浅谈3D打印技术的应用与发展

程俊廷 张 怿 卢建军

（1.黑龙江科技大学机械工程学院，黑龙江哈尔滨150022；2.首都信息发展股份有限公司，北京100161）

0 引言

3D打印技术是一种新的制造工艺[1]。它通过数字模型来构建实体，其思想源于美国一项地貌地形分层专利，此技术的实现与传统加工差异较大，它颠覆性地改变了传统减材技术，从设计之初就改变了整个加工的工艺与流程，其涉及诸多领域与学科。此技术的普遍运用，可将简单制造完成于任意场合，如办公室、家庭甚至太空等[2]。

3D技术的出现催生了许多新型产业和新型设计理念。它将改变产品的生产方式，从而改变世界经济发展格局，并最终改变人们的生活方式[3]。

1 3D打印技术简介及其材料对比

1.1 3D打印技术简介

当今主流的3D打印技术包括熔融沉积、光固化成型、激光烧结、分层实体加工等[4]。

1.2 相关材料对比分析

1.2.1 3D打印技术及所用材料对比

表1归纳分析了上述各项技术的优缺点。

1.2.2 各国3D打印设备及精度概况

图1所示为世界各国3D打印制造设备及精度示意图[5]。

2 3D打印技术专利情况

2.1 全球专利情况

从发明专利申请的角度来看，数量由高到低的国家依次为中国、美国及日本。从图2可以看出，中国的申请量自2013年以来飞速提升。截至2017年，中国共有9 907项专利申请，共3 062人，专利平均数量3.24件。2016年，全年专利申请3 554个，占专利总量的35.87%；公布于众的专利数量为4 739项，占专利总数的48.38%，同比增长79.78%。

2.2 我国专利情况

2.2.1 概况分析

中国在3D打印领域的探索与研究较迟，最初的专利多集中在少数研发机构。目前，欧美等地仍然是世界研发的中坚力量，日本也很有竞争力。

表1 3D打印技术优缺点分析

图1 各国3D打印设备及精度概况

图2 申请量示意图

2.2.2 专利类型占比

如今，中国在3D打印领域的实力正在逐步增强。众多企业开始迈入3D打印业。据有关报道，国内专利申请在各领域内占比如图3所示[6]。

图3 中国3D打印领域专利分类

2.2.3 打印材料占比

制造材料基本分为三类：聚合物、金属和复合材料。据统计，2017年，聚合物占3D打印材料市场份额的51%，金属占19.8%，复合及其他材料占29.2%（图4）[7]。从发展趋势来看，金属及复合等材料依旧具有很大的发展空间。

2.2.4 应用情况

根据Wohlers Report报告，航空航天在3D打印领域占据了14.8%，工业应用占17.5%，消费电子产品占16.6%，汽车工业占16.1%，医疗应用占13.1%，学术机构占8.2%，政府军事占6.6%，其余则占7.1%（图5）。

3 3D打印的发展趋势

图5 中国3D打印领域分布

经过多年发展与积累，中国在实现3D打印产业化的道路上越走越快，步伐越迈越大。在“中国制造2025”等相关政策的引导和支持下，中国3D打印的相关行业发展迅速，关键技术不断突破，设备性能明显加强。同时，其工作模式正逐渐系统化，服务领域也在不断拓展扩大。

3.1 产业规模快速增长

根据Wohlers Associates的数据，61家工业系统制造商、19家特种材料制造商、100家服务单位以及一批消费级3D打印设备制造商的统计数据显示（图6），工业级3D打印设备制造公司的数量不断增加。

图6 3D打印产业全球年产值图

产业规模实现快速扩张。通过收集对比23家大规模企业经营的数据，2016年相关大规模企业的产业生产总值为20.3亿元，比2015年的10.8亿元增长88.0%。从2017年上半年来看，生产总值为11.6亿元，对比往年提高了50.5%，产业规模的扩大加速。3D打印产业主要由设备、材料和服务三方面构成，其产值中，设备占50.1%，材料占26.9%，服务占23.0%，可见仅3D打印装备产值就占到了一半[8]。

3.2 产业格局

中国3D打印产业的发展已逐步成形，主要以环渤海、珠三角、长三角为核心。在环渤海地区，3D打印产业的发展在中国处于领先地位，形成了以北京为核心，协调发展的产业格局。长三角地区已形成了良好的经济发展优势、区位条件和强大的产业基础，3D打印产业链包含打印设备的研发、生产、服务和相关设备。在珠三角地区，3D打印产业的发展在深圳和东莞等地大多运用于服务行业。

4 结语

传统的制造技术，如铸造、锻造、焊接等，经过数百年的研究、应用和发展，积累了丰富的经验，形成了完善的标准体系。3D打印这一新兴技术依旧需要长时间的技术积累和验证，只有在经过较多大规模的应用研究之后，才能发现和解决众多实际问题。

创造改变世界，知识成就未来，3D打印的时代已经来临，3D打印技术已经从研发转向工业应用。诸多国家都已将3D打印作为未来工业发展的突破点，促进3D打印技术与互联网及新型材料的加速融合，力争抓取未来科技和行业的制高点已成为当务之急。