3D打印，又称增材制造，作为一种制造技术，背后映射的是先进制造业的发展和沿革。最早3D打印一词的出现可追溯到二十世纪五十年代，直到1988年，麻省理工学院Ely Sachs教授和其同事研发出binder jetting prototype(粘合剂喷射原型)并给出3D Printing的命名。因此，“3D打印”一词最初指的是binder jetting，即指用喷墨打印头层层堆叠，将粘合剂材料沉积到粉末床上的过程。如今，全球技术标准使用官方术语“增材制造/Additive Manufacturing， AM"；来指代更广泛的增材制造技术^[1]。3D 打印（3D Printing），即增材制造技术，是快速成型技术的一种。以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品。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知识，具有较高的科技含量。

根据Wohlers Associates Inc发布的2019年3D打印下游应用行业统计显示，汽车工业占比最大，为16.4%；消费电子以及航空航天以15.4%和14.7%占据第二、第三位。根据下游领域制件品的特性，金属、复合材料需求空间大，有望成为3D打印材料的“引爆点”

3D打印技术根据其技术难度可分为工业级3D打印技术和非工业级3D打印技术两种。

(一)工业级3D打印技术

工业级3D打印技术包括金属3D打印和非金属3D打印。工业级3D打印技术制作精度高、材料多样、适合新品的研发及生产。工业级3D打印材料包括塑料、尼龙、沙土、金属等，较领先的工业级3D打印技术可以实现10-20微米层厚的打印需求。工业级3D打印设备成本高且技术难度较大。工业级3D打印对于资金、人才、经验等方面的要求高，其使用者通常为资金实力雄厚的企业，工业级3D打印技术主要有：

(1)选择性激光烧结——SLS：激光能量让粉末产生高温和相邻粉末烧结在一起，可以用作直接快速制造最终产品进行使用，后期处理比较复杂，对设备和操作人员的要求都比较高

(2)高分子喷射技术——Polyjet：目前最先进的3D打印技术之一，成品工件精度高，支持多种不同材料同时成型，支持彩色3D打印

(3)立体平板印刷——SLA：精度光洁度较高，但材料较脆，单色打印，运行成本较高，后期处理复杂，对操作人员技术有较高要求，适合验证装配设计研发过程中使用

(4)电子束融化成型——EBM：在SLM技术基础上，使用电子束代替激光束作为能源，可以用作直接快速制造最终产品，打印精度上略逊于SLS技术

(5)选择性激光熔化成型——SLM：在SLS技术基础上改进，使用单一金属粉末成型，可以用作直接快速制造最终产品进行使用，后期处理比较复杂，对设备和操作人员要求此较高

(二)非工业级3D打印技术

非工业级3D打印技术应用非工业级3D打印技术的产品制作精度较低，材料使用种类有限，适合于初步设备模型的制作。相较于工业级3D打印技术，非工业级桌面3D打印设备制造的成品较粗糙，产品打印层厚精度仅维持在0.1-0.5毫米，较难实现非常精细的制作，但其成品可作为个人或公司的产品初期设计。非工业级3D打印材料较单一，主要以塑料材料为主，在生产过程中可使用的材料有限。但非工业级3D打印设备成本及技术门槛较低，且操作简便，经济实力较弱的企业及个人使用者接受度较高^[2]。

与传统制造技术(减材制造)相比，3D打印不需要事先制造模具，不必在制造过程中去除大量的材料，也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品，具有“去模具、减废料、降库存”的特点。在生产上可以优化结构、节约材料和节省能源，极大地提升了制造效率。该技术适用于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设计与制造等，同时也适用于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程。3D打印另一个显著的优点是，区别于传统加工技术理念“制造引导设计”，其可以实现“设计引导制造”，完全实现创意驱动，制造出符合特定消费者需求的产品^[3]。

(1)加工原理：传统制造工艺将原材料固定在设备上，使用工具减少或者去除原材料从而成型。例如：车削、铣削。或者设计模具，浇铸材料成型。3D打印对打印的模型进行数字化设计、模型切片、逐层叠加材料。例如：选择项激光烧结，选择性激光熔融

(2)材料：传统制造工艺切割的过程产生大量废料，不完整的余料价值折损，材料利用率低。3D打印根据模型切片形状一层层添加材料。按需耗材，节约材料。

(3)模具；传统制造工艺模具设计耗费大量时间，且有模具失败重新设计的耗时风险；3D打印不需要传统的刀具、夹具、机床或任何模具和支撑结构，节约时间

(4)制件结构：传统工艺整体制造是采用螺栓连接和铆接。拼接结构接缝多，零件多，装配复杂。3D打印整体结构直接成件，减少零件数量、降低结构重量，接缝少，密封性好。装配简单，提高生产效率。

(5)制件性能：传统制造工艺部件从夹具上取下后，易变形弯曲。3D打印直接成型，不存在部件弯曲变形的问题

(6)产品设计：传统制造工艺制造引导设计，根据工艺切割、模型制作的可行性进行产品设计。3D打印设计引导制造，可进行大胆进行曲面、腔型设计，不用考虑工艺切割、模型制作难易程度。

(7)零件修复：传统制造工艺重新测量适配尺寸，制造新零件并替换；3D打印在损坏件基础上添加材料进行修补

(1)缩短产品研发与迭代周期。3D打印由模型直接成形，可以极大的降低产品研制周期，节约昂贵的模具费用，提高产品研发迭代速度。

(2)一体化高效成形复杂结构。3D打印原理为用二维截面叠加制造三维几何体，可制造传统精密加工难以制造的复杂结构件，保持产品质量的同时提高良率。通过重新设计优化复杂部件结构使其变为简单结构，大幅降低重量。

(3)高材料利用率。与传统精密加工技术相比，金属3D打印技术可节约大量材料，特别是对较为昂贵的金属材料而言，可节约较大的成本。

(4)实现优良力学性能。以金属3D打印为例，其成形后内部冶金质量均匀致密，无其他冶金缺陷，同时材料内部组织为细小亚结构，成形零件可在不损失塑性的情况下使强度得到较大提高^[4]。

3D打印所使用的材料均针对3D打印设备专门研发，其形态为粉末状、丝状、层片状、液体状等等，与普通材料有所区别。以粉末状打印材料为例，根据打印环境的不同，其粒径一般为1-100µm不等，且一般要求粉末有高球形度。

(1)ABS塑料：ABS(Acrylonitrile–Butadiene–StyreneCopolymer)为使用最广泛非通用塑料之一，它将丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的性能结合起来，具备耐冲击、耐高低温、耐化学药品、无毒无味的特性，此外，其易加工、可二次加工。

(2)PLA塑料：PLA(Polylactic-Acid)是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源(如红薯、玉米)所炼出的淀粉原料制成。其相容性、可降解性、物理性能、光泽性与抗拉强度良好，适用于各种加工方法，尤其是吹塑与热塑

(3)金属材料：3D打印所使用的金属粉末与一般金属不同，要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，应用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料等，此外还有用于打印首饰用的金、银等贵金属粉末材料。其中钛合金强度高、模量低、耐疲劳性强，广泛应用于航空航天与生物医学。

(4)陶瓷材料：陶瓷材料具有硬度高、密度低、耐高温、耐腐蚀等特性，广泛用于航空航天、汽车、生物医疗等行业。陶瓷颗粒越小，表面越接近球形，陶瓷层的烧结质量越好。由于目前工艺的局限，复杂的陶瓷打印所需模具复杂、成型困难、成本高，难以广泛应用。

(5)工程塑料：工程塑料(Engineering-Plastics)是指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，耐热性、耐冲击性、抗老化性与机械性能良好，主要用于工业。主要品种有：聚酰胺(尼龙)，聚苯硫醚，聚碳酸酯，聚甲醛，PBT，聚苯醚。

(6)光敏树脂：光敏树脂是由高分子组成的胶状物质，由于粘度低、固化收缩小速率快程度高、溶胀小、光敏感性高等特性，成型后产品外观平滑，呈现出透明至半透明的磨砂状。常见的光敏树脂有somosNEXT材料、树脂somos11122材料、somos19120材料和环氧树脂。

(7)橡胶类材料：橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特性，其硬度低、断裂伸长率高、抗撕裂强度大、拉伸强度大，非常适合应用于要求防滑或柔软表面的领域。3D打印的橡胶类材料产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。

(8)复合型石膏粉末：这是一种全彩色的打印材料，具有易碎、坚固、色彩清晰的特点，成型后外表会出现细微的颗粒效果，外观很像岩石，在表面曲面会出现环状纹理。

(9)蓝蜡和红蜡：采用多喷嘴立体打印技术(MJM)，表面光滑，多用于制造蜡模，利用失蜡铸造的原理，用于精密铸造。在珠宝、服饰、医疗、雕塑、艺术等领域广泛应用。

(10)其他材料：细胞材料，在实验室培养出细胞介质，以水基溶胶为粘合剂；食品材料，加热为胶状的砂糖等^[5]。

增材制造经过30余年的发展，已经形成了一条完整的产业链。上游涵盖激光器、振镜、三维扫描设备、3D打印软件、粉末原材料等，中游以3D打印设备生产厂商为主，部分也同时提供打印服务及原材料供应，在整个产业链中占据主导地位，下游行业应用已覆盖航天航空、汽车工业、船舶制造、能源动力、轨道交通、电子工业、模具制造、医疗健康、文化创意、建筑等各领域。

1892年：美国专利局登记一项层合法专利技术，该专利主要用于三维地图模型的制作，是3D打印思想的起源

1986年：美国发明家Charles Hull， 开发了第一台商业3D印刷机，开始注册“3DSystems”打印公司，并发明了光固化成形技术

1988年：美国学者Dr.Scott Cromp发明出熔融沉积成型技术，该技术首先将各种热熔性材料进行融化，然后在对其进行打印成型，但该技术只能用于产品概念模型的制作

1993年：麻省理工学院获3D印刷技术专利

1989年：美国得克萨斯大学开发出选择性激光烧结技术，该技术适用范围广泛，可以将尼龙、塑料、金属和陶瓷等作为原材料，进行多种产品的打印生产

1995年：美国ZCorp公司从麻省理工学院获得唯一授权并开始开发3D打印机

1999年：我国3D打印产业开始起步

2005年：市场上首个高清晰彩色3D打印机SpectrumZ510由ZCorp公司研制成功

2010年11月：美国JimKor团队打造出世界上第一辆由3D打印机打印而成的汽车Urbee问世

2011年7月：英国研究人员开发出世界上第一台3D巧克力打印机

2011年8月：南安普敦大学的工程师们开发出世界上第一架3D打印的飞机2012年11月：苏格兰科学家利用人体细胞首次用3D打印机打印出人造肝脏组织

2013年10月：全球首次成功拍卖一款名为“ONO之神”的3D打印艺术品

2013年11月：美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司“固体概念”(SolidConcepts)设计制造出3D打印金属手枪

2015年7月：首座3D打印搭建房现身西安，3小时建二层别墅

2016年：中科院成功研制中国首台空间3D打印机，并且完成了抛物线失重飞行试验

2017年：匹克体育发布了旗下首款3D打印跑鞋，也是首款在中国上市销售的3D打印跑鞋

2018年：中国航天科技集团有限公司采用3D打印技术研制的多个复杂形状铝合金结构件随嫦娥四号抵达地月L2点的Halo使命轨道，标志着航天科技3D打印产品首次实现在轨应用

(1)飞尔康

致力于生产航空航天、医疗器械、海洋船舶等行业用高品质零部件的研发生产和销售。已经布局国内外先进的金属增材制造3D打印设备50台(有多台设备已经有合同)，并计划在2022到2023年内再投入一倍的设备来产业化生产，届时金属3D打印机将达100台。

(2)鑫精合

精合集团已经下设沈阳精合数控科技开发有限公司、天津镭明激光科技有限公司、西安鑫精合智能制造有限公司、潍坊鑫精合智能装备有限公司等子公司，服务的领域也从单纯的军品机加工、金属3D打印服务业务扩展到了金属3D打印混合制造、金属3D打印装备制造等多个方向。现拥有120余台金属增材设备。

(3)顶维科技

针对3D打印技术的专业工业互联网平台。通过自主研发增材制造工业互联网系统接入自主研发约120台超大型金属3D打印设备，将于2021年底建成可实时反馈、可智能控制、可完全追溯的分布式航天增材制造生态。

(4)钢研极光

中国钢研科技集团有限公司控股子公司，专注于航空航天及民用合金零件的增材制造业务。钢研极光总投资10亿元，将分两期进行，五年内完成投资。一期租赁厂房约5800平方米，设备投资2亿元，2022年底完成全部投资；二期设备投资5亿元。2025年前，3D打印设备装机量将达到150-200台，完成重点产品批量生产。

(5)安德瑞源

成立于2017年，安世亚太旗下公司，是一家集增材制造工艺、设计、研发、生产、服务的专业化创新型公司。现有金属3D打印机20台，同时制造部门正在加紧生产，2021年底将完成70台金属打印机的部署，2022年中，达成120台的部署，用做金属3D打印服务业务。

(6)雷佳增材科技

自2017年成立以来销售出货超120台金属3D打印机，主要服务领域有汽车工业、航空航天、模具、生物医疗、科研等。已经安装运行SLM金属3D打印设备35台以上。

(7)中科煜宸

可提供大尺寸(成形尺寸4500*4500*1500MM)的送粉式金属3D打印机，已为航空航天、冶金机械、模具制造、科研院校等领域的终端客户提供了100余台智能金属激光增材制造装备。目前拥有大型同轴送粉3D打印设备10余台，精密激光选区融化打印设备4台，大型空气热处理炉、小型真空热处理炉若干，同时配套有材料金相检测中心、数控机加工中心等，可为客户提供全流程的金属3D打印加工服务。

(8)爱康医疗

人工关节市场份额占有量最大的国产企业，公司2020年总收入超10亿元，其中3D打印产品收入1.26亿，占总收入比重约12%。目前爱康医疗拥有超过15台电子束金属3D打印机，已逐渐形成生产规模，能够有效面对集采后规模化的产品需求，在3D打印骨科市场上一骑绝尘。

参考资料：

[1] CB InsightsCHINA-3D打印行业：3D打印全球企业资源图谱百亿美金市场现状梳理(23页).pdf

[2] 头豹研究院2019年中国3D打印行业研究报告31页.pdf

[3] 3D打印有望从导入期进入快速成长期57页.pdf

[4] 铂力特-首次覆盖报告：金属3D打印龙头航空航天“铸剑人”-210905(39页).pdf

[5] 2018年3D打印研究报告61页.pdf

相关报告：

波士顿咨询（BCG）：2021年3D打印技术前景展望（英文版）（21页）.pdf

【公司研究】2020年铂力特构建完善的3D打印产业链企业深度研究报告（36页）.pdf

【公司研究】铂力特-深度报告：3D打印龙头“设备+产品+原材料”产业链各环节接力放量-20200916（26页）.pdf

世界经济论坛（WEF）：2022年增材制造业前景展望白皮书（英文版）（23页）.pdf