3D打印技术发展战略及产业化研究报告

李丽婷

3D打印技术发展战略及产业化研究报告

李丽婷

3D打印技术

1.概况

3D打印技术起源于二十世纪八十年代初期，伴随着信息技术、工程控制、材料科学的进步而不断发展。2008年国际金融危机后，在欧美发达国家“再工业化”战略的驱动下，3D打印技术在全球范围内进入快速发展阶段。3D打印技术已从最初的科研迅速延伸至航空航天、医疗卫生、工业制造、文化创意及建筑等诸多应用领域，有望成为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力。3D打印技术研究内容主要涵盖3D打印设备、工艺、材料及数字化建模软件四个方面。现阶段3D打印的研究较多集中在工艺及设备的改进，打印材料研发及应用软件开发等方面尚不成熟。3D打印领域已经发展出了逐层实体制造、熔化沉积成型、立体光固化成型、激光选区烧结、激光选区熔融、激光近净成形、电子束熔融等各种不同的成型工艺技术及设备，其中金属激光成型技术是当前研究热点。3D打印使用的材料主要有金属、高分子、无机非金属三大类，其中金属粉末成型材料、生物高分子成型材料是当前研究热点。新型3D打印材料研发是3D打印技术应用突破的重点，也是3D打印技术潜在的技术发展与布局方向。

2.局限

目前3D打印技术还存在许多局限性。3D打印技术在工艺稳定性、加工精度、重复加工的效果一致性等方面，与传统加工制造技术相比还有一定差距；在支撑工艺、激光扫描算法程序、复杂数据处理、RPM软件标准化和二次开发等方面，也存在许多不足。另外，3D打印设备自身的体积限制、打印材料的特殊要求等也限制了3D打印技术的应用范围。

3.演进

3D打印技术是一个涉及多个学科的知识体系，其技术演进实质上是其产业链不断协调发展的过程。现阶段的3D打印技术研究已经由基础研究逐渐过渡到应用研究。很多国家不仅仅将3D打印作为一项技术进行培育，更多的是围绕3D打印技术进行3D打印产业化研究。3D打印技术与互联网、大数据、云计算等领域结合，将会带来制造模式和商业模式的创新。

国外主要国家与地区发展战略

作为新一轮科技革命和产业变革中的代表性和颠覆性技术，3D打印技术的发展受到世界各国的高度重视。世界各国纷纷出台了相关扶持政策和投资发展计划，大力发展3D打印产业，旨在占领新工业革命的前沿阵地。美国首当其冲，引领全球3D打印发展热潮，欧洲及其他地区国家纷纷效仿，积极推动3D打印技术的研发及应用推广。

1.美国

在国家战略层面，奥巴马总统2011年出台了“先进制造伙伴关系”计划；2012年2月，美国国家科学与技术委员会发布了 《先进制造国家战略计划》；2012年3月，美国白宫又宣布投资10亿美元实施“国家制造业创新网络”计划，全美制造业创新网络由15家制造业创新研究所组成，专注于3D打印和基因图谱等各种新兴技术，以带动制造业创新和增长。在这些战略计划中，均将3D打印技术列为未来美国最关键的制造技术之一。2012年8月，作为“国家制造业创新网络”计划的一部分，美国“国家增材制造创新中心”（NAMII）成立，该中心是一个由产、学、研三方成员共同组成的公-私合作研究机构，致力于增材制造技术和产品的开发，主要研究的三项技术主题是：打印材料特性和效能的研究、资格鉴定和认证测试、加工能力和过程控制。2013年10月，NAMII更名为“美国制造”中心，并制定了3D打印技术发展路线图，积极通过会议、培训、项目征集等方式推广3D打印技术。由此，美国成为全球3D打印技术最为重要的推动者，率先在国家层面上推动3D打印技术和产业的快速发展。一方面，通过政府资金投入的牵引提升3D打印技术成熟度；另一方面，通过商业合作、媒体宣传及人才培养等多种方式，拓展3D打印技术的应用领域，突破产业瓶颈。

目前，美国在3D打印技术研究和产业化发展上都取得了显著成就，相应技术已经大规模市场化，商业模式比较成熟，产业链比较完整。从上游的3D打印设备、3D打印程序设计专用软件、3D打印材料，到下游的3D打印技术应用、3D打印技术服务等，都保持了有效的链接和循环促动。主要的3D打印公司都是一体化的3D打印解决方案提供商，如全球3D打印行业领导者3D Systems公司和Strategys公司，都能提供3D打印设备、配套的程序设计专用软件和专用的3D打印材料；还有专门的3D打印服务运营模式，如做3D打印产品服务的互联网企业shapeways公司，运营着一个网络平台，有效整合了专业设计师、业余设计人员、消费者、3D打印技术和平台商的关系，形成了一个3D打印服务的生态系统。

2.欧盟及成员国

欧盟在3D打印方面的布局和美国类似，2004年开始搭建3D打印创新中心——欧洲3D打印技术平台（AM Platform）。目前，平台联盟成员超过350名，横跨欧盟26个国家。AM Platform的主要功能是提供3D打印发展的策略与需求分析研究，为欧盟执委会政策及研发计划的制定提供参考依据。AM Platform于2012-2014年发布了多版《3D打印战略研究议程》报告，为整个欧盟3D打印的技术进步和产业发展提供了指导框架，并着力推动3D打印成为一个可以长期推动欧洲经济发展的关键技术。欧盟在通过各种计划对3D打印进行持续支持的同时，也开展了路线图的研究工作。AM Platform先后制定了欧盟3D打印的技术路线图、产业路线图和标准路线图。资金方面，2007-2013年期间，欧盟第七框架计划为60个3D打印联合研究项目提供了支持，总计投资1.6亿欧元。在欧盟“地平线 2020项目”计划（2014-2020年）框架下，一些新的3D打印研究项目将继续得到支持，并且一些用于商业应用的3D打印项目也将纳入计划。

德国2008年成立了 “直接制造研究中心”，旨在联合工业界和学术界共同促进德国3D打印技术的发展；2010年制定了《高技术战略2020》，提出了工业4.0战略，将3D打印作为重要技术之一，每年定向投入已超过2000万欧元，用以促进机构之间的研发协作。

英国政府将3D打印列为应对未来挑战急需发展的22项先进技术之一，自2011年开始持续增大对增材制造技术的研发经费，并在多个大学相继建立了增材制造研究中心。

此外，西班牙、法国、葡萄牙、荷兰、意大利及比利时等国也积极采取措施，以推动3D打印技术的发展及应用。

3.俄罗斯

俄罗斯政府目前尚未推出任何关于3D打印方面的国家战略，也没有将3D打印列入国家关键发展技术名单，但已开始支持建设3D打印技术中心，并在重工业发展较好的莫斯科等地区推动3D打印产业的发展。同时，由于俄罗斯在激光技术领域的全球领先地位，使得俄罗斯在粉末床熔融技术、直接金属激光烧结技术和选择性激光熔化成型技术等与激光技术有关的3D打印领域处于世界领先地位。俄罗斯研究机构也在研究3D打印在航空航天、医疗卫生等领域的尖端应用。如：研发能在国际空间站使用可支持复合材料打印的3D打印机；开发可以在零重力环境下运行的磁性3D生物打印机；通过激光近形技术打印基于钛和镍的多孔材料输送药物；通过选择性激光烧结技术打印蛋白植入物、通过选择性激光烧结技术使用金属纳米粒子打印燃料电池和氢蓄电池等。

4.亚洲主要国家与地区

2014年4月，中国台湾地区科学技术管理部门宣布了一项为期3年的3D打印发展计划，同年8月在《3D打印科技的发展及推动》报告中称，计划未来4年将投入10亿新台币 支持13个研究计划。重点是以应用为向导，着重布局3D打印设备、软件和材料的开发，并推动数据库的建立，计划在2018年前，培养百万名3D打印应用与文创人才，建成从关键部件、材料到软件技术完全自主的3D打印产业集群，掌握全球3D打印30%的产能，建立世界级的创意设计与中华文化巨量信息图库。

日本政府对3D打印产业在财政上大力支持，2014年投入40亿日元 ，由经济产业省组织实施“以3D打印为核心的制造革命计划”。

2014年韩国政府发布了一个长达10年的3D打印战略规划，以推动和发展3D打印技术，使之成为新兴增长市场，并帮助制造业部门实现转型。

2013年新加坡贸易与工业部发布了 《国家制造发展计划》，增材制造作为未来技术发展关键领域之一被列入计划中。同年，新加坡科技研究局推出增材制造特别计划，由经济发展委员会提供资金支持，发展3D打印工艺技术，以支撑新加坡航空、汽车、石油天然气、海洋和精密工程等高技术制造业的发展。

印度政府目前还没有推出任何支持3D打印发展的政策措施。印度3D打印产业仍处于起步阶段，市场规模小且发展缓慢。但印度在3D打印软件开发方面较为成功，许多研究已经转化为成果，可用于制造模型、计算切片厚度、通过医学图像创建3D物体等方面。

国内发展战略和现状

1.战略

中国政府也高度关注3D打印技术，并适时推出了发展3D打印的相关措施和扶持政策。2012年10月，成立了“中国3D打印技术产业联盟”，以协调推进3D打印技术产业发展。2013年4月，中国首次将3D打印产业纳入国家863计划中。2015年2月，中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、财政部联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划（2015-2016年）》，从国家战略高度提出3D打印的发展方向和目标。该计划针对3D打印产业链中各关键环节如材料、工艺、设备和标准中的核心技术瓶颈进行布局，实现技术和产品上的快速发展。该计划提出到2016年，初步建立比较完善的3D打印产业体系，整体技术水平保持与国际同步，力争在产业化程度、技术水平、行业应用及研发支撑等四个方面取得重大进展。与欧美国家3D打印战略计划相比，该计划更加突出了政府引导和技术创新的牵引作用，这将为中国追赶欧美3D打印的领军地位提供强大的保障。2015年3月份“两会”期间，李克强总理在政府报告提出了 “中国制造2025”、“互联网+”行动计划、“大众创业，万众创新”三项具体措施，均和3D打印技术密切相关；5月份国务院正式对外公布《中国制造2025》规划，其中3D打印成为加快实现智能制造的重要技术手段。

2.现状

近年来，中国3D打印技术取得了较好的发展，科学研究取得了不少突破。国内已有多家高校、科研机构及企业开展了3D打印技术领域的自主研发，取得了与国外基本保持同步、国内领先的科技成果。如，西安交通大学的立体光固化成型技术、华中科技大学的选择性激光烧结技术、清华大学的熔化沉积成型技术、北京航空航天大学的金属直接制造技术、西北工业大学的激光立体成形技术、中船重工第705研究所的金属直接烧结快速成型技术，湖南顶立科技有限公司自主开发的球形纯钛粉等金属基3D打印材料等。此外，国内已有部分3D打印技术处于世界先进水平，一些科研成果已经被应用到航空航天及生物、医学等尖端领域。如：北京航空航天大学研发的 “高性能加工大型复杂整体关键构件激光直接制造技术”，使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家，该技术已被应用于C919等重点型号大型客机及歼-20等军用战斗机的研发中。四川蓝光英诺生物科技股份有限公司成功研制了世界首创的3D生物血管打印机，仅仅2分钟便打出10厘米长的血管，并且可以打印出血管独有的中空结构、多层不同种类细胞。

虽然中国针对国际上的主流3D打印技术都已经开展了研究，但在应用和产业化方面还发展缓慢，主要问题是原创技术太少，产业链尚未有效形成，产业化的应用规模远远不够。从总体来看，中国3D打印技术在装备与核心元件、材料、软件、产业整合及服务模式等方面，与美欧先进国家相比存在一定差距，尚未形成完整的产业体系。在材料、设备和应用上仍有困难，应用成本较高，规模化应用尚需时日。中国在3D打印材料的研发和生产方面处于劣势，国内使用的3D打印材料主要依赖进口，这导致材料价格居高不下，仅少数军工、航天及医疗等大企业及重要科研机构可以消化材料的高成本，其他的大多数用户难以承受这种成本代价，这直接制约了3D打印技术在国内的产业化进程。

3.专利申请情况

采用CNIPR中外专利数据库服务平台进行检索，截止2016年10月25日，涉及3D打印技术的中国专利申请共有9381件，具体如表1。

表1 3D打印技术中国专利申请情况

图1 中国3D打印技术生命周期

从技术生命周期看，如图1，中国3D打印技术2012年开始进入技术成长期，专利申请量和申请人数都呈现快速上升的趋势。2013年出现了爆发式增长，专利申请量增长了5倍，申请人数增长了近3倍。其中，近10年（2006-2015）专利申请量及申请人数如表2。

表2 中国3D打印技术近10年专利申请量&申请人数

从技术领域看，如图2，中国3D打印专利技术主要涉及塑料成型及后处理（B29C）、金属粉末加工及制品制造（B22F）和高分子化合物的组合物（C08L）等技术和方法，占总量62%，其中塑料成型及后处理（B29C）技术占47%。此外，还涉及陶瓷材料及制品成型 （B28B、C04B）、假体等医疗用品（A61F、A61L、A61B等）、打印设备（B41J）和数据处理（G06F）等。

图2 中国3D打印专利技术领域分布（IPC小类）

从地域及申请人看，如表3，在9381件3D打印技术中国专利申请中，本国申请占95%，国外来华申请占5%。本国申请人主要为企业和高校，各占55%和27%，个人占13%；申请地集中在广东、江苏、北京、浙江、上海和陕西6省市，共占本国申请总量60%。福建省和台湾地区申请量也不少，各为265件和151件，分别为第11名和第16名。国外来华申请人90%为企业；申请地主要来自美国和欧洲诸国，其中美国居首，申请210件，占47%；欧洲诸国次之，151件，占34%。金砖国家俄罗斯、印度、巴西和南非等均未在中国申请3D打印技术相关专利。国内外专利申请量排名前20的申请人及专利数如表4。国内专利申请量排名前20的申请人，12个为企业，7个为高校，其中珠海天威飞马打印耗材有限公司和西安交通大学专利申请量都在100件以上。国外来华申请的规模相对较小，主要是美欧企业居多，全球领先的3D打印设备提供商美国Strategys公司、3D Systems公司和德国EOS公司都已在中国申请3D打印相关专利技术。

可见，中国3D打印技术起步较晚，市场还处于试探期，专利技术主要为本国申请，国外企业还未在中国市场大规模布局专利技术。中国3D打印专利技术研究主要侧重于塑料成型及后处理技术，金属、高分子材料及成型技术次之，医疗卫生方面的应用研究也不少。中国3D打印技术创新主体是企业，已涌现出了一批行业领军企业。

表3 本国申请&国外来华申请情况

表4 国内外专利申请量排名前20的申请人及专利数

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厦门发展现状

1.政策

福建省于2013年7月发布了国内首个支持3D打印产业发展的省级政策——《福建省关于促进3D打印产业发展若干意见》，并于2014年4月正式成立福建省3D打印产业联盟，集聚了中科院福建物质结构研究所、福州大学和厦门大学等科研机构以及一批制造、应用企业。2015年9月，福建省经信委、省发改委和省财政厅联合出台《福建省增材制造产业行动方案（2015-2017年）》，提出“以工业设计、个性化医疗器械、教育文化、汽车零部件加工、精密铸造及航空航天零部件等领域为重点，构建公共服务平台，着力解决产业关键问题，掌握核心技术；研发一批具有自主知识产权的成形材料、装备及核心器件，提升核心技术竞争力，形成2～3家在国内具有较强竞争力的制造及应用企业；深化行业应用的深度和广度，力争部分项目获得国家级应用示范的支持”。

2013年，厦门市人民政府在“关于支持模具行业发展的实施意见”中，提出将3D打印技术项目列入相关专项资金的重点支持对象。2015年，厦门市人民政府在 “关于加快发展智能制造十条措施的通知”中，增材制造设备被列为发展智能制造的主攻方向之一。2016年，在厦门市“十三五”科技创新发展规划中，“生物与新医药”和“智能制造”两个重点创新领域的实施路径都提到应用3D打印技术。2016年5月，集美区人民政府与快速制造国家工程研究中心合作设立了 “快速制造国家工程研究中心厦门研发中心”“卢秉恒院士厦门工作站”也同时揭牌，这个工作站将与厦门研发中心一起，围绕技术研发、产学研成果转化、技术人才培训等内容，促进厦门3D打印产业和智能制造的发展，为汽车、卫浴、制鞋等行业在新产品开发、产业转型升级等方面提供快速磨具技术服务和整体解决方案。

2.专利申请情况

厦门市3D打印技术专利申请较晚，2013年才开始有4件专利申请，此后快速增长，2014年为14件，2015年增至50件。厦门没有3D打印技术相关PCT专利申请。目前已申请3D打印技术相关国内专利 81件， 其中 57%涉及塑料成型技术（B29C67）。具体专利申请情况如表5。企业是厦门3D打印技术创新主体，研发技术主要涉及3D打印设备及其数据处理系统，也涉及3D打印技术在医药卫生、医疗设备、电子器件、卫浴设备、可穿戴设备、珠宝首饰及化妆品等领域的应用；专利申请量8件以上的企业为厦门达天电子科技有限公司、三维泰柯（厦门）电子科技有限公司、厦门斯玛特物联科技有限公司及厦门螺壳电子科技有限公司。

表5 厦门3D打印技术专利申请情况（件）

厦门市3D打印技术国内专利申请量仅占福建省总量31%，与福州有一定差距，福州申请量为132件，占福建省总量约50%，福州大学和中国科学院福建物质结构研究所是其主要专利申请人。15个副省级城市3D打印技术国内专利申请数量如表6，厦门申请总量排名倒数第二。

表6 15个副省级城市3D打印技术国内专利申请数量（件）

3.企业

厦门主要3D打印企业不仅进行3D打印技术研发，还采用线上线下相结合的3D打印技术服务运营模式，实现自身的转型升级。如：厦门斯玛特物联科技有限公司采用线下的3D打印技术服务、生产研发搭配线上3D打印消费服务平台，构建了3D打印服务的O2O闭环，实现自身的转型升级。成立了闽台3D打印服务与交易平台，在云端搭建三维创客(www.3wck.com）电商平台，利用在线网络服务，帮助两岸设计师进行3D打印及云数据的交流互动。如今，三维创客主要承载的是三维模型云端下载、创意定制服务、3D打印产品在线交易、教育远程培训、三维创客众筹平台。厦门三维云科技有限责任公司致力于3D扫描设备、3D高清展示及3D数据测量的研发，旗下拥有“美时美刻”3D扫描相关设备品牌及“乐乐三维云”数据云平台品牌。在全球率先推出多个扫描仪同时协同扫描并自动合成数字三维模型的3D扫描亭设备，完美解决了高难度动作和表情的3D扫描。乐乐三维云平台是电商三维展示的最佳选择，是国内一流的集高清三维展示、3D打印于一体的三维云平台。

4.总结

（1）政策方面。2013年以来，福建省已出台了促进3D打印产业发展的省级政策及行动方案，厦门市虽然没有出台相应的市级政策及行动方案，但提出了对3D打印技术项目进行专项资金支持的意见，及应用3D打印技术推动科技创新和产业转型升级的需求。

（2）技术及产业方面。厦门3D打印技术起步较晚，基础技术创新薄弱，专利申请量与副省级城市及省内的福州相比，有一定差距。企业是厦门3D打印技术创新主体，但产业规模“小而散”。可喜的是，已有部分企业有较完善的3D打印运营模式实现自身的转型升级；3D打印技术也已在多个领域初步与传统产业结合，促进传统产业升级改造。

5.产业化发展评述及建议

3D打印技术正在成为发达国家实现制造业回流、提升产业竞争力的重要载体。3D打印产业的发展离不开政府的政策与资金支持。美欧等发达国家都通过国家层面战略推动力，从设立专项扶持资金，制定技术路线图、研究计划、行业标准，建立公共技术平台、产业联盟、示范基地及创新运营模式等方面大力推动3D打印产业发展。目前美欧等发达国家均已进入技术相对成熟期，已经形成了相对比较完整的产业链。我国政府对3D打印技术也给予了高度关注，科学研究取得了不少成效，但我国要想缩短与美欧等发达国家的差距，除了国家战略、技术路线、推进计划外，更需要鼓励基础技术创新、加强3D打印核心技术全球化研发人才引进、扶植3D打印市场开拓、培育3D打印产业链等。目前我国制造业正处于转型升级的阶段，3D打印技术有利于“中国制造2025”计划的推进，并将为我国制造强国的实现发挥重要作用。我们要抓住这个契机，尽快推进3D打印产业化，加快我国制造业转型升级。

针对厦门市3D打印产业还处于发展初期，基础技术创新薄弱，产业规模“小而散”等实际情况，以下对加快推进厦门3D打印技术研究及产业化进程提出几条建议，仅供参考。

（1）建立推进3D打印技术研究及产业化的政策支持体系，鼓励和引导3D打印产业快速发展；同时设立3D打印技术发展专项财政基金，对3D打印技术研究、推广应用、普及教育等予以支持。

（2）鼓励和引导3D打印技术在各个行业的创新应用，统筹发展与3D打印相关的产业。一是以“快速制造国家工程研究中心厦门研发中心”为载体，开展3D打印成型材料、核心部件和装备、建模软件等关键共性技术研发，克服技术瓶颈。二是搭建工业设计、医疗器械、文化创意等3D打印公共服务平台，创新3D打印运营模式，提升3D打印技术推广应用速度。三是设立传统产业再设计、文化创意等3D打印应用示范基地，开展应用试点示范与推广，完善3D打印市场培育。四是推进3D打印技术应用于生物医药、文化创意等战略性新兴产业，促进双向共赢发展；推进3D打印技术与传统产业相结合，对接智能制造，促进传统产业转型升级。

（3）成立厦门市3D打印行业协会，搭建厦门市3D打印产业联盟，为3D打印产业提供信息、培训和交流服务，推动行业交流与合作，促进产业协同创新发展。

（4）重视3D打印技术人才储备和培养。一是加强高端技术人才引进，依托“双百计划”和“海纳百川”等人才引进计划，吸引海内外在3D打印技术方面有领先优势的人才和项目落户厦门；二是强化3D打印技术后备人才培育，在大学以及中等职业学校开设3D打印技术课，促进3D打印社会化公共化推广。

（5）制定配套的3D打印技术知识产权保护方案，为3D打印技术的产业化提供良好的法制环境。

（作者单位：厦门市科学技术信息研究院）

注

[1]10亿新台币约为2亿元人民币

[2]40亿日元约为2亿元人民币

[3]由于我国发明专利申请延迟18个月公开的制度，截止本报告数据检索日，仍有一部分2015年的发明专利尚未公开，所以2015年实际申请专利数量是大于本报告统计数量的。

[4]斯特拉塔西斯公司：Stratasys Inc.

[5]3D系统公司：3D Systems Inc.

[6]由于我国发明专利申请延迟18个月公开的制度，截止本报告数据检索日，仍有一部分2015年的发明专利尚未公开，所以2015年实际申请专利数量是大于本报告统计数量的。