增材制造行業現(xiàn)狀分析

編者按：增材制造技術的出現(xiàn)，爲實現(xiàn)複雜(zá)結構優化設計、快速設計驗證等關(guān)鍵問題帶來了一種全新的解決思路。本篇由瑞鵬資産王蒙爲您分析增材制造行業現(xiàn)狀，幫助大家深入了解。

增材制造行業現(xiàn)狀分析

瑞鵬資産 王蒙

增材制造技術相(xiàng)對于傳統的材料去(qù)除切削加工技術，是(shì)一種以數字模型爲基礎，将材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術，體現(xiàn)了網絡信息技術與先進材料技術、數字制造技術的密切結合。增材制造技術的出現(xiàn)，因其具有能夠實現(xiàn)高性能複雜(zá)結構零件的無模具、快速、全緻密近淨成形等優勢，爲實現(xiàn)複雜(zá)結構優化設計、快速設計驗證、小(xiǎo)批量零部件快速制造、快速客戶響應等關(guān)鍵問題帶來了一種全新的解決思路。

金屬增材制造增長速度近年來非常可觀，但(dàn)是(shì)距離(lí)我們憧憬的整個産業的高速發展期，目前增材制造技術仍然面臨着諸多難題，離(lí)我們理想中的數字化智造還有很長的路要走總結以下(xià)幾方面制約着産業發展：

一、産業高速發展需要解決的問題

一、技術工藝方面目前存在的主要問題

1、可打印的金屬材料種類有限，急需開發更多金屬種類以滿足工業需求

目前應用最多的金屬材料種類有钛合金、高溫合金、鋁合金等，材料的選項範圍較小(xiǎo)，隻能滿足一部分市場的需求，未來需要更多可選擇可使用的材料種類以滿足工業需求。

2、受打印速度和效率制約，打印成本過高，包括機器成本、粉末成本及較高打印失敗率帶來的額外成本，制約着行業生産的批量化規模化

1）缺乏大批量制造案例

目前增材制造主要集中于原型驗證或者小(xiǎo)批量制造，超過60%産品的制造量不到10件，超過90%産品的制造數量在100件以下(xià)。GE公司的航空發動機燃油噴嘴是(shì)唯一通過公開途徑可找到的大批量制造成功案例，該産品的年産量達到數萬件。除航空産業外，汽車是(shì)最有可能實現(xiàn)大批量生産的工業領域，寶馬、保時捷等公司已經在開展增材制造産業化研究。

2）适合大批量産的産品還處于摸索階段

增材制造的成本優勢與結構複雜(zá)程度和批産數量密切相(xiàng)關(guān)，如果批産數量超過平衡點，傳統的鑄造、鍛造、機加等工藝将更具競争力。根據不同的結構複雜(zá)程度和替代工藝成本，這一平衡點介于數十件到數百件之間。

在增材制造的成本效益評估方面，我國目前處于相(xiàng)對落後的狀态。部分原因歸咎于我國增材制造的應用相(xiàng)對集中于航空航天等軍工市場，這是(shì)一個市場經濟規律稍顯薄弱的特殊市場，保型号、保節點、保重量、保質量等因素的重要性遠遠高于保成本，增材制造得益于其快速、靈活、适應複雜(zá)結構、适應小(xiǎo)批量生産的特點，在軍工市場率先得到了廣泛應用，而需求量更大的民用市場發展稍顯緩慢(màn)。

由此也造成了國内的增材制造行業缺少價值管理的理念，有的産品爲了蹭上增材制造的熱度，不計成本的“爲了增材而增材”，另一些産品爲了競争出現(xiàn)了内卷嚴重的局面，相(xiàng)當于隻賺取了材料費(fèi)和加工費(fèi)，做到賺錢都困難。造成這一現(xiàn)狀的主要原因就是(shì)增材制造産品的設計與制造割裂，産品的功能價值提升有限，在與其他加工方法競争時缺少議(yì)價能力。

未來的行業的發展要從一開始就從增材制造産品全生命周期的角度考慮成本和收益，尤其是(shì)通過增材設計帶來産品在服役過程中減重、節能、效率、功能等收益的增加，以及時間、人力、裝配、維修等成本的降低，并綜合考慮增材制造的工藝約束分析、産品可靠性分析、打印風險分析等。實現(xiàn)自動評估産品的增材制造可行性與增材設計對産品的附加值潛力。

3、與其他橫向技術融合不足

在增材制造技術火(huǒ)熱期，3D打印打印萬物的言論不絕于耳，以至于有人提出3D打印将颠覆所有制造技術。更有意思的是(shì)模具行業，曾經被視爲是(shì)3D打印無模化制造最先颠覆的對象，如今卻是(shì)3D打印應用最爲活躍的行業。所以，筆者看來現(xiàn)階段3D打印并不是(shì)颠覆的對象不夠多，而是(shì)與其他橫向技術的融合不足，比如與傳統五軸機床結合形成的增減材複合制造是(shì)一個非常成功的技術融合案例。除上文提到的設計方法，目前3D打印急需與材料基因組、高精度能量控制、數字孿生、新能源、綠色制造等先進技術結合。同時，3D打印還缺乏與各行各業的融合，擴大3D打印的應用領域。

二、設備的質量标準化

1、整套裝備的硬件組成

（1）機械模塊：桁架，外觀钣金，成形缸模組，鋪粉模組，收粉闆塊，各管路，連接件，标準件等。

機械模塊是(shì)整套裝備的骨架，類似與人的骨骼架構，是(shì)決定整套裝備布局與外觀質量的核心模塊。所以，在很多擁有成熟金屬3D打印裝備研發體系的機構裏面，優秀的機械結構設計工程師最終都會轉變爲另一個核心角色，即系統設計工程師，就是(shì)對整套裝備的整體布局、裝配質量負責。

（2）電氣模塊：PLC及電氣元件，傳感器或監控元件，線(xiàn)束等。

上遊原電氣模塊在機械設計模塊無缺陷的前提下(xià)，電氣模塊類似于人體各部分的器官及神經系統，對于設備穩定性運行起到非常關(guān)鍵的作用。電氣主要的構成硬件是(shì)PLC及各伺服控制元件、各類型傳感器等，彼此之間的通訊經過協議(yì)信号傳遞并控制伺服電機運動。不同品牌的電氣元件之間的通訊在遵循通用标準的基礎上又(yòu)有各自的标準，因此要想設備各個電氣元件之間實現(xiàn)無縫通訊連接，最好的方式就是(shì)全部采用統一品牌。

（3）光學模塊：激光器及光纖，準直鏡，掃描振鏡，場鏡等。

光學模塊是(shì)裝備最核心的精密模塊，類似于人體的眼睛。對于一般成形尺寸（300mm左右）的裝備而言，目前市場上選用的大部分是(shì)IPG 500W、1000W連續光纖激光器，外加準直和聚焦系統。

（4）循環過濾模塊：風機及濾芯等。

循環過濾模塊：這一部分主要構成是(shì)機械加工部件與風機、濾芯。機械加工部件劃歸到機械模塊硬件成本上，風機與濾芯的整體報價與采用的循環過濾等級成正比，循環過濾等級越高，系統越複雜(zá)，則整體硬件的成本相(xiàng)對越高，

（5）軟件控制模塊：工控軟件，數據處理及路徑規劃軟件。

軟件模塊：這部分的成本存在兩個極端，一是(shì)自己有軟件工程師，所有軟件項目全部自己編寫并裝機運行，成本相(xiàng)對較低；另一是(shì)根據自己裝備特點及工藝要求向軟件制作公司外協定制，後期自己維護與升級，外協定制成本非常高。

（6）其他輔助成本：這部分成本包括了諸多智能化與自動化等功能，例如粉末自動篩分循環系統，熔池在線(xiàn)監測控制系統，激光輸出功率在線(xiàn)監測系統等智能化與自動化的輔助設施。

2、裝備質量差異

國内專業3D打印機構在裝備開發過程沒有一套完整的産品開發流程與産品校驗規則，裝備差異化的具體表現(xiàn)除了裝備本身在結構設計時采用的創新設計與附加智能化或者自動化功能外，這屬于“顯性差異”。最大差異就是(shì)對細節的把控程度，這個很難用肉眼觀測，屬于“隐性差異”。隐性差異主要源自于兩方面，一是(shì)裝備開發人員(yuán)自身的素質及對技術的要求程度，二是(shì)企業自身的企業文化要求。隐性差異對于裝備開發而言可以說是(shì)企業的核心競争力，同樣功能的裝備，爲什麽有的品牌具備實用性而有的品牌卻隻是(shì)套骨架？核心就在于産品的開發流程與産品校驗規則，以及兩者之間存在的隐性差異。未來，3D打印企業在管理上具備成熟的流程與方法後，設備的出廠有了相(xiàng)關(guān)的質量标準，會促使整個行業的市場空間快速發展。

三、國内上遊原材料企業技術的發展

目前國内的金屬3D打印裝備其核心配件如激光器、振鏡等嚴重依賴國外品牌，這也導緻了價格大幅下(xià)降的可能性不大。國産配件堪當大用的時候，金屬3D打印裝備價格會繼續走低，屆時，國外品牌裝備價格也會下(xià)降。

四、行業标準的建立

标準和認證仍然是(shì)增材制造（AM）領域的最大挑戰之一。3D打印領域，目前還處于雜(zá)亂高速增長中。這種革命性的制造技術已被大量應用于非安全關(guān)鍵領域，在醫藥和航空航天領域發展比較快。然而，除非标準化取得進展，否則市場的預期增長可能會停滞不前，因爲人們對3D打印安全關(guān)鍵應用缺乏信心。

無論是(shì)由監管機構、标準機構還是(shì)行業本身推動，要讓各行各業對3D打印建立信心，零件的質量、安全和一緻性的可重複性需要得到證明和驗證，以獲得客戶的信任。國際上并沒有針對3D打印相(xiàng)應的法規，美國民間組織國際材料試驗協會（ASTM）建立了3D打印行業标準，對3D打印的定義分類進行了規定，但(dàn)對細節部分沒有展開。

五、行業人才的培養

1、目前存在的問題

（1）人才數量不足

人才短缺正成爲制約我國增材制造産業發展的主要短闆之一，中國增材制造産業聯盟預測：未來數年，增材制造領域研發、工程、設計、應用等方面科研型和技能型人才數量短缺将達到800萬規模。造成人才數量短缺的原因主要有：一是(shì)我國增材制造人才培養體系尚未完善，各層次人才培養跟不上新技術的快速發展；二是(shì)增材制造産業發展尚處于起步階段，産業規模較小(xiǎo)，企業研發能力薄弱，不足以支撐長期的人才培養；三是(shì)受行業環境、企業管理、薪酬制度及個人職業發展規劃等因素的影響，民營企業人才流失問題普遍存在。

（2）培養能力較差

高校方面，學科建設不完善，多學科協同創新及交叉學科科研課題匮乏，限制了增材制造複合型人才的培養，同時，我國在增材制造原創性技術研發方面存在一定差距，學生創新能力培養水平有待提升；職業院校方面，課程培養方案尚處于探索階段，師資力量薄弱，培養模式單一，缺乏切合工程實際的人才培養體系和機制，此外我國職業教育受重視程度不夠，暫不具備培養高級技能人才的能力；而企業作爲人才培養的重要渠道，也還未發揮出相(xiàng)應的作用，行業内大部分企業對人才培訓缺乏認識，培訓體系不完整，人力資源競争力不足。

（3） 管理人才匮乏

當前，我國增材制造管理人才主要依靠國内現(xiàn)有科研團隊或企業自身培養，通過實際的增材制造産業鏈運作和商業模式創新應用等來持續提升自身的管理經驗和技能，逐步成長爲符合增材制造行業特點的複合型管理人才。但(dàn)是(shì)，現(xiàn)有增材制造管理人才培養模式和渠道過于單一，大多數企業管理人員(yuán)還是(shì)基于傳統思維方式去(qù)推動增材制造技術應用及服務，未建立起基于增材思維的管理模式和方法去(qù)推動企業增材制造技術應用及服務，同時也會造成我國增材制造管理人才發展出現(xiàn)一個斷層，不利于我國增材制造産業鏈的高質量發展。

（4）缺少權威認證

我國增材制造人才認證工作尚處于起步階段，人才認證方案不規範，培養考核标準不統一，相(xiàng)關(guān)認證市場認可度不高，未能形成增材制造行業标準化的技能水平測試和能力證明體系。人才認證工作的缺失使得增材制造人才的培養缺乏指導，培養方向、标準、目标不明晰，人才的遴選、甄别、招聘、晉級缺乏客觀指導标準和參考。破解“缺乏認證導緻的人才短闆”難題，亟需行業組織聯合企業、高校，面向社會組織開展增材制造領域不同層次緊缺技能人才的考核與認證，注重學員(yuán)實際應用能力的評測，打造具有權威性、領先性、實踐性的增材制造認證證書(shū)，加快推動産業人才的培養與儲備進程。

2、目前行業人才現(xiàn)狀：

（1） 從人才類型來看，科研型人才占比最高

由于增材制造技術和行業的特殊性，中國增材制造産業聯盟将增材制造從業人員(yuán)分爲技能型人才、科研型人才和管理型人才三類。其中，技能型人才是(shì)指具有某一學科專業基礎，又(yòu)能将這一學科的專業基礎與增材制造技術充分融合的人才；科研型人才是(shì)指主要從事增材制造專用材料研發、工藝技術優化、設備開發等相(xiàng)關(guān)領域研究的人才；管理型人才作爲增材制造技術與市場能力的彙總者， 是(shì)增材制造行業的管理型複合人才，需要對增材制造産業鏈有着全面的了解。經統計，如圖1所示，當前企業從業人員(yuán)存量構成中，科研型人才占比最高，達到43%；其次是(shì)技能型人才，占比39%；管理型人才占比最低，僅爲18%。這也說明，增材制造産業正處于發展初期，需要大量智力和技術資源投入。

（2）高校新增專業學科

2）激光器

近年來，中國激光器市場規模保持增長趨勢，2020年市場規模已達109.1億美元，同比增長7.16%，占全球激光器市場66.12%的份額。2021年中國激光器市場規模增速加快，達到129億美元，同比增長18.24%，市占率進一步提升。預計2023年将繼續保持增長，市場規模将達172億美元。

                                              市場規模（億美元）

3）振鏡系統

2、中遊分析

1）市場規模

受3D打印産品逐步規模化應用和部分積壓的3D打印設備需求釋放(fàng)的帶動，2021年中國3D打印産業規模增速加快，産業規模增至216.5億元。随着3D打印産品在已有場景中應用規模進一步擴張，以及新場景、新應用的不斷開拓，預計2023年中國3D打印産業規模将突破400億元。

市場規模（億元）    

2）産業結構

中國3D打印設備規模占比達45.0%，3D打印服務和3D打印材料規模占比各27%和28%。

3）競争格局

目前，中國市場的主流設備品牌包括聯泰、EOS、華曙、鉑力特、3D Systems、GE、Stratasys、惠普等。數據顯示，聯泰在3D打印行業中市場占比最大達16.4%，其次爲Stratasys和EOS，分别占比14.8%和13.1%。

3、下(xià)遊分析

1）應用領域

3D打印目前已被廣泛應用于航空航天、汽車、醫療等領域，并逐漸被嘗試應用于更多的領域中。根據Wohlers Report 2022報告顯示，2021年3D打印主要應用于航空航天、汽車、消費(fèi)及電子産品、醫療/牙科、學術科研等領域，占比情況如下(xià)：

2）下(xià)遊需求趨勢

大尺寸裝備是(shì)金屬增材制造裝備發展的重要方向，更大的成形尺寸可以拓寬金屬增材制造技術的應用場景，提升金屬3D打印在高端制造領域的應用價值。得益于我國航空航天領域的快速發展，運載火(huǒ)箭、空間站、大飛機等關(guān)鍵行業對大尺寸、一體化、高精度零件具有重要的需求，金屬3D打印集成化的解決方案已經證明可以生産出更高産量的高質量零件，激發了國産金屬3D打印裝備制造商不斷完善優化産品，研發制造更大成型尺寸的裝備。

近年來，國内粉末床大尺寸金屬增材制造制造裝備發展突飛猛進，順應各領域制造需求及技術發展趨勢，紛紛推出了可以大規模提高制造效率和能夠打印更大尺寸的激光粉末床金屬3D打印機，并初步形成了銷售和應用規模。