《新產經》傳媒產業與金融研究所

 

1 3D 打印的產業背景

制造業回流意指跨國公司將制造業投資和生產能力從海外向國內轉移的一種現象，它既包括把海外的工廠遷移回國，也包括在國內建設工廠，取代在海外建廠或采購的計劃。再工業化是指重新重視和發展工業，包括改造提升現有工業和發展新工業的過程。20 世紀五六十年代到金融危機發生前，美歐各國經歷了一次“去工業化”過程。彼時，美歐國家人力成本和用地成本偏高，普遍重視高附加值的產業，如高新技術研發和金融服務業，制造業就業和產出比重持續降低，制造業同時向新興工業化國家轉移，形成了產品研發在美國，零部件生產和組裝環節在日本、亞洲四小龍、中國和印度的國際分工體系。其帶來的結果是，美歐各國在汽車、消費類電子和鋼鐵等傳統優勢制造業領域的優勢逐步喪失，大量投資轉向海外。金融危機發生后，金融業固有的脆弱性和系統性風險，使歐美各國意識到著重依靠第三產業發展的策略的錯誤性。經濟的衰退伴隨著嚴重的失業，2010 年美國制造業就業人數僅為總就業人數不足10%，制造業從業人員減少成為失業率高企的主要原因。

在上述背景下，美國政府依靠減稅、降低能源成本、削弱工會權力和加強職業教育等措施克服制造業發展的制約因素，以提升制造業，重啟經濟發展動力。以美國為代表的西方發達國家，積極引導制造業回流，實施“再工業化戰略”，3D 打印產業因其高新技術屬性、技術擴散效應以及帶動諸多產業發展等因素而受到重視。此外，3D 打印產業鏈的整合發展，能順理成章地與制造業相結合，吸收更多就業，增加出口，吸引資本回流，凡此種種，發展3D 打印產業現在成為了實施再工業化戰略的重要環節。

更需要關注的是，全球制造業的趨勢正在從關注勞動力成本轉為關注高技術、高附加值的創新，這意味著一些制造業可以遠離低成本勞動力聚集地，重返更靠近消費者的地方。

 

《經濟學家》認為第三次工業革命以互聯網、新材料和新能源為基礎，核心是“數字化智能制造”，人們按照自己的意愿設計制造產品成為可能，自工業化時代即將到來。所謂自工業化是指消費者按照個人喜好生產所需用品，實現工業生產由工廠到家庭的演變。這其中，產品的設計、制造等工序，消費者可以自行完成，也可以通過網絡平臺尋找專業人士代辦。優秀的產品創意還可以打包為商品放置在網絡平臺出售，形成商業模式。

工業生產方式的變革與消費者行為存在交互影響，消費需求的轉變往往能推動工業的創新變革，而工業生產方式根本轉變之后又反過來使消費習慣固定。近年來，國外消費者個性化定制的訴求日益強化，現代工業流水線生產模式引以為傲的標準化產品越來越難調眾味。3D 打印這種基于網絡平臺，以3D 打印機為生產終端的技術，恰恰能滿足大眾（特別是不具備產品開發能力的消費者）的多樣化需求。下一步，也是西方國家正在做的事情，通過傳媒宣傳、體驗館展示在消費者群體中推廣新技術，影響消費者選擇，使3D 打印加速形成新興產業。

 

3D 打印機制造早在20 世紀80 年代已經存在，當時的設備和耗材都非常昂貴，所以它只應用于模具開發、原型設計等工業上游環節。在90 年代，它的價格一度高達數百萬美元。而在2000 年初，其價格降至一到二萬美元。到了現在，你甚至可以僅用數千美元或者數千人民幣購買一臺3D 打印機。3D 打印機成本的快速下降，使得3D 打印機的銷售實現商業化，這歸功于開源硬件運動推動。開源硬件，指與自由和開放源碼軟件相同方式設計的計算機和電子硬件。開源硬件開始考慮對軟件以外的領域開源。這個詞主要是用來反映自由釋放詳細信息的硬件設計，如電路圖、材料清單和電路板布局數據，通常使用開源軟件來驅動硬件。共享邏輯設計連同可編程邏輯器件之重構，也是一種形式的開源硬件。對于3D 打印機來說，開源硬件Arduino 是其價格迅速下降的主要原因。這是一款由5 個國際工程師研發的電子原型平臺，該平臺包括一片具備簡單I/O功效的電路板以及一套程序開發環境。它為3D 打印機提供了一個便宜而又強大的方案，加上其他開源技術的配合，3D 打印機的生產門檻越來越低。值得一提的是，Reprap 是最早使用Arduino 作為控制方案的3D 打印機，所以大多數以它為“藍本”的改進產品也是采用Arduino 作為主控設備的。其它影響較大的3D打印機開源項目還有MakerBot、CandyFab、Fab@Home 等。目前國內市面出售的桌面3D 打印機也多是依靠MakerBot、Reprap 的開源系統，進行改進后制造生產。

 

全球3D 打印設備銷售在2007 年已達到4930 臺，到2010 年全球市場規模達13.25 億美元，其中服務收入6.51 億美元，美國保有量占比38.3%。根據跟蹤3D 打印產業多年的美國Wohlers 公司2011 的調查結果，全球3D 打印產業產值在1988～2010 年間保持著26.4%的年均增長速度。2011 年全球3D 打印技術的銷售額為17.14 億美元，年增長率為29.1%。

美國3D 打印龍頭3D Systems 公司2013 年Q1 財報顯示，其每股盈利同比增長24%，連續第七個季度實現每股盈利的兩位數增長，預期全年盈利1.05-1.2美元/股；Q1 主營收入1.02 億美元，同比增長31%，相當于2011 年全年營業收入的三分之一2，全年營收預期將達到4.6 億-5.1億美元。僅3D 打印機的銷售收入就勁增61%，達到3970 萬美元。

 

 

（圖片來源：光大證券。）

 

另外一方面，3D 打印技術應用領域正在逐步拓展，已成為現代模型、模具和零件制造的強有力手段；在航空航天、汽車摩托車、家電、生物醫學等領域，應用也日益廣泛；在個人消費領域，從服飾到家用電器零部件，3D 打印也正在改變普通家庭的生活方式，在美國和德國等地家庭中甚至已出現水龍頭損壞采用桌面3D 打印機即打替換的情況。

花旗銀行最新發布了一份研究報告3，將3D 打印產業視作將改變世界的十大技術發明,并預計3D 打印產業將在航天、整形等高附加值、小體量的產業領域率先爆發。專業研究機構Wohlers 發布的報告預期，3D 打印產業未來仍將持續較快地增長，到2015 年，包含設備制造和服務在內的產業總產值將達到31 億美元，2019 年將超越65 億美元。

 

當前以美國為代表的發達國家高度重視3D 打印技術的發展。近年來奧巴馬政府視人工智能、3D 打印、機器人為重振美國制造業的三大支柱，其中3D 打印是第一個得到政府扶持的產業。2012 年8 月美國國防部、能源部和商務部等5家政府部門宣布，共同出資4500 萬美元，首筆資金為3000 萬美元，由俄亥俄州、賓夕法尼亞州和西弗吉尼亞州的企業、學校和非營利性組織組成的聯合團體出資4000 萬美元，在俄亥俄州建立一所由政府部門和私營部門共同出資的制造業創新研究所，加強研發3D 打印技術。

除美國外，其他國家也在不斷加強3D 打印技術的研發及應用。歐洲十分重視對3D 打印技術的研發應用，目前已能打印住房、骨骼，并能夠直接利用月球土壤進行打印。澳大利亞近期制定了金屬3D 打印技術路線；南非正在扶持基于激光的大型3D 打印機器的開發；日本著力推動3D 打印技術的推廣應用；新加坡已批準在2013 年撥付5 億美元的財政資金用于3D 打印產業的建設。

全球性的政府重視和政策助力，必將使3D 打印的科技進步和產業發展，躍

上新的臺階。

制造業的發展已不再是生產至上，同時向設計、銷售、服務等產業鏈的上下游擴展。我國長期以來一直處在國際制造業產業鏈的中低端，成為國際商品的“加工廠”，出口商品也被深深的打上“中國制造”的烙印。發展3D 打印產業，可以提升我國工業領域的產品開發水平，提高工業設計能力。一些好的設計理念，無論其結構和工藝多么復雜，均可利用3D 打印技術，短時間內制造出來，從而極大地促進了產品的創新設計，有效克服我國工業設計能力薄弱的問題，實現“中

國智造”的華麗轉身。根據“微笑曲線”理論，產品的附加值更多體現在兩端，即設計和銷售，處于中間環節的制造的附加值最低。但是在高精尖制造業領域，卻呈現出“倒微笑曲線”，即高附加值主要來自于高度自動化、精益化的制造環節，研發和營銷的附加值屈居其次。二者疊加形成“元寶曲線”，實現了集成專業化和制造專業化的價值共生，使得企業盈利模式多樣化，盈利點和價值分布點增多，通過相關業務之間的協同，能夠實現“1+1>2”的目標。

 

 

圖1-2 “元寶曲線”示意圖

 

1.2.2 經濟復蘇態勢明顯，制造業升溫

2011 年，我國模具、零部件、文教體育用品、工藝美術品、紡織服裝、化學纖維、橡膠、塑料制品、家具等產值超過7 萬億元。即使只有10%的產業被3D打印替代或者補充生產，也將形成萬億級的3D 打印市場規模。

同時，按照國家“十二五”規劃方向，我國將重點發展航空航天制造、船舶及海洋裝備、清潔能源發電設備制造、汽車、鐵路和軌道交通機車等行業，到2015 年，我國高端裝備制造業銷售收入將從2010 年的1.6 萬億元增長到6 萬億元以上。預計十二五期間激光快速成形技術僅在大型鑄鍛件和鈦合金制造領域就有可能達到萬億級規模。而航空航天等高端裝備業正是3D 打印技術的主要應用領域，也是產值增長速度最快的領域。

 

科技部近日公布了《國家高技術研究發展計劃、國家科技支撐計劃制造領域2014 年度備選項目征集指南》，在全球范圍內引發熱潮的3D 打印產業首次入選。分析人士表示，這體現出國家層面的重視程度，國內的3D 打印產業將迎來快速發展期。該《指南》中提到，要突破3D 打印制造技術中的核心關鍵技術，研制重點裝備產品，并在相關領域開展驗證，初步具備開展全面推廣應用的技術、裝備和產業化條件。其中涉及到航空航天大型零件激光熔化成型裝備研制及應用、面向復雜零部件模具制造的大型激光燒結成型裝備研制及應用、面向材料結構一體化復雜零部件高溫高壓擴散連接設備研制與應用、基于3D 打印制造技術的家電行業個性化定制關鍵技術研究及應用示范等4個研究方向，共撥付不超過4000萬研究資金。

工信部也表示，將組織研究制定增材制造技術路線圖、增材制造業中長期發展戰略，并推動完善增材制造技術規范與標準制訂。此外，將加大財稅政策引導力度，加大對增材制造技術研發和產業化的支持力度，研究制定支持增材制造產業發展的專項財稅政策，還將適時籌建增材制造行業組織，積極組織行業力量開展產業政策研究，推動增材制造技術研發和產業化。

 

1.2.4 地方政府積極推動

地方政府層面，3D 打印發展已被湖南、湖北等省列入政府工作報告；南京正在建設3D 打印技術產業聯盟總部基地；合肥聯手國內科研機構，建設3D 打印與激光再制造先進技術研究中心；武漢、昆山等地積極籌劃成立3D 打印產業園；成都市政府更是大手筆，計劃出資5 億，與中國3D 打印技術產業聯盟聯手建設3D 打印技術產業創新中心；與深圳毗鄰的東莞，致力通過3D 打印，重塑制造業中心城市的新活力，計劃在天安數碼城成立3D 打印產業基地，在松山湖華科產業孵化園落成3D 打印產業園區，并且在加速出臺行業相關的金融、公共技術平臺、人才支持等配套措施。3D 打印產業與技術峰會也成為競爭焦點：4 月25 日，東莞舉辦“3D 打印技術產業化論壇”，邀請到國際3D 打印巨頭美國Stratasys 公司專家主講，場面火爆，容納兩三百人的講堂擠滿五六百人。5 月9 日，上海舉辦“CSITF2013 增材制造技術全球高峰論壇”，商務部、科技部、國家知識產權局與上海市政府共襄盛舉，業界反應優良。5 月28-29 日，深圳舉辦3D 打印產業發展與應用技術路徑峰會，深入探討3D 打印的產業化對策。5 月29-31 日，北京也舉辦2013 世界3D 打印技術產業大會，邀集國際知名的研發團隊，論道3D 打印行業發展。這一系列行動的內在邏輯在于，致力產業升級和謀求創新產業突破的各路地方勢力，眼光都盯住了富有前景的3D 打印產業。

 

2.1.1 3D 打印定義

3D 打印技術是指通過連續的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術，與傳統的去除材料加工技術不同，因此又稱為增材制造（AM，Additive Manufacturing）。作為一種綜合性應用技術，3D 打印綜合了數字建模技術、機電控制技術、信息技術、材料科學與化學等諸多方面的前沿技術知識，具有很高的科技含量。3D 打印機是3D 打印的核心裝備。它是集機械、控制及計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統，主要由高精度機械系統、數控系統、噴射系統和成型環境等子系統組成。此外，新型打印材料、打印工藝、設計與控制軟件等也是3D 打印技術體系的重要組成部分。

 

3D 打印的過程：

第一步，三維設計。一種方式是通過計算機輔助設計（CAD）或計算機動畫建模軟件建模，將建成的三維模型“分區”成逐層的截面，指導打印機逐層打印，文件格式為STL。另一種方式是通過三維掃描儀產生三維文件，通常為VRML 和WRL 文件格式，作為全彩打印的輸入文件。三維掃描儀價格昂貴，采用第二種方式成本高。

第二步，打印。打印機通過讀取文件中的橫截面信息，選擇液體狀、粉狀或片狀的匹配材料，將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。

 

圖2-1 3D 打印簡化流程圖

 

專利申請是技術創新成果的主要衡量指標，截至2013 年1 月24 日，全球3D（增材制造）相關專利數量達到2444 個專利族，主要專利集中在美國、德國、瑞士等發達國家。

 

表2-1 3D 打印專利持有前十名公司

（數據來源：上海科學技術情報研究所。）

 

國際3D(增材制造)技術自上世紀80 年代中后期開始穩定發展，在2004 年之前以較快幅度攀升，之后便呈現出專利量基本穩定甚至略為減少的態勢，相關專利的申請量和公開量分別在2007 年（251個專利族）和2008 年（219個專利族）達到波峰。目前正進入第三階段技術成熟期，專利申請數量和申請人數量趨于穩定甚至有開始減少的趨勢，產業進入壁壘提高。塑料成型是增材制造中發展最快、專利申請最為集中的技術領域，但近年開始出現回落。在優先權專利地域分布上，美國、日本和德國位列前三。

 

圖2-2 1986-2011 年3D 打印專利申請量

 

圖2-3 全球3D 打印優先權專利分布

 

2.3.1 按產品應用范圍劃分

按產品應用范圍劃分，3D 打印主要分為工業級和民用級。其中，民用級也通常被稱為桌面級。工業級的3D 打印機精度很高，不僅可以打印塑料和樹脂，還可以打印金屬和高分子材料，能夠生產航空航天所需的部件、醫用人造牙齒和關節等，甚至包括人造器官。但是缺點在于設備價格高昂，每臺達數十萬美元，難以大規模推廣。現階段工業級3D 打印以提供打印服務為主要業務。

在桌面級市場，3D 打印技術的精度僅為毫米級，所使用的材料通常為塑料，只能用來制造模型、玩具以及動漫等創意產品。但是由于桌面級3D 打印機的技術突破，價格可以為多數消費者接受，加之體積小，適合家用，3D 打印機的銷售迅速提升。

 

 

表2-2 工業級、桌面級主要3D 打印設備制造公司

 

 

事實上，工業級和桌面級的分類并非嚴格界定。工業級3D 打印設備制造商

和桌面級3D 打印設備制造商之間往往有業務重疊。

 

2.3.2 按成型技術劃分

按成型技術和工藝的不同，3D 打印可以分為噴射式、顆粒式、薄片疊加式和光聚合式四類，四類成型工藝又可以分別細分（見表2-3）。當前在商業中應用較為廣泛的技術是立體光刻成型技術（SLA）、熔融沉積成型技術（FDM）和選擇性激光燒結成型技術（SLS）三種。

 

表2-3 3D 打印成型技術

 

 

3.3.2.1 立體光刻成型技術（SLA）

定義

立體光刻工藝在快速成型技術中最早商品化，也是現在最為成熟、應用最廣泛，占市場份額最大的工藝。立體光刻又叫做光固化成形，它是快速成形原理與光固化機理相結合，在現代激光技術、數控以及計算機技術的輔助下而發展起來的。

 

2.3.2.2 熔融沉積成型技術（FDM）

定義

熔融沉積成型技術，又稱為熔絲沉積法或絲狀材料選擇性熔覆。噴頭沿零件截面輪廓與填充軌跡運動（CAD 控制路徑），擠出熔化材料并迅速固化，逐層成型，后層需前層支撐與定位。

 

2.3.2.3 選擇性激光燒結（SLS）

定義

選擇性激光燒結法采用紅外激光器作能源，使用的造型材料多為粉末材料。目前成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進行燒結的工藝還在研究之中。

 

2.4.1 技術優勢

2.4.1.1 節約成本

首先，3D 打印節省材料，用料只有原來的1/3 到1/2，打印速度快4倍。同時由于層層堆積打印，省去邊角切割，不會產生廢料，材料利用達到100%。同時，制造成本與產品的復雜程度無關，制造過程不產生廢棄物，提高材料利用率。其次，3D 打印節省人工，對人工技能要求低，通過分層制造實現，減少組裝環節，也相應減少用工需求。

 

2.4.1.2 滿足個性化需求,實現社會化制造

3D 打印能實現不同材料的組合，并且應用范圍廣闊，生產產品多樣化。打印機占用空間小，打印物品不受自身大小限制。用戶可以選擇不同的3D 打印機和匹配的材料，通過三維模型設計，制造自己需要的物件。消費者可以將需求直接轉化為產品，即“從想法到產品”，并使得任何人都能通過社會媒體和眾包等形式參與設計、改進、宣傳、推廣、營銷等過程，并可以分享其產品的利潤。

 

2.4.1.3 柔性供應鏈

3D 打印個性化制造的特點，決定其不局限于批量訂單生產，收益不受規模效應的影響。企業接到訂單后，可以隨時進行生產，零時間交付，按需生產，減少庫存。

 

以目前商業推廣的范圍預測，3D 打印主要應用在航空航天、軍工產品、汽車和摩托車、電子產品、生物醫療、珠寶制造、電影游戲動漫、玩具和工藝品、食品和教育等十個領域,見表2--4。

 

表2-4 3D 打印應用領域應用

 

 

 

盡管3D 打印在市場上有很高的關注度和熱度，但是行業巨頭Stratasys2012年營業額也僅為2.77 億美元，而且是Stratasys 收購以色列3D 打印巨頭Object之后的營業額，與傳統制造業相比差距極大。如通用電器公司（GE），2012 年僅利潤就達到161 億美元。借鑒個人電腦的普及過程，3D 打印行業需要有一批典型公司扮演領導者和推動者的角色。

第一階段：專業人員。在普及初期，大眾對于產品了解較少，產品推廣的動力主要來源于產品制造商對于未來前景的預期，技術也較為粗糙。產品的使用者多為專業人員。

第二階段：部分先鋒領域應用。隨著產品的特性越來越多地被消費者所了解，產品的銷路開始被打開。這時將會有新的競爭者加入，在競爭中技術的進步速度進一步加快。同時隨著產品市場的擴大，產品上下游產業也將受到帶動。

第三階段：大規模推廣。消費群體的爆發式增長是普及期的典型特征。接受產品的人數如病毒擴散般呈現指數增長勢頭，研發銷售3D 打印機的公司，才能實現業績的飛速增長。

 

圖2-4 3D 打印機設備普及路徑

 

（圖片來源：莫尼塔，《3D 打印技術展望》。）