應用領域與主要企業(yè)

3D 打印經過30 年的發(fā)展，已經形成了一條完整的產業(yè)鏈。產業(yè)鏈的每個環(huán)節(jié)都聚集了一批領先企業(yè)。上游涵蓋了掃描設備、逆向工程軟件、在線社區(qū)、CAD 軟件、數(shù)據(jù)修復和材料，解決了3D 打印的數(shù)據(jù)和材料來源;中游以設備企業(yè)為主，這些企業(yè)大都提供材料和打印服務業(yè)務，在整個產業(yè)鏈中占據(jù)主導地位;下游打印服務是行業(yè)發(fā)展到一定階段才出現(xiàn)的商業(yè)模式，該環(huán)節(jié)介于中游和下游之間，負責銜接3D 打印與下游行業(yè)應用。從專業(yè)級別劃分來看，企業(yè)大多數(shù)集中在工業(yè)級領域。

制造業(yè)

在3D打印發(fā)展之初，其應用僅局限在原型制作或工藝品打印。隨著3D打印技術的日趨成熟，在汽車、航空、醫(yī)療、教育、電子消費品等領域有了更為廣泛的應用。其中3D打印在航空和汽車領域的發(fā)展已經比較成熟，而生物醫(yī)療則成為了最近3D打印研究的熱門領域。

汽車行業(yè)

汽車制造商可以算作是增材制造技術的最早使用者之一，過去幾十年汽車制造商多將3D打印技術應用于小批量原型制造。最近幾年，各大汽車制造商開始加大3D打印技術使用步伐，向更高價值的應用轉變，3D打印在汽車行業(yè)的應用正在從用于最終檢查和設計驗證的相對簡單的概念模型，演進到用于測試車輛、發(fā)動機和平臺的功能性部件。目前，汽車行業(yè)是3D打印的原型零部件的主要生產者，每年汽車行業(yè)將生產超過10萬件原型零部件和添加制造的模具。

航空航天

3D打印技術特別是金屬直接快速成形工藝成為航空航天領域的應用熱點，其優(yōu)勢體現(xiàn)在生產周期短、生產成本低、減重（輕量化）等方面。

由于航空航天設備所需要的零部件往往都是一些需要單件定制的小部件，如果運用傳統(tǒng)工藝制作勢必會存在制作周期過長、成本過高的問題。3D打印工藝制造速度快，成型后的近形件僅需少量后續(xù)機加工，可以顯著縮短零部件的生產周期，滿足對航空航天產品的快速響應要求。3D打印加工過程的材料利用率很高，成形過程無需專用模具、工具和夾具，可以節(jié)省制造航空航天裝備零部件所需的昂貴原材料，顯著降低制造成本。

金屬零件直接成形時的快速凝固特征可提高零件的機械性能和耐腐蝕性，與傳統(tǒng)制造工藝相比，成形零件可在不損失塑性的情況下使強度得到較大提高。如由激光快速成型技術打造的一次成型鈦合金的承力能力比普通鍛造、焊接強上近30%。

同時，3D打印擁有良好的設計靈活性和加工柔性。3D打印工藝能夠實現(xiàn)單一零件中材料成分的實時連續(xù)變化，使零件的不同部位具有不同成分和性能，是制造異質材料（如功能梯度材料、復合材料等）的最佳工藝。航空航天裝備的零部件由于工作環(huán)境的特殊性通常對材料的性能和成分有著嚴格甚至苛刻的要求，大量試用各種高性能的難加工材料，而3D打印技術可以方便地采用高熔點、高硬度的高溫合金、鈦合金等難加工材料。

醫(yī)療行業(yè)

目前醫(yī)療行業(yè)3D打印技術的應用主要有以下幾方面：一是無需留在體內的醫(yī)療器械，包括醫(yī)療模型、診療器械、康復輔具、假肢、助聽器、手術導板等;二是個性化永久植入物，使用鈦合金、鈷鉻鉬合金、生物陶瓷和高分子聚合物等材料3D打印骨骼、軟骨、關節(jié)、牙齒等產品，通過手術植入人體;三是3D生物打印，即使用含細胞和生長因子的“生物墨水”，結合其他材料層層打印出產品，經體外和體內培育，形成有生理功能的組織結構。

體外醫(yī)學模型

3D打印模擬器官可以用來檢測藥物效果，一方面有利于縮短臨床藥物研發(fā)周期，另一方面可以避免潛在的人體試驗損害，極大地節(jié)省新藥的研發(fā)費用。構建3D 模型在手術設計、操作演練等方面具有廣闊的應用前景和極高的應用價值。器官或組織的3D 醫(yī)療模型，能夠將器官或組織內部構造的細節(jié)逼真地顯示出來，使得醫(yī)學知識變得更加直觀明了。這種技術已在整復外科、口腔科、眼科等領域中的顱骨修復、下頜骨修復正形等方面發(fā)揮了積極作用。

3D打印通過復雜建?？稍旄Ｍ饪剖中g。醫(yī)生在手術前可以在患者體外再現(xiàn)體內實際模型，可以通過反復利用模型進行實驗分析，從而減少在真實手術中的效率和風險。例如，北京阜外醫(yī)院主要將這一技術應用在心血管介入手術方面，與比利時的3D 打印服務商Materialise 合作，在手術前提前模擬打印出心臟模型進行精準化訓練，從而大大提升手術的成功率。這種方法對于先天心臟缺陷的嬰兒好處明顯，因為嬰兒的器官相對弱小，手術就必須有更充分的準備，也必須非常精細。

定制化醫(yī)療器械/組織工程

3D打印技術在助聽器、假肢制造、康復輔具、骨科手術個性化導板、人工關節(jié)、人工外耳和個性化種植牙等方面已得到了廣泛應用。運用3D 打印技術設計和制作的助聽器可滿足個性化需求。利用3D 打印技術制造出的假肢也更加符合人體工學。應用金屬打印制作的多孔鈦結構，生物學表現(xiàn)特性更加合理，具有輕量化，更加符合人體工程學，從而克服了傳統(tǒng)制造工藝的限制。

傳統(tǒng)牙齒修復過程相對復雜，難以保證精度，返修率高、制作周期長。將3D打印技術運用到義齒修復中已經成為牙科領域廣泛應用的技術，降低了義齒修復成本，縮短了制作周期。此外，3D 打印在骨科的應用可實現(xiàn)低成本假肢打印。

人工器官和組織

3D 打印技術不僅能夠打印醫(yī)療模型、醫(yī)療器械，還可以根據(jù)患者需要打印出相應的器官。

3D生物打印使用含細胞和生長因子的“生物墨水”，結合其他醫(yī)療材料層層打印出產品，經體外和體內培育，形成有生長能力功能的組織結構。這項技術的推廣與使用有望解決全球面臨的移植組織或器官不足的難題。

美國圣迭戈Organovo將細胞用作“生物墨汁”，通過3D打印程序制成活性人體組織片，已成功打印出心肌組織、動脈血管等。愛丁堡赫瑞瓦特大學開發(fā)了一種基于瓣膜的雙噴嘴打印機，配有兩個“墨盒”，一個裝著浸在細胞培養(yǎng)基中的人體胚胎干細胞，另一個只有培養(yǎng)基。使用這一打印機可打印用于組織再生的首例人體胚胎干細胞以及其他活細胞的打印。所研發(fā)的3D 打印機通過控制實現(xiàn)精確打印速度和墨水流量。

藥劑

3D打印可制造靶向藥物運輸超微機器人。在人體內精準運輸藥物的機器人可以用來提升太近微創(chuàng)手術、靶向用藥、遠程感應和單細胞操控技術的效果和水平。

通過3D 打印技術實現(xiàn)的微型機器人被設計成“鞭毛”的類似物，這樣可以更好地被數(shù)字化操控，從而靈活地將藥物送達到人體各部。FDA 批準了美國Aprecia制藥公司首款采用3D打印技術制備的“左乙拉西坦速溶片”上市。這種藥采用Aprecia公司的ZipDose3D打印技術生產，內部呈現(xiàn)多空狀，內表面及高，可在短時間內被很少的水融化，用分層打印制備藥物制劑取代傳統(tǒng)的壓片技術，使得含水流體將多層粉狀藥劑結合在一起。

主要企業(yè)

3D 打印的核心專利大多被設備廠商掌握，因此在整個產業(yè)鏈中設備廠商占據(jù)主導地位。隨著專利陸續(xù)到期，設備廠商的地位必然會受到沖擊。近年來，3D 打印行業(yè)整合加劇，其中以3D Systems 和Stratasys 的整合路徑最具代表性。3DSystems 采取上下游并購路徑，并購對象包括服務商、軟件公司、材料和設備廠商。Stratasys 的整合路徑以橫向整合為主，如與Objet 的合并和收購MakerBot。通過一系列的整合，設備企業(yè)轉變?yōu)榫C合方案提供商，加強了對產業(yè)鏈的整體掌控能力。

全球3D 打印兩大巨頭3D Systems 和Stratasys 生產了全球半數(shù)以上的打印機，并在近幾年通過兼并收購其他3D 打印企業(yè)不斷擴大規(guī)模。另外，一些企業(yè)（如EOS、Envisiontec 等）在各自擅長的領域也有突出表現(xiàn)。除了這些企業(yè)，市場上還有許多提供3D 打印服務的中小型企業(yè)。

3D Systems

3D Systems公司由3D 打印技術的發(fā)明者查爾斯·赫爾成立于1986年，位于美國南卡羅來納州羅克希爾，以立體光固化成型技術（SLA）起家。在此后的二十幾年中依靠基礎專利的優(yōu)勢，通過并購形成了覆蓋打印材料、打印設備和打印服務領域的全產業(yè)模式。

近年來3D Systems已經逐漸擺脫了業(yè)績虧損的狀況，進入了盈利增長時期。自2009年以來，公司營業(yè)收入均保持20%以上的增速，2014 年，公司營業(yè)收入達到6.54 億美元，凈利潤達到0.18 億美元。目前在全球范圍內擁有近900 名員工。

在外延并購方面，3D Systems動作頻頻。在過去的四年中，3D Systems公司已經收購了超過45家公司，總金額達到5.2億美元。2014年，公司通過收購Cimatron、Simbionix、LayerWise、Laser Reproductins 等公司開始進軍仿真、航空航天以及醫(yī)療等領域。2015 年3D Systems 收購了無錫易維，加緊了其在中國3D 打印市場的布局。另外，通過收購Bits from Bytes（一家普及型打印設備提供商），3D Systems也成為消費者使用的個人系統(tǒng)的領先供應商，其產品廣泛應用于教育等領域。

3D Systems 是全球領先的3D 打印解決方案提供商。3D Systems 提供不同種類的產品。個人產品如Cube、BfB、RapMan 系列，入門級專業(yè)打印機V-Flash，專業(yè)打印機Projet 和Zprinter，以及基于SLA、SLS、SLM 技術的工業(yè)用打印機等。其技術優(yōu)勢包括概念建模、快速原型設計及制造等。3D Systems 提供7 種3D 打印解決方案，包括光固化快速成形和激光燒結、聚合物成型以及用于個人打印機技術FDM等。公司在3D 打印領域擁有超過1100 項專利，材料包括塑料、蠟、尼龍、金屬等100 多種材料。

3D Systems產品和服務的一個重要發(fā)展是其“創(chuàng)作工具”。3D Systems 率先引入了基于網絡和基于軟件的工具來簡化3D 產品的創(chuàng)造。通過對Vidar 的收購，3D Systems 成為創(chuàng)建三維數(shù)字化醫(yī)學影像的領導者。同樣的，通過對My Robot Nation 的收購，公司迅速打入消費產品領域。

3D Systems經營兩個按需生產零件服務：ProParts 和Quickparts。在按需打印方面，3D Systems 提供Quickparts 和ProParts 服務。3D Proparts 是一家提供快速成型制造和服務的企業(yè)，其服務包括定制支持和項目管理等，于2009 年被3D Systems 收購。QuickParts于2011年2月被3D Systems收購，是一個小批量的生產商。

Stratasys

Stratasys由Scott Crump于1989年在美國明尼蘇達州成立，并于1994年在納斯達克上市。Stratasys專注于熔融沉積成型（FDM）技術的研究及開發(fā)，并成功打造出Dimension、uPrint 和Fortus 三個品牌。其中，Dimension憑借高性價比，成為全球最暢銷的3D打印機系列之一。與3D Systems 相同，Stratasys的營業(yè)收入也在近年來保持快速增長，2014年公司營業(yè)收入達到7.5億美元。

Stratasys 在近4 年來的并購浪潮中同樣大動作頻出，如以14 億美元收購以色列3D 打印系統(tǒng)提供商Object 公司;以4 億美元收購桌面級3D 打印設備生產商MakerBot;1 億美元收購CAD 設計師社區(qū)Grabcad。隨著各類企業(yè)的并購，Stratasys的3D打印領域全產業(yè)鏈在不斷完善。

Stratasys主要經營3D打印設備和打印材料，這兩項合計占其收入的85%。公司的3D打印設備包括理念系列、設計系列和生產系列三個級別，同時公司還制造專門用于牙科的3D 打印機。在打印材料領域，現(xiàn)在能夠生產超過130種的打印材料，其中包括100種的光聚物和10多種的熱塑性塑料打印材料。

ExOne

Exone也是3D打印全產業(yè)鏈企業(yè)，成立于2012年，使用麻省理工學院提供的粉末噴墨三維打印（Inkjet3DP）。主要提供兩種打印機，分別使用沙子和金屬材料，可以完成較大尺寸產品的制作。該公司的3D 印刷機器能夠制造壓鑄模具和特種石英砂、陶瓷的鑄造產品。

Exone 公司共有兩個系列的產品，分別是S 系列和M 系列。S 系列的產品主要用于工業(yè)生產，生產澆鑄所用的鑄型，代表性的產品有S Max、S Print。M 系列的3D 打印機主要用于直接打印可以使用的零件或是終端產品，代表性產品為M Flex 和M Lab。前三者都是工業(yè)用打印機，M Lab 是科研人員專用的打印機，屬于專業(yè)用途。

Exone 主要的客戶集中在航天、汽車、重型設備、能源等行業(yè)。該公司還提供耗材和零件、服務、培訓和技術支持，通過位于美國、德國、日本的生產服務中心（PSCs）來對其客戶進行生產前合作與定制服務。

RepRap

RepRap 是一種三維打印機原型機，它具有一定程度的自我復制能力，能夠打印出大部分其自身的（塑料）組件。RepRap 是（replicating rapid prototyper）的縮寫。

這種原型機從軟件到硬件各種資料都是免費和開源的，都在自由軟件協(xié)議GNU 通用公共許可證GPL 之下發(fā)布。

至目前為止，RepRap 項目已經發(fā)布了四個版本的3D 立體打印機：2007 年3 月發(fā)布“達爾文”（Darwin），2009 年10 月發(fā)布“孟德爾”（Mendel），2010 年發(fā)布“Prusa Mendel”和“赫胥黎”（Huxley）。開發(fā)者采用了著名生物學家們的名字來命名，是因為“RepRap 就是復制和進化”。

由于機器具有自我復制能力，能廉價地傳播RepRap 給個人和社區(qū)，使他們能夠創(chuàng)建或下載來自互聯(lián)網的復雜的產品，而不需要昂貴的工業(yè)設施。

Arcam

瑞典Arcam公司成立于1997年，在斯德哥爾摩證券交易所上市，公司是唯一使用電子光束溶解法（EBM）技術的增量制造公司，2003年3月第一臺EBM S12機器上市，隨后推出基于EBM技術的改進機型。

Arcam為市場提供EBM 的完整生產鏈，包括打印機、系統(tǒng)服務和金屬粉末銷售。Arcam還與美國DiSanto 技術公司合作，致力于骨科植入物（Orthopedic Implants）市場。OI 產業(yè)可分為三部分：重構、外傷手術和脊柱手術。

目前，Arcam上市的打印機有Arcam A2X、Arcam Q10、Arcam Q20，Arcam A2X主要應用于航空航天領域，應用材料是鈦和鋁化鈦;Arcam Q10 則是針對于OI 市場，而Arcam Q20 則是在前者基礎上，加大制造空間以適應在航空航天上的應用，二者均具備有電子槍、e LayerQamTM 系統(tǒng)。

其他

EnvisionTec在2002年成立于德國馬爾，負責Perfactory 系列和Bioplotter 系列產品的研發(fā)和制造。EnvisionTEC采用DLP快速成型系統(tǒng)，其Perfactory 系列設備在全世界助聽器定制領域成功占據(jù)60%以上的裝機量，以及珠寶首飾市場50%以上的裝機量。

德國EOS 于1989 年成立，是選擇性激光燒結SLS 技術3D 打印全球領導廠商。公司專注于航空航天、醫(yī)療和汽車行業(yè)高端精密零部件的制造。其客戶涵蓋了空客、波音等航空企業(yè)，也包括了寶馬、保時捷等汽車業(yè)巨頭，同時還在人造骨骼、細胞清洗系統(tǒng)等生物應用領域開發(fā)應用其產品。