1.3 3D打印技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印行業(yè)的發(fā)展一直處于快速增長的趨勢。根據(jù)美國專門從事3D打印技術(shù)咨詢服務(wù)的Wohlers Associates公司發(fā)布的2019年度報(bào)告，2018年全球3D打印產(chǎn)品和服務(wù)市場增長了33.5%，達(dá)到97.95億美元，如圖1-18所示。在過去30年中，全球3D打印所有產(chǎn)品和服務(wù)的年平均收入增長率高達(dá)26.9%。這個(gè)產(chǎn)業(yè)在過去的九年中經(jīng)歷了爆發(fā)式的增長，在這期間內(nèi)3D打印市場增長了近7.4倍。在最近的四年（2015—2018）中，年平均收入的增長率為24.4%。產(chǎn)品收入包括3D打印設(shè)備、系統(tǒng)升級、材料以及售后市場產(chǎn)品（例如軟件、激光器等）帶來的收入。服務(wù)收入包括制造服務(wù)提供商和設(shè)備制造商在3D打印設(shè)備上生產(chǎn)部件的收入，還包括設(shè)備維護(hù)合同、培訓(xùn)、會議、展覽、廣告、出版物、研究和咨詢服務(wù)等帶來的收入。上述收入不包括生產(chǎn)飛機(jī)零件、醫(yī)療和牙科產(chǎn)品、珠寶、眼鏡、照明、藝術(shù)和雕像等公司生產(chǎn)的3D打印零件的收入，這些3D打印應(yīng)用型的公司正在發(fā)展中，數(shù)量相當(dāng)大，但卻難以量化，也不包括3D打印相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)投資和其他私人投資。如果將上述因素都包含在內(nèi)，3D打印產(chǎn)業(yè)的實(shí)際規(guī)模要大很多。

在Wohlers Associates公司2019年發(fā)布的年度報(bào)告中，對各行業(yè)應(yīng)用3D打印技術(shù)的情況進(jìn)行了分析，圖1-19所示為全球3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用情況。從主要行業(yè)分布來看，工業(yè)/商用機(jī)器約占19.8%；汽車領(lǐng)域約占19.6%；航空航天領(lǐng)域?yàn)?7.7%；消費(fèi)品/電子產(chǎn)品領(lǐng)域約占13.6%；醫(yī)療/牙科領(lǐng)域約占11.5%。

圖1-20所示為2018年3D打印技術(shù)主要應(yīng)用功能的分布比例。它主要包括：①最終用途零件；②功能模型，用于工程裝配和功能測試；③外觀和展示模型、直觀教具；④教育、科研；⑤快速模具原型（如硅橡膠模具和精密鑄造）和砂型模具；⑥夾具、檢具；⑦金屬模具，如隨形冷卻水路等；⑧其他應(yīng)用。

其中最終用途零件的比例最高，為28.4%；排在第二位的是功能模型，為27.9%；二者合計(jì)比例高達(dá)56.3%，遠(yuǎn)高于其他應(yīng)用；第三大應(yīng)用類型是外觀和展示模型、直觀教具，約占10.7%；第四大應(yīng)用類型是教育、科研，約占9.9%。

目前3D打印技術(shù)已在全球范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注和重視，世界上許多國家都在致力于發(fā)展和應(yīng)用3D打印技術(shù)。圖1-21所示為3D打印設(shè)備數(shù)量區(qū)域分布，從圖中可以看出，歐洲、北美洲和亞太地區(qū)成為3D打印設(shè)備的主要需求市場。其中，2018年北美占37.1%，亞太地區(qū)占29.9%，歐洲占28.4%，其他地區(qū)占4.6%。

2018年不同國家和地區(qū)3D打印設(shè)備數(shù)量情況分布如圖1-22所示，其中美國的3D打印設(shè)備數(shù)量位居第一（占35.3%），中國位居第二（占12.1%），日本和德國分別位居第三和第四（分別占9.2%和8.3%）。

按照售價(jià)的不同，通常將3D打印機(jī)分為工業(yè)級3D打印機(jī)和桌面級3D打印機(jī)兩種。工業(yè)級3D打印機(jī)是指售價(jià)在5000美元及以上的設(shè)備，而售價(jià)低于5000美元的設(shè)備被稱為桌面級3D打印機(jī)。圖1-23所示為1988～2018年工業(yè)級3D打印機(jī)的銷售數(shù)量情況。在2018年，有19285臺工業(yè)級3D打印機(jī)被售出，相比于2017年16369臺的售出數(shù)量增長了17.8%，仍然保持了較高的增長速度。

圖1-24所示為2007～2018年桌面級3D打印機(jī)銷售數(shù)量的增長情況，從圖中可以看出，2018年桌面級3D打印機(jī)的銷售數(shù)量約為59.1萬臺，較上年增長11.7%，相比于2017年24.7%和2016年49.4%的高增長率，增長速度明顯放緩。

據(jù)Wohlers Associates公司預(yù)測，到2024年3D打印技術(shù)的年產(chǎn)值將達(dá)到355.7億美元，如圖1-25所示。

1.3.1 3D打印技術(shù)國外發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)集合了信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與先進(jìn)材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)，是先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，被稱為第三次工業(yè)革命的標(biāo)志性技術(shù)之一，正在推動(dòng)智能制造、產(chǎn)品開發(fā)和生命科學(xué)領(lǐng)域的新一輪創(chuàng)新，已在全球范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注和重視。

2012年3月，美國白宮宣布了振興美國制造的新舉措，將投資10億美元幫助美國制造體系的改革。其中，白宮提出實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)計(jì)劃的三大背景技術(shù)就包括了增材制造，強(qiáng)調(diào)了通過改善增材制造材料、裝備及標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的小批量、低成本數(shù)字化制造。2012年8月，美國增材制造創(chuàng)新研究所成立，聯(lián)合了賓夕法尼亞州西部、俄亥俄州東部和弗吉尼亞州西部的14所大學(xué)、40余家企業(yè)、11家非營利機(jī)構(gòu)和專業(yè)協(xié)會。美國材料試驗(yàn)協(xié)會ASTM（American Society of Testing Materials）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO分別成立了專門的增材制造技術(shù)委員會ASTM F42和ISO/TC 261，開展增材制造領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)研究制訂和修訂工作，進(jìn)一步推動(dòng)了增材制造技術(shù)在各領(lǐng)域的快速發(fā)展。

除了美國，其他發(fā)達(dá)國家也積極采取措施，以推動(dòng)3D打印技術(shù)的發(fā)展。英國政府自2011年開始持續(xù)增大對增材制造技術(shù)的研發(fā)經(jīng)費(fèi)。英國工程與物理科學(xué)研究委員會中設(shè)有增材制造研究中心，參與機(jī)構(gòu)包括拉夫堡大學(xué)、伯明翰大學(xué)、英國國家物理實(shí)驗(yàn)室、波音公司以及德國EOS公司等15家知名大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)。德國建立了直接制造研究中心，主要研究和推動(dòng)增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域中結(jié)構(gòu)輕量化方面的應(yīng)用。法國增材制造協(xié)會致力于增材制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究。在政府資助下，西班牙啟動(dòng)了一項(xiàng)發(fā)展增材制造的專項(xiàng)，研究內(nèi)容包括增材制造共性技術(shù)、材料、技術(shù)交流及商業(yè)模式等四方面內(nèi)容。澳大利亞政府于2012年啟動(dòng)“微型發(fā)動(dòng)機(jī)增材制造技術(shù)”項(xiàng)目，旨在使用增材制造技術(shù)制造應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的微型發(fā)動(dòng)機(jī)零部件。日本政府也很重視增材制造技術(shù)的發(fā)展，通過優(yōu)惠政策和大量資金鼓勵(lì)產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合，有力促進(jìn)該技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用。

在國外最有代表性的3D打印巨頭公司有美國的3D Systems、Stratasys、德國的EOS，下面逐個(gè)簡要介紹。美國3D Systems公司創(chuàng)立于1986年，是全球最大的3D打印解決方案供應(yīng)商，提供3D打印機(jī)、打印耗材、打印軟件和培訓(xùn)等產(chǎn)品及服務(wù)。作為全球SLA技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，3D Systems于1987年推出了全球首款立體光固化成型（SLA）SLA-1打印機(jī)；后將工業(yè)機(jī)器人與3D打印機(jī)相結(jié)合，于2016年推出了行業(yè)內(nèi)首個(gè)模塊化、可擴(kuò)展和全集成的3D打印生產(chǎn)平臺—Figure4。與傳統(tǒng)SLA設(shè)備相比，F(xiàn)igure4生產(chǎn)平臺的生產(chǎn)效率快50倍以上，生產(chǎn)成本僅為原來的80%，可以用于自動(dòng)化生產(chǎn)和大規(guī)模制造。從2001年開始，3D Systems公司陸續(xù)收購了幾十家3D打印企業(yè)，以不斷提升在其他3D打印技術(shù)方面的技術(shù)實(shí)力。2001年，3D Systems公司收購了DTM公司，DTM公司是選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)的開發(fā)者；2012年收購了彩色3DP技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者Z Corporation公司。目前，3D Systems公司已經(jīng)成為一家有能力提供集多種3D打印技術(shù)、3D內(nèi)容和3D設(shè)計(jì)服務(wù)于一體的綜合平臺公司，業(yè)務(wù)遍及汽車、航空航天、國防、消費(fèi)品、建筑、醫(yī)療器械和牙科等許多領(lǐng)域。

Stratasys公司是與3D Systems公司齊名的全球3D打印領(lǐng)域龍頭企業(yè)，創(chuàng)立于1989年，是3D打印技術(shù)FDM的最早開發(fā)者。2012年Stratasys公司和發(fā)明PolyJet技術(shù)的以色列Objet公司合并成立新的Stratasys公司，擁有了兩種在性能上相互補(bǔ)充的主流3D打印技術(shù)：FDM技術(shù)和PolyJet技術(shù)，這兩種打印技術(shù)有各自的特點(diǎn)。FDM技術(shù)可用于構(gòu)建堅(jiān)固耐用的零件，這些零件精度高、可重復(fù)使用，并且穩(wěn)定可靠，但是表面比較粗糙；PolyJet技術(shù)能夠同時(shí)噴射不同的材料，在細(xì)節(jié)和表面光滑度方面表現(xiàn)優(yōu)異，能夠模擬出透明、柔軟和堅(jiān)硬的材料以及工程塑料，甚至還可以將多種顏色和材料性質(zhì)融入一個(gè)模型。2013年Stratasys收購桌面級打印機(jī)公司MakerBot，開始將3D打印裝備從原來的工業(yè)制造領(lǐng)域等拓展到普通消費(fèi)市場。2014年Stratasys推出全球首款彩色多材料3D打印機(jī)Objet 500 Connex3。通過對Objet、MakerBot等公司的并購，Stratasys公司成為3D打印行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者。近30年來，該公司已擁有3D打印相關(guān)技術(shù)超過1200項(xiàng)，涵蓋了從設(shè)計(jì)原型到工具、模具制造，再到終端零件的整個(gè)產(chǎn)品生命周期，在航空航天、汽車、醫(yī)療、消費(fèi)品和教育等行業(yè)都可以提供解決方案。Stratasys公司已在全球安裝了大量的原型和直接數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)，數(shù)量占有絕對優(yōu)勢。

德國EOS公司自1989年在德國慕尼黑成立以來，一直致力于SLS、SLM快速制造系統(tǒng)的研究開發(fā)與設(shè)備制造工作，已經(jīng)成為全球一流的SLS、SLM快速成型系統(tǒng)的制造商，其裝備的制造精度、成型效率及材料種類在同類產(chǎn)品中達(dá)到世界領(lǐng)先水平。EOS公司生產(chǎn)的系列SLS設(shè)備，可用于鑄造用蠟?zāi)！⑸靶椭圃欤约澳猃埖人芰狭慵闹苯又圃臁OS公司生產(chǎn)的SLM設(shè)備可以打印不銹鋼、鋁合金、鈦合金、模具鋼、高溫合金等多種金屬粉末材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車、家電等眾多領(lǐng)域。

除了上述知名3D打印制造商外，其他較為著名的設(shè)備制造商還有LENS裝備生產(chǎn)商美國Optomec公司、SLM裝備生產(chǎn)商德國Concept Laser公司、SLM裝備生產(chǎn)商德國SLM Solutions公司、EBM裝備生產(chǎn)商瑞典Arcam公司、SLM裝備生產(chǎn)商瑞英國Renishaw公司、MJF裝備生產(chǎn)商美國惠普公司、CLIP裝備生產(chǎn)商美國Crabon3D公司等，具體見表1-2。

1.3.2 3D打印技術(shù)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國3D打印技術(shù)自20世紀(jì)90年代初開始發(fā)展，清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校在典型的成型設(shè)備、軟件、材料等方向的研究和產(chǎn)業(yè)化方面獲得了重大進(jìn)展，接近國外產(chǎn)品水平。這些最早接觸3D打印的高校研究力量帶動(dòng)了北京殷華激光快速成形與模具技術(shù)有限公司（北京太爾時(shí)代科技有限公司的前身）、江蘇永年激光成形有限公司、陜西恒通智能機(jī)器有限公司、西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司、武漢華科三維科技有限公司、北京增材制造技術(shù)研究院有限公司等的創(chuàng)立和發(fā)展，隨后國內(nèi)其他許多高校和研究機(jī)構(gòu)也開展了相關(guān)研究。國內(nèi)研究3D打印技術(shù)的主要高校及其相關(guān)創(chuàng)辦企業(yè)見表1-3。

清華大學(xué)于1988年成立了國內(nèi)首個(gè)快速成型實(shí)驗(yàn)室——清華大學(xué)激光快速成型中心，率先開展FDM快速成型技術(shù)的研究與開發(fā)，成功開發(fā)了多系列低成本FDM設(shè)備，并通過北京殷華激光快速成形與模具技術(shù)有限公司和北京太爾時(shí)代科技有限公司實(shí)現(xiàn)了商品化。1998年，將制造科學(xué)引入到生命科學(xué)領(lǐng)域提出了“生物制造工程”學(xué)科概念和框架體系，并研發(fā)了多臺生物材料快速成型機(jī)。

北京航空航天大學(xué)從2000年開始，面向航空航天等重大裝備制造業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，在LENS金屬直接制造方面開展了長期的研究工作，突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成型工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，解決了大型整體金屬構(gòu)件激光成型過程零件變形與開裂瓶頸難題和內(nèi)部缺陷與內(nèi)部質(zhì)量控制及其無損檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，飛機(jī)構(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過鈦合金模鍛件，使我國成為目前世界上唯一突破飛機(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)用的國家。該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于大型客機(jī)C919等多種型號飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的制造上。依托上述領(lǐng)先的高性能大型金屬增材制造技術(shù)，于2014年成立了北京增材制造技術(shù)研究院有限公司。公司緊密結(jié)合產(chǎn)學(xué)研用，面向三航（航空、航天、航海）及熱核聚變反應(yīng)堆等高端重大裝備制造業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，致力于鈦合金、高強(qiáng)鋼、鋁合金、鎳基合金、熱核聚變反應(yīng)堆用特殊合金等高性能難加工大型復(fù)雜關(guān)鍵金屬構(gòu)件3D打印工藝、裝備、材料及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的工程化應(yīng)用研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化推廣。

西安交通大學(xué)于1993年在國內(nèi)率先開展SLA技術(shù)的研究，于1997年研制出國內(nèi)第一臺光固化成型機(jī)，并于2005年成立了快速制造國家工程研究中心?？焖僦圃靽夜こ萄芯恐行淖庸娟兾骱阃ㄖ悄軝C(jī)器有限公司，主要研制、生產(chǎn)和銷售各種型號的激光快速成型設(shè)備、自主開發(fā)的光敏樹脂材料以及快速模具設(shè)備，同時(shí)從事快速原型制作、快速模具制造以及逆向工程服務(wù)。近年來西安交通大學(xué)已在全國范圍內(nèi)成功建設(shè)了20多家產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的推廣基地和示范中心。2017年西安交通大學(xué)聯(lián)合西北工業(yè)大學(xué)等其他單位在西安成立了國家增材制造創(chuàng)新中心。

華中科技大學(xué)1991年成立快速制造中心，在國內(nèi)率先開展LOM技術(shù)研究，并于1997年研制出LOM設(shè)備。隨后致力于SLS、SLM技術(shù)的開發(fā)，并于2000年左右研制成功了基于CO₂激光器的HRP型SLS裝備。在SLS技術(shù)基礎(chǔ)上，華中科技大學(xué)從2003年左右開始研發(fā)直接制造金屬零部件的SLM技術(shù)與裝備。后來，又在大型復(fù)雜制件整體成型的關(guān)鍵技術(shù)方面獲得突破，研制出了當(dāng)時(shí)世界上最大成型空間（1.2m×1.2m）基于粉末床的激光燒結(jié)3D打印技術(shù)，獲得了2011年“國家技術(shù)發(fā)明”二等獎(jiǎng)，并入選當(dāng)年中國十大科技進(jìn)展。通過轉(zhuǎn)化技術(shù)，華中科技大學(xué)先后成立了武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司和武漢華科三維科技有限公司，這些企業(yè)成為3D打印設(shè)備研發(fā)和制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)。

西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于1995年開始研究SLM、LENS金屬直接制造技術(shù)，在金屬材料的打印和金屬構(gòu)件的修復(fù)再制造等領(lǐng)域取得了許多開創(chuàng)性的成果。已研制出的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列化激光打印和修復(fù)再制造裝備，可滿足大型機(jī)械裝備的大型零件及難拆卸零件的原位修復(fù)和再制造。應(yīng)用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了C919飛機(jī)大型鈦合金零件3D打印成型制造，為滿足航空航天領(lǐng)域不斷提升的制造技術(shù)要求提供了新的設(shè)計(jì)和制造工藝。2011年率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，成立西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司，它目前已經(jīng)成為國內(nèi)規(guī)模最大的金屬3D打印技術(shù)全套解決方案提供商之一。

除了上述主要研究高校相繼創(chuàng)辦企業(yè)外，國內(nèi)還有許多3D打印設(shè)備研發(fā)和制造公司，具有代表性的有上海聯(lián)泰科技股份有限公司、湖南華曙高科技有限責(zé)任公司、武漢易制科技有限公司、珠海賽納打印科技股份有限公司等，見表1-4。

上海聯(lián)泰科技股份有限公司成立于2000年，是國內(nèi)最早從事3D打印技術(shù)應(yīng)用的企業(yè)之一，公司為中國3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事單位，上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)化定點(diǎn)單位。聯(lián)泰科技開發(fā)了SLA光固化成型設(shè)備和成型控制系統(tǒng)，目前擁有國內(nèi)SLA技術(shù)最大份額的工業(yè)領(lǐng)域客戶群，國內(nèi)市場占有率超過60%。

湖南華曙高科技有限責(zé)任公司（簡稱華曙高科）由許小曙博士2009年創(chuàng)立，專攻SLS、SLM工業(yè)級3D打印技術(shù)。經(jīng)過多年的快速發(fā)展，華曙高科已逐步建立形成集金屬、尼龍3D打印設(shè)備研發(fā)制造、3D打印材料研發(fā)生產(chǎn)以及產(chǎn)品加工服務(wù)為一體的全產(chǎn)業(yè)鏈格局。華曙高科是工信部3D打印智能制造試點(diǎn)示范項(xiàng)目企業(yè)，擁有高分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室。華曙高科可為航空航天、醫(yī)療（含口腔）、汽車、工業(yè)模具、教育科研、電動(dòng)工具、原型制作、消費(fèi)品（眼鏡、鞋底、首飾）、設(shè)計(jì)創(chuàng)意等行業(yè)提供高質(zhì)量的SLS和SLM技術(shù)3D打印設(shè)備、材料、軟件和加工服務(wù)。

武漢易制科技有限公司和珠海賽納打印科技股份有限公司是在彩色3D打印技術(shù)研發(fā)及設(shè)備制造方面的領(lǐng)軍企業(yè)。其中，武漢易制科技有限公司長期專注于3DP彩色3D打印技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，2015年推出了中國首臺全彩色3D打印機(jī)，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。珠海賽納打印科技股份有限公司長期從事彩色多材料3D打印自主核心技術(shù)的研究，是中國少數(shù)掌握直噴式彩色多材料3D打印自主核心技術(shù)的廠商。

隨著3D打印技術(shù)在各領(lǐng)域的不斷融合，其產(chǎn)業(yè)及技術(shù)發(fā)展中面臨的標(biāo)準(zhǔn)化問題日益凸顯，嚴(yán)重制約了3D打印產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。2016年4月，全國增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC 562）正式成立，在國家層面上開展3D打印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作，并對口國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/TC 261。該標(biāo)準(zhǔn)化委員會的成立順應(yīng)了3D打印行業(yè)發(fā)展的迫切需求，并通過促進(jìn)3D打印產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立與完善，有效推動(dòng)3D打印技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，對行業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。