本文概述了2020年以來3D打印市場范圍內(nèi)比較重要的5項技術(shù)突破和應(yīng)用，以及5項重要的市場事件。相比去年而言，引人關(guān)注的新技術(shù)較少，但關(guān)鍵應(yīng)用增多；此外，幾項重大市場行為引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注，在突出顯示技術(shù)應(yīng)用深化的同時，市場格局也在悄然發(fā)生變化。

1. 陶瓷燒結(jié)只需10秒鐘，速度提升1000倍

傳統(tǒng)的陶瓷燒結(jié)通常需要借助昂貴的商業(yè)設(shè)備處理數(shù)小時時間。為了克服這一挑戰(zhàn)，美國馬里蘭大學(xué)的研究人員發(fā)明了一種超快的高溫?zé)Y(jié)方法，既可以滿足現(xiàn)代陶瓷的需求，又可以促進(jìn)新材料創(chuàng)新的發(fā)現(xiàn)。在這項發(fā)明中，將壓制的陶瓷前體粉末生坯夾在兩根碳條之間，該碳條通過輻射和傳導(dǎo)（以103-104°C/min）快速加熱，能夠在不到10秒的時間內(nèi)達(dá)到高達(dá)3000°C的高溫環(huán)境，陶瓷粉末被迫快速凝固，比傳統(tǒng)的熔爐燒結(jié)方法快1000倍以上。

圖1：快速燒結(jié)原理

研究人員指出，新工藝可防止由于燒結(jié)時間短而引起的揮發(fā)和不良擴散問題，可廣泛、快速地?zé)Y(jié)各種陶瓷和金屬材料，包括3D打印的陶瓷和金屬生坯。將燒結(jié)時間從數(shù)十小時減少到幾分甚至幾秒鐘，將為陶瓷3D打印的發(fā)展，帶來極大推動。同時，這或許對太空陶瓷和金屬3D打印帶來新的機會。

2. 中美成功驗證多種太空3D打印技術(shù)

2020年5月，新一代載人飛船實驗船在軌飛行的2天零19小時內(nèi)，以航天五院為代表的團(tuán)隊完成了多項空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗，其中包括多種3D打印技術(shù)的太空在軌驗證。其中，中科院空間應(yīng)用中心研究團(tuán)隊研制的“在軌精細(xì)成型實驗裝置”，成功克服太空失重環(huán)境導(dǎo)致的打印材料流變行為，創(chuàng)新采用立體光刻3D打印技術(shù)對金屬/陶瓷復(fù)合材料進(jìn)行了微米級精度的在軌制造，為我國未來在軌制造零件提供了技術(shù)儲備。

圖:2：新飛船試驗任務(wù)成功在軌制造的8件陶瓷樣品

由529廠—西交大團(tuán)隊共同研制的“連續(xù)纖維增強復(fù)合材料太空3D打印裝備”實現(xiàn)了國際首次連續(xù)纖維增強復(fù)合材料太空環(huán)境增材制造技術(shù)。連續(xù)纖維增強復(fù)合材料是當(dāng)前國內(nèi)外航天器結(jié)構(gòu)的主要材料，密度低、強度高，開展復(fù)合材料空間3D打印技術(shù)研究，對于未來空間站長期在軌運行、發(fā)展空間超大型結(jié)構(gòu)在軌制造具有重要意義。

12月初，美國Redwire也成功在太空在軌打印陶瓷零件。

3. 超多激光、超大型金屬3D打印時代到來

突破了持續(xù)許久的四激光限制，2020年當(dāng)屬超多激光金屬3D打印時代到來的元年。

10月20日，Velo3D推出新一代具有“超大容量”的Sapphire XC 3D打印機，φ600*550mm的構(gòu)建體積配備了八臺1000W的激光器，是市面上第一款商用化的超多激光金屬3D打印機。

11月10日，SLM Solutions正式發(fā)布其下一代12激光金屬3D打印機，使打印速率提高到1000cc/h及以上成為現(xiàn)實。12激光系統(tǒng)的推出不僅對于增材制造業(yè)來說是一個顛覆性的突破，對于整個制造業(yè)來說也是一個重大的進(jìn)步。

圖3：多激光金屬3D打印機的基本特點

同月，3D Systems公布了其為美國陸軍正在開發(fā)的開發(fā)“世界上最大、最快、最精確的金屬3D打印機”的更多細(xì)節(jié)，該系統(tǒng)配備9臺激光器，成型尺寸達(dá)到1*1*0.6m。

除此之外，弗勞恩霍夫研究所開發(fā)的5激光器原型機成型尺寸為1*0.8*0.5m，Additive Industries明年將推出10激光金屬3D打印機建造尺寸為0.6*0.6 *1m。

4. 國內(nèi)大型金屬和非金屬構(gòu)件實現(xiàn)關(guān)鍵航空航天應(yīng)用

2020年5月8日，由中國航天科技集團(tuán)空間技術(shù)研究院抓總研制的我國新一代載人飛船試驗船返回艙，在東風(fēng)著陸場預(yù)定區(qū)域成功著陸！此次試驗船飛行任務(wù)的圓滿成功，實現(xiàn)了我國超大尺寸整體鈦框架3D打印制造的首次航天應(yīng)用。

載人飛船返回艙防熱大底框架結(jié)構(gòu)是氣動力熱作用下最主要的承力部件，由航天五院總體部主導(dǎo)研制的直徑達(dá)4米的超大尺寸整體鈦框架全部采用鑫精合公司的3D打印工藝制造，成功實現(xiàn)了減輕重量、縮短周期、降低成本的目標(biāo)。新一代載人飛船試驗船的成功返回標(biāo)志著我國超大尺寸關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件整體3D打印技術(shù)通過大考。

圖4：新一代載人飛船試驗船返回艙及采用激光沉積3D打印制造的返回艙防熱大底框架實物

2020年7月23日，長征五號運載火箭搭載“天問一號”火星探測器成功點火起飛。這是長征五號運載火箭首次執(zhí)行應(yīng)用性發(fā)射，運載火箭上的一個重要部件——級間解鎖裝置保護(hù)板，由中國運載火箭技術(shù)研究院航天材料及工藝研究所通過采用華曙高科連續(xù)增材制造系統(tǒng)HT1001P解決方案加工而成。

圖5：級間解鎖裝置保護(hù)板

級間解鎖裝置保護(hù)板直徑達(dá)5米，單批次加工件數(shù)較少，加工頻次較低，如采用傳統(tǒng)注塑方式需要使用模具，模具成本高，且模具的保存成本也較高。而采用3D打印技術(shù)，則無需開模、一體成型。研制單位將保護(hù)板拆分成50件分別打印，每個部件尺寸約為370mm*100mm*125mm，最后將零件拼接而成，耗時僅48小時。該部件的成功應(yīng)用，實現(xiàn)了國產(chǎn)新型大幅面增材制造裝備的應(yīng)用驗證。

5. 3D打印為歐美對抗疫情發(fā)揮重要作用

自歐美爆發(fā)疫情以來，3D打印為這些地區(qū)快速提供物資發(fā)揮了巨大作用，多家3D打印公司將本公司的技術(shù)用于用于醫(yī)療領(lǐng)域。

Carbon每周生產(chǎn)的鼻咽拭子和防護(hù)面罩分別超過100萬支和18000個；Formlabs則使用250多臺內(nèi)部3D打印機，每天生產(chǎn)多達(dá)15萬支檢測拭子，Markforged的生產(chǎn)規(guī)模也擴大到了每天10萬只；英國的Photocentric公司則采用光固化技術(shù)進(jìn)行呼吸器兼容閥門的打印，每周的生產(chǎn)量達(dá)到4萬個。除此之外，巴黎醫(yī)院緊急安裝了60臺Stratasys F123打印機，生產(chǎn)各種用于救援工作的產(chǎn)品，包括面罩、口罩、電動注射泵、插管設(shè)備以及呼吸閥等。

 圖6：3D打印批量制造鼻咽拭子

面對疫情，3D打印快速制造的優(yōu)勢解決了一些國家產(chǎn)品供應(yīng)短缺的問題，這些例子說明在緊急情況下3D打印可以快速反應(yīng)。

6. 投資超1億元人民幣的寶馬增材制造中心正式開業(yè)

6月，總投資超過1500萬歐元的寶馬增材制造中心正式開業(yè)。該中心匯集了寶馬集團(tuán)迄今為止所有關(guān)于該技術(shù)的專業(yè)知識，囊括了當(dāng)今市場范圍內(nèi)幾乎所有最為先進(jìn)的3D打印裝備和最廣泛的技術(shù)門類。此舉將加強寶馬創(chuàng)新先鋒的地位，保持其在汽車增材制造領(lǐng)域的發(fā)展。

圖7：寶馬新增材制造中心內(nèi)景

據(jù)統(tǒng)計，寶馬集團(tuán)使用3D打印超過27年，已經(jīng)生產(chǎn)了數(shù)百萬個零件，成為3D打印領(lǐng)域的深度玩家。寶馬集團(tuán)力圖在單個組件、小批量生產(chǎn)及大規(guī)模生產(chǎn)零部件的多個領(lǐng)域，都能夠提供最佳的技術(shù)和生產(chǎn)工藝鏈條。高大上的3D打印制造、未來數(shù)字化生產(chǎn)的新方向成為寶馬集團(tuán)生產(chǎn)系統(tǒng)中非常重要的組成部分，在大批量生產(chǎn)方面擁有巨大潛力。

7. 飛而康規(guī)劃50臺華曙金屬3D打印機，欲打造一流增材制造超級工廠

近年，國內(nèi)航空航天事業(yè)迅猛發(fā)展，增材制造的應(yīng)用不斷深化，而專注于航空航天增材制造服務(wù)的飛而康因此也迎來了歷史上難得的發(fā)展機遇。2019年，飛而康與華曙高科達(dá)成戰(zhàn)略合作，雙方致力于航空航天最新設(shè)備研制和飛而康材料及工藝研發(fā)，打造基于華曙高科金屬解決方案的“飛而康金屬增材制造產(chǎn)業(yè)化超級車間”。車間列裝華曙高科超大型、大型、中型金屬設(shè)備，已支持多項國家重點型號工程的研制，涉及數(shù)十個航空航天器型號任務(wù)。

圖8：飛而康增材制造車間局部

為滿足快速增加的訂單需求，飛而康進(jìn)一步擴充車間產(chǎn)能。今年5月，飛而康發(fā)布消息，將規(guī)劃產(chǎn)能再翻四倍，將華曙高科金屬設(shè)備的列裝數(shù)量將會擴充至50臺，屆時車間的加工能力將躍上一個新的臺階，成為名副其實的增材制造超級車間。10月初，飛而康已經(jīng)收到第20套金屬3D打印系統(tǒng)，其中19套是大幅面的 FS621M和FS421M系統(tǒng)，飛而康將繼續(xù)打造其超級增材制造工廠。

8. 鉑力特中標(biāo)4600萬元金屬3D打印項目，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用加深加快

據(jù)中化商務(wù)電子招投標(biāo)平臺11月消息，西安鉑力特中標(biāo)北京動力機械研究所3300萬元高尺寸、大幅面激光選區(qū)熔化成形設(shè)備和1300萬元中小規(guī)格激光選區(qū)熔化成形設(shè)備項目。招標(biāo)人隸屬中國航天科工集團(tuán)第三研究院，具有明顯的航空航天背景。如此大金額購買相關(guān)設(shè)備，定是基于明確的應(yīng)用需求以及對設(shè)備質(zhì)量的絕對信心，而這種信心也定是來源于長時間的驗證。

鉑力特2020年推出了多款金屬3D打印機。據(jù)官方介紹，鉑力特于3月發(fā)布BLT-S450，可滿足我國大推力重型運載液體火箭發(fā)動機關(guān)鍵部件大尺寸、復(fù)雜曲面精密結(jié)構(gòu)成形要求，為航天液體動力領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展賦能；6月發(fā)布BLT-S600，突破了四光束聯(lián)動掃描與拼接等關(guān)鍵技術(shù)，成形尺寸、成形精度處于國際先進(jìn)水平；8月發(fā)布BLT-S510，首次在全球?qū)崿F(xiàn)單向1000毫米級大尺寸金屬3D打印，填補了國內(nèi)外空白，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖9：BLT-S600市場價格1000萬以上

除中國供應(yīng)商獲得較大訂單之外，無支撐金屬3D打印的領(lǐng)導(dǎo)者VELO3D，于今年6月宣布獲得航空航天客戶2000萬美元的訂單，這也是迄今為止該公司獲得的最大訂單。通過這三項市場行為，3D打印技術(shù)參考認(rèn)為，航空航天領(lǐng)域?qū)?D打印技術(shù)的應(yīng)用正在進(jìn)入快速發(fā)展時期。

9. Stratasys 1億美元收購可編程光固化創(chuàng)業(yè)公司，完善聚合物3D打印體系；

Stratasys公司以FDM技術(shù)起家，其基于該技術(shù)的工業(yè)級3D打印機在各行各業(yè)廣泛使用， 在該市場具有領(lǐng)導(dǎo)地位。2012年，Stratasys與以色列Objet公司合并，從而將Polyjet技術(shù)收入囊中，基于該技術(shù)的彩色3D打印機具有業(yè)內(nèi)最高的精度和最優(yōu)秀的表面質(zhì)量，繼續(xù)奠定了其在業(yè)內(nèi)的領(lǐng)導(dǎo)者地位。2014年，Stratasys 4億美元收購MakerBot，彌補了其在大眾消費級市場的短板。

然而，隨著3D打印獨角獸企業(yè)Carbon的崛起，CLIP、HARP等高速光固化制造技術(shù)受到廣泛關(guān)注，并日益顯示出批量制造的優(yōu)勢。本月，Stratasys宣布將以1億美元（約合6.5億人民幣）的現(xiàn)金加股票，收購基于光固化3D打印技術(shù)來大規(guī)模生產(chǎn)零件的美國初創(chuàng)公司Origin，希望步入光固化樹脂3D打印批量化生產(chǎn)的大潮流中。Origin憑借專有的高速P3技術(shù)，可以使3D打印盡可能的實現(xiàn)自動化和可擴展，同時提供針對速度和批處理進(jìn)行了優(yōu)化的打印技術(shù)和材料，以可預(yù)測的和具有競爭力的成本擴大規(guī)模。此次收購預(yù)計將于2021年1月完成，屆時 Stratasys將 鞏固其在聚合物和3D打印生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

10. 國際巨頭2020營收喜憂參半，伴隨大幅裁員

2020年上半年，3D Systems總收入2.468億美元，與2019年上半年的3.093億美元相比下降20％。即便第三季度有所好轉(zhuǎn)，但前九個月營收仍比去年同期降低17.8%至3.81億美元。在此情況下，3D Systems于二季度開始減少其運營及研發(fā)費用，并開始重組計劃，以專注于其醫(yī)療保健和垂直行業(yè)，與公司新戰(zhàn)略不符的業(yè)務(wù)部門將會被剝離。該公司希望將其運營成本降低1億美元，作為重組計劃的一部分，3D Systems計劃裁員20％，希望明年實現(xiàn)盈利。截至目前，公司"戰(zhàn)略再聚焦 "和削減成本的努力正在取得成效。

Stratasys在今年6月宣布，為減少疫情影響，將在全球范圍內(nèi)裁員10%以“精簡”業(yè)務(wù)，即便必須支付約600萬美元的遣散費，但此舉以及其他降低成本的政策預(yù)計將為公司每年節(jié)省約3000萬美元的運營費用。Stratasys在今年前九個月收入3.94億美元，相比去年同期降低14%，公司業(yè)務(wù)自第三季度開始改善，自二季度為通用汽車安裝了17臺FDM打印機后，8月份又獲得了公司有史以來最大的航空訂單——為AM Craft安裝4臺F900系統(tǒng)。

巨頭公司Materialise的收入增長情況與3D Systems和Stratasys類似，而SLM Solutions在今年前九個月的總收入則呈現(xiàn)出持續(xù)增長的態(tài)勢，同比比去年增長37%，尤其在其他公司開始裁員、削減開支的第二季度，該公司卻逆勢增長90%，成為上半年歐美增材制造行業(yè)的唯一亮點。SLM Solutions自去年5月開始進(jìn)行企業(yè)重組，此后逐步向盈利方向邁進(jìn)。

在其他公司方面，Voxeljet在第三季度恢復(fù)增長10%，Exone的系統(tǒng)銷售額也翻了一番。國內(nèi)方面，鉑力特財報顯示前三季度收入1.3 億元，同比下降25%，凈利潤虧損0.13億元。受下游航空航天訂單確認(rèn)周期的季節(jié)性影響，預(yù)計業(yè)績將集中于四季度釋放（如關(guān)鍵點8）。而華曙高科則透露，其在2020年前三季度收入相比去年翻番，其強勁的收入增長來源于2019年的大量訂單積壓以及在2020年獲得的幾筆大合同，對于具體金額，該公司并未透露。

總體來說，在最新3D打印技術(shù)的研發(fā)進(jìn)展方面，2020年并沒有太多可圈可點之處，即便3D打印技術(shù)參考搜遍了nature和science論文，研究也多聚焦于非常細(xì)小的應(yīng)用領(lǐng)域，對技術(shù)的整體發(fā)展貢獻(xiàn)不多。另一方面，3D打印技術(shù)在航空航天應(yīng)用方面則表現(xiàn)突出。最后，由于受到疫情的持續(xù)影響，國際范圍內(nèi)的頭部企業(yè)受到了重創(chuàng)，而國內(nèi)則依賴強大的內(nèi)需，獲得較為良性的發(fā)展。