3D打印定义、原理、分类、发展史与市场空间如何？

2016年开始，制造业大厂推动下，3D打印产业化逐渐成熟。

定义： 3D 打印（增材制造）是基于三维模型数据，采用与传统减材制造技术（对原材料去除、切削、组装的加工模式）完全相 反的逐层叠加材料的方式，直接制造与相应数字模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法。 基本原理：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形系统，将三维实体变为若干个二维平面，利用激光束、 热熔喷嘴等方式将粉末、树脂等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成形，制造出实体产品。增材制造将复杂的零部件结构离 散为简单的二维平面加工，解决同类型零部件难以加工难题。

3D 打印的原理是将三维工件切片以获得二维的轮廓信息，通过叠层的方式实现产品成形。这种加工方 式基本不受零件形状的限制，特别在制造内部结构复杂的、传统加工无法完成一体制造的产品方面，具备突出优势。2）缩短产品研发周期。3D 打 印无需传统工具夹具和多重处理，可在单个设备上快速制造出所需零件，加速产品研发迭代。3）材料利用率高。传统加工切割的过程会产生大量废 料，存在不完整的余料价值折损，材料利用率低，3D 打印根据二维轮廓信息逐层添加材料，按需耗材，材料利用率显著高于传统加工模式，是一种 新型环保的绿色制造方式。4）制造模式优化。3D 打印技术免去了提前制造模具、雇佣众多生产人员，使用庞大机床和复杂的锻造工艺等步骤，便 可直接从计算机图形数据中生成复杂结构的产品，具有“去模具、减废料、降库存”的特点。在生产上能够优化结构、节省材料和能源，大幅提高 生产效率，降低生产成本。 劣势：以金属3D打印为例，其可加工的材料、加工精度和表面粗糙度、加工效率等方面和传统精密加工技术还存在较大的差距。

3D打印有工业级和消费级（桌面级）两方面的应用，前者主要面向制造业、航空航天、医疗器械等领域，用于生产模具、零部件 和原型制造，设备价格较高，主要考虑可靠性和速度，可以打印多种材料；后者则主要面向个人、家庭、教育领域，用于打印创 意设计和手工艺品等，设备单价相对较低，对于打印速度和精度要求相对较低。

3D打印技术发展历史： 1）商业化始于1987年的3D Systems的立体光刻技术； 2）1987-2015前后可以看做3D打印1.0时代，这一时期的技术/应用以原型打样为主，STRATASYS和3D SYSTEMS领导了这一时期； 3）2016年前后传统制造业大厂入局3D打印，GE收购Concept Leaser，惠普推出MJF，西门子大量投资3D打印，3D打印2.0时代揭 开序幕，产业逐渐成熟，与1.0时代主要用于原型打样不同，更多直接制造的应用出现。

3D打印发展方兴未艾，市场空间不断扩容。2024年全年，全球3D打印市场规模219亿美元，同比增长9.31%，2012-2024年，全球 3D打印市场规模复合增速达到20.71%。Wohlers预期2030年全球3D打印市场规模大约在840-1450亿美元。 下游应用场景主要包括航空航天、医疗、汽车、消费及电子产品等。根据Wohler Report 2022，2021年，3D打印市场的第一大下 游应用领域为航空航天，占比达到16.8%，医疗、汽车、消费及电子产品领域的市场规模占比分别为15.6%、14.6%、11.8%。

美国主导3D打印市场，但是亚太市场增长更为迅速。2020年美国3D打印产业规模占全球比重34.4%，中国为10.8%。尽管3D打印起 步较晚，近几年，我国抓紧自主创新和研发，一步步朝着精细化和专业发展。2024年数据来看，美洲的3D打印市场下滑了4.84%， 欧洲/中东/非洲地区的3D打印市场增长了3.2%，而亚太市场则在我国的带动下实现了30.95%的增长，增长的驱动因素在于：1） 迅速增长的入门级打印机来自中国；2）中国市场增加了在工具和终端零件的应用；3）来自亚洲的工业级3D打印机具备更高的性 价比。

在航空航天领域，由于零部件形态复杂、传统工艺加工成本高及轻量化要求等因素，3D打印成为提升设计与制造能力的一项关 键核心技术，其利用逐层堆积的原理，能够实现任意复杂构件成形与多材料一体化制造，突破了传统制造技术对结构尺寸、复 杂程度、成形材料的限制，提供了变革性的技术途径，应用场景日趋多样化。 航空航天领域用于 3D 打印的材料主要包括高性能金属材料和高分子材料。高性能金属材料中钛合金、铝合金和镍基高温合金 的应用最为广泛，钛合金主要应用于高强度、轻量化结构部件，铝合金主要应用于轻量化结构部件，镍基高温合金主要应用于 高强度热端部件，通常以粉末床熔融技术和定向能量沉积技术为主进行加工，常见包括 SLM、LENS 等。高分子材料主要应用于 有耐冲击、耐热、阻燃性和抗老化性要求的部件，常用 SLS 进行加工。 在复杂部件的研制阶段，3D 打印技术可节省反复工艺试验的时间，提高速度的同时降低成本；在零件制造阶段，3D 打印技术 可用于实现复杂内部结构，提高零件性能；此外，3D 打印技术还可用于制件修复，延长设备使用寿命、减少经济损失。

鞋模是一种工业模具，是鞋子生产过程中以注塑、吹塑、挤出、压铸或锻压成型、冶炼、冲压、拉伸等方法得到所需鞋子的模 具，包括运动鞋模具、沙滩鞋模具、拖鞋模具、胶鞋模具等，其对鞋子造型设计、功能实现等具有重要意义。近年来，越来越 多的下游更倾向于使用新兴的3D打印技术制造鞋模，鞋模行业中3D打印的应用逐渐上升。根据国外研究机构Vantage Market Research发布的数据显示，2023年全球3D打印鞋市场规模约11.4亿美元。 3D打印鞋模的优势： 1.缩短工艺流程，提升生产效率。传统鞋模制造需要经过设计、CAD/CAM、木质母模、橡胶模、石膏模、CNC、化学腐蚀咬花等 复杂工艺，且制造技艺往往依靠经验积累传承，标准化程度较低。而通过3D打印方式，鞋模整体生产周期大大缩短，且数字咬 花技术可以做到鞋模精密纹理的高度还原，最大程度简化生产流程、提高生产效率及产品更新迭代速度。 2.减重降本改善产品性能。相较于传统鞋模制造，3D打印可以通过特殊结构设计实现减重降本及产品性能改善。在传统鞋模制 造过程中，金属模具铸造需要经历高温熔化、液体浇注、冷却后清理打磨等工序，金属材料由固态到液态再到固态的物理变化 过程中很难进行复杂的结构设计，因而最终的鞋模产品通常质量较大。而3D打印在结构设计上可选择蜂窝状结构、晶格状结构 等方式，相较于实心结构的模具，其质量更小、使用的材料更少、打印速度更快，进一步提升产品性能。3.咬花一次性成型，生产更加环保。咬花即在鞋底表 面添加凹凸不平的纹路，用以增强鞋底的摩擦力和美 观度。在传统的鞋模铸造过程中，咬花一般位于铸造 金属模具工序之后，常通过酸腐蚀的方式来在金属模 具上呈现凹凸纹理，除咬花的一致性无法得到有效保 障以外，传统鞋模厂通常还面临严重的大气、水、土 壤污染等问题。相较于传统鞋模制造，3D打印可以实 现咬花一次性成型，鞋模制造过程更加精确和环保。