增材製造又稱“3D打印”，是以計算機三維設計模型為(wei) 藍本，采用與(yu) 傳(chuan) 統減材製造技術（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控成型係統，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，製造出與(yu) 相應數字模型完全一致的三維物理實體(ti) 模型的製造方法。

3D打印通過對材料處理並逐層疊加進行生產(chan) ，大大降低了製造的複雜度，直接從(cong) 計算機圖形數據中便可生成任何形狀的零件，使生產(chan) 製造得以向更廣的生產(chan) 人群範圍延伸。

作為(wei) 製造業(ye) 有代表性的顛覆性技術，3D打印將對傳(chuan) 統的工藝流程、生產(chan) 線、工廠模式、產(chan) 業(ye) 鏈組合產(chan) 生深刻影響。

《國家增材製造產(chan) 業(ye) 發展推進計劃（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(wei) 金屬和非金屬增材製造工藝兩(liang) 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(wei) 粉末床選區熔化和定向能量沉積兩(liang) 大類別，采用這兩(liang) 類工藝原理的金屬3D打印技術都可以製造達到鍛件標準的金屬零件。

其中粉末床選區熔化技術分為(wei) 激光選區熔化（SLM）和電子束選區熔化（EBSM）兩(liang) 類；定向能量沉積又主要分為(wei) 激光淨成形技術（LENS）、電子束熔絲(si) 沉積技術（EBDM）和電弧增材製造技術（WAAM）三類。

1.粉末床選區熔化技術

粉末床選區熔化技術可以打印傳(chuan) 統技術無法企及的極端複雜結構，特別是複雜的內(nei) 腔結構，製作成品精度較高，主要應用於(yu) 航天航空複雜構件、醫療植入體(ti) 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遊領域，適合小批量、定製化的生產(chan) 特點。

由於(yu) 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(cong) 而成為(wei) 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）激光選區熔化（SLM）

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

其工作原理為(wei) ：先在工作平台上鋪一層金屬粉末材料，計算機將物體(ti) 的三維數據轉化為(wei) 一層層截麵2D數據並傳(chuan) 輸給打印機。

激光束在計算機控製下按照截麵形狀對實體(ti) 部分所在的粉末進行照射加熱直至完全熔化後成形，繼而形成一層固體(ti) 零件截麵層。

當一層燒結完成後，工作台下降一截麵層的高度，再鋪上一層粉末，進行下一層燒結；此過程逐層循環直至整個(ge) 物體(ti) 成形。

SLM技術的代表公司為(wei) 德國EOS公司、美國GE增材製造、德國SLM solutions、鉑力特等。據公司公告，SpaceX新一代DragonV2載人飛船SuperDraco引擎製造中采用了德國EOS設備通過SLM技術製造了冷卻道、噴油嘴和節流閥等結構的複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境下工作。

GE增材製造公司則采用SLM技術打印了超過3萬(wan) 個(ge) 航空發動機燃油噴嘴，實際應用於(yu) LEAP係列發動機（包括我國C919采用的LEAP-1C發動機），滿足航空發動機減重、強度大、耐腐蝕和耐高溫的要求，使用壽命也提高了4倍。

（2）電子束選區熔化（EBSM）

EBSM（ElectronBeamSelectiveMelting）技術的原理與(yu) SLM類似，與(yu) 之不同的是EBSM是在真空環境中，以電子束作為(wei) 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，同時真空的工作環境也可以有限保證鈦合金和鋁合金在內(nei) 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製造工藝，其與(yu) 粉末床選區熔化技術在下遊應用中形成互補的關(guan) 係。

采用定向能量沉積技術可使大功率激光器實現每小時公斤級的打印效率，打印尺寸範圍較大，方便多材料打印，具有粉末床選區熔化技術難以實現的原位修複航空發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複雜性較低，有較大的加工餘(yu) 量等，因此其與(yu) 傳(chuan) 統製造技術相比並不具有如同粉末床選區熔化技術那樣在下遊應用方麵顯著的不可替代性，目前技術成熟度與(yu) 設備自動化程度不高。

（1）激光近淨成形技術（LENS）

激光近淨成形技術（LENS：Laser Engineered Net Shaping）最早由美國Sandia國家實驗室提出並進行研究，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），鉑力特實際控製人之一黃衛東(dong) 將其命名為(wei) 激光立體(ti) 成形技術（LSF：Laser Solid Forming）。本文參考《國家增材製造產(chan) 業(ye) 發展推進計劃（2015-2016年）》，將其統稱為(wei) 激光近淨成形技術（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基板上形成的熔池，使之由點到線、由線到麵的順序凝固，從(cong) 而完成一個(ge) 層截麵的打印工作，這樣層層疊加，製造出接近實體(ti) 模型的零部件實體(ti) 。

（2）電子束熔絲(si) 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(chan) 物。

在真空環境中，高能量密度的電子束轟擊金屬表麵，在前一沉積層或基材上形成熔池，金屬絲(si) 材受電子束加熱熔化形成熔滴。隨著工作台的移動，使熔滴沿著一定的路徑逐滴沉積進入熔池，層層堆積，直至製造出金屬零件。

（3）電弧熔絲(si) 增材製造技術（WAAM）

WAAM（WireArcAdditiveManufacture）技術是以熔化極惰性氣體(ti) 保護焊接（MIG）、鎢極惰性氣體(ti) 保護焊接（TIG）以及等離子體(ti) 焊接電源（PA）等焊機產(chan) 生的電弧為(wei) 熱源，通過金屬絲(si) 材的添加，在程序的控製下，按設定成形路徑在基板上堆積層片至金屬零件近淨成形的方法。

此方法用低成本的電弧取代激光和電子束作為(wei) 熔化金屬的熱源，因此打印效率較高，成本低廉，可方便打印數米大小的零件，適合於(yu) 激光熔覆技術難於(yu) 製造的高反射性的鋁合金。

由於(yu) 同弧焊技術的兼容性好，弧焊專(zhuan) 業(ye) 人員較容易掌握這項技術。這項技術成為(wei) 當前大尺寸、高效率、低成本金屬3D打印技術發展最快的方向，並且正在迅速進入規模化的工業(ye) 應用。

據WohlersReport 2020，從(cong) 1993到2012年3D打印市場受製於(yu) 低性能和狹窄的應用領域，一直發展低迷。2012年，全球3D打印市場規模首次突破20億(yi) 美元，隨後得益於(yu) 3D打印機性能提升、應用範圍拓展，3D打印進入快速發展階段。

據WohlersReport2020，全球增材製造產(chan) 值（包括產(chan) 品和服務）從(cong) 2012年的22.8億(yi) 美元增長到2019年的118.67億(yi) 美元，年均複合增速為(wei) 26.73%。

在金屬3D打印產(chan) 業(ye) 方麵，隨著增材製造技術的逐漸成熟和成本的不斷降低，市場需求和發展潛力較大，根據Wohlers Report2020，2012-2019年金屬3D打印設備銷售量從(cong) 202台增長至2327台，年均複合增速41.79%。

根據德勤發布的《2019科技、傳(chuan) 媒和電信行業(ye) 預測》報告，全球3D打印市場正從(cong) 塑料打印轉向金屬打印。塑料適合用於(yu) 製作原型和某些最終零件，但3D打印機應以價(jia) 值萬(wan) 億(yi) 美元的金屬零件製造市場為(wei) 目標。

據Wohlers Report 2020，從(cong) 2019年地區增材製造設備裝機量分布格局看，北美、亞(ya) 太、歐洲為(wei) 全球最主要市場，其中中國大陸裝機量占比達10.8%，位於(yu) 全球第二，略高於(yu) 日本的9.3%，但大幅低於(yu) 美國的34.4%。

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

據中國增材製造產(chan) 業(ye) 聯盟統計，2015-2017年，我國增材製造產(chan) 業(ye) 規模年均增速超過30%，到2017年，我國增材製造產(chan) 業(ye) 規模已超過100億(yi) 元，35家聯盟重點企業(ye) 總產(chan) 值達32.4億(yi) 元，比2016年的23.09億(yi) 元增加近10億(yi) 元，同比增長40.3%，高於(yu) 全球增速近20個(ge) 百分點。

工信部等部門2017年印發的《增材製造產(chan) 業(ye) 發展行動計劃（2017-2020年）》明確提出，到2020年，我國增材製造產(chan) 業(ye) 年銷售收入預計超過200億(yi) 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(ya) 太地區三個(ge) 地區。全球增材製造產(chan) 業(ye) 已基本形成了美、歐等發達國家和地區主導，亞(ya) 洲國家和地區後起追趕的發展態勢。

3D打印行業(ye) 內(nei) 部的競爭(zheng) 主要分為(wei) 技術之間的競爭(zheng) 和公司之間的競爭(zheng) 。行業(ye) 發展初期，各項技術獨立發展，市場也相對獨立。隨著技術的發展，應用麵擴大，不同技術之間開始競爭(zheng) 。

當行業(ye) 整合加劇，單一技術企業(ye) 數量減少，技術間的競爭(zheng) 逐漸轉變為(wei) 少數擁有多項技術的企業(ye) 之間的競爭(zheng) 。

目前3D打印行業(ye) 內(nei) 部的競爭(zheng) 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(guan) 服務。

據WohlersReport2020，2019年度，從(cong) 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(wei) 美國製造商。

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

亞(ya) 太區排名前三的製造商分別是中國大陸先臨(lin) 三維、韓國Carima和中國台灣的XYZprinting，市場份額分別為(wei) 2%、1.9%、1.4%。另外，其他單位的占比從(cong) 2018年的30.3%上升到34.3%，這表明有更多的公司進入到這個(ge) 領域。

我國增材製造技術在上世紀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(ti) 科研和技術非常接近世界先進水平，其中金屬高性能增材製造技術處於(yu) 世界先進水平。

目前，國內(nei) 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；在科研單位方麵，國內(nei) 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（北京煜鼎增材製造研究院有限公司）。

2019年，從(cong) 企業(ye) 數量上看，中國3D打印企業(ye) 主要聚集在華東(dong) 地區，占全國的42.4%。中南、華北、西南等地區也有優(you) 秀企業(ye) 集聚，分別占23.8%、13.9%和8.4%。

華東(dong) 地區的3D打印知名企業(ye) 包括湖南華曙高科、杭州先臨(lin) 三維、上海光韻達等。從(cong) 產(chan) 業(ye) 規模上看，華東(dong) 地區也領先全國，占比37.2%，中南地區緊隨其後，占比32.6%。