一、产业链

3D打印行业上游为原材料及零件，包括3D打印原材料、关键零部件和软件配套等，中游为设备制造和打印服务，下游应用领域包括航天航空、医疗健康、教育创新、文化创意、铸造模具、汽车工业等。

 二、上游分析

1、3D打印原材料

3D打印原材料是影响3D打印产品质量的重要因素之一，是3D打印技术发展的物质基础。3D打印原材料目前主要可分为金属材料、非金属材料。

数据显示，在我国整个3D打印市场中，钛合金、铝合金、不锈钢分别占20.2%、10.0%、9.1%，合计占比39.3%，其余多为非金属材料，包括尼龙、PLA、ABS塑料、树脂等。

2、激光器

近年来，中国激光器市场规模保持增长趋势，2020年市场规模已达109.1亿美元，同比增长7.16%，占全球激光器市场66.12%的份额。2021年中国激光器市场规模增速加快，达到129亿美元，同比增长18.24%，市占率进一步提升。预计2023年将继续保持增长，市场规模将达172亿美元。

3、振镜系统

2021年中国激光振镜控制系统销售规模达3.86亿元，预计2023年激光振镜控制系统销售规模将达5.24亿元。

我国中低端振镜控制系统已基本实现国产化，但高端应用领域主要由德国Scaps、德国Scanlab等国际厂商主导，根据控制系统供应商出货数量及高端应用情况测算，2020年我国振镜控制系统的国产化率约15%。未来随着国内激光控制供应商的崛起，有望在高端领域对国外企业进行有效替代。

4、重点企业分析

 三、中游分析

1、市场规模

受3D打印产品逐步规模化应用和部分积压的3D打印设备需求释放的带动，2021年中国3D打印产业规模增速加快，产业规模增至216.5亿元。随着3D打印产品在已有场景中应用规模进一步扩张，以及新场景、新应用的不断开拓，预计2023年中国3D打印产业规模将突破400亿元。

2、产业结构

中国3D打印设备规模占比达45.0%，3D打印服务和3D打印材料规模占比超25%。

3、产业布局

我国3D打印产业主要分布在京津冀地区、长三角地区、珠三角地区、中西部地区。

4、竞争格局

目前，中国市场的主流设备品牌包括联泰、EOS、华曙、铂力特、3D Systems、GE、Stratasys、惠普等。数据显示，联泰在3D打印行业中市场占比最大达16.4%，其次为Stratasys和EOS，分别占比14.8%和13.1%。

5、重点企业分析

随着国内3D打印企业技术的不断积累，与国外先进水平的差距快速缩小，在大尺寸成型等部分领域甚至实现了反超，优秀企业不断涌现，以铂力特、华曙高科、联泰科技等为代表，综合实力雄厚，属于行业领军企业。

6、企业热力分布图

 四、下游分析

1、应用领域

3D打印目前已被广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域，并逐渐被尝试应用于更多的领域中。根据Wohlers Report 2022报告显示，2021年3D打印主要应用于航空航天、汽车、消费及电子产品、医疗/牙科、学术科研等领域，占比情况如下：

资料来源：Wohlers Report 2022报告、中商产业研究院整理

2、医疗

基于人体存在个体差异而传统制造医疗器械多为标准化样式或尺寸的现状，3D 打印凭借可个性化定制的特点在医疗领域内应用逐步广泛，主要应用方向包括制造医疗模型、手术导板、外科/口腔科植入物、康复器械等（主要材料包括塑料、树脂、金属、高分子复合材料等），以及生物 3D 打印人体组织、器官等。随着未来经济水平和精准医疗要求的不断提升，3D 打印技术在医疗行业的发展将拥有巨大空间。

智慧医疗产业链围绕着信息化基础设施到“互联网+医疗健康”系统建设，利用人工智能、通信、大数据等技术，逐步打通“医、药、险”各环节，智慧医疗已经成为推动我国数字经济飞速发展的“新动能”。预计未来行业将继续高速发展，到2023年国内智慧医疗应用规模可达到936.6亿元。

2、汽车工业

伴随3D 技术的创新升级，其在汽车制造领域的应用将逐渐深入，从概念模型打印到功能模型打印，目前逐步应用于功能部件制造，并向打造整车方向拓展。汽车制造领域 3D 打印，主要应用已覆盖汽车设计、零部件开发、内外饰应用等方面，主要技术为 SLS、SLM 等。随着汽车保有量和产量的上升，汽车行业巨大的市场规模将持续为 3D 打印技术的应用提供广阔的空间。

2023年1月，全国汽车产销分别完成159.4万辆和164.9万辆，同比分别下降34.3%和35%。

2022年汽车市场形势呈现好转，企业生产经营状况逐步改善。2022年中国汽车制造业营业收入92899.9亿元，同比增长6.8%。利润总额5319.6亿元，同比增长0.6%。

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3D科学谷《Introduction China AM Market》

大幅反弹

 加速反弹

新的 3D 打印机出货量在 2021 年第二季度继续加速，包括牙科和航空航天等长期存在的垂直行业，以及渴望探索有助于缓解当前和未来供应链问题的技术的新市场。随着全球经济继续从 Covid-19 中恢复、对抗或学会忍受 Covid-19的存在，很多企业和组织开始适应新常态。虽然资本支出在一年前基本上被搁置，但到今年第二季度支出已经开放，这导致了惊人的同比出货量增长率。

市场上最昂贵的打印机类型、工业级（单台价格超过 10 万美元的3D打印机）和设计级（2 万美元至 10 万美元）的 3D打印机出货量分别增长了 61% 和 43%。这些打印机占 2021 年第二季度全球3D打印设备收入的 64%，也是受 Covid 停工影响最大的3D打印机类别。

根据CONTEXT，尽管出现了这种惊人的增长，但出货量仍未达到疫情之前的水平，比起疫情前，工业级3D打印机的出货量比 2019 年第二季度下降 -10%，设计级打印机的出货量下降 -5%。本季度，北美的工业级打印机出货量增长最为显著，而西欧的新出货量仅小幅增长，中国出货量在前几个季度的超加速后趋于平稳。

前 10 名工业级3D打印机供应商中，除两家外，其他所有供应商的出货量都比一年前有所上升，其中 UnionTech-联泰科技、Stratasys 和 3D Systems 的出货量增长显著。

在市场的另一端，个人和DIY爱好者组装3D打印机的出货量则相反。宅在家里的业余爱好者的需求带来了2020 年这些类别的3D打印级出货量增长惊人，但现在销售量正在下降：2021 年第二季度 DIY 打印机的出货量同比增长 18%——远低于最近几个季度的水平——成本低于 250 美元的完全组装打印机的出货量下降了 -32%。这个入门级市场最热门的领域是基于树脂的 LCD 槽式光聚合打印机，占本季度完全组装 3D 打印机所有出货量的 46%，高于 2019 年整体的 10%。

与工业和设计级3D打印机相比，专业级3D打印机的出货量去年受 Covid 停工的影响较小，但需求不如面向消费级别的打印机强劲。尽管现在出货量似乎已经从疫情的冲击中恢复过来（比 2020 年第二季度增长了 38%，甚至比 2019 年第二季度增长了 33%），但这更多地与领先供应商推出新产品有关，而不是与疫情的变化有关。

迄今为止，来自 Formlabs 的新型、更大尺寸的树脂 SLA 打印机非常成功，不仅仅是Formlabs, 所有前 10 名供应商在 2021 年第二季度的出货量都实现了同比增长：除了 Formlabs，Stratasys、Markforged、Zortrax、UNIZ、3D Systems 和 Desktop Metal在这个类别中的3D打印设备都获得了明显的增长。

随着全球各地的面对面贸易活动再次开始，尤其是美国和中国的公司，越来越看好 2021 年下半年的增长前景。虽然个别公司增长的原因是因为并购，不过即使分析个别技术趋势并仅关注全新 3D 打印机出货量，对 2021 年的预测也是稳健的增长趋势。

CONTEXT 的预期是，2021 年不仅会出现巨大的同比增长，出货量最终也会高于 2019 年的水平。CONTEXT预测工业级3D打印机出货量比 2020 年增长 35%，更重要的是，有望比 2019 年增长6%。

 上升通道

根据3D科学谷的市场观察，国内方面，增材制造的发展进入了一个快速增长的上升通道。在这方面，基于LPBF的选区金属熔化金属3D打印服务市场处于快速上升趋势，尤其是航空航天领域外包的3D打印服务订单处于快速增长趋势。

3D科学谷《Introduction China AM Market》

塑料3D打印方面，包括国外品牌，国内品牌在国内都见证了比较好的增长，个别应用领域，受疫情影响明显，例如国内口腔行业经历了惨淡的营收时期，但这并没有影响3D打印在口腔数字化方面的进程。

而在2021年中关村论坛上揭晓的2020年度北京市科学技术奖中，北京大学口腔医院及南京航空航天大学、南京前知智能科技有限公司、山东山大华天软件有限公司、爱迪特（秦皇岛）科技股份有限公司、北京巴登技术有限公司等机构，凭借“复杂口腔修复体的人工智能设计与精准仿生制造”共同摘得北京市技术发明一等奖。研究团队依托口腔数字化医疗技术和材料国家工程实验室、国家卫生健康委口腔数字化医疗技术重点实验室等平台，自主创新研发的复杂修复体人工智能设计软件、口腔医用金属智能3D打印系统和仿生叠层氧化锆材料，有助于实现口腔修复过程的精准、智能、高效，与患者戴入修复体后的个性功能相匹配。

无论是金属3D打印，还是塑料3D打印，国内在航空航天、医疗植入物以及口腔领域的进展和发展态势良好。

更多关于3D打印市场发展趋势的洞察，欢迎参加10月21日，formnext法兰克福展览的展会活动前预热，3D科学谷创始人&ACAM中国代表Kitty Wang将与

VDMA德国机械设备制造业联合会的Dr. Markus Heering，Renishaw-雷尼绍EMEA总裁Rainer Lotz，Gerhard Schubert的供应链总裁Marcus Schindler

一起分享行业洞见！

Formnext 2021-Pre-heat event活动报名链接：https://eveeno.com/preheatevent

备注：

- – 本数据以真实出货量为统计依据，避免了无法兑现的合同等虚假数据。

- – 该出货量只统计了已经加入到Context全球数据分析体系的3D打印品牌，如果您的企业也有意加入到这个体系，欢迎加入3D科学谷QQ群106477771，联系群主。

- – 详细分类

个人级：2,500美金或以下; 专业级：2,500-20,000美金; 设计级：20,000- 100,000美金; 工业级：100,000美金或以上。

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Relativity Space这家90后掌舵的初创企业，正在以力挽狂澜的融资之势，向3D打印制造整个火箭发起强烈攻势。就在2019年10月Relativity Space新一轮融资筹集了1.4亿美元（10亿人民币）。而另外一家年轻的公司Rocket Lab（创立于2006年)，则获得了总数超过2.15亿美金（15亿人民币）的融资。

如此强劲的融资背后一方面是航天产业巨大的市场空间，另一方面是新兴的火箭企业独具特色的火箭制造技术。本期，3D科学谷特别分享3D打印火箭发动机推力室，喷射器和涡轮泵专利方面的分析。

来源：Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日）

 3D打印催生结构一体化复杂零件

根据3D科学谷的市场研究，近日，Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日），则详细的披露了Rocket Lab通过增材制造工艺来制造火箭推力室、用于火箭发动机的喷射器和涡轮泵。

等距剖视图的细节图。来源：Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日）

用于火箭发动机的传统涡轮泵组件通常包括由一个或多个涡轮机械驱动的离心推进剂泵。该系统的控制非常复杂，因为需要从推进剂泵流出的少量推进剂来供应气体发生器，从而为涡轮机提供动力。

电动涡轮泵的叶轮的侧视图与俯视图。来源：Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日）

Rocket lab的专利确定使用增材制造技术用于涡轮泵组件生产可以极大地简化这种系统的组装，通过选区金属熔化工艺来制造各种部件将大大降低这种系统的组装复杂性。

3D打印-增材制造技术允许形成复杂的几何形状，而使用传统的减材加工技术或铸造/注射成型技术很难或不可能实现。3D打印技术的这种灵活性在火箭发动机设计领域提供了独特的机会。

推力室的分解侧视图。来源：Rocket Lab所获批的专利US10527003B1(授权日2020年1月7日）

从推力室的分解侧视图可以看出，喷射器122可以插入在盖105和筒部分102之间。推力室通过增材制造技术来制造，材料是钛合金，而喉部103和扩张部104可通过增材制造形成为单件。推力室由三个部分形成，由于推力室具有双壁结构，因此Rocket Lab已经开发出焊接方法以将多个部分组合在一起。

值得一提的是由于这种发动机的构造，控制传统火箭发动机内的冷却剂流动通道110的表面粗糙度是很成问题的。在这种传统制造的火箭发动机中，控制冷却剂流动通道内的表面光洁度的能力非常小，因为在形成冷却剂流动通道之后，通常无法进入通道的内表面。

相反，使用增材制造技术形成推力室的部分提供了相对独特的能力，该能力在两个层面上存在：

首先，可以设计出小的凸块特征，脊，突起，凹谷等，这些特征用于在冷却剂流动通道的特定区域中提供局部变化。

第二，通过调整增材制造技术的加工参数和粉末可以产生不同的表面粗糙度。例如，选区激光熔化金属3D打印加工过程中通常使用的粉末颗粒的平均粒径通常可以在30μm至110μm之间。

改变冷却剂流动通道内的表面粗糙度还可以提供增加的传热特性，其可以在某种程度上补偿用于形成推力室的材料的热特性。例如，在传统推力室中通常使用铜。3D打印的推力室可以使用钛合金（包括Ti.sub.6Al.sub.4V），钢合金（包括不锈钢合金和马氏体时效钢合金）和Inconel合金（例如Inconel.RTM.625（UNS N06625）或Inconel.RTM.718（UNS N07718）），因为这些材料的热导率比铜低一个数量级或两个数量级。

与铜相比，改变冷却剂流动通道内的表面粗糙度可以在某种程度上补偿这些材料的导热系数降低。

当然，根据3D科学谷的市场观察，铜合金目前也逐渐被纳入到选区金属熔化3D打印的加工范围内，其中，NASA就成功3D打印出铜合金燃烧室零部件，这个燃烧室内外壁之间具有200多个复杂的通道。而国内金属3D打印企业铂力特已在铜金属激光成形领域取得了进展，研制出针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印工艺，实现了复杂流道的铜材料制造工艺，成功制备出3D打印铜合金尾喷管。

Rocket lab的专利显示，可以使用增材制造或3D打印来制造喷射器122。根据3D科学谷的市场研究，喷射器可以是结构一体化整体结构，不需要部件之间的连接，这为喷射器提供了强度和可靠性。选区激光熔化加工过程可能导致成品上的粗糙表面，该粗糙表面可以用磨料去除或清洁。不过表面粗糙是有积极作用的，表面粗糙度导致的推进剂流中的湍流可能推进剂流撞击时协助雾化。

参考资料：
1 . Rocket Lab所获批的专利US10527003B1

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谷白皮书是基于3D科学谷使命：提供有价值的洞见，并结合相关社会资源转化为驱动产业发展的力量。结合3D科学谷所拥有的国际化的资源，基于精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷在中国市场建立了增材制造洞察力体系，并通过近年来的市场研究和分析工作推动了中国市场在实施方面的进展。

航空制造业是对于零件的安全性能要求十分严格的行业。增材制造-3D打印技术在这一领域的应用发展过程中，曾面临着种种质疑声，例如3D打印的效率怎能与传统工艺相比？3D打印成本昂贵，怎能替代传统工艺用于批量生产零件？3D打印技术如何满足航空制造业对产品性能的需求？

然而正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书中谈到的：“我们总是陷入将3D打印与传统制造方法进行一对一比较的误区，原因在于我们很容易忽略3D打印技术不是在生产和原来一样的零件，而是生产完全不一样的零件，不一样的形状，不一样的材料，不一样的性能。” ，我们看到，正是这些“完全不一样的零件” ，为航空发动机的设计创新带来了广阔空间。

例如，在GE Catalyst 涡轮螺旋桨发动机中，超过三分之一的部件是通过3D打印技术生产制造的，在发动机中有855个单独的部件可以通过增材制造技术组合成12个部件，因此大幅提升了发动机研制速度，还帮助发动机成功“瘦身”100多磅。GE9X发动机拥有304个通过增材制造的零件，涵盖了七大类型的3D打印零部件。从这些应用的发展中，我们清晰的感受到3D打印技术已成为了航空发动机制造领域的核心技术。

《3D打印与航空发动机白皮书2.0》从航空发动机市场、3D打印飞机发动机应用、FAA在增材制造领域的规范、仿真与数字孪生、典型专利、供应链，几个维度透视3D打印技术在航空发动机制造领域的应用发展，并由此展现了3D打印技术在整个航空产业链中所占据的战略性地位。

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根据3D科学谷的市场研究，增材制造技术，特别是金属3D打印技术在散热器制造中的应用，为散热器设计优化带来了更高自由度，3D打印用于散热器或热交换器的制造满足了产品趋向紧凑型、高效性、模块化、多材料的发展趋势，特别是用于异形、结构一体化、薄壁、薄型翅片、微通道、十分复杂的形状、点阵结构等加工，3D打印具有传统制造技术不具备的优势。

本期，3D科学谷将分享一个面向增材制造的散热器设计探索与分析案例，该案例体现了3D打印散热器与传统散热器相比在设计与性能方面的优势。

3D打印热交换器/散热器的优势。来源：上篇-《3D打印与换热器及散热器应用2.0》

 高性能复杂几何结构

散热器/热交换器传递热量的方式有三种：传导-通过直接接触传递热能；对流-通过流体的实际运动传递热；辐射-借助电磁波传递能量。在这个案例中，仅考虑使用传导和对流的散热方式。

热量传递的三种方式：1. 传导；2.对流；3.辐射。
来源：nTopology

在此案例中，nTopology 公司的设计师通过nTop Platform 软件定义了一个用于生成散热器的体积，这些散热器将实现表面积最大化，同时实现质量最小化。

3D打印的三重周期性最小表面电子散热器。

3D打印设备：雷尼绍 RenAM 500Q

来源：nTopology

设计师使用了三重周期性最小表面（TPMS），对于结构应用而言，该设计显示出高强度重量比。该设计如果与增材制造技术结合使用，将使设计师能够创建兼具高强度和散热特性的多功能结构。

具有不同周期性和厚度的三种TPMS结构。来源：nTopology

nTopology 对Gyroids（螺旋），Schwarz基元和Lidinoids 这三类TPMS结构进行了研究与评估，其中每种类型的结构都是正弦和余弦的线性组合，而这些组合会在三维空间中形成周期性的波形几何形状。就像二维波形一样，设计的可能性可以通过改变这些方程式的幅度和周期来实现，通过将这些设计输入与实验设计（DOE）方法结合起来，可以准确地评估这些组件的性能。

Gyroid = Sin(x)Cos(x)+Sin(y)Cos(z)+Sin(z)Cos(x)

来源：nTopology

无源电子散热器受所有三种传热方式的支配。热量从热源（如计算机芯片）传导到散热器的底部，然后通过对流（70％）和辐射（30％）从散热器散发。为了最大化散热器的散热性能，在设计散热器时需考虑如何最大化与散热器接触的环境空气量。

nTopology Platform工作流程。来源：nTopology

随着热量的散失，对流自然会导致空气流过散热器的散热片。TPMS类型散热器的旋转鳍片可增强边界层混合，与传统散热器设计相比，具有提供更高有效表面积的潜力。

散热器性能图。确定了最佳的散热器设计，该设计可在实现表面积最大化的同时实现重量最小化。来源：nTopology

作为这项工作的一部分，nTopology 进行了简单的数值研究，从而找出性能最高的TPMS散热器，即设计输入可最大程度地增加表面积，并最大程度地减少最终散热器的质量。设计师使用nTop Platform 计算几何内核以及分析方法进行了实验，设计师可以快速进行几何更改并评估设计输入的性能输出。从上图中可以看出哪个设计的表面积最大。

3D科学谷将在本周发布的《3D打印与换热器及散热器应用2.0》-下篇，分享国内外机构在3D打印散热器、热交换器领域代表性知识产权、软件，换/散热器设计、仿真与优化，激光考虑，材料考虑，后处理考虑，敬请关注。

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知之既深 行之则远

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《3D打印发展趋势及中国市场的机遇与挑战》

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增材制造-3D打印技术其中一个显著优势是在无需模具的情况下直接制造出零部件，随着3D打印材料的发展，增材制造质量控制水平的提升，3D打印技术正在从少量原型产品的制造，向最终零部件的批量制造方向发展。如果从这个角度来看，3D打印技术与模具制造技术似乎是一对矛盾， 两者之间有着替代关系。

但是同时，在发展的过程中3D打印技术凭借在实现复杂结构与无模具直接制造方面的优势，又被应用于模具制造当中，这些应用在提高模具全生命周期的综合价值中发挥了重要作用，典型的应用包括金属3D打印制造注塑模具随形冷却水路，粘结剂喷射技术直接制造发动机铸造砂芯等。

的确，3D打印技术与模具之间“废与立”的微妙关系正在发展中。3D科学谷在《3D打印与模具行业白皮书2.0》中，从模具市场发展情况入手，对3D打印技术与模具制造的应用结合、应用价值，以及3D打印对于模具的替代关系等方面进行了剖析。

本白皮书的上篇已发布。本期，3D科学谷将分享《3D打印与模具行业白皮书2.0》的下篇：模具制造集群、3D打印对模具的替代、3D打印相关技术、软件、PLM解决方案与在线按需市场平台，将在本周内进行分享。（完整高精度pdf版本已上传至3D科学谷3D打印产业链QQ群-群文件，群号码见文章下方。）

 3D打印与模具行业白皮书2.0，下篇

完整版高精度pdf版模具白皮书，可加入3D科学谷QQ群（529965687）下载。

《3D打印与工业制造》登陆京东网上书店，点击微课视频收看超过16万+观看的3D科学谷创始人微课。

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增材制造-3D打印技术其中一个显著优势是在无需模具的情况下直接制造出零部件，随着3D打印材料的发展，增材制造质量控制水平的提升，3D打印技术正在从少量原型产品的制造，向最终零部件的批量制造方向发展。如果从这个角度来看，3D打印技术与模具制造技术似乎是一对矛盾， 两者之间有着替代关系。

但是同时，在发展的过程中3D打印技术凭借在实现复杂结构与无模具直接制造方面的优势，又被应用于模具制造当中，这些应用在提高模具全生命周期的综合价值中发挥了重要作用，典型的应用包括金属3D打印制造注塑模具随形冷却水路，粘结剂喷射技术直接制造发动机铸造砂芯等。

的确，3D打印技术与模具之间“废与立”的微妙关系正在发展中。3D科学谷在《3D打印与模具行业白皮书2.0》中，从模具市场发展情况入手，对3D打印技术与模具制造的应用结合、应用价值，以及3D打印对于模具的替代关系等方面进行了剖析。

本白皮书分上篇与下篇。本期，3D科学谷将分享《3D打印与模具行业白皮书2.0》的上篇：模具行业基本情况、3D打印与模具、3D打印应用。下篇：模具制造集群、3D打印对模具的替代、3D打印相关技术、软件、PLM解决方案与在线按需市场平台，将在本周内进行分享。（下篇发布之后，完整高精度pdf版本，可加入3D科学谷QQ群进行下载，群号码见文章下方。）

  3D打印与模具行业白皮书2.0上篇

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TCT深圳展（2019年10月15-17）及同期论坛于今日开始。3D打印领域的分析专家Chris Connery （CONTEXT公司全球副总裁），Filip Geerts(欧洲机床工业及相关制造技术协会总干事), 王晓燕 （3D科学谷创始人）共同为您带来的全方位的剖析与灼见。

TCT 深圳展会期间的TCT论坛-行业透视Section

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2019年10月4日的Science 杂志，刊登了研究团队的论文”Scalable submicrometer additive manufacturing”。

FP-TPL 技术3D打印的微柱结构
来源：Georgia Institute of Technology.

 微型零部件规模化生产

研究团队多年来一直致力于提升双光子光刻纳米级3D打印技术的打印速度，高速3D打印技术FP-TPL的成功开发，来自于一种不同的聚焦光的方法，即利用时域特性生产出具有高分辨率且具有微小特征的超薄光片。

飞秒激光的使用使研究小组能够保持足够的光强度，以触发双光子过程聚合，同时保持较小的点尺寸。在FP-TPL技术中，飞秒脉冲经过光学系统时会被拉伸和压缩，以实现时间聚焦。该过程可以生成比衍射限制的聚焦光斑更小的3D特征。

FP-TPL 技术3D打印的环状结构
来源：Georgia Institute of Technology.

现有的纳米级3D打印技术使用直径通常在700到800纳米左右的单点高强度光，将光敏聚合物材料从液体转换为固体，在这一技术中，光点需要扫描整个要制造的结构，因此打印速度受到了限制，也限制了这类技术在大规模生产中的应用。

在新纳米3D打印技术FP-TPL 的研究中，研究人员没有同时使用多个单光点，而是投影了100万个点，3D构建过程是通过整个投影光平面实现的，而不是通过扫描的单个点来创建的。也就是说，在打印过程中FP-TPL 技术不是通过聚焦一个点进行打印对象构建的，而是拥有一个可以被图案化为任意结构的整个聚焦平面来实现的。

研究人员使用类似于投影仪中使用的数字掩模来创建图像，从而投影出100万个点。每一个打印层都是由35飞秒的强光束形成的，在投影仪和掩模控制下逐层进行打印。在这种情况下，数字掩模控制飞秒激光在前驱体液态聚合物材料中产生所需的光图案，高强度光会引起材料的聚合反应，将液体变成固体从而形成3D结构。

FP-TPL技术能够在8分钟内打印出过去需要花费数小时才能够完成打印的结构。尽管速度得到了显著提升，但FP-TPL 技术在实现高速3D打印与保证分辨率之间做了更好的平衡。以往的3D打印技术在打印速度高的情况下，分辨率会受到影响，FP-TPL 3D打印技术的特点是，打印速度得到了显著提升，同时能够实现的深度分辨率达175纳米，优于现有技术，并且能够实现现有技术难以实现的90度悬垂的结构。

FP-TPL 技术3D打印的悬垂结构
来源：Georgia Institute of Technology.

这一技术与消费级3D打印技术不同的是，FP-TPL技术深入到了液体前驱体材料中，可以制造出仅靠表面加工无法生产的结构，例如具有90度的悬垂结构，该结构长宽比与特征尺寸的长宽比超过1,000：1。在FP-TPL 3D打印过程中，光可以被投射到材料中所需的任何深度。

在实验过程中，研究人员在小于100微米*100微米的基底中打印了1毫米长的悬垂结构，由于液体和固体的密度大约相同，打印速度快，悬垂结构在制造时没有塌陷。除了悬垂结构，研究人员还打印了微柱、长方体、线和螺旋等结构对FP-TPL技术进行验证。打印材料为常规的聚合物前驱体，但研究人员认为该技术也适用于制造前驱体聚合物生成的金属和陶瓷。

研究人员表示，FP-TPL技术的潜在应用是，进行微小零部件的规模化生产，例如生产智能手机中的组件，以及生物支架、柔性电子器件、电化学界面、微光学元件、机械和光学超材料以及其他功能性微结构和纳米结构的部件。

参考资料:

[1]https://rh.gatech.edu/news/627106/3d-printing-technique-accelerates-nanoscale-fabrication-thousandfold#hg-additional-media

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HSS 医院园区。3D打印工厂所在地

 骨科植入物离散化制造

意大利骨科医疗植入物制造商Lima Corporate 与美国特殊外科医院（Hospital for Special Surgery ，HSS）正在合作建设一家骨科植入物增材制造-3D打印工厂，预计2020年投入使用。正式运营后的3D打印工厂将为HSS 医院制造定制化植入物（patient-specific custom implants）。

意大利Lima Corporate 是一家提供骨科植入物产品的医疗器械制造商，所提供的骨科产品包括关节植入物和完整的四肢植入物产品组合，最核心的植入物制造技术为 Trabecular Titanium技术。

Lima 生产的3D打印髋臼杯

Trabecular Titanium 技术是一种使用电子束熔融（EBM）3D打印设备制造钛金属骨科植入物的技术，3D打印的植入物表面具有多孔结构，与等离子喷涂等工艺制造的表面涂层的不同之处在于，该结构是由3D打印设备直接制造出来的仿生结构，孔的几何结构可以得到精确的控制，例如通过Trabecular Titanium 技术制造的髋臼杯植入物的孔隙率为65%，平均孔径为640μm。金属3D打印技术所创建的多孔植入物结构可以促进骨长入，从而带来更加良好的康复效果。

2007年，Lima 与3D打印设备厂商Arcam 和外科医生Guido Grappiolo博士合作，制造了全球首个3D打印髋臼杯-Delta-TT杯，该项目成为具有里程碑意义的案例。

HSS医院从2016年开始通过Lima 意大利总部制造定制化植入物, 与此同时，Lima 公司也已经将战略重点放在建立ProMade定制种植产品的业务上，这类产品从增材制造技术中受益匪浅。HSS医院拥有处理复杂关节重建方面的独特能力，以及定制化植入物的设计和使用经验。

在合作过程中，双方看到了对方的互补能力，并决定共同基于HSS 医院设立定制化植入物的设计与增材制造设施，以便在最复杂的重建条件下进行快速、高效的植入物设计协作和制造。这种合作将为复杂关节重建治疗的创新提供更好的条件。

 3D科学谷Review

在3D科学谷看来，Lima 基于HSS医院建立的3D打印植入物制造工厂，再度反映出增材制造技术主导下的制造离散化趋势。

定制化植入物的制造过程是一个医工交互合作的过程，在Lima 与HSS 合作建立的3D打印工厂为临床医生与植入物设计工程师之间的互动提供了便利性。HSS 医院的首席创新官表示，在合作工厂中，每个定制案例的设计流程都会更快，而本地化的制造也免去了植入物国际运输的过程。

合作工厂的主要任务是生产HSS 医院所需的定制化植入物（patient-specific custom implants）。根据3D科学谷的市场研究，这类植入物旨在解决传统方式无法解决的临床问题，满足临床特殊要求。由于个性化程度高，医院对每款植入物的需求是少量的，而在每次3D打印过程可以同时生产多款不同的植入物，灵活满足医院对定制化植入物的需求。

3D打印在骨科植入物制造领域的应用价值。来源：《3D打印与骨科植入物白皮书2.0》

除此之外，3D打印技术还被骨科植入物制造商用于制造标准化植入物和患患者匹配性植入物。Lima 早期开发3D打印髋臼杯就是一种标准化产品。患者匹配性植入物与定制化植入物有所区别，这是一种用于治疗常见疾病的植入物定制化解决方案，植入物为常规产品，但在设计时匹配患者的解剖特征。提供患者匹配性植入物的制造商通常同时提供专用设计软件，例如美国膝关节植入物制造商Conformis 为用户提供患者匹配的膝关节植入物设计的专用软件，并使用增材制造技术实现膝关节假体部件的生产。

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西门子已与Interspectral（一家瑞典软件公司）合作，开发了用于金属增材制造的三维可视化工具。

来源：西门子

 可视化异构数据

根据3D科学谷的市场观察，这是个了不起的可视化。这个三维可视化软件工具主要为了改善并最终实现金属增材制造的工业化，用户需要捕获，探索和了解过程中的大量异构数据，通过三维可视化软件来增强对金属增材制造领域的知识。

Interspectral成立于2014年，专注于体积渲染、3D可视化、成像和3D扫描。2017年，该公司在芬斯堡与西门子合作了针对燃气轮机业务可视化的项目，最终开发了AM Explorer，这是Interspectral用于3D打印领域的三维可视化工具，可优化3D打印组件的生产和设计。

该项目得到了Visual Sweden的支持，基于Interspectral的核心可视化技术，Interspectral设计出支持交互式探索和协作的直观软件工具，使用AM Explorer，西门子将从所收集的数据中学到更多，增加3D打印领域的知识并最大限度地减少试错。

AM Explorer的软件设计可以用于在一个环境中导入大量异构数据，从而可视化来自金属增材制造过程的各种现象。这允许CAD文件，扫描，相机和传感器数据以及其他方式获得的数据在同一软件工具中融合和可视化。因此，工程师可以轻松控制所有这些信息，并在加工过程中检测异常情况。

根据3D科学谷的市场观察，与西门子的合作代表了INTERSPECTRAL进入新兴的细分市场的开始。INTERSPECTRAL的3D软件展示了如何处理复杂数据提升对3D打印过程的理解与控制，这项技术或将融合到数字双胞胎技术中。

 3D科学谷Review

2019汉诺威工业博览会上，西门子宣布西门子基于云的开放式物联网操作系统——MindSphere牵手阿里云，正式进入中国。MindSphere将把西门子的工业专长从车间延伸到云上，利用一系列连接技术，数据分析和可视化技术，提高企业对工厂和生产绩效的洞察力，助力科学决策。利用云，企业能够以可持续而经济的方式实现资产管理和数据管理，选择适合自己的便捷的数字化工具，加速数字化转型进程。

从中我们可以看到数据分析和可视化技术领域，西门子将向提供基础设施一样的方式为工业制造界提供这些软件服务，赋能制造自动化、效率和质量控制水平的提升。

在刚刚过去的汉诺威工业博览会上，西门子推出了使用数字双胞胎成功实现3D打印技术从原型制造到产业化这一转型的第一步。与实际3D打印过程一样，这包括整个增材制造生产链的工业化以及所有后续工艺步骤的“可视”化与可预测化。

西门子新引入的数字双胞胎可以预测3D打印过程中热应力引起的潜在变形。制造企业事先了解这一点，可以在实际开始打印过程之前调整设计，增加热释放支撑结构或补偿校正的对策。未来，西门子将创建可扩展的模块，以便从小批量生产到批量生产铺平道路。未来，西门子将创建可扩展的模块，以便从小批量生产到批量生产铺平道路。

正如3D科学谷在《3D打印与工业制造》一书所提到的“工业互联网赋能3D打印制造、商业和发展模式重塑”。通过在工业4.0环境中使用西门子掌握的所有数字工具来查看生产的执行阶段，带来了重大进步，通过在连续生产中将虚拟与现实世界联系起来，西门子可以为增材制造带来生产力，可靠性和灵活性，并使工业增材制造生产变得可行。

而西门子和INTERSPECTRAL推出的金属3D打印可视化软件AM Explorer第一次将异构数据整合在一个界面中，从数据中产生见解，成为“工业互联网赋能3D打印制造、商业和发展模式重塑”的里程碑。

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