正略諮詢：3D打印材料產業發展研究
本篇為《材料化工行業2020年度藍皮書》的產業熱點篇的3D打印材料產業發展研究。3D打印材料是3D打印技術發展的重要物質基礎，本篇從產業概述、產業發展分析、產業趨勢分析和標杆企業介紹等方面對3D打印材料產業做出研究和分析。
一、3D打印材料產業概述
01、3D打印材料分類
3D打印材料是3D打印技術發展的重要物質基礎。目前，3D打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領域得到了應用。3D打印材料的性能在很大程度上決定了成形零件的綜合性能，主流的3D打印材料相關內容如下：
3D打印所用的原材料是專門針對3D打印設備和工藝而研發的，與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區別，其形態一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。根據打印設備的類型及操作條件的不同，所使用的粉末狀3D打印材料的粒徑為1-100μm不等，而為了使粉末保持良好的流動性，一般要求粉末要具有高球形度。
02、3D打印材料產業鏈
3D打印材料是3D打印產業中不可或缺的一部分，3D打印材料技術水平直接影響到3D打印產業的發展。近年來，國家層面對我國3D打印材料行業重視程度不斷加深，基本形成了較為成熟的產業鏈。
3D打印材料上游為基礎材料供應以及初加工，例如有色金屬行業、橡膠加工行業、塑料加工行業、陶瓷加工行業等，為3D打印材料提供符合標準的原材料。
中游產業為3D打印材料產業鏈中最重要的一環，通過各種技術手段對原材料進行加工，使其成為符合3D打印標準的3D打印材料，目前主流的3D打印材料有金屬粉末材料、光敏樹脂材料、生物材料、工程塑料材料以及非金屬類材料等等。
下游產業為3D打印製造，隨着技術的進步，3D打印製造應用場景越來越廣泛，應用在工程機械、航空航天、生物醫藥、汽車製造等領域。
二、3D打印材料產業發展分析
01、政策分析
為鼓勵新材料發展，國家層面出台了《增材製造產業發展行動計劃（2017-2020年）》《增強制造業核心競爭力三年行動計劃（2018-2020年）》等對3D打印材料行業起推動作用的政策，這些政策從制定行業發展目標、給予財政補貼、列入重點領域等方面對3D打印材料行業的發展給予支持。總體上看，國家政策對3D打印材料行業持支持態度，一些行業標準的建立對提升3D打印材料質量，推動3D打印材料行業技術發展也會起到促進作用。
02、市場規模梳理
3D打印材料作為決定3D打印技術發展進程的一項關鍵因素，隨着3D打印技術的一步步普及，對於材料的需求也在飛速上漲。目前，3D打印材料在3D打印行業中的市場規模佔比約為24.1%，結合3D打印行業的整體市場規模，可以測算出全球3D打印材料市場規模。2017-2019年，全球3D打印材料市場規模逐年上升，2019年全球3D打印材料市場銷售規模為28.8億美元。
近年來，我國3D打印市場應用程度不斷深化，在航空航天汽車、船舶、核工業、模具等領域均得到了越來越廣泛的應用。2017-2020年，我國3D打印產業規模逐年增加，增加速度要略快於全球整體增速，以致於我國3D產業佔全球的比重在不斷增加。據數據顯示，2019年，中國3D打印產業規模為157.5億元，較上年增加31.1%。
03、市場格局
我國3D打印材料市場主要由國內大型公司和國外3D打印材料公司佔據，從材料產品種類來分，可以分成金屬粉末材料、光固化樹脂、線材和非金屬材料。下面為3D打印材料市場中主要的國內外公司：
04、技術發展
以“3D打印材料”為關鍵詞進行專利搜索，可以看到從2010-2017年，3D打印材料的專利申請數量呈波動增長趨勢。2009-2013年，3D打印材料申請專利數量平穩發展。從2014年開始逐漸迎來爆發。2017年達到1048項，2013-2017年五年間年複合增長56.4%。2018年專利申請數目為120項，在爆發期之後有所下降，但依然高於2013年的112項。
2019年，中國3D打印材料產業結構中，非金屬材料產業規模25.38億元，佔比最高，達到62%；金屬材料產業規模15.56億元，佔比38%。根據IDC的對3D打印材料調查數據，2018年金屬耗材佔比為39.4%，低於塑料的40.4%，主要由於金屬打印的產業化正處於快速擴張階段，設備端的增長領先於材料消耗的增長。非金屬3D打印通常使用塑料、樹脂材料等，金屬3D打印通常使用各類合金粉末和線材。
三、3D打印材料產業趨勢分析
1.需求端分析：應用領域日漸廣泛
目前，從國內3D打印材料行業的需求端來看，主要在消費品/電子、醫療、工業設備、汽車領域、航天航空等行業應用的比較廣泛。由於3D打印行業的不斷髮展，在各個行業中的應用領域越來越寬，其下游市場由於感受到這種技術帶來的成本和精度優勢，其需求量也在逐漸增長。
2.供給端分析：產業規模不斷擴大
2016-2019年，我國3D打印材料產業規模不斷上升。2019年，中國3D打印材料產業規模達40.94億元，比2018年增長26.2%，在3D打印產業中佔比26%。預計到2020年，我國3D打印材料產業規模將達到49億元。
3.發展趨勢預判
（1）國產化程度越來越高
隨着我國高端製造業的升級發展、技術的發展和成本的下降，3D打印技術將脱離孤島，可以更多的應用於下游領域中。未來我國3D打印材料行業將會呈現國產化程度越來越高的趨勢。隨之帶來的首要變化必將是材料企業向技術含量更高，產品附加值更高的水平發展。
我國《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》提出，到2020年，要實現80%以上材料國產化，3D打印材料市場將會面臨巨大的發展空間。根據我國3D行業需求的不斷髮展及3D材料在3D產業中的佔比預估，2020-2025年我國3D打印材料產值將保持20%以上的平均複合增速，到2025年，產值規模將達到122億元左右。
（2）中國3D打印核心材料仍以工程塑料為主
塑料材料的一個發展方向就是高強度，通過增強塑料強度用來直接替換金屬用於各類複雜構件，既便宜又質輕，從而使塑料材料在3D打印製造中被廣泛應用。此外，塑料材料還可以避開缺陷向複合化、功能化方向發展，特別是實現多元材料複合，進而賦予塑料特定功能。相比傳統制造模式，非金屬3D打印的優勢主要在於無模化和可定製，其主要用於樣品和模具的生產。
例如，通過3D打印技術製造工藝複雜的智能材料、光電高分子材料、光熱高分子材料、光伏高分子材料及儲能高分子材料等新材料；利用生物塑料的生物相容性向醫學人體組織發展，3D打印在細胞、軟組織、器官及骨骼等方面仍具有巨大應用空間，尤其在組織工程應用中具有獨特優勢。
根據IDC的對3D打印材料調查數據，2018年金屬耗材佔比為39.4%，低於塑料的40.4%，可以預見，在今後10年內，塑料材料仍將是不可或缺的3D打印材料。
（3）我國金屬3D打印材料市場前景廣闊
據報告顯示，金屬3D打印的市場價值將在未來15年內飆至100億美元。航空航天產業為例，金屬3D打印能滿足其對於結構設計、材料和製造工藝的需求，在保證性能的前提下能大幅減輕零部件質量，同時還能有效縮短零部件的製造流程。
金屬打印的產業化正處於快速擴張階段，金屬3D打印通常使用各類合金粉末和線材。金屬3D打印工藝中金屬粉末質量是影響最終打印部件結構及性能的關鍵因素之一，目前國內製粉水平接近國外但仍有差距。金屬粉末質量越好，粒徑越小，其打印出的產品緻密性、機械性能越好。
金屬3D打印具備無模化可定製優勢，在打印效率和打印質量上相比傳統金屬加工工藝均有較為明顯的提升，甚至能夠完成傳統工藝無法制造的高複雜度高精密度零部件的打印，具有更大的發展潛力。
這一點從企業材質需求也可以看出來，法國3D打印公司Sculpteo調研了全球1000多家應用3D打印的公司，從打印材質來看，2018年塑料的運用率高達65%，但卻從2017年的88%下降23個百分點，唯一增長的材料是金屬，其需求從2017年的28%增長到了2018年的36%。以金屬3D打印產業化應用加速為契機，高價值量的工業級3D打印機的銷售規模持續擴大，3D打印正逐漸由消費級市場往高端製造市場滲透。
金屬增材製造技術發展中有三個重要的因素，設備、材料和工藝，國內目前在這三方面還有提高的空間。為了擴大3D打印技術的應用規模，金屬增材製造技術正在朝着低成本、大尺寸、多材料、高精度、高效率方向發展。
（4）國際巨頭佈局3D打印材料領域，競爭將迎來升級
近年來，隨着3D打印商業化應用持續推廣，打印材料的重要性愈發明顯。目前國內的基礎3D打印材料已基本滿足國產設備的增材製造需要，但高性能金屬粉末耗材依然依賴進口，國產材料在純淨度、顆粒度、均勻度、球化度、含氧量等對打印成品性能影響較大的原料指標方面，相比國外仍存在較大的差距。
德國的EOS、TLS，瑞典的Arcam、Hoganas、Sandvik，比利時的Solvay等具備較強實力的金屬3D打印耗材供應商多數成立於2000年以前，在粉末冶金或金屬打印設備領域有較強的技術積澱。國內目前能提供高質量金屬粉末的公司包括中航邁特、飛而康、塞隆金屬、西安歐中、鉑力特以及新進入的鋼研高納、頂立科技等，這些公司或相關業務多數成立於2010年以後，近年來發展較快。
此外，2016年以來全球大型材料製造商成立了專門的3D打印部門，如巴斯夫、杜邦等傳統材料企業紛紛開始佈局專用材料領域，説明3D打印的產業應用價值已經得到廣泛認可。隨着商業化生產規模的持續擴大，更具增長彈性的材料端開始發力，尤其是處於產業化應用初期且技術難度較大的金屬專用材料領域。
相關實例：中外三巨頭聯合打造頂級增材製造材料
早在2015年，德國化工巨頭巴斯夫（BASF）公司已經與3D打印公司華曙高科和Laser-Sinter Service（LSS）合作，共同開發了一款新型可3D打印材料——PA-6粉末，該材料具有很高的強度和優異的熱穩定性。此外，這個合作的“三人組”將共同協作，為客户提供高品質的3D打印解決方案與服務。
這三家公司的結合堪稱“材料+設備+服務”的強強聯手。他們的合作將能夠在材料、3D打印機和打印服務方面為客户提供量身定製的3D打印解決方案。
如今這三家合作的第一個成果就是擁有較高高性能的PA-6材料，該材料主要用於SLS技術，並可根據特定的應用需求進行調整。PA-6比常見的PA-12具有高得多的材料強度和熱穩定性。而且它也非常適合回收利用。
這三家公司聯手，他們將可以通過LSS的服務平台，利用巴斯夫的3D打印材料，在華曙高科的3D打印機上進行打印，得出高質量的3D打印產品。此次結合可以將華曙高科在激光燒結系統以及材料處理方面的經驗與巴斯夫豐富的材料開發技術相結合，進而在不久的未來必將開發出具有廣泛應用範圍、並且支持更多材料的強大設備，為國際3D打印產業貢獻出一份力量。
四、標杆企業：中航邁特
中航邁特是一家以液態金屬霧化-近淨成形技術為核心，開展增材製造、粉末冶金、粉冶裝備等業務，致力於航空航天、數字醫療增材製造材料及零部件的研發、製造的國家級高新技術企業。
1. 專注金屬3D打印粉末研製，打造粉體材料品牌
中航邁特科研團隊先後設計研發了真空感應氣霧化（VIGA）、電極感應氣霧（EIGA）、等離子旋轉電極（PREP）等先進制粉設備，突破多項制粉關鍵工藝及成套裝備技術，成功研製出符合航標、國軍標、ASTM、AMS等標準的粉末產品，粉末粒度細、球形度高、流動性好、氧含量低，材料性能與進口相當。
2. 3D打印材料國產化，唯有紮實技術突破和創新
中航邁特致力於制粉工藝基礎和成套設備技術研發。中航邁特與中外專家合作，研製一套高速等離子旋轉電極制粉設備，該型設備製備的粉末球形度高、氧含量低，適應於激光立體成形結構件的打印製造。中航邁特科研團隊不斷探索新工藝、新技術，聯合中科院研製一台新型等離子霧化制粉設備。此外，中航邁特在制粉設備技術自主化方面“孜孜不倦”，其研究團隊長期研究粉末合金及其製備技術，密切關注全球制粉技術發展動向。
3. “材料技術”是金屬3D打印應用爆發的基礎
“材料技術”是金屬3D打印的基礎。在解決了制粉核心裝備的“有無問題”後，中航邁特着手開發適用於德國三大品牌金屬打印機及其參數包的粉末材料。在粉末3D打印應用開發階段，中航邁特與華曙高科、易加三維、西安交大、西工大、北航、沈航等國內重點3D打印企業院校開展合作，實現從合金成分設計、粉末製備、粉末處理、檢測評價到材料打印測試、零部件設計開發應用的快速對接，新研製了一批新合金、新材料和零部件，建立多個聯合研發平台和實驗室，累計開發了幾十項粉末打印工藝參數和熱處理技術。
4. 突出重圍，金屬3D打印產業發展需要新思維
金屬3D打印要實現廣泛應用，必須從以下幾點進行突破：一是堅持技術創新，鼓勵3D打印原創技術，培養一批掌握核心產品技術的3D打印領軍企業，特別是民營企業；二是鼓勵應用，創造需求，鼓勵各行業領域選擇3D打印優勢工藝和材料解決方案，打開3D打印應用端缺口；三是向美國GE、德國SIEMENS等世界500強企業學習；四是加大3D打印人才培養，制定人才培養專項政策，政府引導、高校主承、企業搭台，培養一大批3D打印人才，滿足3D打印產業發展對專業人才的迫切需要；五是積極融入全球3D打印發展技術產業鏈，鼓勵參與全球競爭與合作，統籌策劃進行技術、標準、專利佈局。
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