增材制造又稱“3D打印”，是以計(jì)算機(jī)三維設(shè)計(jì)模型為藍(lán)本，采用與傳統(tǒng)減材制造技術(shù)（對(duì)原材料去除、切削、組裝的加工模式）完全相反的逐層疊加材料的方式，通過(guò)軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng)，利用激光束、熱熔噴嘴等方式將金屬粉末、陶瓷粉末、塑料、細(xì)胞組織等特殊材料進(jìn)行逐層堆積黏結(jié)，最終疊加成型，制造出與相應(yīng)數(shù)字模型完全一致的三維物理實(shí)體模型的制造方法。

3D打印通過(guò)對(duì)材料處理并逐層疊加進(jìn)行生產(chǎn)，大大降低了制造的復(fù)雜度，直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中便可生成任何形狀的零件，使生產(chǎn)制造得以向更廣的生產(chǎn)人群范圍延伸。

作為制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，3D打印將對(duì)傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合產(chǎn)生深刻影響。

《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》根據(jù)所用耗材和成形原理的差異，將主流的3D打印技術(shù)分為金屬和非金屬增材制造工藝兩類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)不同的打印原理和技術(shù)。

金屬3D打印工藝原理主要分為粉末床選區(qū)熔化和定向能量沉積兩大類(lèi)別，采用這兩類(lèi)工藝原理的金屬3D打印技術(shù)都可以制造達(dá)到鍛件標(biāo)準(zhǔn)的金屬零件。

其中粉末床選區(qū)熔化技術(shù)分為激光選區(qū)熔化（SLM）和電子束選區(qū)熔化（EBSM）兩類(lèi)；定向能量沉積又主要分為激光凈成形技術(shù)（LENS）、電子束熔絲沉積技術(shù)（EBDM）和電弧增材制造技術(shù)（WAAM）三類(lèi)。

1.粉末床選區(qū)熔化技術(shù)

粉末床選區(qū)熔化技術(shù)可以打印傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法企及的極端復(fù)雜結(jié)構(gòu)，特別是復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，制作成品精度較高，主要應(yīng)用于航天航空復(fù)雜構(gòu)件、醫(yī)療植入體和隨形冷卻模具等對(duì)減重、高效換熱、精確密度、模量匹配有較高要求的下游領(lǐng)域，適合小批量、定制化的生產(chǎn)特點(diǎn)。

由于成品力學(xué)性能超過(guò)鑄件，甚至部分零部件力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到鍛件要求，從而成為當(dāng)今最廣泛應(yīng)用的金屬3D打印技術(shù)。

其主要缺點(diǎn)是打印效率較低，難以打印大尺寸（米級(jí)）零件、采用的超細(xì)球形金屬粉成本較高等。

（1）激光選區(qū)熔化（SLM）

SLM（Selective Laser Melting）技術(shù)是采用激光依據(jù)設(shè)定參數(shù)有選擇地分層熔化燒結(jié)固體金屬粉末后成形。

其工作原理為：先在工作平臺(tái)上鋪一層金屬粉末材料，計(jì)算機(jī)將物體的三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一層層截面2D數(shù)據(jù)并傳輸給打印機(jī)。

激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照截面形狀對(duì)實(shí)體部分所在的粉末進(jìn)行照射加熱直至完全熔化后成形，繼而形成一層固體零件截面層。

當(dāng)一層燒結(jié)完成后，工作臺(tái)下降一截面層的高度，再鋪上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)；此過(guò)程逐層循環(huán)直至整個(gè)物體成形。

SLM技術(shù)的代表公司為德國(guó)EOS公司、美國(guó)GE增材制造、德國(guó)SLM solutions、鉑力特等。據(jù)公司公告，SpaceX新一代DragonV2載人飛船SuperDraco引擎制造中采用了德國(guó)EOS設(shè)備通過(guò)SLM技術(shù)制造了冷卻道、噴油嘴和節(jié)流閥等結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度非常高的零件，其強(qiáng)度、韌性能夠滿足火箭引擎在極端的高溫高壓環(huán)境下工作。

GE增材制造公司則采用SLM技術(shù)打印了超過(guò)3萬(wàn)個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴，實(shí)際應(yīng)用于LEAP系列發(fā)動(dòng)機(jī)（包括我國(guó)C919采用的LEAP-1C發(fā)動(dòng)機(jī)），滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重、強(qiáng)度大、耐腐蝕和耐高溫的要求，使用壽命也提高了4倍。

（2）電子束選區(qū)熔化（EBSM）

EBSM（ElectronBeamSelectiveMelting）技術(shù)的原理與SLM類(lèi)似，與之不同的是EBSM是在真空環(huán)境中，以電子束作為輸出熱源。

相比激光，電子束更容易獲得，可以相應(yīng)降低部分加工成本，同時(shí)真空的工作環(huán)境也可以有限保證鈦合金和鋁合金在內(nèi)的很多活潑金屬在加熱過(guò)程中不易被氧化。

2. 定向能量沉積技術(shù)

定向能量沉積技術(shù)是指利用聚焦熱能熔化材料即熔即沉積的增材制造工藝，其與粉末床選區(qū)熔化技術(shù)在下游應(yīng)用中形成互補(bǔ)的關(guān)系。

采用定向能量沉積技術(shù)可使大功率激光器實(shí)現(xiàn)每小時(shí)公斤級(jí)的打印效率，打印尺寸范圍較大，方便多材料打印，具有粉末床選區(qū)熔化技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的原位修復(fù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等高附加值零部件的功能，避免拆、裝機(jī)等停工損失。

其缺點(diǎn)是打印件結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較低，有較大的加工余量等，因此其與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比并不具有如同粉末床選區(qū)熔化技術(shù)那樣在下游應(yīng)用方面顯著的不可替代性，目前技術(shù)成熟度與設(shè)備自動(dòng)化程度不高。

（1）激光近凈成形技術(shù)（LENS）

激光近凈成形技術(shù)（LENS：Laser Engineered Net Shaping）最早由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出并進(jìn)行研究，該技術(shù)又稱激光同步送粉技術(shù)或激光金屬熔覆沉積技術(shù)（LMD：Laser metal Deposition），鉑力特實(shí)際控制人之一黃衛(wèi)東將其命名為激光立體成形技術(shù)（LSF：Laser Solid Forming）。本文參考《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015-2016年）》，將其統(tǒng)稱為激光近凈成形技術(shù)（LENS）。

LENS技術(shù)的原理是：聚焦激光束按照預(yù)先設(shè)定的路徑進(jìn)行移動(dòng)，粉末噴嘴將金屬粉末直接輸送到激光光斑在固態(tài)基板上形成的熔池，使之由點(diǎn)到線、由線到面的順序凝固，從而完成一個(gè)層截面的打印工作，這樣層層疊加，制造出接近實(shí)體模型的零部件實(shí)體。

（2）電子束熔絲沉積技術(shù)（EBDM）

EBDM（Electron Beam Direct Manufacturing）技術(shù)是電子束焊接技術(shù)和快速成形思想結(jié)合的產(chǎn)物。

在真空環(huán)境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表面，在前一沉積層或基材上形成熔池，金屬絲材受電子束加熱熔化形成熔滴。隨著工作臺(tái)的移動(dòng)，使熔滴沿著一定的路徑逐滴沉積進(jìn)入熔池，層層堆積，直至制造出金屬零件。

（3）電弧熔絲增材制造技術(shù)（WAAM）

WAAM（WireArcAdditiveManufacture）技術(shù)是以熔化極惰性氣體保護(hù)焊接（MIG）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊接（TIG）以及等離子體焊接電源（PA）等焊機(jī)產(chǎn)生的電弧為熱源，通過(guò)金屬絲材的添加，在程序的控制下，按設(shè)定成形路徑在基板上堆積層片至金屬零件近凈成形的方法。

此方法用低成本的電弧取代激光和電子束作為熔化金屬的熱源，因此打印效率較高，成本低廉，可方便打印數(shù)米大小的零件，適合于激光熔覆技術(shù)難于制造的高反射性的鋁合金。

由于同弧焊技術(shù)的兼容性好，弧焊專(zhuān)業(yè)人員較容易掌握這項(xiàng)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)成為當(dāng)前大尺寸、高效率、低成本金屬3D打印技術(shù)發(fā)展最快的方向，并且正在迅速進(jìn)入規(guī)?；墓I(yè)應(yīng)用。

據(jù)WohlersReport 2020，從1993到2012年3D打印市場(chǎng)受制于低性能和狹窄的應(yīng)用領(lǐng)域，一直發(fā)展低迷。2012年，全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模首次突破20億美元，隨后得益于3D打印機(jī)性能提升、應(yīng)用范圍拓展，3D打印進(jìn)入快速發(fā)展階段。

據(jù)WohlersReport2020，全球增材制造產(chǎn)值（包括產(chǎn)品和服務(wù)）從2012年的22.8億美元增長(zhǎng)到2019年的118.67億美元，年均復(fù)合增速為26.73%。

在金屬3D打印產(chǎn)業(yè)方面，隨著增材制造技術(shù)的逐漸成熟和成本的不斷降低，市場(chǎng)需求和發(fā)展?jié)摿^大，根據(jù)Wohlers Report2020，2012-2019年金屬3D打印設(shè)備銷(xiāo)售量從202臺(tái)增長(zhǎng)至2327臺(tái)，年均復(fù)合增速41.79%。

根據(jù)德勤發(fā)布的《2019科技、傳媒和電信行業(yè)預(yù)測(cè)》報(bào)告，全球3D打印市場(chǎng)正從塑料打印轉(zhuǎn)向金屬打印。塑料適合用于制作原型和某些最終零件，但3D打印機(jī)應(yīng)以價(jià)值萬(wàn)億美元的金屬零件制造市場(chǎng)為目標(biāo)。

據(jù)Wohlers Report 2020，從2019年地區(qū)增材制造設(shè)備裝機(jī)量分布格局看，北美、亞太、歐洲為全球最主要市場(chǎng)，其中中國(guó)大陸裝機(jī)量占比達(dá)10.8%，位于全球第二，略高于日本的9.3%，但大幅低于美國(guó)的34.4%。

我國(guó)增材制造行業(yè)相對(duì)歐美國(guó)家起步較晚，目前仍存在產(chǎn)業(yè)化不足，高端金屬材料緊缺等短板，但近年來(lái)行業(yè)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。

據(jù)中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計(jì)，2015-2017年，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模年均增速超過(guò)30%，到2017年，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超過(guò)100億元，35家聯(lián)盟重點(diǎn)企業(yè)總產(chǎn)值達(dá)32.4億元，比2016年的23.09億元增加近10億元，同比增長(zhǎng)40.3%，高于全球增速近20個(gè)百分點(diǎn)。

工信部等部門(mén)2017年印發(fā)的《增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2017-2020年）》明確提出，到2020年，我國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)年銷(xiāo)售收入預(yù)計(jì)超過(guò)200億元，年增速在30%以上。

2019年，全球3D打印市場(chǎng)主要集中在北美、歐洲和亞太地區(qū)三個(gè)地區(qū)。全球增材制造產(chǎn)業(yè)已基本形成了美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)主導(dǎo)，亞洲國(guó)家和地區(qū)后起追趕的發(fā)展態(tài)勢(shì)。

3D打印行業(yè)內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)主要分為技術(shù)之間的競(jìng)爭(zhēng)和公司之間的競(jìng)爭(zhēng)。行業(yè)發(fā)展初期，各項(xiàng)技術(shù)獨(dú)立發(fā)展，市場(chǎng)也相對(duì)獨(dú)立。隨著技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用面擴(kuò)大，不同技術(shù)之間開(kāi)始競(jìng)爭(zhēng)。

當(dāng)行業(yè)整合加劇，單一技術(shù)企業(yè)數(shù)量減少，技術(shù)間的競(jìng)爭(zhēng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)擁有多項(xiàng)技術(shù)的企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)。

目前3D打印行業(yè)內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)主要集中在設(shè)備廠商之間，這些設(shè)備廠商同時(shí)也提供3D打印的相關(guān)服務(wù)。

據(jù)WohlersReport2020，2019年度，從3D打印設(shè)備（包括金屬和非金屬）的市場(chǎng)份額來(lái)看，Stratasys、Markforged和3D Systems位居前三名，均為美國(guó)制造商。

其中，Stratasys的市場(chǎng)份額同比2018年下降2.6pct，但仍達(dá)到16.6%，連續(xù)18年保持市場(chǎng)占有率第一，2019年裝機(jī)量3660臺(tái)，較2018年3710臺(tái)有所減少。

亞太區(qū)排名前三的制造商分別是中國(guó)大陸先臨三維、韓國(guó)Carima和中國(guó)臺(tái)灣的XYZprinting，市場(chǎng)份額分別為2%、1.9%、1.4%。另外，其他單位的占比從2018年的30.3%上升到34.3%，這表明有更多的公司進(jìn)入到這個(gè)領(lǐng)域。

我國(guó)增材制造技術(shù)在上世紀(jì)90年代初起步階段就得到科技部863計(jì)劃和973計(jì)劃支持，總體科研和技術(shù)非常接近世界先進(jìn)水平，其中金屬高性能增材制造技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。

目前，國(guó)內(nèi)在金屬增材領(lǐng)域建樹(shù)較多的有西安鉑力特、江蘇永年激光、湖南華曙高科；在科研單位方面，國(guó)內(nèi)金屬增材領(lǐng)域領(lǐng)航團(tuán)隊(duì)有華南理工大學(xué)楊永強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)（廣州雷佳增材科技有限公司）和北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)（北京煜鼎增材制造研究院有限公司）。

2019年，從企業(yè)數(shù)量上看，中國(guó)3D打印企業(yè)主要聚集在華東地區(qū)，占全國(guó)的42.4%。中南、華北、西南等地區(qū)也有優(yōu)秀企業(yè)集聚，分別占23.8%、13.9%和8.4%。

華東地區(qū)的3D打印知名企業(yè)包括湖南華曙高科、杭州先臨三維、上海光韻達(dá)等。從產(chǎn)業(yè)規(guī)模上看，華東地區(qū)也領(lǐng)先全國(guó)，占比37.2%，中南地區(qū)緊隨其后，占比32.6%。