3D打印产业深度研究报告

点击量:381 发布时间:2017-02-08 作者:状迈(上海)增材制造技术有限公司
全球
3D打印市场步入高增长
2014年全球 3D打印市场规模 38亿美元
(包括打印机、材料和相关服务),预计到 2018年可达到 162亿美元,呈现 40-50%的年均高速增长预期, 预计中国 3D打印机和相关的材料市场规模将从目前的 7,500万美元将增长至 2018年的 12亿美元,呈现爆发增长,至 2018年占全球市场的份额增加至 7.4%。
工业
级3D打印看好发展看好
相比消费级3D打印,我们更看好工业级 3D 打印的发展,尤其是其在航空航天、工业制造、医疗与器械等高端制造领域的应用拓展。3D 打印技术在高端制造领域有着得天独厚的优势,且技术前沿、价值量高、深得政策支持,预计将成为 3D打印市场规模的主要来源。未来向这一领域的拓展将持续受到政策支持与行业促进。
生物
领域医疗是 3D打印重点发展方向
生物领域医疗应用将是 3D打印工业应用的重要发展方向之一。 根据 3D工业级打印机应用的特点和现实情况,我们认为,医疗能够有效解决患者的疾病困扰,从体外模型到体内植入,从骨科、牙科到内脏器官,3D打印的医疗应用的生物活性逐渐提高。
领军
企业3D Systems和 Stratasys
3D Systems和 Stratasys作为工业级 3D打印领域的领军企业,拓展下游领域、加强软件与解决方案投入以及重视行业整合的发展路径与思路可为我国 3D打印企业提供一定的参考与借鉴意义。首先,上述两家公司将发展和拓展业务的重点一方面放在工业级 3D打印覆盖的领域,包括航空航天、医疗、金属零部件制造;另一方面关注 3D CAD/CAM软件产品和制造解决方案,我国 3D打印企业可重点关注相关领域的发展。其次,快速拓展 3D打印应用领域的途径与方法是针对性的实施并购,小公司将发展的重点放在业务与产品的深度开发,大公司可利用自身的平台优势与行业中的话语权保证市场份额的稳定,充分利用双方的优势与特点形成资源互补,从而实现产品业务的快速发展。
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3D 打印:技术装点人们日常生活
3D 打印:“自下而上”的革命性制造技术
3D 打印是增材制造技术中的一种,通过以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,采用逐层打印的方式来构造物体的技术。
 
3D 打印的工艺流程一般分为三步,即三维建模、产品成型和成品后处理。其中,产品成型过程就是 3D打印机通过读取文件中的横截面信息,用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来,再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。
3D打印基本工艺流程
相对于传统的材料去除,也就是切削加工技术,增材制造是一种“自下而上”的制造方法。其优势是不需要传统的刀具和夹具以及多道加工工序,即可快速精密地制造出形状复杂的零件,从而大幅缩短了加工工期。因此,所制产品结构越复杂,其优势就越明显。
 
3D打印在具备众多优势的同时,目前也存在着不少局限性。比如 3D打印所使用的耗材非常有限,仅有石膏、无机粉料、光敏树脂、塑料、陶瓷等 10多种,且价格较为昂贵。此外,3D打印机的价格十分高昂,大多桌面级的 3D打印机售价都在 2万元人民币左右,国内仿制品的价格在 6,000元左右,但质量却难以保障。最后,3D打印在产品精度和生产时长上都有一定的局限性。
 
3D打印优势:一体化成型的加法制造、产品无需组装,可一次成型、加工过程产生的废弃副产品较少、不同材料可无限组合,产品更具多元化、能够完成多样化的产品形状设计;
传统制造劣势:切削加工的减法制造、需要花费大量劳力进行复杂部件的组装、存在大量原材料的浪费、不同材料难以结合为单一产品、产品设计受到加工机器的限制。
 
3D 打印技术百花齐放,制造厂商百家争鸣
3D打印技术萌芽于上世纪 80年代初,由美国 3M 公司的四位研究员提出了快速成型的技术设想。第一台 3D打印机则由查尔斯〃赫尔在 1986年发明,这台3D打印机所使用的立体光成型技术利用紫外激光, 对液态树脂进行逐点扫描,使被扫描的树脂薄层产生聚合反应,由点逐渐形成线,最终形成零件的整体模型。
 
3D打印技术经过 30多年的发展,在美国已有像 3D Systems和 Stratasys这样的业内领军企业,产品范围小到生物血管,大到飞机钛合金主承力构件,变得越来越广泛。3D打印正在越来越贴近普通人群的生活。
3D 打印发展历程
在多年的发展中,3D 打印形成了包括分层实体制造(LOM)、光固化快速成型(SLA)、熔融沉积成型(FDM)等在内的多种技术方法。各种方法使用的主要基本材料和应用也各有不同,构成了百花齐放的 3D打印技术体系。
3D 打印主要技术及主要使用厂商
随着 3D 打印技术的成熟,目前全世界已经有越来越多的厂商进入了 3D 打印领域。其中,除了两大巨头 Stratasys和 3D Systems 之外,还有德国的 Voxeljet和美国的 ExOne均完成了上市,进入了资本市场。同时,中国的 3D打印厂商技术水平也在不断提升,紧追国外先进技术水平。在《互联网周刊》以 2014年全球范围各大3D打印机制造商旗下产品的影响力和民众对其的认可度作为主要依据,评出的全球知名 3D打印设备制造商中,有 3家中国企业位列前 20名。
3D 打印技术的类型和属性
以上述技术为例, PolyJet技术可为高精度手术导板和逼真的医疗设备原型提供从刚性到柔性、不透明到透明等一系列材料属性。FDM 技术使用生产级材料,包括高性能热塑塑料,以制作高强度的加工工具、定制卡具以及最终用途零件。两种技术都会提供生物相容性材料,因此可以充分利用 3D 打印的可扩展性和几何功能进行患者护理和高级实验方面的工作。
 
“远在天边近在眼前”,3D 打印融入人们生活
3D 打印技术在新世纪以来进入飞速发展,其应用也从最初的科研研究延展到了医学、服装、建筑、家电、机械制造、工业造型等领域。如今,3D 打印技术甚至可以应用于远在天边的飞机,也可以应用于人们平日身穿的衣物、首饰,甚至是餐桌上的食品。3D 打印已经做到“远在天边,近在眼前”,成为关乎人们衣食住行的一项技术。
3D打印应用融入人们生活
打造 3D打印产业链,可以进一步推动传统产业的优化升级。3D打印的产业链中应当覆盖研发设计、设备制造、材料开发、产业应用、公共服务等环节。3D 打印产业与相关产业的关联点,重点体现在新材料开发和带动传统产业转型升级。基础材料为 3D打印原材料提供支持,模型软件则服务于打印设备的研发与生产。方案提供商将 3D打印应用于不同的领域,包括制造、医疗器械、设计、商业、教育和考古与文物保护等不同领域。
3D 打印产业链构成
根据 Wohlers Associates的统计,全球 3D打印应用最多的是汽车领域和电子消费品领域,各占 20%的比重。3D 打印的医学应用比重同样很大,占到 15%,其中主要包括人造骨骼、牙齿、假肢等。此外,航空航天、工业机械等的应用比例也都在 10%以上。
3D 打印各类应用占比
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并购浪潮催生业界领航者
3D 打印全球市场容量估算
3D打印市场呈现快速增长的预期,其中包括 3D打印机的销售、材料和相关的服务,2013年销售额达到 25亿美元。Canalys预测这一数据会在 2014年增长至38 亿美元,伴随着市场的快速增长,预计到 2018 年全球可达到 162 亿美元的销售额。根据 2013年至 2018年的数据可估算出,这一市场的年均复合增长率将达到 45.7%。3D打印机的市场预计会在 2018年增长至 54亿美元。3D打印行业整体处在发展初期,价值的增长能够从一定程度上反映这一行业中商用 3D打印机的数量,同时也引领着市场容量和消费数量的变化。
 
根据 Juniper Research报告,中国 3D打印机和相关的材料市场规模预期将从目前的 7,500万美元将增长至 2018年的 12亿美元。
 
根据 Wohlers Associates 的研究结果,医学在 3D 打印应用中占比为 15%,随着3D 打印医疗应用的快速发展,我们在估算的过程中预计这一比例有望在未来提高至 25%左右。3D打印技术在医疗行业将迅速采用, 预测 2018年 3D打印医疗应用市场将达到 40亿美元,与英国 Visiongain市场研究公司的一份关于“医疗保健领域 3D打印市场份额”的预测结果一致。
 
工业级 3D 打印将成为全球市场的下一个增长极
3D打印机主要可以分为桌面级 3D打印机和工业级 3D 打印机,市场研究公司将售价在 10万美元以下的3D打印机归类为桌面级 3D打印机。 据 Gartner统计, 2014 年桌面级类和工业级 3D 打印机出货量均保持增长,桌面级 3D 打印机出货量达到 108,151台,同比增长 91.39%。工业级 3D打印机销量也达到了 15,000 台以上。
全球桌面级及工业级 3D 打印机销量及增长率
包括 Wohlers Associates和 Gartner在内的多家市场研究机构均预测桌面级 3D打印机是未来 3D 打印市场增长的主要驱动力,Gartner 预计 2015 年全球桌面级3D打印机出货量将接近 20万台。
 
与市场主流观点有所不同的是,我们预计未来全球 3D打印市场的主要增长极将是工业级 3D打印机。得到以上观点的主要原因有:
1)3D打印机的价格对普通家庭来说依然偏高,普通消费者建模相对困难。一千美元的家庭型 3D打印机自 2007年进入市场已有 8年, 然而它们只能利用有限性能的材料打印出质量略显粗糙且体积较小的产品。而高端工业级 3D打印机可以打印出大件产品并且速度更快,但其售价达到百万美元以上。
 
2)家庭 3D 打印机的打印速度较慢,且打印精度有限。它打印一个几厘米的物品也需要花费数个小时,原材料也非常昂贵,每千克达到 50美元以上。据德勤预计,到 2020年,仅有 10%-20%的家庭会拥有或想拥有一台 3D打印机。工业级的 3D 打印设备可以把精度控制在±0.05mm 左右,但是面向消费级市场的设备这个数字就要扩大到±0.2mm以上,在厚度上大于 0.2mm。
 
3)工业企业更有欲望得到 3D打印机,对于消费者来说实用性欠佳。据 Gartner在 2013年的一项调查,有接近 17%的企业拥有或打算拥有 3D打印机。而据德勤预计,到 2015年底这个比例将会接近四分之一。工业级 3D打印机将更多的被应用于制造产品模型或高复杂度的零件(如航空发动机中的涡轮叶片)。面向消费者的 3D打印设备普遍智能打印塑料制品,对于金属制品的打印由于安全性和性能的问题仅限于工业领域。在消费级市场,3D 打印是 DIY 爱好者玩物。
 
在目前的全球工业级 3D打印机市场,由美国、日本、德国和中国占据主要份额。据 Wohlers Associates统计,2013年工业级 3D打印机出货量占比最高的是美国,达到 38%。德国、日本和中国紧随其后,占比均在 8%以上。中国的 3D打印市场仍然处在初期发展阶段,目前国内主要的 3D 打印竞争企业包括MakerBot、3D Systems、EOS 和 Stratasys。2013 年,中国共生产 21,550 台 3D 打印机,其中共有 12,810台出口。
2013 年全球工业级 3D 打印机出货国家分布
根据 Wohlers Associates的研究报告,Stratasys的厂商销量份额最高达 54.7%,3D Systems、Envisiontec分别位列第二、 第三位,厂商销量份额分别为18%和 11.2%,其他厂商份额相对较低。
 
3D 打印医疗应用将优先于其他领域发展
目前国内3D打印工业应用及发展主要集中在航空领域、 国防工业和生物领域。在航空领域,3D打印可基本满足实际应用要求(包括偏析和初步成形问题),但满足不了飞机冲击韧性的高要求,因此未来发展方向是与传统挤压锻造方法结合。在航天航空、国防工业领域,主要用于钛合金关键大型承力结构件、航空发动机叶片、燃油喷嘴等直接零件制造和设计与工艺验证,兵器单件小批零件的生产和战时零件修复。波音公司、通用电气、BAE系统等公司开始将3D打印技术应用于直接制造领域, 波音公司率先使用 3D打印技术直接生产零部件, 大量的通过激光烧结制造的零部件装配于 8种型号的商用飞机和 8种型号的军用飞机。
 
根据 3D工业级打印机应用的特点和现实情况,我们认为,生物领域医疗应用将是 3D打印的主要发展方向。医疗能够有效解决患者的疾病困扰,从体外模型到体内植入,从骨科、牙科到内脏器官,3D 打印的医疗应用的生物活性逐渐提高。
3D 医疗应用基本类型划分
国内 3D打印牙齿、骨骼修复技术已经成熟,并在各大骨科医院、口腔医院快速普及;而 3D打印细胞、软组织、器官等方面的技术还需要进一步研发,国内 3D打印在医疗领域的已有案例包括假肢、气管支架、肝脏、牙齿等。 
 
细胞 3D 打印技术已经很大程度上可以实现活体的打印。目前医疗行业 3D 打印技术的应用主要有以下几个方面:
3D 打印在医疗领域的应用
第一,体外医学模型。首先,3D 打印模式器官可以用来检测药物效果,一方面有利于缩短临床药物研发周期,另一方面可以避免潜在的人体试验损害,极大地节省新药的研发费用。其次,3D打印技术所具有能够满足构建 3D模型的需求,在手术设计、操作演练和预后等方面具有广阔的应用前景和极高的应用价值。再次,借助器官或组织的 3D医疗模型,能够将器官或组织内部构造的细节逼真地显示出来,使得医学知识变得更加直观明了。这种技术已在整复外科、口腔科、眼科等领域中的颅骨修复、下颌骨修复正形等方面发挥了积极作用。
 
3D 打印通过复杂建模可造福外科手术。医生在手术前可以在患者体外再现体内实际模型,可以通过反复利用模型进行实验分析,从而减少在真实手术中的效率和风险。例如,北京阜外医院主要将这一技术应用在心血管介入手术方面, 与比利时的 3D打印服务商 Materialise合作, 在手术前提前模拟打印出心脏模型进行精准化训练,从而大大提升手术的成功率。这种方法对于先天心脏缺陷的婴儿好处明显,因为婴儿的器官相对弱小,手术就必须有更充分的准备,也必须非常精细,方式手术开腔后诸多意想不到的后果。
 
第二,定制化医疗器械/组织工程。个性化永久植入物,使用钛合金、钴铬钼合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料通过 3D打印骨骼、软骨、关节、牙齿等产品,通过手术植入人体。3D 打印技术在助听器、假肢制造、康复辅具、骨科手术个性化导板、人工关节、人工外耳和个性化种植牙等方面已得到了广泛应用。运用 3D打印技术设计和制作的助听器可满足个性化需求。以欧洲地区为例,个性化助听器的生产规模以每年 30%的速度增加。利用 3D打印技术制造出的假肢也更加符合人体工学,在欧洲使用 3D打印的钛合金骨骼的患者已经超过 3万余例。 应用金属打印制作的多孔钛结构, 生物学表现特性更加合理,具有轻量化,更加符合人体工程学,从而克服了传统制造工艺的限制。
3D 打印可用于定制化组织工程
传统牙齿修复过程相对复杂,难以保证精度,返修率高,制作周期长。将 3D打印技术运用到义齿修复中已经成为了牙科领域广泛应用的技术,降低了义齿修复成本,缩短了制作周期。3D 打印在这方面的应用主要包括:固定冠、桥的应用;全口义齿钛基托;可摘局部义齿支架;口腔赝复体和种植体及导板。
3D的牙科应用
此外,3D 打印在骨科的应用可实现低成本假肢打印。在临床应用上可用于术前计划和演练、术中辅助和准确性、术后评估和康复计划以及对于骨科医生的教学和培训。临床应用方面可实现从复杂的病例到普遍应用,包括重建手术、创伤骨科、关节臵换,这也体现了 3D打印在个性化骨科手术方面的发展和潜力。2013年 3月,美国 OPM公司采用 EOS P800机器打印出 PEEK材料的骨移植物,已经获得了美国 FDA 的批准,并首次成功地替换了一名患者病损的骨组织。根据专家预计,每种骨骼替代物市场规模约为 5,000万~1亿美元,由此可见其潜在的巨大市场和颠覆性的市场影响力。
3D 打印技术在骨科手术中的应用
第三, 人工器官和组织, 即 3D生物打印。 3D打印技术不仅能够打印医疗模型、医疗器械,还可以根据患者需要打印出相应的器官,精准指导手术。3D 生物打印,即使用含细胞和生长因子的“生物墨水”,结合其他医疗材料层层打印出产品,经体外和体内培育,形成有生长能力功能的组织结构。这项技术的推广与使用有望解决全球面临的移植组织或器官不足的难题。生物医学领域最著名的公司是美国圣迭戈 Organovo,将细胞用作“生物墨汁”,通过 3D打印程序制成活性人体组织片。目前公司已成功打印出心肌组织、动脉血管等。 爱丁堡赫瑞瓦特大学开发了一种基于瓣膜的双喷嘴打印机, 配有两个 “墨盒”,一个装着浸在细胞培养基中的人体胚胎干细胞,另一个只有培养基。
 
使用这一打印机可打印用于组织再生的首例人体胚胎干细胞以及其他活细胞的打印。所研发的 3D打印机通过控制实现精确打印速度和墨水流量。具体可应用在神经外科、骨科、药剂科和外科等方面。在神经外科的应用可通过搭建一个母体,以细胞膜质纳米晶体为生物墨水,再添加石墨烯以使其能传递电脉冲,通过桌面 3D打印机打印出生物骨架,从而培育出具有全部神经功能的而神经细胞。
 
第四,药剂科:3D 打印可制造靶向药物运输超微机器人。在人体内精准运输药物的机器人可以用来提升太近微创手术、靶向用药、远程感应和单细胞操控技术的效果和水平。这项通过 3D打印技术实现的微型机器人被设计成“鞭毛”的类似物,这样可以更好的被数字化操控从而灵活的将药物送达到人体各部。 美国 Aprecia制药公司宣布, FDA批准其首款采用 3D打印技术制备的 “左乙拉西坦速溶片”上市。这种药采用 Aprecia公司自主知识产权的 ZipDose3D打印技术生产,内部呈现多空状,内表面及高,可在短时间内被很少的水融化,用分层打印制备药物制剂取代传统的压片技术,使得含水流体将多层粉状药剂结合在一起。
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