通手術(shù)方案;醫(yī)務(wù)人員還可以通過(guò)3D打印的復(fù)制品了解患者器官內(nèi)部結(jié)構(gòu),還能夠在這些復(fù)制品上進(jìn)行模擬手術(shù)。目前,Stratasys和3DSystems已經(jīng)能夠提供復(fù)制人體器官模型的設(shè)備,通過(guò)CT掃描等醫(yī)學(xué)圖像,直接打印出患者器官的模型,這些模型不僅外觀逼真,還像器官一樣濕潤(rùn)帶有紋理。
3D打印的模型或無(wú)生命假肢僅僅是一個(gè)開(kāi)始,最令人憧憬的應(yīng)用則是直接打印具有活性的組織器官,即所謂“生物打印”?,F(xiàn)有的想法包括:利用3D技術(shù)打印骨架,再在骨架上培養(yǎng)干細(xì)胞,誘導(dǎo)其形成組織;更進(jìn)一步的方法是直接打印出組織器官用于移植;最具想象力的方案則是在人體內(nèi)直接打印活性組織或活性器官,連植入的過(guò)程都可以省掉。
Organovo公司已經(jīng)在生物打印領(lǐng)域取得了一些突破,成功打印出了心肌組織、肺臟、血管等;美國(guó)康奈爾大學(xué)的生物學(xué)家巴切爾利用生物高分子材料打印出能正常工作的心臟瓣膜,其中干細(xì)胞夾雜在高分子材料里面,能夠逐漸轉(zhuǎn)換成人體細(xì)胞。目前,“生物打印”仍處于試驗(yàn)階段,其應(yīng)用障礙不僅在于技術(shù)領(lǐng)域,還涉及道德問(wèn)題、監(jiān)管程序等方面。不過(guò),隨著生物科技的發(fā)展、以及配套制度的完善,3D打印的人體器官將逐步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用當(dāng)中。
3、航空航天是3D打印最具前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一,中國(guó)的鈦合金激光快速成型技術(shù)國(guó)際領(lǐng)先
航空航天設(shè)備制造是3D打印最具前景的應(yīng)用領(lǐng)域之一,原因主要在于:第一,航空航天設(shè)備往往具有“多品種、小批量”的特點(diǎn),尤其在試制階段許多零部件都需要單件定制,若采取傳統(tǒng)工藝則周期長(zhǎng)、成本高,3D打印則可以實(shí)現(xiàn)低成本快速成型;第二,出于減重與強(qiáng)度要求,航空航天設(shè)備中復(fù)雜結(jié)構(gòu)件或大型異構(gòu)件的比例越來(lái)越高,若采用傳統(tǒng)的“鍛造+機(jī)加工”方式,則所需工序繁多、工藝復(fù)雜,甚至根本無(wú)法直接加工,而3D打印在復(fù)雜部件加工方面具有明顯優(yōu)勢(shì);第三,采用傳統(tǒng)工藝加工飛機(jī)零部件的原材料利用率只有10%左右,其他部分都在鑄模、鍛造、切割和打磨過(guò)程中浪費(fèi)了,而3D打印的增量制造方式可將原材料利用率提高至90%以上。
波音公司是率先將3D打印技術(shù)用于飛機(jī)設(shè)計(jì)和制造的國(guó)際航空制造企業(yè),已累計(jì)利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)了300多個(gè)不同的小型零部件。GE航空2012年收購(gòu)了專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)激光燒結(jié)金屬粉末技術(shù)的MorrisTechnologies公司,用來(lái)為其Leap系列發(fā)動(dòng)機(jī)制造組件。普惠公司也投入數(shù)百萬(wàn)聯(lián)合康涅狄格大學(xué)成立了增量制造中心。美國(guó)國(guó)家航天航空局正在使用3D打印機(jī)生產(chǎn)航天器的引擎部件,并計(jì)劃將打印設(shè)備發(fā)射到國(guó)際空間站,以期宇航員能夠自給自足,利用空間站上的原料直接生產(chǎn)所需品,改變完全依賴地面供給的補(bǔ)給模式。
我國(guó)的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光成形技術(shù)具有國(guó)際領(lǐng)先水平,是目前世界上唯一掌握了飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家。另?yè)?jù)媒體報(bào)道,在艦載機(jī)、四代機(jī)等新型軍用飛機(jī)的研制過(guò)程中,3D打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)揮了重要作用,承擔(dān)了包括起落架在內(nèi)的鈦合金主承力構(gòu)件的試制任務(wù)。
4、在消費(fèi)電子與汽車(chē)行業(yè),3D打印技術(shù)主要用于設(shè)計(jì)原型制造及模具開(kāi)發(fā)
從全球范圍來(lái)看,消費(fèi)電子與汽車(chē)行業(yè)是3D打印技術(shù)最主要的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,分別占20%左右的市場(chǎng)份額。從具體用途來(lái)看,3D打印技術(shù)在上述兩個(gè)行業(yè)的應(yīng)用主要集中于設(shè)計(jì)原型制造及生產(chǎn)過(guò)程中的模具加工。借助3D打印技術(shù)輔助設(shè)計(jì)和測(cè)試,可以大幅縮短新產(chǎn)品研發(fā)周期、降低試制與試驗(yàn)成本。比如:Nokia曾借助3D打印技術(shù)完成手機(jī)外殼和結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)和樣件制造;通用汽車(chē)已經(jīng)用3D打印技術(shù)打印出應(yīng)用于測(cè)試的零部件和模具超過(guò)20000個(gè),現(xiàn)代、寶馬等汽車(chē)廠家也已將3D打印技術(shù)應(yīng)用于新車(chē)研發(fā)過(guò)程當(dāng)中。
在產(chǎn)品制造環(huán)節(jié),由于消費(fèi)電子和汽車(chē)行業(yè)均具有標(biāo)準(zhǔn)化、大規(guī)模生產(chǎn)的特點(diǎn),3D打印技術(shù)在直接零部件制造方面尚無(wú)法滿足加工速度和經(jīng)濟(jì)性要求,故短期內(nèi)很難取代傳統(tǒng)的制造模式。但在一些個(gè)性化的小眾市場(chǎng),3D打印直接加工的產(chǎn)品仍擁有一定的受眾群。比如:由用戶定制的手機(jī)外殼、用戶可以參與設(shè)計(jì)的汽車(chē)等。
5、在建筑與服裝行業(yè),3D打印可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、極大的拓展設(shè)計(jì)師的想象空間
在建筑領(lǐng)域,3D打印技術(shù)最初主要用于設(shè)計(jì)模型的制造,但近來(lái)已經(jīng)有多位建筑師提出了3D打印實(shí)體建筑的構(gòu)想。荷蘭阿姆斯特丹建筑大學(xué)的設(shè)計(jì)師JanjaapRuijssenaars設(shè)計(jì)的3D打印建筑物“LandscapeHouse”特別模擬了莫比烏斯環(huán),計(jì)劃利用3D打印機(jī)逐塊打印出來(lái),每塊的尺寸為6×9米,然后拼接成一個(gè)整體建筑,預(yù)計(jì)需要耗時(shí)一年半完成。倫敦的建筑設(shè)計(jì)工作室SoftkillDesign的3D打印建筑方案更具沖擊力,該建筑完全拋棄了傳統(tǒng)的固體墻,而是采用以骨骼為基礎(chǔ)的纖維尼龍結(jié)構(gòu),組件由激光燒結(jié)生物塑料制成。
服裝制造方面,3D打印可以加工出傳統(tǒng)工藝難以完成的復(fù)雜款式,極大的拓展的設(shè)計(jì)師的想象空間。耐克和阿迪達(dá)斯均已經(jīng)開(kāi)始用3D打印機(jī)制造一些運(yùn)動(dòng)鞋功能部件,也有直接制造運(yùn)動(dòng)服的打算。
個(gè)人3D打印設(shè)備銷(xiāo)量猛增,開(kāi)啟“創(chuàng)客”時(shí)代
自2008年開(kāi)始,個(gè)人3D打印設(shè)備的銷(xiāo)量出現(xiàn)爆發(fā)式增。個(gè)人消費(fèi)需求的爆發(fā)主要源自兩方面的動(dòng)力:一是“數(shù)字化設(shè)計(jì)+快速成型”的組合大幅簡(jiǎn)化了從創(chuàng)意到產(chǎn)品的過(guò)程,從而刺激了多種個(gè)性化需求的釋放;二是隨著技術(shù)的發(fā)展,3D打印設(shè)備的價(jià)格已經(jīng)下降至普通人可以承受的水平,個(gè)人3D打印機(jī)的價(jià)格通常在5000美元以下,最便宜的已降至一兩千美元。或許在不遠(yuǎn)的將來(lái),3D打印機(jī)將和PC一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶。
目前,個(gè)人3D打印設(shè)備的應(yīng)用主要在于滿足人們的個(gè)性化需求,比如:用戶可以自己在家中做出獨(dú)具個(gè)性的首飾、玩具、餐具等產(chǎn)品;基于3D打印技術(shù)的“3D照相館”可以為人們留下逼真的立體留影等。
3D打印設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合,帶來(lái)了商業(yè)模式的創(chuàng)新。如提供3D打印服務(wù)和交易的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)--Shapeways在不足6年的時(shí)間里已經(jīng)注冊(cè)了6000名獨(dú)立設(shè)計(jì)師和十幾萬(wàn)的用戶。類(lèi)似的網(wǎng)站還有Ponoko、i.materialise等。用戶通過(guò)這些網(wǎng)站可以購(gòu)買(mǎi)設(shè)計(jì)模型、訂購(gòu)3D打印產(chǎn)品,也可以自己開(kāi)設(shè)商店,出售3D打印產(chǎn)品、設(shè)計(jì)或材料。設(shè)計(jì)師、加工廠以及用戶之間的交流和交易成本大大降低,甚至已經(jīng)模糊了彼此之間界限。新的商業(yè)模式不僅滿足了個(gè)人的創(chuàng)造欲望,還可以將其轉(zhuǎn)化為商業(yè)盈利,反過(guò)來(lái)必將進(jìn)一步推動(dòng)個(gè)人3D打印需求的增長(zhǎng)??死锼埂ぐ驳律f(shuō)的“創(chuàng)客”時(shí)代正在一步步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。
所有重大科技都是短期內(nèi)被高估,長(zhǎng)期被低估
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,3D打印已經(jīng)成功應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車(chē)、醫(yī)療、航空航天等行業(yè),且直接零部件加工所占的比例不斷提高,個(gè)人消費(fèi)市場(chǎng)也已經(jīng)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。但是,市場(chǎng)對(duì)3D打印技術(shù)的期待并不止如此。奧巴馬在國(guó)情咨文中也將3D打印作為重振美國(guó)制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)提高到了國(guó)家戰(zhàn)略的高度。
最近一年多以來(lái),國(guó)內(nèi)實(shí)業(yè)界和資本市場(chǎng)對(duì)于3D打印的熱情急劇升溫。甚至有專(zhuān)家認(rèn)為,3D打印作為一項(xiàng)顛覆性的制造技術(shù),誰(shuí)能夠最大程度的研發(fā)、應(yīng)用,誰(shuí)就能掌握制造業(yè)乃至工業(yè)發(fā)展的主動(dòng)權(quán)。
3D打印技術(shù)在短期之內(nèi)被炒得如此之熱,或許并不利于3D打印行業(yè)的長(zhǎng)期發(fā)展,多位業(yè)內(nèi)專(zhuān)家均表達(dá)了類(lèi)似擔(dān)憂??死锼埂ぐ驳律?jīng)說(shuō)過(guò):“所有重大科技都是短期內(nèi)被高估,長(zhǎng)期被低估。”3D打印技術(shù)當(dāng)前的處境也是如此。
客觀而言,3D打印技術(shù)盡管潛力巨大,但以現(xiàn)有的技術(shù)條件尚不具備取代傳統(tǒng)工藝的實(shí)力,其在規(guī)模經(jīng)濟(jì)、加工精度、材料等方面仍存在明顯不足。3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)仍主要體現(xiàn)在小批量、定制化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品制造領(lǐng)域。因此,在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi),3D打印對(duì)于傳統(tǒng)制造工藝而言,都是一種補(bǔ)充,而非顛覆。這個(gè)判斷其實(shí)也是業(yè)內(nèi)的普遍共識(shí),Stratasys中國(guó)公司總經(jīng)理表示,全球主流3D打印企業(yè)中,實(shí)際上沒(méi)有一家將打印最終產(chǎn)品作為主要市場(chǎng)方向。西安交大的盧秉恒院士、華中科技大學(xué)的史玉升教授等國(guó)內(nèi)3D打印專(zhuān)家都表示,目前還看不到3D打印取代傳統(tǒng)制造工藝的可能。
當(dāng)然,如果放在足夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)考慮,也不能完全排除3D打印帶來(lái)新工業(yè)革命的可能。就像《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》所說(shuō):“偉大發(fā)明所能帶來(lái)的影響,在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代都是難以預(yù)測(cè)的,1750年的蒸汽機(jī)如此,1450年的印刷術(shù)如此,1950年的晶體管也是如此。我們?nèi)匀粺o(wú)法預(yù)測(cè),3D打印機(jī)將在漫長(zhǎng)的時(shí)光里將如何改變世界?!?/span>
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