3D打印技术产业发展现状研究及对策建议

3D打印技术产业发展现状研究及对策建议

3D打印技术又称快速成型技术（RP），被誉为“具有工业革命意义的制造技术”，作为第三次工业革命的重要标志，代表了先进制造业发展趋势。紧抓3D打印技术发展机遇，对加快先进制造业提升、推进两化深度融合、促进我市传统产业转型升级、战略性新兴产业跨越式发展具有重要的支撑引领作用。

一、全球3D打印技术发展趋势研究

3D打印技术采用“增材制造（Additive Manufacturing）”工艺，无须原胚和模具，直接根据计算机3D图形数据，通过增加材料的方法生成物品，与传统的“去除型”制造不同。早期3D打印技术主要用于打样和铸模，近几年才开始大规模普及和多样化应用。

（一）3D打印技术概述

3D打印技术依托信息技术、精密机械和材料科学等多学科，其技术工艺包括SLA、SLS、LOM、FDM、光屏蔽工艺、直接壳法、直接烧结技术、全息干涉制造等十几种。3D打印设备（3D打印机）可分为桌面级、生物级和工业级三类。桌面级主要用于大众消费；生物级用于生物医学领域，打印骨骼、细胞等；工业级又分为快速原型制造和直接产品制造，打印精度较高。3D打印产业链中，激光发生器、控制系统和软件、原材料、3D扫描仪和数字建模的附加值较高。

3D打印技术具有节省原材料和成本、可方便地实现小批量个性化生产、生产周期短、打印精度高、能实现多材料打印等优点，可应用于汽车制造、航空航天和生物医药等多个行业领域。目前，3D打印主要用于制造传统工艺无法生产或传统工艺生产成本高、时间长的产品，在各行业中的应用比重见图1。

图1　3D打印在各行业中的应用比重

尽管3D打印技术在产品设计、复杂特殊产品制造、个性化服务等方面显示出巨大优势，但还存在3D打印设备、原材料和维护价格较高、原材料类别有限、3D打印工艺尚不完善、缺乏行业和产品标准等问题，距大规模的工业实际应用还有一段距离。如3D打印原材料大多不能通用，特别是工业应用中，原材料只能由设备厂家提供，而3D打印金属制品的产品性能、质量标准，还无法实现大范围工业应用。

目前，3D打印主要还是作为工业设计的辅助手段，当涉及人工处理、加工精密和不确定性等因素时，3D打印技术很难单独胜任。而且从效率、成本和可靠性等方面看，3D打印完全替代传统制造业实现批量生产近期还无法实现，它们之间会形成一种互补关系。因此，3D打印技术为制造业带来的将会是一场“变革”，而非完全的“替代”，是对传统制造业的一种补充和创新。

（二）3D打印技术专利分析

3D打印技术的迅猛发展，与Stratasys公司所持有的两项关键FDM工艺专利在2011年失效有很大关系，大量3D打印技术开源工具包都使用了该专利。通过专利分析，不仅可以揭示技术发展趋势，还可标示出核心技术及所有权人，帮助企业借助现有专利技术快速发展。

1.全球3D打印专利分析

采用Orbit专利分析系统，以“3D打印（3D Printing）”及相近关键词为检索词，在全球范围内进行初步专利分析。共检索到6013项专利（截止到2013年2月底），其专利数逐年（1985～2013）变化情况见图2。

图2　全球3D打印相关专利发展趋势

从图2中可以看出，3D打印技术专利量的变化可分为三个阶段。1985～1992年，专利公开量平稳增长；1993～1999年，专利量出现明显增长；2000年至今，专利量出现持续快速增长。2013年前两个月，专利的公开量就达132项，超过20世纪90年代时期一年的专利量。这表明，3D打印技术正处于快速发展的成长期。

2.3D打印设备企业专利情况

世界上主要3D打印设备生产商专利量检索情况见表1。3D Systems和Stratasys公司（2012年并购Objet公司）是最早实现3D打印技术产业化的企业，拥有的3D打印专利也最多。EOS公司和CMET公司在3D打印设备方面也具有一定实力。MakerBot、MakieLab和Solidoodle等新公司，所拥有的专利还较少。

表1　世界主要3D打印设备生产商专利申请情况

3.3D模型制造技术专利分析

3D模型制造技术是影响3D打印产业发展的关键技术之一。检索发现，国际上3D模型制造技术专利数量排名前三位的企业是3D Systems公司、日本松下公司和德国EOS公司。

（三）3D打印技术发展趋势

Gartner（2011）认为，3D打印技术还处于初级阶段，而从技术到市场需要5～10年时间，到产业成熟期还需更长时间，现处于概念炒作高峰期。当前，3D打印技术应以加强创新研发、技术引进和储备为主，特别要重视自主知识产权的建设和维护，争取在未来市场竞争中占据有利地位。

未来，3D打印技术发展将是精密化、智能化、通用化和便捷化。实现3D打印产品的直接制造，提升3D打印的速度、效率和精度，开拓并行打印、连续打印、大件打印、多材料打印等工艺方法，提高成品的表面质量、多色彩性、力学和物理性能；加快3D打印原材料的开发，如智能材料、功能梯度材料、纳米材料、非均质材料及复合材料，特别是各种直接成型金属材料等的开发；促进3D打印机的操作简便化、价格低廉化，更加适应分布化生产、设计与制造一体化的需求以及家庭日常应用的需求；3D设计和控制软件集成化，实现CAD/CAPP/RP的一体化，使设计软件和生产控制软件能够无缝对接，实现设计者直接联网的远程在线制造等，将是3D打印技术的发展方向。现阶段，促进3D打印技术和传统工艺相结合，是3D打印技术发展的最好途径。

据报道，以“自主组装”为第四维度（与时间有关）的4D打印技术已出现。这种技术将设计内置于物料中，让物体能够“自动”创造，自动变形材料和记忆材料是4D打印的基础。自动变形材料在接触到一种能量源时，便会发生变化，形成所设计的物体；而记忆材料则是在特定外部条件下回归制造时的形状。4D打印技术不需要复杂的机电设备，简化了从“设计理念”到“实物”的过程，是制造技术未来发展的重要方向之一。

二、全球3D打印产业发展现状与趋势

各国积极采取措施应对以3D打印等为代表的新一轮数字化制造浪潮，美国在2012年建立了首个国家3D打印研究中心，并计划2013年再建设三个3D打印制造业中心。德国2011年推出的“光子学研究”计划，包括支持3D打印技术研究部分。新加坡将在五年内投资5亿美元，加快包括3D打印在内的先进制造业发展。

（一）3D打印产业发展现状

2011年，3D打印产业全球市场规模约17亿美元，预计到2019年将达69亿美元。主要的两家3D打印公司3D Systems和Stratasys在2011年收入同比增长约44%和32%。2012年，3D打印产业快速发展，其模式可分为以下三类。

1.3D打印技术产业全价值链模式

以美国3D Systems公司为代表，作为全球最大的3D打印设备生产商和解决方案提供者，业务涵盖打印设备、原材料和服务等3D打印全产业链。它为客户提供的“一站式”全套增值解决方案，包括硬件、软件、材料、工艺、教育培训和应用支持等，涉及模具、医疗、教育、珠宝、建筑等行业。公司2011年收入构成中，服务所占比例最高，达40%。其次为原材料收入，占31%，打印设备收入仅占29%。

2.3D打印服务平台模式

以美国Shapeways公司为代表，其创建的“3D云打印”服务平台，按照用户设计要求和材料选择，进行产品打印并完成送货服务，用户也可在平台展示和销售3D打印产品。2011年，Shapeways生产了75万种3D打印产品，并在纽约建设了全球最大的3D打印工厂。法国Sculpteo公司则开发了一款集设计、购买、制造、送货等为一体的3D打印苹果应用，利用苹果手机就可方便享受3D打印服务。

3.Stratasys等公司侧重3D打印技术专业领域

Stratasys（2012年并购Objet公司）、MakerBot、Solidoodle、CMET、Fabbster等公司生产的3D打印设备涵盖桌面打印机和工厂打印机。Objet公司可提供65种以上3D打印材料；Xerox PARC等公司正在研发传感器、晶体管等电子产品的打印材料，用于打印手机或MP3等；EOS、松下等公司开发了各类专业3D模型设计软件。

（二）3D打印产业发展趋势

3D打印是一个个性化、分散的市场，在目前标准缺乏的情况下，要求企业拥有完整的产品谱系，能够针对不同客户需求开发出全方位解决方案，材料+设备+服务的“全价值链模式”是3D打印企业发展的最佳模式。而随着3D打印市场的成熟，服务和产品制造在整个产业链中所占比重会不断增加。2011年3D打印零件产值仅占3D打印市场的25%，预测到2019年其所占比重将提高到80%。

3D打印配套产业如3D扫描仪、3D设计工具和应用软件、标准图纸外包与图纸社区、二三级原料供应等也大有发展前途。通过软件控制，智能手机摄像头也可以作为3D扫描仪使用。随着3D打印产业的发展，可使用户进行个性化设计和交流的3D打印网络社区和协同设计环境，将成为互联网流量的一大集散地。

三、我国3D打印技术产业发展现状

我国3D打印技术的发展与国际基本同步，且大型金属结构件等核心技术的研发和生产已处于国际领先地位。作为世界上最大的制造业基地，2010年以来国内3D打印机装机增速在70%左右，发展前景广阔。

（一）我国3D打印技术主要研发单位和专利分析

1.国内主要研发力量

20世纪90年代初，清华大学、西安交大、华中科大等研究机构就已开展3D打印技术研究，并建立了3D打印设备制造与服务企业。此外，华南理工大学、南京航空航天大学、上海交通大学和西北大学等院校，也在3D打印技术和打印材料等领域展开研究。中科院自动化所王飞跃研究员带领的3D打印技术研究团队由自动控制与系统管理的专家组成，在复杂系统管理与控制、3D建模技术及软件控制等方面具备优势，计划从事3D打印及配套设备的研制、软件设计和云服务平台等的开发和建设，提供全套3D打印服务。

2.国内3D打印技术专利分析

以“3D打印”及相关词汇检索国内专利，共检索到519条，专利量逐年变化情况见图3。可以看出，从20世纪90年代，我国3D打印技术专利一直处于一种平稳增长的态势，但去年，3D打印专利量大幅度增加，公开量超过100件。

图3　我国3D打印相关专利发展趋势

国内3D打印技术研究主要领军人物及其所属单位的专利申请情况见表2。西安交大卢秉恒院士在我国较早开展3D打印技术研究，其专利量居首位。清华大学的研究开展时间也较早，有相当一部分专利由其所属企业申请。北京航空航天大学研发的“3D激光快速成型技术”获得2012年度国家技术发明一等奖，现在正与中航工业合作开展3D打印生产。

表2　国内3D打印技术研究主要领军人物专利情况

专利分析表明，我国3D打印技术发展与国际基本同步，但打印设备、3D模型设计和控制系统等核心技术大多掌握在美国、德国、以色列等国手中。吸取光伏太阳能等产业的教训，国内3D打印技术在初期就要重视自主知识产权问题，走自己的专利之路，努力发展创新技术，同时摆脱对国外3D打印原材料的依赖，避免陷入不必要的专利泥潭。

（二）我国3D打印产业发展现状

1.国内主要设备生产企业

我国已有多家企业从事3D打印设备生产，南京紫金立德公司是734厂与以色列合资企业，年生产能力达2万台；北京太尔时代3D打印机月产量达600～700台；陕西恒通智能机器有限公司主要产品是激光快速成型设备和快速模具设备等，并已在全国建立了31个示范基地。中航重机激光公司正全力推进激光快速成型项目，3D打印钛合金和M100钢已用于新型飞机研制；湖北滨湖机电公司的3D打印机应用于在航空航天、汽车零等领域；湖南华曙高科技有限责任公司生产的选择性激光尼龙烧结设备已出口美国等。

我国3D打印原材料生产也渐成规模，北京隆源自动成型系统公司主要从事复杂金属结构件的快速成形和打印材料的研制；无锡飞尔康快速制造科技公司，主营3D打印的金属粉末生产与销售；实威国际产品涉及3D设计软件、3D产品文件编写等。

2.3D打印服务平台提供商

近年来，深圳、天津、上海、西安、南京、重庆等地建立了一批提供快速成型技术的服务机构，为企业的研发、生产提供服务，如广东省工业设计中心、杭州先临快速成型技术有限公司、宁波和丰创意广场等。2012年11月，我国首家3D打印照相馆落户西安高新区；今年1月，国内首家3D打印体验馆在北京工业设计创意产业基地开业，面向公众提供个人3D打印服务。

（三）国家和地方鼓励3D打印产业发展政策

2012年12月，工信部表示将通过加强顶层设计和统筹规划，加大财税政策引导力度，适时筹建增材制造行业组织，加快推动3D打印制造技术研发和产业化。科技部正在研究制定3D打印技术相关战略规划，有望在2013年两会后出台。2013年3月，发改委、财政部、工信部共同发布《关于组织实施2013年智能制造装备发展专项的通知》，指出要重点支持3D打印技术的研究。

2012年10月，亚洲制造业协会联合国内3D打印科研机构和行业领先企业成立“中国3D打印技术产业联盟”，推进我国3D打印技术的产业化、市场化，加快国际交流，促进3D打印技术与传统制造技术的有机结合。由我国主办的世界3D打印技术产业大会于2013年5月在北京举行，世界3D打印技术产业联盟也同期成立。

各地政府十分重视3D打印技术产业的发展。2013年1月江苏省发布《江苏省三维打印技术发展及产业化推进方案（2013～2015年）》，着手布局3D打印产业发展。南京市提出打造中国3D打印技术制高点，成立了我国首个3D打印技术产业创新中心和中国3D打印技术产业总部基地。对于3D打印产业项目及研发项目，南京市优先给予政策、资金支持，引导3D打印技术融入政府公共服务平台，加快推进3D打印产业向经济技术开发区集聚。

武汉市成立了中国首个“3D打印工业园”，并编制规划扶持培育3D打印产业发展。成都市将投资建设3D打印技术产业创新中心，向成都及周边地区的电子、汽车、机械设备等企业推广3D打印技术。贵阳将在高新区建设3D打印机研发中心，预计五年内建成3D打印机规模化生产基地。东莞市将3D打印作为战略性新兴产业写入了2013年《政府工作报告》，认为应在3D技术刚市场化不久，提前布局。中关村将加大对3D打印产业的扶持力度，在企业创新、融资、推广、跨行业交流等方面给予支持。

山东省各地市将对3D打印技术发展情况也十分关注，济南市准备将3D打印产业发展规划纳入全市工业转型升级、发展智能制造业的相关规划。山东大学正筹建快速制造国家工程研究中心增材制造分中心，从事3D打印的研究和技术转移。烟台市在智慧烟台建设中，将3D打印列为重点发展的高端项目之一。济宁市提出建立3D打印云服务平台，打造3D快速成型和工业设计相结合的创新平台。

（四）我国3D打印产业发展中存在的问题

2011年国内3D打印产值（含材料和服务）仅3亿人民币，与发达国家相比还非常小，且科技创新能力弱。在全球销售的4.9万台工业级3D打印机中，国产设备仅占3.6%。制约我国3D打印技术产业发展的问题主要有以下4点。

1.缺乏宏观规划和引导，没有统一协调的管理体系

在我国工业转型升级、发展智能制造业的相关规划中，对3D打印的技术总体规划与重视度不够。而在学、产、研结合方面，还没有统一协调的管理体系，影响科研成果的商品化。在科研方面，存在不同部门的“低水平重复”现象，使有限的研究投入未能发挥更好的作用。

2.缺乏核心技术，国内3D打印技术发展不成熟

研究队伍比较薄弱，资金投入有限，设备尚未完全商品化，原材料特别是金属材料急需国产化，与3D打印技术相适应的各项配套技术尚不完备。

3.企业研发投入不足，3D打印未有效在企业中应用

我国3D打印企业规模较小，研发力量不足，技术生产环节存在较大缺陷，难以完全满足产品制造的需求。研发资金主要由国家承担，企业未能成为技术创新的主体。已引进3D打印设备也未能充分发挥应有作用，中小型企业很少能得到3D打印技术服务。

4.产业链缺乏统筹发展，没有形成完整产业体系

3D打印产业发展需要完善的供应商、服务商体系和市场平台。而目前国内的3D打印企业还处于“单打独斗”的初步发展阶段，产业整合度较低，主导的技术标准、开发平台尚未确立，技术研发和推广应用还处于无序状态。

四、青岛市3D打印技术产业发展现状

目前，青岛已有一定的3D打印研究、生产基础，主要集中在模型设计、软件控制、3D打印机生产和打印服务等领域。海尔、海信、科海创新和希迈科等企业有一定数量3D打印设备运行，而青岛尤尼科技公司已开始生产3D打印机。

（一）主要研究机构

以中国海洋大学为主，中国石油大学（华东）、山东科技大学、青岛理工大学、海洋仪器仪表所、中船重工716所、四方机车车辆研究所等单位和海尔、海信、中航前哨精密机械公司等企业都具有3D打印设备研发和生产实力。青岛科技大学、青岛大学等高校对橡胶、化纤等高分子材料和医用材料的研究国内领先，可开展3D打印原材料的研发和生产。青岛理工大学、山东科技大学和中国石油大学等高校同时也具备三维模型设计和控制软件开发的实力。

（二）海尔“3D打印云服务平台”的建设

海尔集团利用3D打印、云计算、互联网、知识服务等相关技术，正在打造面向全社会的3D打印云服务平台，实现制造过程到终端产品的个性化定制，向用户提供3D打印全套增值解决方案。平台包括“3D打印网络互动平台—设计团队—制造平台—配送平台”四部分，整合设计、3D设备商、3D打印材料、应用软件和服务等众多资源，实现用户自行建模或与设计人员互动建模、选择原料、下单、产品打印到物流配送的3D打印“一站式”服务。

（三）青岛市相关企业情况

青岛尤尼科技有限公司已生产出青岛企业的第一台桌面3D打印机样机，正在研制国内首台全彩3D打印机。西安交大青岛研究院正在积极筹建中，依托西安交大快速成型技术进行批量生产。青岛科海创新工业设计有限公司采用光固化立体造型技术制造形状特别复杂和精细的零件，为中国南车、双星等企业提供工业设计服务和产品量产前的产品设计验证。青岛希迈科自动成型系统有限公司主要开展3D打印工艺技术控制软件的开发、粉末烧结工艺3D打印机的研制开发，并为相关企业提供控制软件及模具等产品服务。

（四）积极筹建青岛市3D打印产业技术创新战略联盟

以海尔集团为联盟牵头单位，联合青岛双星、科海创新、希迈科、中国海洋大学、中国石油大学（华东）、青岛大学、青岛工业设计协会、西安交通大学快速制造国家工程研究中心、华中科技大学、比利时鲁汶大学等单位组建3D打印产业技术创新战略联盟。开展3D打印关键技术研究，共同突破3D打印技术瓶颈，推动行业标准制定，促进青岛市3D打印产业可持续发展。

五、青岛市3D打印技术及产业发展建议

（一）加强组织领导，制定3D打印产业规划

将3D打印技术定位为生产性服务业、文化创意、工业设计、先进制造、电子商务及制造业信息化工程的关键技术和共性技术。尽快研究出台青岛市3D打印产业行动计划，制定3D打印技术路线图和中长期发展战略。

（二）加大科技和财政金融等政策扶持力度

设立3D打印成套设备及其关键零部件的研发和首台套示范应用项目，重点支持3D打印软件控制技术、材料技术、激光技术等关键共性技术研发和第三方检测试验平台建设。推动设立3D打印产业创新发展资金，鼓励企业投资、研发、生产和应用3D打印，支持3D打印设备的进出口。将3D打印产业纳入优先发展产业和产品目录，对实施产业化的企业在市场销售、社会推广上给予政策支持。

（三）积极引进技术和项目，提高3D打印技术研发实力

积极引进3D打印技术研究团队和项目，加快推进西安交大青岛研究院快速成型中心建设。规划建设国家级3D打印技术创新研究院，集中一流的科研团队，创造一流的科研成果，承担科研、科普、人才培训、软件开发、材料开发、工业设计、产业孵化和产业化的功能。依托已有高校和企业重点实验室、工程技术研究中心，搭建3D打印技术研发、电子商务、数据安全和产权保护等公共技术服务平台。

（四）培育3D打印全价值产业链，打造千亿级产业集群

立足现代装备制造业和科技服务业，重点选择家电电子、模具制造、生物医疗、文化创意等领域，筹建产学研用相结合的对接平台，推动3D打印产业集群化发展。分步骤、分层次开展3D打印应用示范，形成通用性、标准化、自主知识产权的应用平台，推进产业、技术与应用协同发展。

预计国内3D打印产业市值三年内将达到百亿元，而应用市场规模将超千亿元。青岛市应紧抓3D打印发展机遇，带动上下游配套产业和服务业，培育千亿级先进制造业产业集群。

（五）加强教育培训，促进3D打印社会化推广

将3D打印技术纳入教育体系建设，培养3D打印技术人才。依靠行业协会、博览会、论坛等组织形式进行3D打印技术和应用的培训。在科技馆、文化艺术中心、青少年活动中心等公共机构进行3D打印技术展示、宣传和推广。

参考文献

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编写:燕光谱　房学祥

编审:谭思明