1 引言：3D打印即将迎来爆发期
如果对3D打印的认知还停留在那个又慢、又贵、仅能用来制作原型、离工业化还遥遥无期的酷感技术，那可能是因为3D打印近年来的发展远远超出了您的想象。的确，从80年代就发明出来、经历了一轮又一轮概念炒作的3D打印，似乎终于要迎来真正的产业爆发期了。为什么是现在？我们的依据来自于：第一，3D打印技术近年来取得了较快发展，正在逐步突破原来的瓶颈，由量变进化到了质变，从而具有了进入工业领域的可能；第二，3D打印已经迈过了从科研成果转化为产品的阶段，转向为将技术产品大量而广泛地应用到各个领域从而实现产业化的阶段。
而要理解这两点，首先需要清楚3D打印的技术原理、工艺流程、优势与瓶颈是什么。本报告分为上下两篇，上篇将详细梳理3D打印的技术原理和近年来取得的技术突破，解析第一点依据；下篇则整理3D打印的产业化应用，解析第二点依据。讲清楚了这两点，将会发现，那个关于3D打印带来第三次产业革命的预言，正在由一个模糊的概念变得愈发可触、可感、可控。
2 3D打印的技术原理与工艺流程
2.1 3D打印的技术原理
3D打印，俗称“三维打印技术”或 “快速制造技术”，是对一系列“增材制造”技术的总称。它通常以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统（3D打印机），利用激光束、热熔喷嘴等方式，将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊的可粘合材料，进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，从而制造出实体产品。
3D打印技术集信息技术、精密机械及材料科学等科学技术于一身，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，被誉为是近20年来制造领域的最重大成果之一。
2.2 3D打印的工艺流程
3D 打印的工艺流程一般分为三步，即三维建模、产品成型和成品后处理。简单来说，在进行3D打印的之前，需要先通过计算机建模软件进行产品的建模（现成的模型文件可也），或者通过扫描设备获取所打印产品的3D模型，比如动物模型、人物、或者微缩建筑等等；然后将模型信息转化成3D打印机可以识别的中间文件-STL文件数据，传输到3D打印机上，打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。
图表 1 3D打印流程
资料来源：e-works数字化企业网，国信证券博士后工作站。
2.2.1三维建模
三维建模过程先通过CAD等计算机建模软件建模，再将建成的三维模型“分区”成逐层的截面数据，即切片数据，用于指导打印机逐层打印。计算机建模软件和3D打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面。三角面越小其生成的表面分辨率越高。三维文件的产生既可以来源于设计师设计物体，也可以通过扫描实际物体产生。PLY是一种通过扫描产生三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件也被用作3D打印的输入文件。
2.2.2产品成型
打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体。这种技术的特点在于其几乎可以造出任何形状的物品。打印机打出的截面的厚度（即Z方向）以及平面方向即X-Y方向的分辨率是以dpi（像素每英寸）或者微米来计算的。一般的厚度为100微米，即0.1毫米，也有部分打印机如Objet Connex系列还有三维Systems’ProJet系列可以打印出16微米薄的一层。而平面方向则可以打印出跟平面激光打印机相近的分辨率。打印出来的“墨水滴”的直径通常为50到100个微米。
2.2.3成品后处理
由不同打印技术特点和打印材料决定，3D打印机的分辨率有时对达不到应用要求，为获得更高分辨率的物品，需要进行成品后处理。具体方法包括首先使用3D打印机打出稍大一点的物体，再经过表面打磨得到表面光滑的“高分辨率”物品；在打印的过程中使用支撑物，例如打印有倒挂状的物体时，需要用到支撑物，打印完成后通过成品后处理除去。
3 3D打印的技术优势
3D打印是对一系列“增材制造”技术的统称，而所谓“增材制造”是相对于传统制造业的“减材制造”而言的。传统制造业的产品成型一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程；相对于传统制造业，增材制造是一种“自下而上” 的制造方法，不需要复杂的工艺、庞大的机床、众多的人力，直接从三维建模数据中便可生成任何形状的零件。因此，相对于传统制造业，3D打印的的技术优势主要体现在：
3.1 对产品结构复杂性的边际成本极低
就传统制造而言，物体形状越复杂，制造成本越高、耗时越久。而3D打印对于复杂结构的制造边际成本几乎为零，制造一个形状复杂的物品并不比打印一个简单的方块消耗更多的时间、技能或成本，这打破了传统制造业计算制造成本的方式。因此，所制产品结构越复杂，3D打印技术的优势就越明显，在高度定制的部件，尤其是针对那些不可能通过传统工艺来改进的功能部件方面具有明显的性价比优势。这将主要应用于一些对于精度要求和工艺细节要求很高的制成品，包括小型零件和大型构件。
图表2 传统制造技术与3D打印技术对比
资料来源：3D科学谷，国信证券博士后工作站。
例如F-22军用战斗机的机身隔框是由钛合金锻件加工而成，传统工艺的成本大约为加工1吨重量的钛合金复杂结构件需花费2500万元。而LAM采用3D打印技术，节约了90%十分昂贵的原材料，加之不需要制造专用的模具，原本相当于材料成本1-2倍的加工费用现在只需要原来的10%。我国大型客机C919机头工程样机的钛合金主风挡整体窗框，也是用3D打印技术生产的，只花了55天，零件成本不到20万美元。
而实现复杂产品结构的生产，还将至少带来以下衍生的应用价值：
3.1.1 轻量化
由于3D打印实现了各种复杂结构的直接制造，从而使得通过结构设计实现产品轻量化具有了可行性，降低产品重量的同时节省了宝贵的原材料，可以在航空、风力发电机叶片、体育运动器材、船舶制造、列车机车等领域广泛使用。具体来说，3D打印通过结构设计层面实现轻量化的主要途径有四种：中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构实现、异形拓扑优化结构。
图表3 3D打印实现轻量化产品示例（左图：中空夹层结构；右图：异形拓扑优化结构）
资料来源：3D打印网，国信证券博士后工作站。
3.1.2 随行冷却
注塑成型是在传统制造业中被大量使用的工艺。由于模具的质量直接决定了注塑生产效率，并决定产品质量，从而决定产品附加值，所以如何在最小周期时间内，高效冷却塑料产品成为随形冷却模具，是设计与制造过程中的关键考量因素，而冷却在这其间扮演了重要的角色。传统的模具内冷却通道是通过二次加工来实现的。通过交叉钻孔产生创造管直线的内部网络，通过内置流体插头来调整流速和方向。这种方法的局限性在于：渠道网络的形状是有限的，所以冷却通道离模具的表面远，使得冷却效率低。不仅如此，还也不得不面对额外的加工和装配时间，以及盲点的渠道网络可能被堵塞的风险。而且，在复杂的情况下，为了预留随形冷却通道的加工，模具还需要被切分成几个部分来制造，然后在拼接成一整块模具，这导致了额外的制造环节，并且还会缩短模具的寿命。
3D打印制造摆脱了交叉钻孔的限制，可以设计内部通道更靠近模具的冷却表面，并具有平滑的角落，更快的流量，增加热量转移到冷却液的效率。还可以根据冷却要求设计不同的冷却回路，旨在以一致的速度进行散热，以促进散热的均匀性。
图表4 3D打印技术在随行冷却方面的应用实例
资料来源：3D打印网，国信证券博士后工作站。
3.1.3 设计空间无限
传统制造技术和工匠制造的产品形状有限，制造形状的能力受制于所使用的工具。由于3D打印对于产品结构复杂性敏感度较低，将使得现在受制于制造工艺的产品设计，可以在3D打印技术的辅助下突破这些局限，开辟巨大的设计空间。
空客、Arconic（一家专注于金属3D打印的公司）等公司描绘了3D打印技术辅助下未来人类的生活场景——飞机、汽车、建筑乃至太空探索将呈现出完全不同的形态，而这并非完全是科幻小说，事实上一些技术已经存在了，Arconic公司把这些设想实现的时间设定为2062年。
图表 5 Arconic公司设想的2062年的3D打印技术应用场景
资料来源：Arconic，国信证券博士后工作站。
3.2 小规模、定制化与多样化
3D打印的成本对规模相对不敏感，一台3D打印机可以打印各种形状，可以用各种原料打印三维模型，应用对象可以是任何行业，只要这些行业需要模型和原型。因此不必像传统制造那样设计专门的模具、配置专用的生产设备。因此3D打印更适用于生产小规模、定制化、多样化的产品，从而改变了传统制造的供给和需求关系，能够实现根据客户需求高度个性化生产。
比如，在医用领域，可以通过3D打印来打印病人的体内器官或者组织模型，辅助制定精确的手术方案；体外医疗器械如假肢、助听器、齿科手术模板等，已经可以通过3D打印对特定病人实现深度定制。再如，在军用领域，机械维修团队可以利用3D打印技术就地加工一些制成品，来保证紧急状况下的机械平台维护；而以往在大部分情况下，陆战坦克、装甲车等装备在受到损害后，超过一定比例，就会因为成本原因直接废弃。在快速制造高精度模型的领域，3D打印的优越性是无法被传统工艺取代的。
3.3 先天具有互联网基因
制造业与互联网融合发展已经成为“十三五”规划的重要内核，也是实现“中国制造2025”战略规划的重要手段。而3D打印的本质是数据驱动型的制造方式，从建模到切片再到打印成型，天生就具备数据和互联网的基因。3D打印可以通过互联网信息技术平台，和物联网、大数据等技术紧密融合，实现智能化制造，成为实现工业4.0的重要途径之一。
一是在产品的设计开发端，实现“人人都可以开发产品”。3D打印支持构建CAD分析和产品开发验证平台，在这样的一个平台，3D打印技术能迅速将设计创意转变为实物模型，特别针对复杂结构的制作。企业和个人可以充分根据自己的需求设计和开发产品，不仅应用自己的资源开发，更可以利用全社会、全世界的资源开发，从而打破了传统生产方式中设计和制造之间的生产资源、加工工艺壁垒，充分释放了人的作用，让创新创业流动了起来。同时，这些产品的数据将不断积累在数据库中，知识和经验通过互联网实现了共享，又将激发新的创新，一旦这种创新能力被释放出来，未来的想象空间极大。
二是在生产制造端，实现“分布式制造”。由于工艺复杂，打印机购置成本高昂，打印需求不稳定等，不是每个3D打印的客户都需要购置3D打印机。通过打造线上线下联动的物联网云平台，可以把闲置的3D打印设备实现互联共享，平台根据制造需求，将订单分派到周边的打印设备，能大大提高个性化定制的响应速度，从而实现3D打印大规模定制化服务。而平台自身由于链接起了上下游资源，可以在3D打印设计原型、数据提供、设备服务、工艺处理等方面快速积累优势。
4 3D打印的技术瓶颈
任何事物都具有两面性，以往对于3D打印的认知中所认为的3D打印的技术瓶颈主要集中在以下几点：
4.1 规模化生产效率低
传统的制造技术具有显著的规模经济效应，可以用较低的成本生产大量产品，主要面向同质化产品的量产市场。而3D打印的成本对规模相对不敏感——单体的一体化成型，工作流程是完全固定的，对制造规模的边际成本较低，打印1件产品需要10个小时，打印10件产品就需要100个小时。这种单体的一体化成型技术，从规模化的生产效率上来讲，肯定是比不上传统制造业“行业内分级零件加工+组装”的效率的，因为后者是在调动整个制造业体系的产能，半成品加工和分级加工可以把工序效率做到几乎最高，相当于整个业界就形成了一个流水线。因此，对于大规模、标准化的产品制造而言，由于无法形成规模经济效应，将使得产品的生产时间更长、产品价格更贵。
此外，目前的3D打印机体无法承受长时间，高强度的负荷，从长期来看且单体机的维护费用和难度远远高出传统工艺把产业链平摊开的做法，这些都会导致规模化生产的成本过高。据调研，如果使用3D打印的方式得到一件石膏制成品，耗时约24小时，而该产品的市场售价约为60000元；如果使用传统的注塑的方法制造，由于批量生产的原因，每天约能生产120件，每件售价仅约50元（平安证券，2016）。
4.2 原材料种类和成本限制
增材制造工艺的材料都是特制的，一种3D打印机一般是使用某一种特定的打印材料，如金属、尼龙、生物材料等，材料的性质与打印成品的效率、性能高度相关。而原材料的种类和成本是3D打印目前所面临的最大瓶颈。
首先，是原材料的适用性问题。3D打印技术对材料的性能和适用性的基本要求是可以液化、丝化、粉末化，在程序控制下打印后还要能重新结合起来；要性能稳定，满足3D打印连续生产的需要；要功能丰富，具有导电、水溶、耐磨等特性；要绿色环保，对人体安全且对环境友好，等等。但在现阶段，3D打印材料的成熟度还不够，材料精度、强度还不够。在工业领域适用的金属材料主要有10余种，铝硅合金、钛合金、镍合金和不锈钢相对比较成熟，但被普遍认为生产成品的致密性、力学稳定性不如传统铸造方法；在生物材料领域，现有材料打印出的结构生物相容性较差，孔隙率小且孔洞分布不均匀，细胞附着生长繁殖率低，暂时还停留在模仿和药物监测阶段，还不能实现特定功能性；在个人消费领域，主流的有石膏、光敏树脂、ABS塑料等。总之，现有材料与工业和民用领域成千上万种材料需求相比还远远不够。
其次，是材料成本较高，限制了应用领域。由于适用于3D 打印技术的材料有限且专用性较强，现阶段量产较少，材料成本居高不下。如用于3D打印的石膏粉，市场价格在6元/克左右；用于桌面级3D打印机的进口塑料线材的市场价格从50-500元/公斤不等，打印一个很小的玩具成本动辄上百。材料成本是3D打印产品价格较贵的重要原因之一，限制了应用的领域，尤其是民用领域的应用。
图表 6淘宝网人气最高的前三个3D打印ABS耗材
资料来源：淘宝网，国信证券博士后工作站。
通过以上分析，可以知道3D打印的两个技术瓶颈主要来自于3D打印设备自身的打印效率以及所使用的原材料种类和成本的限制。打印效率低造成3D打印距离实现规模化生产还有距离；打印设备、原材料价格昂贵，打印效率低，造成3D打印产品成本居高不下，加上原材料的种类有限，限制了3D打印的产业化应用范围。而3D打印的效率又与原材料的品质、工艺技术息息相关。因此，3D打印技术的突破，取决于3D打印设备的性能，以及原材料的品质和价格的突破。
5 3D打印的技术进化：突破瓶颈，从量变到质变
我们通过上文的分析指出，3D打印技术的突破，取决于3D打印设备的性能，以及原材料的品质和价格的突破，而这是整个3D打印行业从诞生至今30多年的努力方向。3D打印的设备不再停留在笨拙缓慢的阶段，效率和可靠性不断提高；3D打印的材料不再停留在中看不中用的阶段，新材料不断被研发和使用，成本逐渐下调；3D打印的应用解决方案也不再是小打小闹，正在逐步进入多个领域的产业化应用。总之，3D打印技术的快速发展已经逐渐从量变积累到了质变，诸多因素汇集到一起催化了3D打印的潜能，原来的技术瓶颈正在被一步步突破，3D打印已经开始进入工业领域了。
图表7 3D打印大事记
资料来源：国信证券博士后工作站。
5.1 打印技术：新技术层出不穷，效率和可靠性全面提升
3D打印技术问世于上世纪80年代，由查尔斯•赫尔发明，1986年他基于自己发明的SLA技术成立了3D Systems公司；1989年斯科特•克伦普基于本人发明的FDM技术成立了Stratasys公司。这两家公司至今仍然引领着3D打印行业的发展方向。随后，又出现了SLS、LOM、3DP等技术及依托于这些技术的公司。这五类技术被称为3D打印的传统五类技术。在3D打印近30年的发展历程中，前20年都是以这传统五类技术为核心进行升级，3D打印技术还被称为快速原型技术，制造的零件都是原型件即“模型”，尚不具备实用产品功能。
金属3D打印机(SLM)的出现，标志着3D打印从“快速原型”向“快速制造”过渡。SLM技术这一概念由德国Fraunhofer 激光技术研究所（ILT）[1]在1995年提出，随后与SLM-Solution公司合作在2003年推出了第一台专业的SLM设备。这一技术的突破使得3D打印技术能够直接加工工业应用的材料，从而让人们看到了3D打印在工业、医疗以及航空航天领域的巨大应用潜力。随着成功案例逐渐增加，相关的研究向更加深入、广泛的方向发展，尤其是近5年，新技术层出不穷，技术开发力度达到了历史最高点（图表8）。目前全球所有增材制造的研发公司的目标都很明确，那就是——更快、更准、更大、更可靠。
图表8 增材制造领域专利申请数量
资料来源：Castle Island，国信证券博士后工作站。
注：图中蓝线为1995-2014年专利申请的数量，粉线为2001-2014年专利申请数量的增长率。
在各类层出不穷的技术中，根据原材料形态、单元制造机理以及能量供给方式，市面上已存在几十种不同的3D打印技术。为了比较这些技术的优缺点，我们必须对技术进行分类。基于ASTM[2]制定增材制造标准的分类结构，可以从三个层次上对现有的3D打印技术进行归类（图表9）。第一层次包含基于设计、基于材料和工艺、基于术语和基于测试方法等的技术分类标准；第二层次包含基于材料分类、加工工艺分类的技术分类标准；第三层次在应用行业需求层次上，包含基于适用材料分类、加工工艺分类的技术分类标准（图表9）。本报告采用第二层次——基于材料分类、加工工艺分类的技术分类标准。
图表9 ASTM增材制造分类结构
资料来源：3D科学谷，国信证券博士后工作站。
根据ASTM的F2792标准，将3D打印技术基于加工工艺分类分为8大技术，分别为光聚合技术、粉末床融化技术、粘结剂喷射技术、材料喷射技术、层压技术、材料挤出技术、直接能量沉积技术、混合增材制造技术（图表10）。
图表 10基于加工工艺分类的8大3D打印技术
资料来源：hybridmanutech.com，国信证券博士后工作站。
5.1.1 3D打印光聚合技术（VAT Photopolymerization）
使用这一技术原理的工艺包括：SLA光固化快速成形, DLP数字光处理，3SP扫描、旋转、选择性光固化,CLIP 连续液界面生产等。
适用的典型材料为：光敏树脂。
光聚合技术是最早发展起来的快速成型技术，也是目前研究最深入、技术最成熟、应用最广泛的快速成型技术之一。光聚合技术，主要使用液态光敏树脂为材料，通过（激光头或者投影，以及化学方式）凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品。
光聚合技术优势在于成型速度快、原型精度高，非常适合制作精度要求高，结构复杂的原型。使用光聚合技术的工业级3D打印机，最著名的是objet，该制造商的3D打印机提供超过123种感光材料，是目前支持材料最多的3D打印设备。
5.1.2 3D打印粉末床融化(PBF，PowderBed Fusion )
使用这一技术原理的工艺包括：SLS选择性激光烧结，DMLS，SLM选择性激光融化，EBM电子束激光融化，SHS选择性热烧结，MJF多喷头融化
适用的典型材料为：塑料、金属粉末，陶瓷粉末，砂子等。
粉末床融化工艺最早由美国德克萨斯大学提出，于1992年开发了商业成型机。粉末床融化技术利用粉末材料在激光或其他热源照射下烧结的原理，由计算机控制层层堆结成型。粉末床融化技术同样是使用层叠堆积成型，所不同的是，它首先铺一层粉末材料，将材料预热到接近熔化点，再使用激光在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，然后烧结形成粘接，接着不断重复铺粉、烧结的过程，直至完成整个模型成型。
粉末床融化技术可以使用非常多的粉末材料，并制成相应材质的成品，烧结成品精度好、强度高，最主要的优势在于金属成品的制作。该技术通过激光烧结可以直接烧结金属零件，也可以间接烧结金属零件，最终成品的强度远远优于其他3D打印技术。
粉末床融化技术虽然优势非常明显，但是也同样存在缺陷，首先粉末烧结的表面粗糙，需要后期处理，其次热源多使用大功率激光器，除了本身的设备成本，还需要很多辅助保护工艺，整体技术难度较大，制造和维护成本非常高，普通用户无法承受，所以目前应用范围主要集中在高端制造领域。
5.1.3 3D打印粘结剂喷射技术（Binder Jetting）
使用这一技术原理的工艺包括：3DP(3D打印名称的由来）。
适用的典型材料为：塑料粉末，金属粉末，陶瓷粉末，玻璃，砂子等。
粘接剂喷射3D打印技术由麻省理工在1993年研发出来，当时的毕业生JimBredt和TimAnderson修改了喷墨打印机方案，变为把约束溶剂挤压到粉末床，3D打印的名称从此诞生。粘结剂喷射技术技术工作原理是，先铺一层粉末，然后使用喷嘴将粘合剂喷在需要成型的区域，让材料粉末粘接，形成零件截面，然后不断重复铺粉、喷涂、粘接的过程，层层叠加，获得最终打印出来的零件。
粘结剂喷射技术的优势在于成型速度快、无需支撑结构，材料广泛，而且能够输出彩色打印产品，这是目前其他技术都比较难以实现的。粘结剂喷射技术的典型设备，是3DS旗下zcorp的zprinter系列，也是3D照相馆使用的设备，zprinter的z650打印出来的产品最大可以输出39万色，色彩方面非常丰富，也是在色彩外观方面，打印产品最接近于成品的3D打印技术。
粘结剂喷射技术也有不足，首先粉末粘接的直接成品强度并不高，只能作为测试原型，其次由于粉末粘接的工作原理，成品表面不如光聚合技术光洁，精细度也有劣势，所以一般为了产生拥有足够强度的产品，还需要一系列的后续处理工序。此外，由于制造相关材料粉末的技术比较复杂，成本较高，所以目前粘结剂喷射技术主要应用在专业领域。
5.1.4 3D打印材料喷射技术（Material Jetting）
使用这一技术原理的工艺包括：Polyjet,SCP平滑的曲率打印，MJM多喷建模，Projet。
适用的典型材料为：光敏树脂，树脂，蜡等。
材料喷射技术大多采用阵列式喷头，根据模型切片数据，几百至数千个阵列式喷头逐层喷射液体光敏树脂、化学树脂或热融材料于平台。工作时喷射打印头沿XY平面运动，当材料被喷射到工作台上后，滚轮把喷射的树脂表面处理平整，接着对聚合材料进行光学或化学固化。完成一层的喷射打印和固化后，设备内置的工作台会极其精准地下降一个成型层厚，喷头继续喷射材料进行下一层的打印和固化。如此反复，直到整个工件打印制作完成。
材料喷射技术的优势是，加工精度高，打印层厚低至16微米，产品细节体现非常好。另外，材料喷射技术可同时喷射不同材料，适合多种材料、多色材料同时打印，因此可以满足对产品不同颜色、透明度、刚度等方面的需求。
材料喷射技术目前应用的瓶颈在于产品成本高，其所适用的材料价格贵，一般而言，打印过程材料消耗比光聚合技术大。
5.1.5 3D打印层压技术（Sheet Lamination）
使用这一技术原理的工艺包括：LOM层压技术，SDL选择性沉积层压,UAM超声增材制造。
适用的典型材料为：纸张，塑料，金属箔等。
层压技术的基本原理如下。激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据，将背面涂有热熔胶的片材进行切割。切割完一层后，送料机构将新的一层片材叠加上去，利用不同的层压技术（热粘压、黏胶化学方法，或者超声焊接，钎焊方式等）将已切割层粘合在一起，然后再次重复进行切割。通过逐层地黏合、切割，最终制成三维物件。
层压技术是传统切削工艺与增材制造的结合工艺。不同于传统切削工艺，它不是用大块原材料进行切割，而是将原来的零部件模型分割成多层，然后进行逐层切割。层压技术的优点是：成型速度较快，由于无需打印整个切面，只需要使用激光束将物体轮廓切割出来，所以成型速度较快；不存在收缩和翘曲变形，无须设计和构建支撑结构；相对成本低（非金属类）；可以在打印过程中植入组件。
层压技术的典型代表是LOM层压技术，是当前世界范围内几种最成熟的快速成型制造技术之一，主要以片材（如纸片、塑料薄膜或复合材料）作为原材料。LOM层叠实体制造是目前众多3D打印技术中唯一由中国企业掌握的关键技术。
值得注意的是，目前层压技术的前沿代表是UAM超声增材制造技术。这一技术来自德国的Fabrisonic，它的独特之处在于其使用了一种将超声波焊接与CNC数控加工机床结合起来的技术，因此被称为超声波增材制造（UAM）技术。
UAM主要使用使用超声波去熔融用普通金属薄片拉出的金属层，从而完成3D打印。其制造过程包括通过使用频率高达2万赫兹超声波施加在金属片上，用超声波的振荡能量使两个需焊接的表面摩擦，构成分子层间的熔合，然后以同样的原理逐层连续焊接金属片，并同时通过机械加工来实现精细的3D形状，从而形成坚实的金属物体。
UAM方法最大的特点是能够实现异种金属在真正冶金学意义上的粘合，可以使用的金属材料包括铝、铜、不锈钢和钛等。由于超声波焊接的特性，UAM工艺是固态的，不涉及熔化，因此生成的结合体不会产生不必要的冶金变化。这个工艺可以用来将导线、带、箔和所谓的“智能材料”比如传感器、电子电路和致动器等完全嵌入密实的金属结构，而不会导致任何损坏。从而为电子器件的设计带来新的可能性。2016年美国航空航天局（NASA）兰利研究中心与Fabrisonic 公司合作，使用Fabrisonic的UAM 3D打印机将FBG传感器嵌入到宇航飞船的金属零部件中，以长期监测零件的应变。
5.1.6 3D打印材料挤出技术（Material Extrusion）
使用这一技术原理的工艺包括：FFF电熔制丝，FDM熔融挤出。
适用的典型材料为：塑料长丝，液体塑料，泥浆（用于建筑类）。
材料挤出技术，是将丝状热熔性材料加热融化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。热熔材料融化后从喷嘴喷出，沉积在制作面板或者前一层已固化的材料上，温度低于固化温度后开始固化，通过材料的层层堆积形成最终成品。
材料挤出技术的典型代表是FDM熔融挤出技术。在3D打印技术中，FDM的机械结构最简单，设计也最容易，制造成本、维护成本和材料成本也最低，因此也是在家用的桌面级3D打印机中使用得最多的技术，而工业级FDM机器，主要以Stratasys公司产品为代表。FDM技术的桌面级3D打印机主要以ABS和PLA为材料，ABS强度较高，但是有毒性，制作时臭味严重，必须拥有良好通风环境，此外热收缩性较大，影响成品精度；PLA是一种生物可分解塑料，无毒性，环保，制作时几乎无味，成品形变也较小，所以目前国外主流桌面级3D打印机均以转为使用PLA作为材料。
FDM技术的优势在于制造简单，成本低廉，但是桌面级的FDM打印机，由于出料结构简单，难以精确控制出料形态与成型效果，同时温度对于FDM成型效果影响非常大，而桌面级FDM 3D打印机通常都缺乏恒温设备，因此基于FDM的桌面级3D打印机的成品精度通常为0.3mm-0.2mm，少数高端机型能够支持0.1mm层厚，但是受温度影响非常大，成品效果依然不够稳定。此外，大部分FDM机型制作的产品边缘都有分层沉积产生的“台阶效应”，较难达到所见即所得的3D打印效果，所以在对精度要求较高的快速成型领域较少采用FDM。
5.1.7 3D打印直接能量沉积技术（DED，DirectedEnergy Deposition )
使用这一技术原理的工艺包括：LMD激光金属沉积，LENS激光净型制造，DMD直接金属沉积（DM3D)。
适用的典型材料为：金属丝，金属粉，陶瓷等。
直接能量沉积技术是一种很重要的金属材料增材制造方法。它是以金属粉末或金属丝材作为原材料，在高能热源的作用下直接将金属在基板上熔化逐层堆积成型，进而完成零件快速成型制造。直接能量沉积技术包括激光、等离子、电子束几种不同的热源，材料包括粉末或丝状两种主要的形态。金属材料在沉积过程中实时送入熔池，这类技术以激光近净成形制造（LENS）、金属直接沉积（DMD）技术为代表，由激光在沉积区域产生熔池并高速移动，材料以粉末或丝状直接送入高温熔池，熔化后逐层沉积，该技术成形出毛坯，然后依靠CNC数控加工达到需要的精度。
直接能量沉积技术沉积效率高，其最大优点是不受轴的限制，因此容易通过机械手实现大尺寸加工和自动化。另外，直接能量沉积技术非常适合修复零件，可以在同一个零件上使用多种材料。
5.1.8混合增材制造技术（HYBRID）
使用这一技术原理的工艺包括：AMBIT,该名称由HybridManufacturing Technologies公司提出。
适用的典型材料为：金属粉，金属丝，陶瓷等。
混合增材制造技术是指与当前的CNC数控加工机床配套的增材制造方法。AMBIT是一个由系列工具头和对接平台组成的多任务系统。它能够把大多数数控机床（CNC）转化成基于激光融覆技术的金属3D打印设备以用于制造，并在极短时间内切换这些功能。
混合增材制造技术通过将AMBIT工具可变沉积头加到现有的CNC上以实现金属3D打印，提供了一种新的方式来使增材制造的应用扩大——使其作为CNC的一种升级功能。此外，混合增材制造技术采取自动化的过程来完成制成材料去除，精加工和检测，因而能够完成单一技术无法独立完成的精加工任务。
5.2 材料技术：新材料范围拓展，性能提升成本下调
3D打印材料成为限制3D打印发展的主要瓶颈，也是3D打印突破创新的关键点和难点所在。以往3D打印原材料之所以成为制约行业发展的重要瓶颈，很大的一个原因是3D打印市场尚未培育成熟，下游需求不足，产量少、研发不足，所以发展较慢。近年来随着3D打印行业产业化进程加速，材料领域的研发也在加快步伐，新材料范围不断拓展，目前的材料种类已超过200多种，性能不断提升，成本逐步下调，应用范围不断拓展（图表11）。尤其是世界各国都非常重视新材料领域的研发，如我国将新材料列为七大战略新兴产业之一，政策的扶持以及巨大的市场空间，将进一步加快3D打印材料技术的更新速度。
图表11 3D打印材料与应用领域分布
资料来源：GridlogicsTechnologies Pvt Ltd ，3DPrinting Technology Insight Report.
从主流材料的发展方向来看，3D打印材料主要包括聚合物材料、金属材料、陶瓷材料和复合材料等。
5.2.1聚合物材料
(1) 工程塑料
工程塑料指被用做工业零件或外壳材料的工业用塑料，是强度、耐冲击性、耐热性、硬度及抗老化性均优的塑料。工程塑料是当前应用最广泛的一类3D打印材料，常见的有丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、聚酰胺（PA）、聚碳酸酯（PC）、聚苯砜（PPSF）、聚醚醚酮（PEEK）、弹性塑料（EP）、Endur、尼龙材料等。
1）ABS
ABS材料因具有良好的热熔性、冲击强度，成为通过熔融沉积3D打印的首选工程塑料。目前主要是将ABS预制成丝、粉末化后使用，应用范围几乎涵盖了所有日用品、工程用品和部分机械用品。近年来ABS不但在应用领域逐步扩大，而且性能不断提升，借助ABS强大的粘接性、强度通过对ABS的改性，使其作为3D打印材料在更广范围得到应用。
2014年国际空间站用ABS塑料3D打印机为其打印零件；世界上最大的3D打印材料公司Stratasys公司研发的最新ABS材料ABS-M30，专为3D打印制造设计，机械性能比传统的ABS材料提高了67%，从而扩大了ABS的应用范围。
图表12 使用ABS材料打印的齿轮和车链模型
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
2）PA
PA强度高，同时具有一定的柔韧性，因此可直接利用3D打印制造设备零部件。利用3D打印制造的PA碳纤维复合塑料树脂零件强度韧性很高，可用于机械工具代替金属工具。另外，由于PA的粘接性和粉末特性，可与陶瓷粉、玻璃粉、金属粉等混合，通过粘接实现陶瓷粉、玻璃粉、金属粉的低温3D打印。索尔维公司作为全球PA工程塑料的专家，基于PA的工程塑料进行3D打印样件，用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。用工程塑料替代传统的金属材料，最终解决了汽车的轻量化问题。
3）PC
PC具有优异的强度，其强度比ABS材料高出 60%左右，因此适合于超强工程制品的应用。索尔维公司作为全球PA工程塑料的专家，基于PA的工程塑料进行3D打印样件，用于发动机周边零件、门把手套件、刹车踏板等。德国拜耳公司开发的PC2605可用于防弹玻璃、树脂镜片、车头灯罩、宇航员头盔面罩、智能手机的机身、机械齿轮等异型构件的3D打印制造。
4）PPSF
PPSF具有最高的耐热性、强韧性以及耐化学品性，在各种快速成型工程塑料材料之中性能最佳，通过碳纤维、石墨的复合处理，PPSF显示出极高的强度，可用于3D打印制造高承受负荷的制品，成为替代金属、陶瓷的首选材料。
5）PEEK
PEEK具有优异的耐磨性、生物相容性、化学稳定性以及杨氏模量最接近人骨等优点，是理想的人工骨替换材料，适合长期植入人体。基于熔融沉积成型原理的3D打印技术安全方便、无需使用激光器、后处理简单，通过与PEEK材料结合制造仿生人工骨。
6）EP
EP（Elasto Plastic）即弹性塑料，是Shapeways公司最新研制的一种3D打印原材料，它能够避免用ABS打印的穿戴物品或可变形类产品存在的脆性问题。顾名思义，Elasto Plastic是一种新型柔软的3D打印材料，在进行塑形时和ABS一样均采用“逐层烧结”原理，但打印的产品却具有相当好的弹性，易于恢复形变。这种材料可用于制作像3D打印鞋、手机壳和3D打印衣物等产品。
图表13 使用EP材料打印的鞋和手机壳
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
7）Endur
Stratasys公司推出一款全新的3D打印材料——Endur，它是一种先进的仿聚丙烯材料，可满足各种不同领域的应用需求。Endur材料具有高强度、柔韧度好和耐高温性能，用其打印的产品表面质量佳，且尺寸稳定性好，不易收缩。Endur具有出色的仿聚丙烯性能，能够用于打印运动部件、咬合啮合部件以及小型盒子和容器。
图表14 使用Endur材料打印的笔筒
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
8）尼龙
尼龙材料是一种白色粉末，SLS尼龙粉末材料具有质量轻、耐热、摩擦系数低、耐磨损、粉末粒径小、制作模型精度高等特点。烧结制件不需要特殊的后处理，即可以具有较高的抗拉伸强度。在颜色方面的选择没有像PLA和ABS那么广，但是可以通过喷漆、浸染等方式进行色彩选择和后期上色。材料的热变形温度为110℃，在汽车、家电、电子消费品、艺术设计及工业产品等领域都有广泛应用。
图表15 使用尼龙材料3D打印的手板零件
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
(2) 生物塑料
3D打印生物塑料主要有聚乳酸（PLA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4-环己烷二甲醇酯（PETG）、聚-羟基丁酸酯（PHB）、聚-羟基戊酸酯（PHBV）、聚丁二酸-丁二醇酯（PBS）、聚己内酯（PCL）等，具有良好的可生物降解性。
1）PLA
PLA（Poly LacticAcid）即聚乳酸可能是3D打印起初使用得最好的原材料，它具有多种半透明色和光泽质感。作为一种环境友好型塑料，聚乳酸可生物降解为活性堆肥。它源于可再生资源——玉米淀粉和甘蔗，而不是非可再生资源——化石燃料。新加坡南洋理工大学的Tan K H等在应用PLA制造组织工程支架方面的研究中，采用3D技术成型生物可降解的高分子材料，制造了高孔隙度的PLA组织工程支架，通过对该支架进行组织分析，发现其具有生长能力。
图表16 使用强韧PLA材料打印的电吉他
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
2）PETG
PETG是采用甘蔗乙烯生产的生物基乙二醇为原料合成的生物基塑料。具有出众的热成型性、坚韧性与耐候性，热成型周期短、温度低、成品率高。PETG作为一种新型的3D打印材料，兼具PLA和ABS的优点。在3D打印时，材料的收缩率非常小，并且具有良好的疏水性，无需在密闭空间里贮存。由于PETG的收缩率低、温度低，在打印过程中几乎没有气味，使得PETG在3D打印领域产品具有更为广阔的开发应用前景。
3）PCL
PCL是一种生物可降解聚酯，熔点较低，只有60℃左右。与大部分生物材料一样，人们常常把它用作特殊用途如药物传输设备、缝合剂等，同时，PCL还具有形状记忆性。在3D打印中，由于它熔点低，所以并不需要很高的打印温度，从而达到节能的目的。在医学领域，可用来打印心脏支架等。
(3) 热固性塑料
热固性树脂如环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂、氨基树脂、聚氨酯树脂、有机硅树脂、芳杂环树脂等具有强度高、耐火性特点，非常适合利用3D打印的粉末激光烧结成型工艺。哈佛大学工程与应用科学院的材料科学家与Wyss生物工程研究所联手开发出了一种可3D打印的环氧基热固性树脂材料，这种环氧树脂可3D 打印成建筑结构件用在轻质建筑中。
(4) 光敏树脂
光敏树脂是由聚合物单体与预聚体组成，由于具有良好的液体流动性和瞬间光固化特性，使得液态光敏树脂成为3D打印耗材用于高精度制品打印的首选材料。光敏树脂因具有较快的固化速度，表干性能优异，成型后产品外观平滑，可呈现透明至半透明磨砂状。尤其是光敏树脂具有低气味、低刺激性成分，非常适合个人桌面3D打印系统。
常见的光敏树脂有somos NEXT材料、树脂somos11122材料、somos19120材料和环氧树脂。
1）somos NEXT材料
白色材质，类PC新材料，韧性非常好，基本可达到selective laser sintering(SLS，选择性激光烧结)制作的尼龙材料性能，而精度和表面质量更佳。somos NEXT材料制作的部件拥有迄今最优的刚性和韧性，同时保持了光固化立体造型材料做工精致、尺寸精确和外观漂亮的优点，主要应用于汽车、家电、电子消费品等领域。
图表17 3D打印散热器风扇和耳塞套
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
2）somos11122材料
看上去更像是真实透明的塑料，具有优秀的防水和尺寸稳定性，能提供包括ABS和PBT在内的多种类似工程塑料的特性，这些特性使它很适合用在汽车、医疗以及电子类产品领域。
3）somos19120材料
为粉红色材质，是一种铸造专用材料。成型后可直接代替精密铸造的蜡膜原型，避免开发模具的风险，大大缩短周期，拥有低留灰烬和高精度等特点。
4）环氧树脂
是一种便于铸造的激光快速成型树脂，它含灰量极低（800℃时的残留含灰量<0.01%），可用于熔融石英和氧化铝高温型壳体系，而且不含重金属锑，可用于制造极其精密的快速铸造型模。
(5) 高分子凝胶
高分子凝胶具有良好的智能性，海藻酸钠、纤维素、动植物胶、蛋白胨、聚丙烯酸等高分子凝胶材料用于3D打印，在一定的温度及引发剂、交联剂的作用下进行聚合后，形成特殊的网状高分子凝胶制品。如受离子强度、温度、电场和化学物质变化时，凝胶的体积也会相应地变化，用于形状记忆材料；凝胶溶胀或收缩发生体积转变，用于传感材料；凝胶网孔的可控性，可用于智能药物释放材料。
(6) 橡胶类材料
橡胶类材料具备多种级别弹性材料的特征，这些材料所具备的硬度、断裂伸长率、抗撕裂强度和拉伸强度，使其非常适合于要求防滑或柔软表面的应用领域。3D打印的橡胶类产品主要有消费类电子产品、医疗设备以及汽车内饰、轮胎、垫片等。
5.2.2金属材料
3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径分布窄、氧含量低。目前，用于3D打印的金属粉末材料主要有钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金材料以及金、银等贵金属粉末材料。金属良好的力学强度和导电性使得金属材料在3D打印领域尤其是工业应用方面具备许多优越性，应用领域包括石化工程应用、航空航天、汽车制造、注塑模具、轻金属合金铸造、食品加工、医疗、造纸、电力工业、珠宝、时装等。
(1) 黑色金属
1）工具钢
工具钢金属材料的适用性来源于其优异的硬度、耐磨性和抗形变能力，以及在高温下保持切削刃的能力。模具H13热作工具钢就是其中一种，能够承受不确定时间的工艺条件。
2）不锈钢
不锈钢是最廉价的金属打印材料，经3D打印出的高强度不锈钢制品表面略显粗糙，且存在麻点。不锈钢具有各种不同的光面和磨砂面，常被用作珠宝、功能构件和小型雕刻品等的3D打印。
奥氏体不锈钢316L，具有高强度和耐腐蚀性，可在很宽的温度范围下降到低温，可应用于航空航天、石化等多种工程应用，也可以用于食品加工和医疗等领域。
马氏体不锈钢15-5PH，又称马氏体时效（沉淀硬化）不锈钢，具有很高的强度、良好的韧性、耐腐蚀性，而且可以进一步的硬化，是无铁素体。目前，广泛应用于航空航天、石化、化工、食品加工、造纸和金属加工业。
马氏体不锈钢17-4PH，在高达315℃下仍具有高强度高韧性，而且耐腐蚀性超强，随着激光加工状态可以带俩极佳的延展性。
2）高温合金
高温合金因其强度高、化学性质稳定、不易成型加工和传统加工工艺成本高等因素，目前已成为航空工业应用的主要3D打印材料。随着3D 打印技术的长期研究和进一步发展，3D打印制造的飞机零件因其加工的工时和成本优势已得到了广泛应用。
(2) 有色金属
1）钛
应用于金属3D打印的钛合金主要是钛合金5级和钛合金23级，因为其优异的强度和韧性，结合耐腐蚀、低比重和生物相容性，所以在航空航天和汽车制造中具有非常理想的应用，而且，因为强度高、模量低、耐疲劳性强，应用于生产生物医学植入物。钛合金23级的纯度更高，堪称神级的牙科和医疗钛品级。采用3D打印技术制造的钛合金零部件，强度非常高，尺寸精确，能制作的最小尺寸可达1ｍｍ，而且其零部件机械性能优于锻造工艺。英国的Metalysis公司利用钛金属粉末成功打印了叶轮和涡轮增压器等汽车零件。
图表 18 3D打印的胎手表和涡轮叶轮
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
2）铝合金
目前，应用于金属3D打印的铝合金主要有铝硅12和铝硅10镁两种。铝硅12，是具有良好的热性能的轻质增材制造金属粉末，可应用于薄壁零件如换热器或其他汽车零部件，还可应用于航空航天及航空工业级的原型及生产零部件；硅/镁组合使铝合金更具强度和硬度，使其适用于薄壁以及复杂的几何形状的零件，尤其是在具有良好的热性能和低重量场合中。此外，还有镁铝合金因其质轻、强度高的优越性能，在制造业的轻量化需求中得到了大量应用。
图表 19佳能公司利用3D打印技术制造出了顶级单反相机镁铝合金特殊曲面顶盖
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
3）铜基合金
应用于市场的铜基合金，俗称青铜，具有良好的导热性和导电性，可以结合设计自由度，产生复杂的内部结构和冷却通道，适合冷却更有效的工具插入模具，如半导体器件，也可用于微型换热器，具有壁薄、形状复杂的特征。
4）镓及其合金
镓(Ga)主要用作液态金属合金的3D打印材料，它具有金属导电性，其黏度类似于水。不同于汞(Hg)，镓既不含毒性，也不会蒸发。镓可用于柔性和伸缩性的电子产品，液态金属在可变形天线的软伸缩部件、软存储设备、超伸缩电线和软光学部件上已得到了应用。
北卡罗琳州立大学化学和生物分子工程的副教授Michael Dickey利用镓(Ga)与铟(In)的液态金属合金通过3D打印技术在室温下创造了一种三维的自立式结构，这一奇迹的诞生得益于镓-铟合金在空气中与氧气发生反应形成了一层能够保持零件形状的氧化膜。这一技术在3D打印中被用于连接电子部件。
(3) 稀贵金属
3D打印的产品在时尚界的影响力越来越大。世界各地的珠宝设计师受益最大的就是将3D打印快速原型技术作为一种强大，且可方便替代其他制造方式的创意产业。在饰品3D打印材料领域，常用的有金、纯银、黄铜等。
图表 20 3D打印的叶形金戒指、菌丝银戒指、黄铜戒指。
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
5.2.3陶瓷材料
陶瓷材料主要指硅酸铝陶瓷粉末，具有高强度、高硬度、耐高温、低密度、化学稳定性好、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车、生物等行业有着广泛的应用。3D打印的陶瓷制品不透水、耐热（可达600℃）、可回收、无毒，但其强度不高，可作为理想的炊具、餐具（杯、碗、盘子、蛋杯和杯垫）和烛台、瓷砖、花瓶、艺术品等家居装饰材料。但由于陶瓷材料硬而脆的特点使其加工成形尤其困难，特别是复杂陶瓷件需通过模具来成形。模具加工成本高、开发周期长，难以满足产品不断更新的需求。
图表 21 3D打印的陶瓷酒杯
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
而Formlabs公司在CES 2017上推出的陶瓷树脂，给陶瓷材料带来了新的风向。Formlabs的首席产品官Dávid Lakato认为Form X 陶瓷树脂是目前在3D打印领域最为新颖的材料科学之一，其允许创建结构复杂的几何形状，并以传统的陶瓷制造技术不可能达到的复杂程度制造出来。
5.2.4复合型石膏粉末（全彩砂岩）
3D打印领域里使用较为广泛的材料之一。由全彩砂岩制作的对象色彩感较强，3D打印出来的产品表面具有颗粒感，打印的纹路比较明显使物品具有特殊的视觉效果。当一个设计师希望使用多种颜色打印他们的设计时，他们往往选择的是彩色砂岩。因为它可以打印多种颜色，颜色层次和分辨率都很好。砂岩打印出的的模型较为完美并且栩栩如生。因此全彩砂岩被普遍应用于制作模型、人像、建筑模型等室内展示物。缺点是它的质地较脆容易损坏，并且不适用于打印一些经常置于室外或极度潮湿环境中的对象。
图表 22 3D打印的全彩砂岩建筑模型
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
5.2.5蓝蜡/红蜡
采用多喷嘴立体打印（MJM）技术，表面光滑，可用于标准熔模材料和铸造工艺的熔模铸造，蜡模可以用于精密铸造，其在功能上超越了以前纯模型制作与展示功能，是制作珠宝、服饰、医疗器械、机械部件、雕塑、复制品、收藏品的石蜡模型铸造的主要材料之一。
5.2.6复合材料
复合材料，顾名思义就是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观（微观）上组成具有新性能的材料。这种材料在性能上能相互补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。2016年5月16日，工业级3D打印打印机生产商Envision TEC宣布推出第一款工业级复合材料3D打印机。复合材料技术发展较新，将其应用于3D打印是未来发展的趋势之一。
(1) 碳纤维增强复合材料
美国硅谷Arevo实验室研发出了高强度碳纤维增强复合材料。相比于传统的挤出或注塑定型方法，3D打印时通过精确控制碳纤维的取向，优化特定机械、电和热性能，能够严格设定其综合性能。由于3D打印的复合材料零件一次只能制造一层，每一层可以实现任何所需的纤维取向。结合增强聚合物材料打印的复杂形状零部件具有出色的耐高温和抗化学性能。
图表 23应用增强复合材料技术3D打印的电磁发动机（左）和仿生肌电假手（右）
资料来源：Stratasys，国信证券博士后工作站。
(2) 形状记忆聚合物材料（SMP）
来自麻省理工学院（MIT）和新加坡科技与设计大学（SUTD）的研究人员研发出一种形状记忆聚合物（SMP），在被弯曲、受到极端的压力变形后，经过受热即可恢复到原来的形状。将这种材料应用于3D打印，即产生了所谓的“4D打印”——在3D打印的基础上增加了时间元素。4D打印技术将在太阳能、医学和太空等领域具有广泛的应用。比如，制作出一个软性驱动器，调节太阳能电池板与太阳光线的角度；或者制作微型药物胶囊，利用人体温度作为触发器，当人发烧、体温上升的时候，里面的药物自动释放出来。
图表 24形状记忆聚合物材料在温度变化时发生形变
资料来源：3D打印世界，国信证券博士后工作站。
5.3技术进化使3D打印进入工业化应用
5.3.1产品性能已媲美乃至超越传统工艺
最终直接生产零件，是3D打印的目标和未来。在过去的认知中，往往认为3D打印的产品受到制造参数、原材料品质的影响较大，获得的力学性能不稳定，利用3D打印技术和传统的铸造技术得到的同样大小、形状和材质的工件，其工件内部致密度不够，在性能上往往不如不如普通锻造件。这是因为3D打印需要预先制成专用的金属粉末，打印出的金属制品致密度低，最高能达到铸造件致密度的98%，某些情况下低于锻造件的力学性能；某些打印制品表面质量差，需要打磨抛光机加工等后处理；3D打印具有复杂曲面的零部件时，支撑材料难以去除。
而这个问题在目前来看已经不能够成为3D打印的技术瓶颈了。事实上3D打印是能够提高力学性能的。随着3D打印设备工艺的性能改进优化，对金属打印的精度、致密度已经有了极大的提升。从材料角度讲，传统常规工艺采用原始的液体、固体、粉末等材料，材料本身无特殊处理；而3D打印使用的金属粉末材料，是经过特殊处理的，加入了更多成分元素，已经具有了屈伸强度、拉伸强度、延伸率、杨氏模量、硬度、断裂拉伸界点、热膨胀系数、弹性模数、熔度范围、耐腐蚀性、粘合强度等几十项指标。而此类材料的性能是经过研究、测试、引用，已经证明是符合结构件的需求。而且，一般工业应用中直接由3D打印制造出来的金属部件还会再经过一系列地加工后才会进入实用。
目前金属3D打印的部件，经过热处理后，强度应该可以与传统砂型铸造相当甚至优于传统铸造，只不过暂时还不如传统冷加工（CNC、加工中心这类的）金属结构件、单晶铸造等，这在可预见的未来中也是可以达到的。在某些构件如大型钛合金构件上（在航空业中应用较多），是完全能够满足力学性能的。当前学术界与工业界普遍认为，由选择性激光融化技术（Selective Laser Melting，即SLM）直接制造出来的金属3D打印部件所能达到的性能超过了铸造件，并且可以逼近锻造件的质量（Wohlers Report，2013）；近年来澳大利亚RMIT University已经用激光做出钛64打印件，达到了很强的力学性能和延展性。
5.3.2效率提升和材料价格下降将引起成本曲线改变
一方面，我们应当清晰地认识到3D打印将不会取代传统制造方法。3D打印尤其是金属3D打印，本来就不是为了替代生产已有部件。不管是机加工，铸造，钣金和焊接，传统的工艺都非常成熟，无论成本还是效率，金属3D打印不占优势。3D打印的应用当前仍然主要是在于高精度、小规模、多样化、定制化的生产领域，在该领域的优越性暂时还无法被其他制造方法替代。只不过这些领域的产业化应用尚未被充分发掘，市场尚未培育成熟，
另一方面，虽然当前3D打印技术只在小批量原型及个性化定制方面具有价格优势，但随着将来增材制造技术的提升以及材料价格的下降，其成本曲线将进一步下移，改变与传统制造模式的平衡点，在更大范围内具有性价比的优势，进一步挤占传统制造方式的空间。
图表 25 3D打印成本曲线下移将带来与传统制造业均衡点的改变
资料来源：3dprint.com，国信证券博士后工作站。
6 结论
3D打印是实现“工业4.0”和“中国制造2025”的重大战略性产业。相比于传统制造工艺，3D打印的技术优势包括对产品结构复杂性的边际成本极低，适用小规模、定制化和多样化生产，先天具有互联网基因，等等。同时，由于其技术原理和当前发展阶段的限制，具有规模化生产效率低、原材料种类和成本限制等技术瓶颈。
然而，3D打印经过30多年的发展，即将迎来真正的产业爆发期。我们作出该判断的依据来自于：第一，3D打印技术近年来取得了较快发展，正在逐步突破原来的瓶颈，由量变进化到了质变，从而具有了进入工业领域的可能；第二，3D打印已经迈过了从科研成果转化为产品的阶段，转向为将技术产品大量而广泛地应用到各个领域从而实现产业化的阶段。
来源：国信证券博士后站
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