《新产经》传媒产业与金融研究所

 

1 3D 打印的产业背景

制造业回流意指跨国公司将制造业投资和生产能力从海外向国内转移的一种现象，它既包括把海外的工厂迁移回国，也包括在国内建设工厂，取代在海外建厂或采购的计划。再工业化是指重新重视和发展工业，包括改造提升现有工业和发展新工业的过程。20 世纪五六十年代到金融危机发生前，美欧各国经历了一次“去工业化”过程。彼时，美欧国家人力成本和用地成本偏高，普遍重视高附加值的产业，如高新技术研发和金融服务业，制造业就业和产出比重持续降低，制造业同时向新兴工业化国家转移，形成了产品研发在美国，零部件生产和组装环节在日本、亚洲四小龙、中国和印度的国际分工体系。其带来的结果是，美欧各国在汽车、消费类电子和钢铁等传统优势制造业领域的优势逐步丧失，大量投资转向海外。金融危机发生后，金融业固有的脆弱性和系统性风险，使欧美各国意识到着重依靠第三产业发展的策略的错误性。经济的衰退伴随着严重的失业，2010 年美国制造业就业人数仅为总就业人数不足10%，制造业从业人员减少成为失业率高企的主要原因。

在上述背景下，美国政府依靠减税、降低能源成本、削弱工会权力和加强职业教育等措施克服制造业发展的制约因素，以提升制造业，重启经济发展动力。以美国为代表的西方发达国家，积极引导制造业回流，实施“再工业化战略”，3D 打印产业因其高新技术属性、技术扩散效应以及带动诸多产业发展等因素而受到重视。此外，3D 打印产业链的整合发展，能顺理成章地与制造业相结合，吸收更多就业，增加出口，吸引资本回流，凡此种种，发展3D 打印产业现在成为了实施再工业化战略的重要环节。

更需要关注的是，全球制造业的趋势正在从关注劳动力成本转为关注高技术、高附加值的创新，这意味着一些制造业可以远离低成本劳动力聚集地，重返更靠近消费者的地方。

 

《经济学家》认为第三次工业革命以互联网、新材料和新能源为基础，核心是“数字化智能制造”，人们按照自己的意愿设计制造产品成为可能，自工业化时代即将到来。所谓自工业化是指消费者按照个人喜好生产所需用品，实现工业生产由工厂到家庭的演变。这其中，产品的设计、制造等工序，消费者可以自行完成，也可以通过网络平台寻找专业人士代办。优秀的产品创意还可以打包为商品放置在网络平台出售，形成商业模式。

工业生产方式的变革与消费者行为存在交互影响，消费需求的转变往往能推动工业的创新变革，而工业生产方式根本转变之后又反过来使消费习惯固定。近年来，国外消费者个性化定制的诉求日益强化，现代工业流水线生产模式引以为傲的标准化产品越来越难调众味。3D 打印这种基于网络平台，以3D 打印机为生产终端的技术，恰恰能满足大众（特别是不具备产品开发能力的消费者）的多样化需求。下一步，也是西方国家正在做的事情，通过传媒宣传、体验馆展示在消费者群体中推广新技术，影响消费者选择，使3D 打印加速形成新兴产业。

 

3D 打印机制造早在20 世纪80 年代已经存在，当时的设备和耗材都非常昂贵，所以它只应用于模具开发、原型设计等工业上游环节。在90 年代，它的价格一度高达数百万美元。而在2000 年初，其价格降至一到二万美元。到了现在，你甚至可以仅用数千美元或者数千人民币购买一台3D 打印机。3D 打印机成本的快速下降，使得3D 打印机的销售实现商业化，这归功于开源硬件运动推动。开源硬件，指与自由和开放源码软件相同方式设计的计算机和电子硬件。开源硬件开始考虑对软件以外的领域开源。这个词主要是用来反映自由释放详细信息的硬件设计，如电路图、材料清单和电路板布局数据，通常使用开源软件来驱动硬件。共享逻辑设计连同可编程逻辑器件之重构，也是一种形式的开源硬件。对于3D 打印机来说，开源硬件Arduino 是其价格迅速下降的主要原因。这是一款由5 个国际工程师研发的电子原型平台，该平台包括一片具备简单I/O功效的电路板以及一套程序开发环境。它为3D 打印机提供了一个便宜而又强大的方案，加上其他开源技术的配合，3D 打印机的生产门槛越来越低。值得一提的是，Reprap 是最早使用Arduino 作为控制方案的3D 打印机，所以大多数以它为“蓝本”的改进产品也是采用Arduino 作为主控设备的。其它影响较大的3D打印机开源项目还有MakerBot、CandyFab、Fab@Home 等。目前国内市面出售的桌面3D 打印机也多是依靠MakerBot、Reprap 的开源系统，进行改进后制造生产。

 

全球3D 打印设备销售在2007 年已达到4930 台，到2010 年全球市场规模达13.25 亿美元，其中服务收入6.51 亿美元，美国保有量占比38.3%。根据跟踪3D 打印产业多年的美国Wohlers 公司2011 的调查结果，全球3D 打印产业产值在1988～2010 年间保持着26.4%的年均增长速度。2011 年全球3D 打印技术的销售额为17.14 亿美元，年增长率为29.1%。

美国3D 打印龙头3D Systems 公司2013 年Q1 财报显示，其每股盈利同比增长24%，连续第七个季度实现每股盈利的两位数增长，预期全年盈利1.05-1.2美元/股；Q1 主营收入1.02 亿美元，同比增长31%，相当于2011 年全年营业收入的三分之一2，全年营收预期将达到4.6 亿-5.1亿美元。仅3D 打印机的销售收入就劲增61%，达到3970 万美元。

 

 

（图片来源：光大证券。）

 

另外一方面，3D 打印技术应用领域正在逐步拓展，已成为现代模型、模具和零件制造的强有力手段；在航空航天、汽车摩托车、家电、生物医学等领域，应用也日益广泛；在个人消费领域，从服饰到家用电器零部件，3D 打印也正在改变普通家庭的生活方式，在美国和德国等地家庭中甚至已出现水龙头损坏采用桌面3D 打印机即打替换的情况。

花旗银行最新发布了一份研究报告3，将3D 打印产业视作将改变世界的十大技术发明,并预计3D 打印产业将在航天、整形等高附加值、小体量的产业领域率先爆发。专业研究机构Wohlers 发布的报告预期，3D 打印产业未来仍将持续较快地增长，到2015 年，包含设备制造和服务在内的产业总产值将达到31 亿美元，2019 年将超越65 亿美元。

 

当前以美国为代表的发达国家高度重视3D 打印技术的发展。近年来奥巴马政府视人工智能、3D 打印、机器人为重振美国制造业的三大支柱，其中3D 打印是第一个得到政府扶持的产业。2012 年8 月美国国防部、能源部和商务部等5家政府部门宣布，共同出资4500 万美元，首笔资金为3000 万美元，由俄亥俄州、宾夕法尼亚州和西弗吉尼亚州的企业、学校和非营利性组织组成的联合团体出资4000 万美元，在俄亥俄州建立一所由政府部门和私营部门共同出资的制造业创新研究所，加强研发3D 打印技术。

除美国外，其他国家也在不断加强3D 打印技术的研发及应用。欧洲十分重视对3D 打印技术的研发应用，目前已能打印住房、骨骼，并能够直接利用月球土壤进行打印。澳大利亚近期制定了金属3D 打印技术路线；南非正在扶持基于激光的大型3D 打印机器的开发；日本着力推动3D 打印技术的推广应用；新加坡已批准在2013 年拨付5 亿美元的财政资金用于3D 打印产业的建设。

全球性的政府重视和政策助力，必将使3D 打印的科技进步和产业发展，跃

上新的台阶。

制造业的发展已不再是生产至上，同时向设计、销售、服务等产业链的上下游扩展。我国长期以来一直处在国际制造业产业链的中低端，成为国际商品的“加工厂”，出口商品也被深深的打上“中国制造”的烙印。发展3D 打印产业，可以提升我国工业领域的产品开发水平，提高工业设计能力。一些好的设计理念，无论其结构和工艺多么复杂，均可利用3D 打印技术，短时间内制造出来，从而极大地促进了产品的创新设计，有效克服我国工业设计能力薄弱的问题，实现“中

国智造”的华丽转身。根据“微笑曲线”理论，产品的附加值更多体现在两端，即设计和销售，处于中间环节的制造的附加值最低。但是在高精尖制造业领域，却呈现出“倒微笑曲线”，即高附加值主要来自于高度自动化、精益化的制造环节，研发和营销的附加值屈居其次。二者叠加形成“元宝曲线”，实现了集成专业化和制造专业化的价值共生，使得企业盈利模式多样化，盈利点和价值分布点增多，通过相关业务之间的协同，能够实现“1+1>2”的目标。

 

 

图1-2 “元宝曲线”示意图

 

1.2.2 经济复苏态势明显，制造业升温

2011 年，我国模具、零部件、文教体育用品、工艺美术品、纺织服装、化学纤维、橡胶、塑料制品、家具等产值超过7 万亿元。即使只有10%的产业被3D打印替代或者补充生产，也将形成万亿级的3D 打印市场规模。

同时，按照国家“十二五”规划方向，我国将重点发展航空航天制造、船舶及海洋装备、清洁能源发电设备制造、汽车、铁路和轨道交通机车等行业，到2015 年，我国高端装备制造业销售收入将从2010 年的1.6 万亿元增长到6 万亿元以上。预计十二五期间激光快速成形技术仅在大型铸锻件和钛合金制造领域就有可能达到万亿级规模。而航空航天等高端装备业正是3D 打印技术的主要应用领域，也是产值增长速度最快的领域。

 

科技部近日公布了《国家高技术研究发展计划、国家科技支撑计划制造领域2014 年度备选项目征集指南》，在全球范围内引发热潮的3D 打印产业首次入选。分析人士表示，这体现出国家层面的重视程度，国内的3D 打印产业将迎来快速发展期。该《指南》中提到，要突破3D 打印制造技术中的核心关键技术，研制重点装备产品，并在相关领域开展验证，初步具备开展全面推广应用的技术、装备和产业化条件。其中涉及到航空航天大型零件激光熔化成型装备研制及应用、面向复杂零部件模具制造的大型激光烧结成型装备研制及应用、面向材料结构一体化复杂零部件高温高压扩散连接设备研制与应用、基于3D 打印制造技术的家电行业个性化定制关键技术研究及应用示范等4个研究方向，共拨付不超过4000万研究资金。

工信部也表示，将组织研究制定增材制造技术路线图、增材制造业中长期发展战略，并推动完善增材制造技术规范与标准制订。此外，将加大财税政策引导力度，加大对增材制造技术研发和产业化的支持力度，研究制定支持增材制造产业发展的专项财税政策，还将适时筹建增材制造行业组织，积极组织行业力量开展产业政策研究，推动增材制造技术研发和产业化。

 

1.2.4 地方政府积极推动

地方政府层面，3D 打印发展已被湖南、湖北等省列入政府工作报告；南京正在建设3D 打印技术产业联盟总部基地；合肥联手国内科研机构，建设3D 打印与激光再制造先进技术研究中心；武汉、昆山等地积极筹划成立3D 打印产业园；成都市政府更是大手笔，计划出资5 亿，与中国3D 打印技术产业联盟联手建设3D 打印技术产业创新中心；与深圳毗邻的东莞，致力通过3D 打印，重塑制造业中心城市的新活力，计划在天安数码城成立3D 打印产业基地，在松山湖华科产业孵化园落成3D 打印产业园区，并且在加速出台行业相关的金融、公共技术平台、人才支持等配套措施。3D 打印产业与技术峰会也成为竞争焦点：4 月25 日，东莞举办“3D 打印技术产业化论坛”，邀请到国际3D 打印巨头美国Stratasys 公司专家主讲，场面火爆，容纳两三百人的讲堂挤满五六百人。5 月9 日，上海举办“CSITF2013 增材制造技术全球高峰论坛”，商务部、科技部、国家知识产权局与上海市政府共襄盛举，业界反应优良。5 月28-29 日，深圳举办3D 打印产业发展与应用技术路径峰会，深入探讨3D 打印的产业化对策。5 月29-31 日，北京也举办2013 世界3D 打印技术产业大会，邀集国际知名的研发团队，论道3D 打印行业发展。这一系列行动的内在逻辑在于，致力产业升级和谋求创新产业突破的各路地方势力，眼光都盯住了富有前景的3D 打印产业。

 

2.1.1 3D 打印定义

3D 打印技术是指通过连续的物理层叠加，逐层增加材料来生成三维实体的技术，与传统的去除材料加工技术不同，因此又称为增材制造（AM，Additive Manufacturing）。作为一种综合性应用技术，3D 打印综合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等诸多方面的前沿技术知识，具有很高的科技含量。3D 打印机是3D 打印的核心装备。它是集机械、控制及计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由高精度机械系统、数控系统、喷射系统和成型环境等子系统组成。此外，新型打印材料、打印工艺、设计与控制软件等也是3D 打印技术体系的重要组成部分。

 

3D 打印的过程：

第一步，三维设计。一种方式是通过计算机辅助设计（CAD）或计算机动画建模软件建模，将建成的三维模型“分区”成逐层的截面，指导打印机逐层打印，文件格式为STL。另一种方式是通过三维扫描仪产生三维文件，通常为VRML 和WRL 文件格式，作为全彩打印的输入文件。三维扫描仪价格昂贵，采用第二种方式成本高。

第二步，打印。打印机通过读取文件中的横截面信息，选择液体状、粉状或片状的匹配材料，将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。

 

图2-1 3D 打印简化流程图

 

专利申请是技术创新成果的主要衡量指标，截至2013 年1 月24 日，全球3D（增材制造）相关专利数量达到2444 个专利族，主要专利集中在美国、德国、瑞士等发达国家。

 

表2-1 3D 打印专利持有前十名公司

（数据来源：上海科学技术情报研究所。）

 

国际3D(增材制造)技术自上世纪80 年代中后期开始稳定发展，在2004 年之前以较快幅度攀升，之后便呈现出专利量基本稳定甚至略为减少的态势，相关专利的申请量和公开量分别在2007 年（251个专利族）和2008 年（219个专利族）达到波峰。目前正进入第三阶段技术成熟期，专利申请数量和申请人数量趋于稳定甚至有开始减少的趋势，产业进入壁垒提高。塑料成型是增材制造中发展最快、专利申请最为集中的技术领域，但近年开始出现回落。在优先权专利地域分布上，美国、日本和德国位列前三。

 

图2-2 1986-2011 年3D 打印专利申请量

 

图2-3 全球3D 打印优先权专利分布

 

2.3.1 按产品应用范围划分

按产品应用范围划分，3D 打印主要分为工业级和民用级。其中，民用级也通常被称为桌面级。工业级的3D 打印机精度很高，不仅可以打印塑料和树脂，还可以打印金属和高分子材料，能够生产航空航天所需的部件、医用人造牙齿和关节等，甚至包括人造器官。但是缺点在于设备价格高昂，每台达数十万美元，难以大规模推广。现阶段工业级3D 打印以提供打印服务为主要业务。

在桌面级市场，3D 打印技术的精度仅为毫米级，所使用的材料通常为塑料，只能用来制造模型、玩具以及动漫等创意产品。但是由于桌面级3D 打印机的技术突破，价格可以为多数消费者接受，加之体积小，适合家用，3D 打印机的销售迅速提升。

 

 

表2-2 工业级、桌面级主要3D 打印设备制造公司

 

 

事实上，工业级和桌面级的分类并非严格界定。工业级3D 打印设备制造商

和桌面级3D 打印设备制造商之间往往有业务重叠。

 

2.3.2 按成型技术划分

按成型技术和工艺的不同，3D 打印可以分为喷射式、颗粒式、薄片叠加式和光聚合式四类，四类成型工艺又可以分别细分（见表2-3）。当前在商业中应用较为广泛的技术是立体光刻成型技术（SLA）、熔融沉积成型技术（FDM）和选择性激光烧结成型技术（SLS）三种。

 

表2-3 3D 打印成型技术

 

 

3.3.2.1 立体光刻成型技术（SLA）

定义

立体光刻工艺在快速成型技术中最早商品化，也是现在最为成熟、应用最广泛，占市场份额最大的工艺。立体光刻又叫做光固化成形，它是快速成形原理与光固化机理相结合，在现代激光技术、数控以及计算机技术的辅助下而发展起来的。

 

2.3.2.2 熔融沉积成型技术（FDM）

定义

熔融沉积成型技术，又称为熔丝沉积法或丝状材料选择性熔覆。喷头沿零件截面轮廓与填充轨迹运动（CAD 控制路径），挤出熔化材料并迅速固化，逐层成型，后层需前层支撑与定位。

 

2.3.2.3 选择性激光烧结（SLS）

定义

选择性激光烧结法采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。

 

2.4.1 技术优势

2.4.1.1 节约成本

首先，3D 打印节省材料，用料只有原来的1/3 到1/2，打印速度快4倍。同时由于层层堆积打印，省去边角切割，不会产生废料，材料利用达到100%。同时，制造成本与产品的复杂程度无关，制造过程不产生废弃物，提高材料利用率。其次，3D 打印节省人工，对人工技能要求低，通过分层制造实现，减少组装环节，也相应减少用工需求。

 

2.4.1.2 满足个性化需求,实现社会化制造

3D 打印能实现不同材料的组合，并且应用范围广阔，生产产品多样化。打印机占用空间小，打印物品不受自身大小限制。用户可以选择不同的3D 打印机和匹配的材料，通过三维模型设计，制造自己需要的物件。消费者可以将需求直接转化为产品，即“从想法到产品”，并使得任何人都能通过社会媒体和众包等形式参与设计、改进、宣传、推广、营销等过程，并可以分享其产品的利润。

 

2.4.1.3 柔性供应链

3D 打印个性化制造的特点，决定其不局限于批量订单生产，收益不受规模效应的影响。企业接到订单后，可以随时进行生产，零时间交付，按需生产，减少库存。

 

以目前商业推广的范围预测，3D 打印主要应用在航空航天、军工产品、汽车和摩托车、电子产品、生物医疗、珠宝制造、电影游戏动漫、玩具和工艺品、食品和教育等十个领域,见表2--4。

 

表2-4 3D 打印应用领域应用

 

 

 

尽管3D 打印在市场上有很高的关注度和热度，但是行业巨头Stratasys2012年营业额也仅为2.77 亿美元，而且是Stratasys 收购以色列3D 打印巨头Object之后的营业额，与传统制造业相比差距极大。如通用电器公司（GE），2012 年仅利润就达到161 亿美元。借鉴个人电脑的普及过程，3D 打印行业需要有一批典型公司扮演领导者和推动者的角色。

第一阶段：专业人员。在普及初期，大众对于产品了解较少，产品推广的动力主要来源于产品制造商对于未来前景的预期，技术也较为粗糙。产品的使用者多为专业人员。

第二阶段：部分先锋领域应用。随着产品的特性越来越多地被消费者所了解，产品的销路开始被打开。这时将会有新的竞争者加入，在竞争中技术的进步速度进一步加快。同时随着产品市场的扩大，产品上下游产业也将受到带动。

第三阶段：大规模推广。消费群体的爆发式增长是普及期的典型特征。接受产品的人数如病毒扩散般呈现指数增长势头，研发销售3D 打印机的公司，才能实现业绩的飞速增长。

 

图2-4 3D 打印机设备普及路径

 

（图片来源：莫尼塔，《3D 打印技术展望》。）