3D打印是一项正在崛起的智能制造方式。

如果要用一句话说清楚3D打印和传统制造的区别，那就是：3D打印是由IT技术和数据驱动的。

什么意思呢？如果你参观过一年一度的上海工博会，就会看到不下上百种、各式各样的传统制造设备，有激光切削、有模具制造，光是加工方式就有各种词汇：车、钳、刨、铣、磨......

传统的制造方式是硬件时代，制造设备本身占据主要地位，有的高端机床的核心零部件具有很高的技术门槛，容易被卡脖子。

但是到了软件和IT时代就不一样了。不管是什么形状、什么特性的物件，只需要在软件里三维建模，然后制造设备可以在无人干预的情况下大批量制造物理零件、产品。

Desktop Metal公司在去年的Presentation Day就演示了内部制造情景：只要按下屏幕打印按钮，5天内零件就自动出来了，全程无人干预。

今天简单介绍一下3D打印技术的概念以及其应用前景。

1. 你可能会疑惑：现在高端的数控机床也有软件啊？那跟3D打印的区别是什么呢？

这就要提到3D打印最重要的特征：增材制造。也就是采用原材料堆叠的方式，直接从0到1制造产品。

数控机床的软件更多是指导设备的操作步骤，哪里该切削一块，哪里应该打磨，提前在软件里设置好指令。

而3D打印的软件则承担了整个制造周期和制造过程。在软件里设计出零件的“数字孪生”，然后利用增材制造的方式“打印”出来。比如有一种用于基站的工业件，本来是由100个不同的零部件组装而成的，3D打印直接就制造出来了，把100个零件缩减成1个。

背后是一套IT系统：芯片负责算力，软件负责设计，制造设备接受指令。先进的3D打印系统还搭载了AI芯片，用机器学习算法来自动生成最佳的打印模型，连设计的工作都免了。

人工智能还可以预测零部件不同位置的受力情况，在强度需求大的部位增加零件的密度，在需求不大的部位减小零件的密度，这样可以更好地控制成本。在业内有一个说法很形象的体现了结合人工智能的制造特点：梯度打印。

Autodesk利用AI生成的汽车零部件

2. 很多人关注3D打印的制造本身，而忽略了前端更重要的部分：软件设计。

虽然少数有技术实力的3D打印设备商有自己的软件，但大部分3D打印公司选择通用的工业软件来帮助自己完成制造。CAD是全球工业软件标准，不管是机械、建筑、电子等行业的工作，都需要用到CAD软件。

全球有四大CAD软件开发商：Autodesk，达索（Dassault Systems），PTC和西门子（Siemens）。如今他们的软件都在为3D打印提供相应的设计能力。

根据研究机构的统计，2020年全球的CAD正版软件的安装量达到了35万，创下了新的高度。说明越来越多的行业人员开始使用CAD进行三维建模，未来五年，我们会听到越来越多的数字化、数字孪生的概念。

当有实体制造需求的时候，人们会首先考虑利用3D打印来完成制造，毕竟用最高的效率、最低的成本完成制造是大部分人的需求。

CAD软件的全球安装量

3. 制造的IT化也带来了一个好处，那就是整个市场变得更透明了。

毕竟成百上千种制造方式变成了少数几种，加上3D打印设备都有数据上云的趋势，很多客户都是从云端远程下单的，那么从设备方开始调研，自然就知道整个行业的发展情况了。

Wohlers协会每年都会发布全球3D打印行业报告，而且已经坚持了24年。根据Wohlers统计，2020年全球工业级3D打印设备公司有228家（大于5000美元的3D打印机），比2019年的213家增长了15家，比2012增长了7倍（下图蓝线）。

全球售出超过100台工业级3D打印设备的公司，2020年达到了37家。2019年是34家，2018年是27家（下图红线）。

全球3D打印公司数量

2020年，全球工业级3D打印设备销售了21,029台，由于新冠疫情的原因，相比2019年的22,970台下降了8.5%。一台工业3D打印设备的平均售价是100,510美元。

4. 整个3D打印市场有多大？2020年全球3D打印市场为120亿美元，预测到2030年将增长到1460亿美元，未来十年将增长11倍。

如果拆解一下这120亿美元的市场，3D打印制造设备占49亿美元；3D打印制造服务体量也占49亿美元，与制造设备大致相当；3D打印材料占19亿美元。

3D打印市场增速

3D打印工作步骤及3D打印机的组成部分

3D打印的工作步骤是这样的：应用CAD软件来建立物件，假如你拥有现成的模型也可以，例如动物模型、人物角色、或是微型建筑等等这些。随后借助SD卡或是USB优盘把它拷贝到3D打印机中，做好打印设置后，打印机就可以把它们打印出来。 3D打印机的工作原理和传统打

这是一个相当乐观的预测。但未来增长的前提是，工厂和制造部门对3D打印的认知不再仅仅停留在原型打样，这也是3D打印能否质变的关键。

5. 3D打印市场腾飞的一个关键因素是：从原型认证到最终产品制造。

就拿汽车制造来说，一个零部件从设计到最终生产，会经历一个相对较长时期的研发过程，对设计样式、材料强度都会有严格的测试过程，这个过程就需要3D打印来完成。

虽然是关键的制造环节，但毕竟还是小批量。如果能直接制造最终产品，在制造工艺和材料强度等等方面都满足要求，那数量自然就大多了，3D打印市场自然就能起来。

我们今天看到很多案例，比如给某辆跑车装个零部件，或者给航空飞机装个关键部件，这些都不足以成为大批量的制造领域。

GE公司的3D打印航空航天部件，被认为是批量制造的典范

哪个制造领域最有可能率先实现大规模制造呢？

6. 金属3D打印将是最有可能率先规模化的制造领域。

3D打印材料大致分为两种，一种是聚合物（也就是常说的塑料），一种是金属。3D打印的金属材料中，铝合金、钛合金和不锈钢是最受欢迎的材料种类。

为什么金属3D打印更有潜力呢？我们可以从产业数据中得到印证：

2020年，3D打印的塑料材料市场为4亿美金，仅仅增长了5%，越来越有疲软的态势；3D打印的金属材料市场为3.8亿美金，虽然比塑料市场小，但是增幅达到了15%。

其实也很好理解。今天的交通工具，飞机、铁路以及汽车，还有电子产业，比如智能手机、无人机，其构成大部分是金属材料，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础，那么整个产业的资源也会朝着大规模的金属3D打印去靠拢。

虽然城市的基础设施系统所用的材料规模比金属材料更大，比如水泥、石灰，但建筑3D打印还处于产业的初期；很多行业也在探索用更轻的材料替代金属，比如碳纤维，但整体来看还在实验室阶段，产业大规模应用并不多。

7. 金属3D打印技术也经历了不同的发展阶段。

1995年， 德国帕德博恩大学的物理学博士迪特·施瓦泽(Dieter Schwarze) 发明了SLM技术，也就是选择性激光熔化：

利用提前设置好的计算机程序，选择性地用激光来融化金属粉末，经过高温融化的粉末就凝结成了固体，所以这种技术叫做“选择性激光融化”。

SLM概念图

SLM技术是目前产业化最成熟的金属3D打印技术，10家3D打印公司有9家都是采用的这种技术路线，比如SpaceX的供应商Velo3D、3D打印龙头3D Systems、科创板的中国上市公司铂力特。

但是SLM也有它的问题，那就是成本高且打印速度慢。如果说SLM是利用高温凝固的物理方式来实现打印，那么美国Desktop Metal以及德国Exone是利用化学反应的方式来打印：

直接用一种特殊的粘结剂，改变金属粉末的形状，实现凝固和制造。技术名称也很形象：粘结剂喷射技术（BJT）。而且不用像激光那样沿着路径打印，而是像石墨打印机一样把整个横截面直接铺上去，打印速度大大加快了，成本也会更低。

Exone的BJT打印

但是短期来看，SLM在产业界的地位还占据主流。虽然是旧一代技术，产业界也不是那么快就会丢弃的，有一个市场培育的过程。

8. 3D打印产业还有一类重要的参与者，那就是3D打印服务提供商。

做3D打印设备的公司，会把自己的设备卖给两类客户：一类是企业，一般以大企业为主，比如波音、西门子，他们会成立自己的3D打印部门，养一支专门操作3D打印的工程师团队。

另一类就是3D打印服务提供商。他们没有自己的核心技术，而是通过采购上百、上千台不同工艺种类的设备，直接向行业客户提供服务，所以更像是一家加工厂。这个过程中他们会沉淀制造经验和know-how，形成自己的竞争壁垒。

3D打印服务提供商有多大规模呢？2020年，独立的3D打印服务提供商产生了50亿美元市值，占到了整个3D打印服务的71%（其余的是3D打印设备制造商自己提供的服务）。

3D打印服务是一项好生意吗？里面已经诞生了一些上市公司，比如ProtoLabs，跻身2019年3D打印独角兽，还得到了ARK木头姐的投资。

在中国的珠三角、长三角，有大量的3D打印服务提供商，他们购买不同工艺种类的设备，解决工业行业的制造需求，里面还有不少上市公司。

Wohlers在2020年更新了一项统计：124家全球知名的3D打印服务商。以往很多行业客户有打印需求，苦于找不到服务提供方。有了这个清单，行业客户找项目需求就方便多了。

如果3D打印应用在未来三至五年爆发，这些3D打印服务商也会拿到大笔的订单，过上滋润的日子。