編者按：增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，為實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、快速設(shè)計驗證等關(guān)鍵問題帶來了一種全新的解決思路。本篇由瑞鵬資產(chǎn)王蒙為您分析增材制造行業(yè)現(xiàn)狀，幫助大家深入了解。

增材制造行業(yè)現(xiàn)狀分析

瑞鵬資產(chǎn) 王蒙

增材制造技術(shù)相對于傳統(tǒng)的材料去除切削加工技術(shù)，是一種以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術(shù)，體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)與先進材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的密切結(jié)合。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，因其具有能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的無模具、快速、全致密近凈成形等優(yōu)勢，為實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、快速設(shè)計驗證、小批量零部件快速制造、快速客戶響應(yīng)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，但是距離我們憧憬的整個產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展期，目前增材制造技術(shù)仍然面臨著諸多難題，離我們理想中的數(shù)字化智造還有很長的路要走總結(jié)以下幾方面制約著產(chǎn)業(yè)發(fā)展：

一、產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展需要解決的問題

一、技術(shù)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(fā)更多金屬種類以滿足工業(yè)需求

目前應(yīng)用最多的金屬材料種類有鈦合金、高溫合金、鋁合金等，材料的選項范圍較小，只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(yè)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，制約著行業(yè)生產(chǎn)的批量化規(guī)?；?/span>

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批量制造，超過60%產(chǎn)品的制造量不到10件，超過90%產(chǎn)品的制造數(shù)量在100件以下。GE公司的航空發(fā)動機燃油噴嘴是唯一通過公開途徑可找到的大批量制造成功案例，該產(chǎn)品的年產(chǎn)量達到數(shù)萬件。除航空產(chǎn)業(yè)外，汽車是最有可能實現(xiàn)大批量生產(chǎn)的工業(yè)領(lǐng)域，寶馬、保時捷等公司已經(jīng)在開展增材制造產(chǎn)業(yè)化研究。

2）適合大批量產(chǎn)的產(chǎn)品還處于摸索階段

增材制造的成本優(yōu)勢與結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和批產(chǎn)數(shù)量密切相關(guān)，如果批產(chǎn)數(shù)量超過平衡點，傳統(tǒng)的鑄造、鍛造、機加等工藝將更具競爭力。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和替代工藝成本，這一平衡點介于數(shù)十件到數(shù)百件之間。

在增材制造的成本效益評估方面，我國目前處于相對落后的狀態(tài)。部分原因歸咎于我國增材制造的應(yīng)用相對集中于航空航天等軍工市場，這是一個市場經(jīng)濟規(guī)律稍顯薄弱的特殊市場，保型號、保節(jié)點、保重量、保質(zhì)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、適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、適應(yīng)小批量生產(chǎn)的特點，在軍工市場率先得到了廣泛應(yīng)用，而需求量更大的民用市場發(fā)展稍顯緩慢。

由此也造成了國內(nèi)的增材制造行業(yè)缺少價值管理的理念，有的產(chǎn)品為了蹭上增材制造的熱度，不計成本的“為了增材而增材”，另一些產(chǎn)品為了競爭出現(xiàn)了內(nèi)卷嚴(yán)重的局面，相當(dāng)于只賺取了材料費和加工費，做到賺錢都困難。造成這一現(xiàn)狀的主要原因就是增材制造產(chǎn)品的設(shè)計與制造割裂，產(chǎn)品的功能價值提升有限，在與其他加工方法競爭時缺少議價能力。

未來的行業(yè)的發(fā)展要從一開始就從增材制造產(chǎn)品全生命周期的角度考慮成本和收益，尤其是通過增材設(shè)計帶來產(chǎn)品在服役過程中減重、節(jié)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、產(chǎn)品可靠性分析、打印風(fēng)險分析等。實現(xiàn)自動評估產(chǎn)品的增材制造可行性與增材設(shè)計對產(chǎn)品的附加值潛力。

3、與其他橫向技術(shù)融合不足

在增材制造技術(shù)火熱期，3D打印打印萬物的言論不絕于耳，以至于有人提出3D打印將顛覆所有制造技術(shù)。更有意思的是模具行業(yè)，曾經(jīng)被視為是3D打印無模化制造最先顛覆的對象，如今卻是3D打印應(yīng)用最為活躍的行業(yè)。所以，筆者看來現(xiàn)階段3D打印并不是顛覆的對象不夠多，而是與其他橫向技術(shù)的融合不足，比如與傳統(tǒng)五軸機床結(jié)合形成的增減材復(fù)合制造是一個非常成功的技術(shù)融合案例。除上文提到的設(shè)計方法，目前3D打印急需與材料基因組、高精度能量控制、數(shù)字孿生、新能源、綠色制造等先進技術(shù)結(jié)合。同時，3D打印還缺乏與各行各業(yè)的融合，擴大3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域。

二、設(shè)備的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化

1、整套裝備的硬件組成

（1）機械模塊：桁架，外觀鈑金，成形缸模組，鋪粉模組，收粉板塊，各管路，連接件，標(biāo)準(zhǔn)件等。

機械模塊是整套裝備的骨架，類似與人的骨骼架構(gòu)，是決定整套裝備布局與外觀質(zhì)量的核心模塊。所以，在很多擁有成熟金屬3D打印裝備研發(fā)體系的機構(gòu)里面，優(yōu)秀的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師最終都會轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€核心角色，即系統(tǒng)設(shè)計工程師，就是對整套裝備的整體布局、裝配質(zhì)量負責(zé)。

（2）電氣模塊：PLC及電氣元件，傳感器或監(jiān)控元件，線束等。

上游原電氣模塊在機械設(shè)計模塊無缺陷的前提下，電氣模塊類似于人體各部分的器官及神經(jīng)系統(tǒng)，對于設(shè)備穩(wěn)定性運行起到非常關(guān)鍵的作用。電氣主要的構(gòu)成硬件是PLC及各伺服控制元件、各類型傳感器等，彼此之間的通訊經(jīng)過協(xié)議信號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標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上又有各自的標(biāo)準(zhǔn)，因此要想設(shè)備各個電氣元件之間實現(xiàn)無縫通訊連接，最好的方式就是全部采用統(tǒng)一品牌。

（3）光學(xué)模塊：激光器及光纖，準(zhǔn)直鏡，掃描振鏡，場鏡等。

光學(xué)模塊是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IPG 500W、1000W連續(xù)光纖激光器，外加準(zhǔn)直和聚焦系統(tǒng)。

（4）循環(huán)過濾模塊：風(fēng)機及濾芯等。

循環(huán)過濾模塊：這一部分主要構(gòu)成是機械加工部件與風(fēng)機、濾芯。機械加工部件劃歸到機械模塊硬件成本上，風(fēng)機與濾芯的整體報價與采用的循環(huán)過濾等級成正比，循環(huán)過濾等級越高，系統(tǒng)越復(fù)雜，則整體硬件的成本相對越高，

（5）軟件控制模塊：工控軟件，數(shù)據(jù)處理及路徑規(guī)劃軟件。

軟件模塊：這部分的成本存在兩個極端，一是自己有軟件工程師，所有軟件項目全部自己編寫并裝機運行，成本相對較低；另一是根據(jù)自己裝備特點及工藝要求向軟件制作公司外協(xié)定制，后期自己維護與升級，外協(xié)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(huán)系統(tǒng)，熔池在線監(jiān)測控制系統(tǒng)，激光輸出功率在線監(jiān)測系統(tǒng)等智能化與自動化的輔助設(shè)施。

2、裝備質(zhì)量差異

國內(nèi)專業(yè)3D打印機構(gòu)在裝備開發(fā)過程沒有一套完整的產(chǎn)品開發(fā)流程與產(chǎn)品校驗規(guī)則，裝備差異化的具體表現(xiàn)除了裝備本身在結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用的創(chuàng)新設(shè)計與附加智能化或者自動化功能外，這屬于“顯性差異”。最大差異就是對細節(jié)的把控程度，這個很難用肉眼觀測，屬于“隱性差異”。隱性差異主要源自于兩方面，一是裝備開發(fā)人員自身的素質(zhì)及對技術(shù)的要求程度，二是企業(yè)自身的企業(yè)文化要求。隱性差異對于裝備開發(fā)而言可以說是企業(yè)的核心競爭力，同樣功能的裝備，為什么有的品牌具備實用性而有的品牌卻只是套骨架？核心就在于產(chǎn)品的開發(fā)流程與產(chǎn)品校驗規(guī)則，以及兩者之間存在的隱性差異。未來，3D打印企業(yè)在管理上具備成熟的流程與方法后，設(shè)備的出廠有了相關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，會促使整個行業(yè)的市場空間快速發(fā)展。

三、國內(nèi)上游原材料企業(yè)技術(shù)的發(fā)展

目前國內(nèi)的金屬3D打印裝備其核心配件如激光器、振鏡等嚴(yán)重依賴國外品牌，這也導(dǎo)致了價格大幅下降的可能性不大。國產(chǎn)配件堪當(dāng)大用的時候，金屬3D打印裝備價格會繼續(xù)走低，屆時，國外品牌裝備價格也會下降。

四、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的建立

標(biāo)準(zhǔn)和認證仍然是增材制造（AM）領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)之一。3D打印領(lǐng)域，目前還處于雜亂高速增長中。這種革命性的制造技術(shù)已被大量應(yīng)用于非安全關(guān)鍵領(lǐng)域，在醫(yī)藥和航空航天領(lǐng)域發(fā)展比較快。然而，除非標(biāo)準(zhǔn)化取得進展，否則市場的預(yù)期增長可能會停滯不前，因為人們對3D打印安全關(guān)鍵應(yīng)用缺乏信心。

無論是由監(jiān)管機構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)還是行業(yè)本身推動，要讓各行各業(yè)對3D打印建立信心，零件的質(zhì)量、安全和一致性的可重復(fù)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打印相應(yīng)的法規(guī)，美國民間組織國際材料試驗協(xié)會（ASTM）建立了3D打印行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對3D打印的定義分類進行了規(guī)定，但對細節(jié)部分沒有展開。

五、行業(yè)人才的培養(yǎng)

1、目前存在的問題

（1）人才數(shù)量不足

人才短缺正成為制約我國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要短板之一，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟預(yù)測：未來數(shù)年，增材制造領(lǐng)域研發(fā)、工程、設(shè)計、應(yīng)用等方面科研型和技能型人才數(shù)量短缺將達到800萬規(guī)模。造成人才數(shù)量短缺的原因主要有：一是我國增材制造人才培養(yǎng)體系尚未完善，各層次人才培養(yǎng)跟不上新技術(shù)的快速發(fā)展；二是增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚處于起步階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小，企業(yè)研發(fā)能力薄弱，不足以支撐長期的人才培養(yǎng)；三是受行業(yè)環(huán)境、企業(yè)管理、薪酬制度及個人職業(yè)發(fā)展規(guī)劃等因素的影響，民營企業(yè)人才流失問題普遍存在。

（2）培養(yǎng)能力較差

高校方面，學(xué)科建設(shè)不完善，多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新及交叉學(xué)科科研課題匱乏，限制了增材制造復(fù)合型人才的培養(yǎng)，同時，我國在增材制造原創(chuàng)性技術(shù)研發(fā)方面存在一定差距，學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)水平有待提升；職業(yè)院校方面，課程培養(yǎng)方案尚處于探索階段，師資力量薄弱，培養(yǎng)模式單一，缺乏切合工程實際的人才培養(yǎng)體系和機制，此外我國職業(yè)教育受重視程度不夠，暫不具備培養(yǎng)高級技能人才的能力；而企業(yè)作為人才培養(yǎng)的重要渠道，也還未發(fā)揮出相應(yīng)的作用，行業(yè)內(nèi)大部分企業(yè)對人才培訓(xùn)缺乏認識，培訓(xùn)體系不完整，人力資源競爭力不足。

（3） 管理人才匱乏

當(dāng)前，我國增材制造管理人才主要依靠國內(nèi)現(xiàn)有科研團隊或企業(yè)自身培養(yǎng)，通過實際的增材制造產(chǎn)業(yè)鏈運作和商業(yè)模式創(chuàng)新應(yīng)用等來持續(xù)提升自身的管理經(jīng)驗和技能，逐步成長為符合增材制造行業(yè)特點的復(fù)合型管理人才。但是，現(xiàn)有增材制造管理人才培養(yǎng)模式和渠道過于單一，大多數(shù)企業(yè)管理人員還是基于傳統(tǒng)思維方式去推動增材制造技術(shù)應(yīng)用及服務(wù)，未建立起基于增材思維的管理模式和方法去推動企業(yè)增材制造技術(shù)應(yīng)用及服務(wù)，同時也會造成我國增材制造管理人才發(fā)展出現(xiàn)一個斷層，不利于我國增材制造產(chǎn)業(yè)鏈的高質(zhì)量發(fā)展。

（4）缺少權(quán)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(guī)范，培養(yǎng)考核標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，相關(guān)認證市場認可度不高，未能形成增材制造行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yǎng)缺乏指導(dǎo)，培養(yǎng)方向、標(biāo)準(zhǔn)、目標(biāo)不明晰，人才的遴選、甄別、招聘、晉級缺乏客觀指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)和參考。破解“缺乏認證導(dǎo)致的人才短板”難題，亟需行業(yè)組織聯(lián)合企業(yè)、高校，面向社會組織開展增材制造領(lǐng)域不同層次緊缺技能人才的考核與認證，注重學(xué)員實際應(yīng)用能力的評測，打造具有權(quán)威性、領(lǐng)先性、實踐性的增材制造認證證書，加快推動產(chǎn)業(yè)人才的培養(yǎng)與儲備進程。

2、目前行業(yè)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(shù)和行業(yè)的特殊性，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟將增材制造從業(yè)人員分為技能型人才、科研型人才和管理型人才三類。其中，技能型人才是指具有某一學(xué)科專業(yè)基礎(chǔ)，又能將這一學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)與增材制造技術(shù)充分融合的人才；科研型人才是指主要從事增材制造專用材料研發(fā)、工藝技術(shù)優(yōu)化、設(shè)備開發(fā)等相關(guān)領(lǐng)域研究的人才；管理型人才作為增材制造技術(shù)與市場能力的匯總者， 是增材制造行業(yè)的管理型復(fù)合人才，需要對增材制造產(chǎn)業(yè)鏈有著全面的了解。經(jīng)統(tǒng)計，如圖1所示，當(dāng)前企業(yè)從業(yè)人員存量構(gòu)成中，科研型人才占比最高，達到43%；其次是技能型人才，占比39%；管理型人才占比最低，僅為18%。這也說明，增材制造產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展初期，需要大量智力和技術(shù)資源投入。

（2）高校新增專業(yè)學(xué)科

2）激光器

近年來，中國激光器市場規(guī)模保持增長趨勢，2020年市場規(guī)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(guī)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(yù)計2023年將繼續(xù)保持增長，市場規(guī)模將達172億美元。

                                              市場規(guī)模（億美元）

3）振鏡系統(tǒng)

2、中游分析

1）市場規(guī)模

受3D打印產(chǎn)品逐步規(guī)?；瘧?yīng)用和部分積壓的3D打印設(shè)備需求釋放的帶動，2021年中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模增速加快，產(chǎn)業(yè)規(guī)模增至216.5億元。隨著3D打印產(chǎn)品在已有場景中應(yīng)用規(guī)模進一步擴張，以及新場景、新應(yīng)用的不斷開拓，預(yù)計2023年中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模將突破400億元。

市場規(guī)模（億元）    

2）產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

中國3D打印設(shè)備規(guī)模占比達45.0%，3D打印服務(wù)和3D打印材料規(guī)模占比各27%和28%。

3）競爭格局

目前，中國市場的主流設(shè)備品牌包括聯(lián)泰、EOS、華曙、鉑力特、3D Systems、GE、Stratasys、惠普等。數(shù)據(jù)顯示，聯(lián)泰在3D打印行業(yè)中市場占比最大達16.4%，其次為Stratasys和EOS，分別占比14.8%和13.1%。

3、下游分析

1）應(yīng)用領(lǐng)域

3D打印目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域，并逐漸被嘗試應(yīng)用于更多的領(lǐng)域中。根據(jù)Wohlers Report 2022報告顯示，2021年3D打印主要應(yīng)用于航空航天、汽車、消費及電子產(chǎn)品、醫(yī)療/牙科、學(xué)術(shù)科研等領(lǐng)域，占比情況如下：

2）下游需求趨勢

大尺寸裝備是金屬增材制造裝備發(fā)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(shù)的應(yīng)用場景，提升金屬3D打印在高端制造領(lǐng)域的應(yīng)用價值。得益于我國航空航天領(lǐng)域的快速發(fā)展，運載火箭、空間站、大飛機等關(guān)鍵行業(yè)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(jīng)證明可以生產(chǎn)出更高產(chǎn)量的高質(zhì)量零件，激發(fā)了國產(chǎn)金屬3D打印裝備制造商不斷完善優(yōu)化產(chǎn)品，研發(fā)制造更大成型尺寸的裝備。

近年來，國內(nèi)粉末床大尺寸金屬增材制造制造裝備發(fā)展突飛猛進，順應(yīng)各領(lǐng)域制造需求及技術(shù)發(fā)展趨勢，紛紛推出了可以大規(guī)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(yīng)用規(guī)模。