元动力 —— 3D打印（增材制造）技术进展与产业应用

元禾汇·2025年02月11日 10:23

3D打印总体市场仍将保持高增长，但一级二级市场同时遇冷，说明3D打印下游渗透率提高不及预期，应谨慎乐观。

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行业研究是投资的源动力。元禾控股推出“元动力”系列行研分享，编辑部据此推出《元动力》行业研究专栏，旨在交流行业研究成果，分析行业发展趋势，探讨未来投资方向。

本期《元动力》行业研究专栏聚焦3D打印（增材制造）技术进展与产业应用，分享者是元禾控股研究中心（博后站）分析师朱谢联博士，将从3D打印技术的概念、进展、产业应用与投资分析等维度进行展开。

3D打印概述

3D打印概念脱胎于传统的打印方式（即2D打印），用于描述通过层层堆积材料构造实体的制造过程，在此基础上，又逐渐引申出了4D打印（3D打印+时空）、5D打印（4D打印+生命）和6D打印（5D打印+意识）的概念，但只有4D打印的概念比较明晰，4D打印指的是构造的三维结构在外部刺激（如温度、湿度、光、磁场等）的作用下，随时间发生形状或性能的变化，所以学界通常更喜欢用增材制造的概念指代3D打印，并和传统的减材制造、等材制造形成对应关系。

增材制造与等材制造、减材制造，来源：《Wholers Report 2023》

3D打印技术可以实现复杂结构的快速制造，在特定情形下可以实现更便宜的制造（去模具、缩短周期、节省废料），对于金属材料而言，3D打印可以使金属材料获得均匀致密的内部冶金结构，力学性能显著高于铸件，接近锻件。所以3D打印技术是传统制造方式（等材、减材）的重要补充。但必须确认的是，3D打印在加工精度、表面粗糙度和可加工材料等方面还与传统精密加工存在差距，且在大批量制造方面效率和成本不如传统加工，这些劣势是由3D打印技术自身特性决定的，不会随着工艺进步而完全消失，所以3D打印和传统制造方式会各有分工、长期并存，共同构成先进制造工业体系。

3D打印玲珑球，来源：网络搜索

3D打印技术的优势一方面来源于其对“第一性原理”的实践，3D打印真正实现了“所想即所见，所见即所得”，因为无论成形速度还是难度都和构形复杂度脱钩，所以加工过程只需正向设计，且一切设计都服务于构形需求，从而打破传统工业思维，避免制造工艺压缩设计空间；其优势另一方面来源于3D打印和“智能制造”理念的契合，数字驱动、柔性生产、生态友好、高度自动化集成化既是3D打印技术的特点，也是先进制造工业的发展方向。

国际上3D打印的理念起源自二十世纪初，二十世纪80年代开始，各项技术被相继提出；二十世纪90年代开始，部分公司推出各种3D打印装备；二十一世纪开始，3D打印技术逐步从原型制造走向终端产品应用。国内3D打印行业的发展历程有几个重要节点：1988年清华大学颜永年教授创立激光快速成型中心，开启中国增材制造技术自主研发之路；2005年西安交通大学卢秉恒教授增选成为国内第一位增材制造领域的院士；2010年前后国际上增材制造多项关键技术专利到期，国内企业开始大量涌现；2019年铂力特成为纯3D打印领域首家上市公司。

3D打印发展历程，来源：《增材制造技术》，史玉升等，清华大学出版社

随着技术不断迭代进步，目前3D打印领域已经形成多种不同的工艺路线，国际标准ISO/ ASTM-52900《增材制造术语》根据3D打印技术的成形原理，将3D打印工艺分成七种基本类别：粉末床熔融、定向能量沉积 、立体光固化 、粘结剂喷射、材料挤出、材料喷射和薄材叠层，在这七种类别下又各可以分为多种工艺技术。

3D打印工艺分类，来源：国海证券研究所

这些工艺技术按打印材料可分为金属3D打印和非金属3D打印；按支撑方式可分为有支撑和无支撑；按成形方式可分为热成形、光成形、粘结剂成形，对于金属材料，热成形中的热源可以是电弧、激光、电子束，对于非金属材料，热源可以是激光、熔融喷头；按材料供给方式可分为送料式和填料式，对于粉材而言，送粉是送料式，铺粉为填料式；对于丝材而言，只有送丝的材料供给方式，为送料式，对于液体材料而言，喷射为送料式，浸润为填料式；按成形方式和材料供给方式不同可以下述方法将除薄材叠层之外的3D打印工艺技术进行归纳。

3D打印工艺分类方法，来源：元禾控股

3D打印技术进展

3D打印的研究方向-超材料

超材料（Metamaterial）指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。“超材料”（Metamaterial）是21世纪以来出现的一类新材料，其具备天然材料所不具备的特殊性质，而且这些性质主要来自人工制造的特殊结构，通过3D打印技术，可以实现“材料-结构一体化”。

对于3D打印金属材料来说，最主要的需求是轻质高强，轻质高强的特性主要靠晶格夹层结构实现，晶格夹层结构是一种具备优异的综合性能的多功能轻质结构，主要由两层薄而强的面板和晶胞芯材组成。面板构件的作用是承受平面法向应力和弯曲荷载，芯材是为在保持结构完整性的同时承受横向的剪切应力和压应力。晶格结构作为一种周期性多孔点阵材料，具有高度灵活性，通过调整晶格结构、尺寸和分布可以有效地对其性能进行调控。晶格夹层结构在应用过程中具备质轻、比刚度高、工作载荷高以及导热系数低等优势，在汽车工业、海洋工业和航空航天等热承载和机械承载领域得到广泛的应用。

轻质高强的晶格夹层结构，来源：元禾控股

除了轻质高强以外，3D打印超材料还可以通过内部结构设计实现负泊松比、负热膨胀系数、高吸能率等力学特性，以及声学、电磁、驱动、减震等其他方面的各项性能。

3D打印的研究方向-异质/梯度材料

梯度功能材料（Functionally Graded Materials，FGM）是由两种或多种材料复合且成分和结构呈连续梯度变化的一种新型复合材料，它要求材料功能、性能随构件内部位置的变化而变化，通过设计优化构件的整体性能，而得以满足在极限环境下能反复地正常工作而发展起来的一种新型功能材料，已被广泛应用于航空航天、医学、电子光学及能源等行业。

传统的制造方法可能会造成FGM材料成分不连续分布，使其在复杂工作环境中出现分层失效，严重影响了FGM的实际应用。而增材制造技术因其自下而上逐级加工成形的特性，可以使同一零件中的材料成分呈现出连续性转变，从而为 FGM 制备提供了一种新的思路，也对增材制造路线下FGM的结构力学与材料力学提出了新的挑战，近年来已发展成为工业界研究的重点。

简要介绍不同3D打印技术路线实现异质/梯度材料打印的方式。

激光增材制造：激光增材制造在制备梯度功能材料中，使用最多的是选区激光熔化法（SLM）和激光直接能量沉积法（DED）。SLM法可通过改变预置铺粉的成分和混合粉比例等参数实现所制备材料在垂直铺粉面方向上的成分、组织和性能呈现梯度特性。DED法可通过改变送入预设位置的粉末配比和激光扫描策略，来实现在单一维度或多维度上的梯度材料制备。采用同轴送粉的DED法，可灵活控制，精度较高；SLM法由于使用预先铺粉，混合粉末可精确控制，两者各有优点。

电弧增材制造：单电弧＋单丝、单电弧＋多丝、多电弧＋单丝，以及多电弧＋多丝等多种沉积方式应运而生，特别是异种焊丝WAAM，通过控制焊丝送丝速度来调节成分配比，为梯度材料制备提供了更大的灵活性和沉积效率。

电子束增材制造：可分为基于熔化同步送进丝材的电子束熔丝沉积制造技术（EBDM）和基于预铺粉末的电子束选区熔化技术（EBSM）。EBDM通过调节不同焊丝的送给速率来控制制备材料的合金成分，EBSM通过改变电子束照射到粉末床的能量使不同区域形成不同的合金成分。

3D打印的研究方向-微纳3D打印

微纳机电系统、生物医疗、新材料等诸多领域对于复杂三维微纳米结构有着巨大的产业需求。然而现有的诸如光学光刻、电子束光刻、干涉光刻、激光微细加工、软光刻、纳米压印光刻等微纳制造技术主要实现2维或者2.5维微纳结构制造, 难以实现复杂真三维微纳结构的制造。高效、低成本制造复杂三维微纳结构的一直被认为是一项国际化难题, 也是当前国际上学术界和产业界的研究热点, 以及亟待突破的瓶颈问题。

微纳尺度 3D 打印在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构和复合(多材料)材料微纳结构制造方面具有很高的潜能和突出优势, 而且还具有设备简单、成本低、效率高、可使用材料种类广、无需掩模或模具、直接成形的优点。现有的 3D 打印技术已经实现了宏观尺度任意复杂三维结构的高效、低成本制造。近年来, 国际上微纳尺度 3D 打印已经取得多项重大进展和突破。

简要介绍两项微纳3D打印领域的重点技术。

基于双光子聚合激光 3D 直写：基于双光子聚合激光 3D 直写是目前实现纳尺度 3D 打印最有效的一种技术。基于双光子聚合激光直写 3D 打印是基于双光子聚合原理(或者多光子吸收, multiphoton absorption)。双光子聚合是物质在发生双光子吸收后所引发的一种光聚合过程, 双光子吸收是指物质的一个分子同时吸收两个光子, 双光子吸收的发生主要在脉冲激光所产生的超强激光焦点处, 光路上其它地方的激光强度不足以产生双光子吸收, 并且由于所用光波长较长, 能量较低, 相应的单光子吸收过程不能发生。因此, 双光子过程具有良好的空间选择性。

双光子激发聚合基本原理，来源：《微纳尺度3D打印》，兰红波等，中国科学

连续液面生长（CLIP)：2015 年 3 月 20 日, Carbon3D 公司的 Tumbleston等人在美国 Science （封面文章）上发表了一项颠覆性 3D 打印新技术: CLIP 技术。CLIP 技术不仅可以稳定地提高3D 打印速度, 同时还可以大幅提高印精度。打破了3D 打印技术精度与速度不能同时提高的悖论, 将 3D打印速度提高 100 倍, 并且可以相对轻松地得到无层面(layerless)的打印制品。困扰 3D 打印技术已久的高速连续化打印问题在 CLIP 技术中被完全克服。CLIP 的基本原理: 底面的透光板采用了透氧、透紫外光的特氟龙材料(聚四氟乙烯), 而透过的氧气进入到树脂液体中可以起到阻聚剂的作用, 阻止固化反应的发生。氧气和紫外光照的作用在这个区域内会产生一种相互制衡的效果: 一方面, 光照会活化固化剂, 而另一方面, 氧气又会抑制反应, 使得靠近底面部分的固化速度变慢(也就是所谓的“Dead Zone”)。当制件离开这个区域后, 脱离氧气制约的材料可以迅速地发生反应, 将树脂固化成型。除了打印速度快, CLIP 系统也提高了 3D 打印的精度, 而这一点的关键也还在“死区”上。传统的 SLA 技术在打印换层的时候需要拉动尚未完全固化的树脂层, 为了不破坏树脂层的结构, 每个单层切片都必须保证一定的厚度来维持强度。而 CLIP 的固化层下面接触的是液态的“死区”, 不需要担心它与透光板粘连, 因此自然也更不容易被破坏。于是, 树脂层就可以被切得更薄, 更高精度的打印也就能够实现了。

连续液面生长（CLIP)基本原理，来源：《微纳尺度3D打印》，兰红波等，中国科学

3D打印的研究方向——生物制造/细胞打印

目前生物 3D 打印可分为广义及狭义2 个概念：从广义上来说，直接为生物医疗领域服务的 3D 打印都可视为生物 3D 打印的范畴；从狭义上来定义，通常将操纵含细胞生物墨水构造活性结构的过程称之为生物 3D 打印。基于人体细胞的3D打印可广泛应用于软骨、血管、皮肤等组织器官的再造，也可以应用于肿瘤模型的制作，基于动植物细胞的3D打印可以应用于食品生产、药物生产、定制化木材生产。

多尺度的生物3D打印，来源：元禾控股

但对于细胞打印来说，目前无论是制造过程的生命体活力的保持，还是在使用过程中器官功能再创机理的研究，都还处于初期阶段。现有生物墨水体系仿生度低、可打印性差、种类少，打印工艺稳定性及效率低、与生物墨水匹配性差，打印组织结构存在营养物质输送局限，因而无法实现真正功能化。

由于细胞打印能够有效的实现多种细胞在空间上的定向操纵，所以该方法一直是组织再生的研究热点。虽然目前操纵软物质生物墨水的打印过程方面有一些进展，但在打印后结构的功能化诱导上仍存在明显的短板。今后的重点是要尽快实现从形似进化到神似，使打印的结构具备组织的部分功能。

3D打印的研究方向——新型金属粉末床技术

作为3D打印领域最主流的技术分支，金属粉末床工艺的发展方向之一是将电子束和激光两种热源的优点结合起来。通常来讲，电子束粉末床熔融技术（EB-PBF）具有效率高、温度可控、材料适应性广等特点，但由于束斑粗大，其成形精度较低。激光粉末床熔融技术（L-PBF）的成形精度高、制件表面粗糙度低，但成形效率较低，金属可能反射激光，能量吸收率低。一种结合思路是使用电子束能量利用率高的特点对粉末床进行预热，利用激光精度高的特点对轮廓和主题进行加工成形。

电子束、激光复合成形工艺，来源：《电子束粉末床熔融增材制造装备发展综述》，焦沫涵等，精密成形工程

另外一个研究方向是在粉末床设备中使用液态金属支承金属粉末，称为液态金属浮床。液浮粉末床技术是针对传统激光粉末床增材制造技术中粉末用量大、利用率低、残余应力高的缺点提出的技术。液浮技术使用熔融锡液代替下层粉末。锡液对上层粉末床提供支撑、包裹成形件，有助于改善成形件传热状态。一为提高粉末床和成形件整体温度、减小成形件内温度梯度，减小成形件内的应力；二为加快激光输入热量的流出，增加冷却速率，细化晶粒组织。

液浮粉末床技术原理，来源：《液浮粉末床增材制造设备和方法》，林峰等，中国发明专利

3D打印产业应用与投资分析

增材制造经过几十年的发展已经形成了一条完整的产业链。上游为原材料及零件，包括 3D 打印原材料、核心硬件和软件等；中游以 3D 打印设备生产厂商为主，也包括设备代理商和打印服务提供商；下游应用覆盖航空航天、汽车、电子工业、模具、医疗健康、文化创意、建筑、机器人等多个领域，其中航空航天和消费电子是重点市场。中游大部分3D打印设备生产厂商也会提供打印服务业务及原材料供应，在整个产业链中占据主导地位。

3D打印的市场规模在过去十年间经历了高速增长，并仍将保持较快的增速。根据数字制造提供商Protolabs发布的2024年度3D打印趋势报告，2023年世界3D打印市场规模达到221.4亿美元，过去十年间平均增长率为21%，预计到2030年底将达到883亿美元。知名增材制造领域市场情报公司Wohlers Associates给出的预测是2030年市场规模为775亿美元。根据中国增材制造产业联盟给出的数据，2022年中国大陆增材制造市场规模为330亿元人民币。结合多家机构预测，世界增材制造市场规模仍会以20%左右的CAGR保持增长，而中国市场的预期增长率会高于世界水平，预期会在25%左右。

从我国3D打印市场下游分布来看，工业级应用在整体应用领域中占比 65%-70%，航空航天是工业级应用的主要市场，其在工业级应用中占比 58%，消费级应用在整体应用领域中占比 30%-35%，主要包括教育科研、艺术模型制造和消费电子。工业级市场以国内应用为主，而消费级市场国内应用占比较低，80-90%的桌面消费级3D打印机以主机出口的形式销往海外，这也导致了我国3D打印市场的两个特点，一是从我国3D打印产业链的产值分布看，设备端的占比高于世界水平；二是国内上游3D打印材料市场中，金属材料占比明显高于全球水平。

2022年中国增材制造下游分布，来源：艾瑞咨询

2024年3D打印资本市场严重遇冷。一级市场方面，据南极熊3D打印网统计，2024年1-12月份，国内3D打印行业有32个投融资事件发生（23年全年为38个），投资总额约37.5亿元，出现了断崖式的下滑，相比去年下降约49%。二级市场方面，3D打印行业市值前5的上市公司2024年均下跌：铂力特2025年初市值107.4亿元，较2024年初跌去50.6%；华曙高科2025年初市值94.97亿元，较2024年初跌去25.8%；Stratasys 2025年初市值6.42亿美元，较2024年初跌去34.5%；先临三维2025年初市值43.19亿元，较2024年初跌去19.6%；3D System 2025年初市值4.5亿美元，较2024年初跌去45.2%。市值大幅降低的原因是多方面的，既有经济下行的因素，更主要的是下游航空航天、消费电子等领域的需求增长不及预期，难以支撑过高的P/E倍数。