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增材制造产业国内外发展态势分析
发布时间:2017.11.05    新闻来源:四川增材制造技术协会   浏览次数:

增材制造产业国内外发展态势分析

(一)政策环境分析

政策陆续出台支持行业发展目前,全球3D打印技术还在发展初期阶段,各国都在争先发展该项技术,力图占领产业制高点。对应地,我国政府对于3D打印技术的支持,可以追溯到上世纪90年代中期,当时对3D打印技术大概投资了两三千万元,随后在3D打印技术上的投入逐渐减少,直到2012年才又重视起来。近几年来,我国陆续出台了多项政策支持3D打印产业的发展。2017年3D打印产业继续快速发展,在这一年当中国家相关部门出台了8项对3D打印的支持政策,共涉及的国家部门多达23个。近年来部分重要政策汇总如下:

2-1:近三年我国增材制造产业发展相关政策

出台

时间

出台机构

政策名称

相关内容

2015.5

国务院

《中国制造2025》

大力发展核心基础零部件、先进基础工艺、关键基础材料和产业技术基础,即3D打印技术。

2016.11

国务院

《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》

打造增材制造产业链;研发增材制造专用材料;搭建增材制造工艺技术研发平台,提升工艺技术水平;研制推广主流增材制造工艺装备;在航空航天、医疗器械、交通设备、文化创意、个性化制造等领域大力推动增材制造技术应用,加快发展增材制造服务业。

2017.4

科技部

《“十三五”先进制造技术领域科技创新专项规划》

提出要重点解决增材制造领域微观成型机理、工艺过程控制、缺陷特征分析等科学问题,突破一批重点成形工艺及装备产品,在航空航天、汽车能源、家电、生物医疗等领域开展应用,引领增材制造产业发展。

2017.10

科技部

《“增材制造与激光制造”重点专项2018年度项目申报指南》

科技部为增材制造和激光制造一共安排了7亿元的经费。其中,增材制造项目21项,激光项目9项。

2017.11

工信部、发改委等十二部门

《增材制造(3D打印)产业发展行动计划(2017-2020年)》

一是产业保持高速发展,2020年增材制造产业销售收入超过200亿元;二是技术水平明显提高,突破100种以上满足重点行业需求的工艺装备、核心器件及专用材料;三是行业应用显著神话,开展100个以上试点示范项目,在重点制造、医疗、文化、教育等四大领域实现现代化应用;四是生态体系基本完善,形成完整的增材制造产业链;五是全球布局初步实现,打造2-3个国际知名品牌一批装备产品走向国际市场

2017.12

发改委

《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018-2020年)》

《新材料关键技术产业化实施方案》提到3D打印高分子材料:要求对高分子材料进行改性,从而适宜工业化3D打印技术;单套生产装置规模达到千吨级/年。《重大技术装备关键技术产业化实施方案》提出由骨干企业牵头,联合相关单位,研制工业级铸造3D打印设备,满足大型发动机、航空航天等领域高复杂性黑色及铝合金铸件生产需要。

资料来源:根据公开资料整理

 

(二)技术应用分析

1、国内外增材制造技术进展情况

目前增材制造产业主要成形技术主要包括立体光刻立体光固成型PVC塑料烫印复膜、熔融挤出成型、三维喷绘打印、数字光处理。自从上世纪80年代中期SLA成型技术发展以来到90年代后期,出现了十几种不同的快速成型技术,除前几种外,典型的还有3DP、SDM、SGC等。其中,SLA、LOM、SLS和FDM四种技术,目前仍然是3D打印技术的主流。

全球的增材制造申请专利数2000年以来出现飙升。申请数量最多的前五家公司(或机构)有:3D Systems、Stratsys、麻省理工学院(MIT)、惠普和日立。中国的增材制造专利从2002年2件增至2015年的1880件,在2015年占据了全球的1/4以上份额,专利申请量也可谓突飞猛进。

 

2-1 中国3D打印专利申请量

在原材料领域我国申请人在陶瓷粉末、钛合金、ABS材料、PLA材料方面有最多的申请,相对较少的是在钴铬合金、镁合金、高温合金方面的申请。与全球技术领域分布基本一致。  

   

2-3 3D打印原材料全球专利近5年研发热点分析

在打印设备领域,与3D打印原材料类似,中国专利2012年前处于缓慢增长中,2012年后进入快速增长,该转折时间点与全球范围内3D打印技术相关申请开始快速增长的时间点基本一致,相对于全球申请趋势,国内申请处于持续地增长中,在2015到2016年间未出现下降趋势,说明3D设备方面国内市场处于快速发展期。

  

2-4 3D打印设备中国申请趋势图

    在应用领域,中国专利2010~2012年前处于缓慢增长中,该时间转折点相对于3D打印原材料、设备略有提前,2012年后进入快速增长,与全球范围内的情况一致,相对于全球申请趋势,国内申请处于持续地增长中,在2015到2016年间未出现下降趋势,说明3D应用方面国内市场处于快速发展期。

   

2-5 3D打印应用中国申请趋势对比图

在应用领域,相对于全球申请,中国申请在近5年出现了更快速的增长。特别是其中航空航天、汽车领域表现最为明显。中国在最近5年内相对于过去研究最热的3D打印应有产品依次涉及汽车、航空航天、食品、医用支架、人造血管、医用植入体、药物、牙科、建筑用品等,相对最低的为家居用品,结合上述技术领域分布情况,可知中国在医用植入体方面正在快速追赶全球市场。此外,中国与全球在食品的研究热度上存在区别,中国境内食品研究较热,而全球范围内食品研究热度低。 

 

2-6 3D打印应用全球专利近5年研发热点分析

2、增材制造技术的应用领域

增材制造技术因为使用的材料和成型方法的不同,而且结合其材料的物理和化学属性以及使用的成型方法的加工特点,目前这项技术已经多种行业得到应用,以下列出主要的应用领域。

 (1)在航天领域的应用

在航天领域,新生代飞行器正在向长寿命、高可靠性、高性能以及低成本的方式发展,基于复杂大型化的发展趋势,增材制造技术中的电子束或者激光熔融沉积以及选择性烧结成型等加工技术越来越收到航空航天制造领域的青睐。例如,2016年1月29日,美国波音公司的最新机型737MAX在波音雷顿工厂的测试机场完成首飞;我国西北工业大学黄卫东教授团队利用3D打印技术,利用钛合金原料成功打印出长5米的飞机机翼前缘。

2)在汽车零部件制造与维修领域的应用

利用3D打印技术制造汽车的零部件,可以有效节约生产成本,节约生产周期40%以上。例如2014年的奥迪遥控赛车模型R18E-TronQuattro就是3D打印作品,此款遥控汽车车身和底盘就是用Fusion360软件设计出数字3D模型,再通过普通FDM打印机以0.2mm层厚打印而成。

3)在生物医学领域的应用

3D打印技术已经在牙齿矫正、脚裸矫正、医学模型快速制造、组织器官替代、脸部修饰和美容等方面得到了应用与发展。例如2013年美国康尼狄格州牛津性能材料公司,首创3D打印头骨技术,目前已经有1名病人将75%的头骨替换为这种打印出来的移植组织; 2016年3月5日北京阜外医院顺利完成首例3D打印技术引导下的经导管主动瓣膜置换手术(TAVI)。

4)在建筑领域的应用

建筑行业的设计师,因为传统建造技术的束缚,例如2014年3月荷兰建筑师利用3D技术打印出世界上第一座3D打印建筑物。2015年9月9日,第一座3D打印酒店在菲律宾落成。在中国,2014年4月,10幢3D打印建筑成功建成于上海张江高新青浦园区。

5)在军事领域的应用

采用3D技术,只要有零件的模型数字和合适的材料,就能打印出所需要的军事武器零件和工具,完成机械的修复。例如2015年12月25日,美军“杜鲁门”号航母配备3D打印机,能够在船上用3D打印机打出船上受损的特殊零件,减少了易损零件的存储和携带工作。

6)在食品领域的应用

在食品行业领域,食物的外形、颜色、味道对于食品的推广和消费都将产生重要的影响,传统的食物受到制作工艺的限制,颜色和外形不可能自由设计,而采用应用增材制造技术可以个性化地定制出客户所期待的食品。例如3D System公司2104国际消费类电子产品展览会(ICES)上展示了一款为Chefjet的3D打印机,该打印机能打印出糖果巧克力等。

(三)市场分析

1、全球增材制造产业市场分析

全球3D打印市场规模逐年增加2010-2016年3D打印市场的年均复合增长率为24.60%。由2010年的13亿美元增加至2016年60.6亿美元(约合人民币417.5亿元),增长率为16.54%,同比减少13.46个百分点。伴随着3D打印技术的快速成长和3D打印技术在各个行业领域的渗透。未来五年全球3D打印行业继续保持快速增长的势头。

现阶段,3D打印主要应用于航空航天、医疗、汽车等领域,以制造业和医疗领域应用最为广泛。按照销售规模排名,全球3D打印产值在机械、消费电子、汽车、航空航天、医疗等行业的应用总体呈均衡分布的发展特征,其中机械行业产值占比为17.5%,为3D打印行业下游的主要应用领域;其次为消费电子产值占比为16.6%,排名第二;汽车下游应用产值占比为16.1,%,仅次于消费电子的应用需求。未来,随着电子和汽车工业的发展,两个领域的产值规模有望进一步提升。

   

2-7 全球3D打印应用结构分析

根据有关统计显示2016年全球3D打印机的总出货量增长32%,其中工业级/专业级3打印的全球出货量下降了10%,但由于个人/桌面级3D打印机的出货量大幅增长34%,使得3D打印机总体出货量仍呈快速增长趋势。2017年上半年,全球3D打印机出货18万台,同比增长了38%。

 

2-8 2010-2017年全球3D打印机出货量情况(单位:台)

3D打印行业结构目前主要有个人级3D打印机与工业级3D打印机构成,随着3D打印技术在各个行业领域的渗透,伴随着3D打印技术的快速成长,未来3D打印市场将会呈现爆发式增长。

基于3D打印的成长性而言,个人智造的兴起,在个人消费领域,3D打印行业将会保持较高的增速,拉动个人级3D打印设备的需求,同时也会促进上游打印材料(主要是以光敏树脂和塑料为主)的消费,2016年,全球消费级3D打印机出货量为293725台,占据全部市场的96.7%;在工业消费领域,由于3D打印金属材料不断发展,以及金属本身在工业制造业的广泛应用,预计以激光金属烧结为主要成型技术的3D打印设备,将会在未来工业领域的应用中获得较快发展,中短期内这一领域的应用仍会集中在产品设计和工具制造环节

2、国内增材制造产业市场分析

目前,国内的3D打印主要集中在家电及电子消费品、建筑、教育、模具检测、医疗及牙科正畸、文化创意及文物修复、汽车及其他交通工具、航空航天等领域。2012年我国增材制造产业规模达到1.61亿美元,至2016年我国增材制造产业规模为12.05亿美元,约占全球市场的19.6%。

 

2-9 2012-2016年世界及中国3D打印产业规模

    从增长的速度来看,2013至2016年中国的3D打印产业规模的增长速度明显高于世界的3D打印产业规模。从中国自身的3D打印产业规模的增长速度来看,中国的3D打印产业规模的增长速度不太稳定,2013-2016年的增长速度波动性较大。

   

2-10 2013-2016年世界及中国3D打印产业规模增长速度

     增材制造产业的AMC模型反应了增材制造产业的生命周期,从图2-11可以看到增材制造产业的四个基本周期:探索期(1993-2015)、市场启动期(2016)、高速发展期(2017-2025)和成熟期(2026-)。

   

2-11 中国增材制造市场AMC模型

资料来源:根据易观网以及其它资料整理得到

由图可知目前我国的3D打印产业刚刚处于高速发展时期,充满发展潜能,在此阶段3D打印市场高速发展,3D打印长尾服务涌现,个性化定制与服务大幅提升。

从增材制造产业市场分布来看,目前就中国而言,应用领域排名前三的是汽车、消费产品和商用机器设备,分别占市场份额的31.7%、18.4%和11.2%,详细的产业分布图如下图所示。

 

2-12 中国3D打印产业分布图

竞争态势分析

第一,生命周期比较。根据中国增材制造市场AMC模型,可以看到我国的增材制造所处的阶段为3D打印市场高速发展阶段,而全球增材制造市场也基本处于此阶段,例如主要国家美国1986-2013年是处在探索期,2014年处于市场启动期,2015-2025年处是高速发展期,2026年之后为成熟期,中国的3D打印市场的高速发展期为2017-2025年,从时间上看,除了比美国滞后了一年的发展时间,目前中国与美国则处在同一发展时期:高速发展期。因此中国的增材制造市场与主要的增材制造国家不存生命周期的代差。

第二,产业规模比较。2013年至2016年世界的增材制造产业规模的增长比率分别为:34.78%、29.03%、30%、19.23%,对应时间段的中国的增材制造产业规模的增长比率分别为100.62%、41.80%、69.87%、54.68%,因此2013至2016年中国的3D打印产业规模的增长速度明显高于世界的3D打印产业规模的增长速度。

第三,产业政策比较。近年来美国、德国、英国、欧盟、俄罗斯、韩国和中国等纷纷出台3D打印产业政策,力促3D打印产业的发展。从产业政策的角度来看,我国与世界上3D打印产业水平较先进的国家相比,政策并没有滞后,力度也都较大。

2-2 主要国家3D打印产业政策 

国家

政策

美国

在 2009 路线图的基础上,北美焊接和材料结合工程技术领导组织——爱迪生焊接研究所,成立了增材制造联盟(AMC),2012年美国出台《先进制造国家战略计划》,在该计划的支撑下美国国家增材制造创新研究所成立。2016年发布了《下一代增材制造材料战略路线图》,为增材制造发展做出指引。

德国

2010年德国联邦政府制定了《高技术战略 2020》,确立了3D 打印技术是工业4.0中实现“智能生产”和“智能工厂”的重要作用。大力发展德国3D打印联盟,政府为还配备了数千万欧元的资金用于基础研究。

英国

在2007年-2016年期间,英国政府投入9500万英镑的公共和私人基金用于3D打印合作研发项目。其中,2011年在成立了增材制造技术创新中心,2014 年1月,英国政府宣布将投资1530 万英镑创建一个国家级3D打印中心,2015 年,英国提出英国制造205战略,3D打印地位进一步提升。

欧盟

2007年-2013年期间,欧盟第七框架计划为3D打印联合研究项目提供了支持,总计投资1.6亿欧元,随后出台和欧盟“地平线2020项目”计划(2014年-2020年)进一步为3D打印提供支持。2013 年 1 月, 欧洲开展增材制造技术研究计划

俄罗斯

2016年俄罗斯国家原子能公司Rosatom计划将先进3D打印技术作为其非核心业务战略的一部分

韩国

2014年4月份,韩国政府投资 24 亿韩元建立 3D 打印中心 ,2014 年 6 月, 韩国政府宣布成立 3D 打印工业发展委员会 ,2014 年 11 月,韩国发布了一个长达 10 年的 3D 打印战略规划 。2015年韩国政府发布的政策,3D打印和其他高科技领域的公司将有资格在韩国获得额外的税收减免

日本

2013年设立新物造研究工作组,研究增材制造发展问题,日本政府在 2014 年投入40 亿日元,由经济产业省组织实施“以 3D 打印为核心的制造革命计划”

中国

2013年5月,科技部公布《国家高技术研究发展计划(863 计划)、国家科技支撑计划制造领域 2014 年度备选项目征集指南》, 3D 打印产业首次入选 ;2016年国务院印发了《“十三五”国家科技创新规划》,明确提出了未来五年国家科技创新的指导思想、总体要求、战略任务和改革举措。在《规划》中多次提及3D打印技术和增材技术,更是说明3D打印技术对于中国高科技技术的体现

 

第四,技术发展情况比较。3D打印技术包括“快速原型制造技术”和“金属构件直接制造技术”两大类,目前公众所了解的3D打印成果和案例大多属于“快速原型制造技术”范畴,另一个分支是高性能的金属零件直接制造,这一领域可谓意义重大,但难度也更大,是3D打印技术的制高点,在这方面美国和德国走在世界前列。中国从上世纪 90年代起开始研发3D打印技术,目前西安交通大学、华中科技大学、清华大学、北京隆源公司等高校、研究机构以及企业已经取得不错的研究成果,研发出光固化、金属熔敷、生物制造、陶瓷成形、激光烧结、金属烧结、生物制造等类型的3D打印(增材制造)装备和材料。目前,中国仅四川成都在 2013 年和 2014 年制定了相应的 3D打印路线图,但相对欧美路线图来说仍较为粗糙,中国和欧美国家的技术差距,主要是在于技术的路线安排上,而不是在技术的先进性上。

 

 
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