增材制造又稱“3D打印”，是以計算機三維設計模型為藍本，采用與傳統(tǒng)減材制造技術（對原材料去除、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、細胞組織等特殊材料進行逐層堆積黏結，最終疊加成型，制造出與相應數(shù)字模型完全一致的三維物理實體模型的制造方法。

3D打印通過對材料處理并逐層疊加進行生產，大大降低了制造的復雜度，直接從計算機圖形數(shù)據中便可生成任何形狀的零件，使生產制造得以向更廣的生產人群范圍延伸。

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

《國家增材制造產業(yè)發(fā)展推進計劃（2015-2016年）》根據所用耗材和成形原理的差異，將主流的3D打印技術分為金屬和非金屬增材制造工藝兩類，分別對應不同的打印原理和技術。

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別，采用這兩類工藝原理的金屬3D打印技術都可以制造達到鍛件標準的金屬零件。

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

1.粉末床選區(qū)熔化技術

粉末床選區(qū)熔化技術可以打印傳統(tǒng)技術無法企及的極端復雜結構，特別是復雜的內腔結構，制作成品精度較高，主要應用于航天航空復雜構件、醫(yī)療植入體和隨形冷卻模具等對減重、高效換熱、精確密度、模量匹配有較高要求的下游領域，適合小批量、定制化的生產特點。

由于成品力學性能超過鑄件，甚至部分零部件力學性能指標達到鍛件要求，從而成為當今最廣泛應用的金屬3D打印技術。

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

（1）激光選區(qū)熔化（SLM）

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

其工作原理為：先在工作平臺上鋪一層金屬粉末材料，計算機將物體的三維數(shù)據轉化為一層層截面2D數(shù)據并傳輸給打印機。

激光束在計算機控制下按照截面形狀對實體部分所在的粉末進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。

當一層燒結完成后，工作臺下降一截面層的高度，再鋪上一層粉末，進行下一層燒結；此過程逐層循環(huán)直至整個物體成形。

SLM技術的代表公司為德國EOS公司、美國GE增材制造、德國SLM solutions、鉑力特等。據公司公告，SpaceX新一代DragonV2載人飛船SuperDraco引擎制造中采用了德國EOS設備通過SLM技術制造了冷卻道、噴油嘴和節(jié)流閥等結構的復雜程度非常高的零件，其強度、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技術打印了超過3萬個航空發(fā)動機燃油噴嘴，實際應用于LEAP系列發(fā)動機（包括我國C919采用的LEAP-1C發(fā)動機），滿足航空發(fā)動機減重、強度大、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）技術的原理與SLM類似，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，可以相應降低部分加工成本，同時真空的工作環(huán)境也可以有限保證鈦合金和鋁合金在內的很多活潑金屬在加熱過程中不易被氧化。

2. 定向能量沉積技術

定向能量沉積技術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)熔化技術在下游應用中形成互補的關系。

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

其缺點是打印件結構復雜性較低，有較大的加工余量等，因此其與傳統(tǒng)制造技術相比并不具有如同粉末床選區(qū)熔化技術那樣在下游應用方面顯著的不可替代性，目前技術成熟度與設備自動化程度不高。

（1）激光近凈成形技術（LENS）

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

LENS技術的原理是：聚焦激光束按照預先設定的路徑進行移動，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，使之由點到線、由線到面的順序凝固，從而完成一個層截面的打印工作，這樣層層疊加，制造出接近實體模型的零部件實體。

（2）電子束熔絲沉積技術（EBDM）

EBDM（Electron Beam Direct Manufacturing）技術是電子束焊接技術和快速成形思想結合的產物。

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。隨著工作臺的移動，使熔滴沿著一定的路徑逐滴沉積進入熔池，層層堆積，直至制造出金屬零件。

（3）電弧熔絲增材制造技術（WAAM）

WAAM（WireArcAdditiveManufacture）技術是以熔化極惰性氣體保護焊接（MIG）、鎢極惰性氣體保護焊接（TIG）以及等離子體焊接電源（PA）等焊機產生的電弧為熱源，通過金屬絲材的添加，在程序的控制下，按設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難于制造的高反射性的鋁合金。

由于同弧焊技術的兼容性好，弧焊專業(yè)人員較容易掌握這項技術。這項技術成為當前大尺寸、高效率、低成本金屬3D打印技術發(fā)展最快的方向，并且正在迅速進入規(guī)?；墓I(yè)應用。

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

據WohlersReport2020，全球增材制造產值（包括產品和服務）從2012年的22.8億美元增長到2019年的118.67億美元，年均復合增速為26.73%。

在金屬3D打印產業(yè)方面，隨著增材制造技術的逐漸成熟和成本的不斷降低，市場需求和發(fā)展?jié)摿^大，根據Wohlers Report2020，2012-2019年金屬3D打印設備銷售量從202臺增長至2327臺，年均復合增速41.79%。

根據德勤發(fā)布的《2019科技、傳媒和電信行業(yè)預測》報告，全球3D打印市場正從塑料打印轉向金屬打印。塑料適合用于制作原型和某些最終零件，但3D打印機應以價值萬億美元的金屬零件制造市場為目標。

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

我國增材制造行業(yè)相對歐美國家起步較晚，目前仍存在產業(yè)化不足，高端金屬材料緊缺等短板，但近年來行業(yè)呈現(xiàn)快速增長趨勢。

據中國增材制造產業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計，2015-2017年，我國增材制造產業(yè)規(guī)模年均增速超過30%，到2017年，我國增材制造產業(yè)規(guī)模已超過100億元，35家聯(lián)盟重點企業(yè)總產值達32.4億元，比2016年的23.09億元增加近10億元，同比增長40.3%，高于全球增速近20個百分點。

工信部等部門2017年印發(fā)的《增材制造產業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020年）》明確提出，到2020年，我國增材制造產業(yè)年銷售收入預計超過200億元，年增速在30%以上。

2019年，全球3D打印市場主要集中在北美、歐洲和亞太地區(qū)三個地區(qū)。全球增材制造產業(yè)已基本形成了美、歐等發(fā)達國家和地區(qū)主導，亞洲國家和地區(qū)后起追趕的發(fā)展態(tài)勢。

3D打印行業(yè)內部的競爭主要分為技術之間的競爭和公司之間的競爭。行業(yè)發(fā)展初期，各項技術獨立發(fā)展，市場也相對獨立。隨著技術的發(fā)展，應用面擴大，不同技術之間開始競爭。

當行業(yè)整合加劇，單一技術企業(yè)數(shù)量減少，技術間的競爭逐漸轉變?yōu)樯贁?shù)擁有多項技術的企業(yè)之間的競爭。

目前3D打印行業(yè)內部的競爭主要集中在設備廠商之間，這些設備廠商同時也提供3D打印的相關服務。

據WohlersReport2020，2019年度，從3D打印設備（包括金屬和非金屬）的市場份額來看，Stratasys、Markforged和3D Systems位居前三名，均為美國制造商。

其中，Stratasys的市場份額同比2018年下降2.6pct，但仍達到16.6%，連續(xù)18年保持市場占有率第一，2019年裝機量3660臺，較2018年3710臺有所減少。

亞太區(qū)排名前三的制造商分別是中國大陸先臨三維、韓國Carima和中國臺灣的XYZprinting，市場份額分別為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入到這個領域。

我國增材制造技術在上世紀90年代初起步階段就得到科技部863計劃和973計劃支持，總體科研和技術非常接近世界先進水平，其中金屬高性能增材制造技術處于世界先進水平。

目前，國內在金屬增材領域建樹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，國內金屬增材領域領航團隊有華南理工大學楊永強教授團隊（廣州雷佳增材科技有限公司）和北京航空航天大學王華明院士團隊（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3D打印企業(yè)主要聚集在華東地區(qū)，占全國的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、上海光韻達等。從產業(yè)規(guī)模上看，華東地區(qū)也領先全國，占比37.2%，中南地區(qū)緊隨其后，占比32.6%。