3D打印技術(shù)最早可以追溯到1976年噴墨打印機(jī)的發(fā)明。20世紀(jì)80年代以后，3D打印行業(yè)受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，各種3D打印技術(shù)也在多個(gè)行業(yè)應(yīng)用并發(fā)展。目前已覆蓋了制造、醫(yī)療、教育、航空航天、軍事等多個(gè)領(lǐng)域。
全球3D打印市場規(guī)模
全球3D打印市場規(guī)模逐年增加，2010-2016年3D打印市場的年均復(fù)合增長率為24.60%。由2010年的13億美元增加至2016年60.6億美元（約合人民幣417.5億元），增長率為16.54%，同比減少13.46個(gè)百分點(diǎn)。伴隨著3D打印技術(shù)的快速成長和3D打印技術(shù)在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的滲透。2017年全球3D打印行業(yè)市場規(guī)模超70億美元。未來五年全球3D打印行業(yè)繼續(xù)保持快速增長的勢頭。
整個(gè)3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈大概可分為：上游基礎(chǔ)配件行業(yè)；中游3D打印設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)、3D打印材料生產(chǎn)企業(yè)和支持配套企業(yè)；下游主要是3D打印的各大應(yīng)用領(lǐng)域。通常意義上的3D打印行業(yè)則主要是指3D打印設(shè)備、材料及服務(wù)企業(yè)。
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(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3D打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
3D打印經(jīng)過近40年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。產(chǎn)業(yè)鏈的每個(gè)環(huán)節(jié)都聚集了一批領(lǐng)先企業(yè)。全球范圍來看，以Stratasys、3D Systems為代表的設(shè)備企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)了主導(dǎo)作用，且代表性設(shè)備企業(yè)通常能夠提供材料和打印服務(wù)業(yè)務(wù)，具有較強(qiáng)的話語權(quán)。
3D打印材料產(chǎn)品分類
現(xiàn)階段隨著技術(shù)和研發(fā)的推進(jìn)，目前有300多種材料可用于3D打印制造，由于現(xiàn)階段90%的3D打印機(jī)用戶都使用的是桌面級(jí)產(chǎn)品，因此像ABS、PLA這兩種塑料材質(zhì)的耗材用量占比超過50%，目前高分子材料生產(chǎn)商也主要集中于ABS和PLA以及尼龍材料。
從材料種類看：3D打印行業(yè)的發(fā)展取決于其材料的研發(fā)和應(yīng)用，當(dāng)前全球3D打印行業(yè)的發(fā)展主要的材料有PLA、ABS、Standard Resin、PA12、PA 2200、PETG和Clear Resin等。其應(yīng)用最為廣泛的為PLA材料，應(yīng)用占比為37.1%，其次為ABS占比為15.5%。
3D打印下游應(yīng)用分析
現(xiàn)階段，3D打印主要應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域，以制造業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。按照銷售規(guī)模排名，全球3D打印產(chǎn)值在機(jī)械、消費(fèi)電子、汽車、航空航天、醫(yī)療等行業(yè)的應(yīng)用總體呈均衡分布的發(fā)展特征，其中機(jī)械行業(yè)產(chǎn)值占比為17.5%，為3D打印行業(yè)下游的主要應(yīng)用領(lǐng)域；其次為消費(fèi)電子產(chǎn)值占比為16.6%，排名第二；汽車下游應(yīng)用產(chǎn)值占比為16.1，%，僅次于消費(fèi)電子的應(yīng)用需求。未來，隨著電子和汽車工業(yè)的發(fā)展，兩個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)值規(guī)模有望進(jìn)一步提升。
3D打印技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域幾乎遍及所有領(lǐng)域，已經(jīng)成為現(xiàn)代模型、模具和零部件制造的有效手段，尤其在航空航天、國防軍工、生物醫(yī)藥、家電、建筑工程、教學(xué)研究和農(nóng)用工具、大眾消費(fèi)等領(lǐng)域得到一定的應(yīng)用，并取得了良好的效果。
3D打印在汽車行業(yè)中的應(yīng)用
與人們生活息息相關(guān)的汽車業(yè)也不例外地受到了3D打印技術(shù)的影響。3D打印打印技術(shù)為汽車制造業(yè)注入了新的血液，不僅是汽車零部件的設(shè)計(jì)與制造，而且汽車外觀造型、內(nèi)部結(jié)構(gòu)或汽車內(nèi)飾功能上的設(shè)計(jì)，都在不同程度上應(yīng)用了3D打印技術(shù)。目前3D打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要集中在概念模型開發(fā)、功能驗(yàn)證原型制造、工具制造及小批量定制型成品生產(chǎn)四個(gè)階段。
在國外的汽車制造領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相對比較成熟，有很多成功的案例。世界首輛3D打印汽車—原型機(jī)Urbee于2013年問世，整個(gè)車身采用3D打印技術(shù)一體成型，具有其他片狀金屬材料所不具有的可塑性和靈活性。整車的零件打印只需2500小時(shí)即可完成，工人需要做的只是把所有打好的零部件組裝在一起，生產(chǎn)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)汽車制造周期。新版本的Urbee2則只需要50個(gè)3D打印的零部件即可，而傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)汽車則需要由上千個(gè)零件組裝而成。
3D打印在武器裝備領(lǐng)域中的應(yīng)用
在武器裝備領(lǐng)域，3D打印應(yīng)用主要集中在武器設(shè)計(jì)創(chuàng)意驗(yàn)證和模具制作方面，可以直接打印一些特殊、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的輕量化。在世界各國的廣泛關(guān)注與大力推進(jìn)下，3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用不斷取得突破，對武器裝備的發(fā)展也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。
3D打印可用于武器裝備的設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)不需要傳統(tǒng)制造方式的鑄錠、制胚、模具、模鍛等過程，可以直接快速、低成本地進(jìn)行原型機(jī)生產(chǎn)，且整個(gè)生產(chǎn)過程可隨時(shí)修正、隨時(shí)制造，在短時(shí)間內(nèi)就可進(jìn)行大量的驗(yàn)證性試驗(yàn)，從而顯著降低研制風(fēng)險(xiǎn)、縮短研制時(shí)間、降低研制費(fèi)用。例如防御系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)公司EOIR Technology通過引入3D打印技術(shù)，該公司制造坦克外置裝備的制造成本從每單件10萬美元降至40，000美元以下。
3D打印還可用于武器裝備零部件的維修和更換。在戰(zhàn)場上難以預(yù)測裝備受損情況，依靠備件或供應(yīng)鏈容易產(chǎn)生保障不足或保障過量的情況。3D打印技術(shù)具備快速制造不同零部件的能力，只要有電子設(shè)計(jì)圖紙及打印材料，可根據(jù)需要快速打印出各種部件。
3D打印在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
航空航天正在利用3D打印來改善資產(chǎn)的分配，減少維護(hù)費(fèi)用，并通過制備更輕的部件節(jié)省燃料成本。另外航空航天裝備的零部件生產(chǎn)遍布世界各地，但是在世界各個(gè)地方批量生產(chǎn)的組件可能需要幾周時(shí)間才能到達(dá)裝配廠，如果是突發(fā)性的緊急事件，這將嚴(yán)重的影響裝備的測試或應(yīng)用。使用3D打印技術(shù)現(xiàn)場打印組件，就能消除運(yùn)輸時(shí)間，減少供應(yīng)鏈中的摩擦，也能減少工廠的庫存。例如波音公司已經(jīng)使用3D打印機(jī)為其新型787飛機(jī)生產(chǎn)環(huán)境控制管道（ECD）。通過3D打印，可以將ECD作為一體，不需要組裝；并且由于3D打印件的重量減少，節(jié)省燃料。3D打印對于航空航天裝備中的具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的零件特別有效，下圖為3D打印的形狀復(fù)雜的金屬機(jī)翼支架。
3D打印在醫(yī)療行業(yè)的應(yīng)用
3D打印最令人鼓舞的應(yīng)用是在醫(yī)療行業(yè)，3D打印具有挽救生命或大幅改善醫(yī)療的潛能?？衫?/span>3D打印技術(shù)使用金屬、塑料等非活體組織材料定制化假肢、牙科、骨科植入物、助聽器外殼等醫(yī)療器械，下圖為3D打印的牙齒模具，但這些都屬于3D打印技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用的“初級(jí)階梯”。3D打印血管、軟骨組織這類單一的活體組織屬于“中級(jí)階梯”。3D打印人工肝臟、心臟等人工器官則屬于“頂級(jí)階梯”。上述所說的“中級(jí)階段”、“高級(jí)階梯”其核心都是特定類型細(xì)胞的分離（或定向誘導(dǎo)）和大規(guī)模擴(kuò)增。而3D打印技術(shù)在人工組織、器官培養(yǎng)過程更多承擔(dān)了三維形狀的構(gòu)建，即讓人體細(xì)胞按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的形狀來生長。
3D打印在建筑行業(yè)的應(yīng)用
3D打印建筑將對我們的未來生活帶來巨大的影響。3D打印在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在建筑設(shè)計(jì)階段和工程施工階段。
在建筑設(shè)計(jì)階段，建筑的設(shè)計(jì)工作引入3D打印技術(shù)后，設(shè)計(jì)師們能夠?qū)芏嗟慕ㄖ?chuàng)意想法進(jìn)行實(shí)踐，提高了實(shí)施多種不同建筑類型的可行性，對現(xiàn)實(shí)的施工具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。其次，運(yùn)用3D打印技術(shù)能夠?qū)Σ糠痔厥庠O(shè)計(jì)提前做出有效的預(yù)估，獲得最直觀的感受，并提前設(shè)定好相應(yīng)的輔助措施，彌補(bǔ)不足之處，確保建筑工程在最終可以得到較高的成績。
在工程施工階段，有效應(yīng)用3D打印技術(shù)，可以極大的縮短工期，提供高質(zhì)量的應(yīng)急住房。下圖為全球首座使用3D打印技術(shù)建造的辦公室于2016年5月在阿聯(lián)酋迪拜國際金融中心落成。
3D打印在服裝行業(yè)的應(yīng)用
3D打印在服裝行業(yè)的運(yùn)用，改變了以往布料難以塑造的立體造型，給人們帶來了煥然一新的視覺沖擊。3D打印的使用，給了設(shè)計(jì)師充分的想象空間，能夠讓設(shè)計(jì)師在產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)意和功能創(chuàng)新方面不受約束，揮灑自如，給服裝制造業(yè)帶來了空前的發(fā)展機(jī)遇。
如下圖所示，3D打印技術(shù)打破了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的限制，利用電腦能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)工藝得不到的線條，選擇不同的制造材料，根據(jù)客戶自己的想法、個(gè)人喜好等不同的需求進(jìn)行定制，使得傳統(tǒng)制造業(yè)無能為力的產(chǎn)品成為可能。
在減少庫存、節(jié)約成本方面，3D打印技術(shù)在生產(chǎn)成品之前基本無需任何材料的消耗，同時(shí)可以循環(huán)利用生產(chǎn)資料，如果生產(chǎn)出來的產(chǎn)品想要進(jìn)一步改進(jìn)，可以將原材料(或舊材料)粉碎打??；同時(shí)也可以單個(gè)產(chǎn)品打印，不像工廠那樣，需要大批量生產(chǎn)。3D打印在服裝行業(yè)的應(yīng)用，能夠節(jié)省能源，減少浪費(fèi)，多次利用資源，簡化生產(chǎn)過程。
3D打印在食品行業(yè)的應(yīng)用
合理的膳食不僅能滿足人體的生長、發(fā)育和各種生理、體力活動(dòng)的需要，而且還能保障不同年齡段人群的健康，減少疾病的發(fā)生。而多材料食品3D打印技術(shù)將成為解決膳食平衡問題的有效措施。3D打印技術(shù)將為食品領(lǐng)域帶來全新的概念和動(dòng)力。
3D打印技術(shù)可用于提供健康食品。通過對材料盒中的食物原料進(jìn)行科學(xué)合理的配置，3D打印技術(shù)可以打印出適用于不同營養(yǎng)需求的青少年、老人、孕婦和病人食品。
3D打印技術(shù)可用于航空食品。載人航天技術(shù)面臨著保障航天員在太空環(huán)境中長期生活的難題，然而3D打印機(jī)中的材料盒可以存放碳水化合物、蛋白質(zhì)、色素、調(diào)味劑及微量元素等營養(yǎng)成分，保質(zhì)期可長達(dá)30年，完全杜絕了食材變質(zhì)和浪費(fèi)的現(xiàn)象，從而為宇航員們提供了保質(zhì)期更長久的食物。
3D打印技術(shù)可用于個(gè)性化需求。3D打印技術(shù)不僅可以制造出傳統(tǒng)食品生產(chǎn)技術(shù)無法制造出的外形，而且可以簡化生產(chǎn)過程，快速有效又低成本地生產(chǎn)出單個(gè)物品。如圖1-13所示為3D打印出的食物。
3D打印在教育行業(yè)的應(yīng)用
3D打印技術(shù)可用于教學(xué)模型制作的周期和方式進(jìn)行革新。當(dāng)前，教學(xué)工具和儀器一般由專門的教學(xué)設(shè)備制作機(jī)構(gòu)制作發(fā)行，更新慢；多媒體課件中展示的教學(xué)內(nèi)容模型也無法使學(xué)生直接接觸和觀察教學(xué)。每位教師都可以使用3D打印方便地打印模型，以有形的三維格式展示教科書中提取的二維信息，并可以自行設(shè)計(jì)個(gè)性化的教學(xué)模型進(jìn)行教學(xué)。同時(shí)3D打印可以用于制作特殊的教學(xué)模型，特別是像醫(yī)學(xué)解剖、有毒材料、文物古跡等難以獲取的模型。
3D打印技術(shù)可用于創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)。很多學(xué)科可以通過3D打印制作相關(guān)的模型，更加形象地進(jìn)行課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)。在教學(xué)活動(dòng)中，生動(dòng)的DIY (Do It Yourself)和立體化的學(xué)習(xí)方式越來越受到學(xué)生的喜愛。在機(jī)械設(shè)計(jì)和工業(yè)設(shè)計(jì)等專業(yè)，3D打印機(jī)能夠直接創(chuàng)建出三維外觀原型，使學(xué)生們能夠更直觀的評(píng)估自己的設(shè)計(jì)。