3D打印成就未来新产业

 

1982 查尔斯·胡尔试图将光学技术应用于快速成型领域，并于第二年发布了世界上第一台3D打印机；

1984 胡尔发明了SLA立体平板印刷技术；

1986 胡尔成立了世界上第一家生产3D打印设备的公司——3D Systems，采用基于液态光敏树脂的 光聚合原理工作的技术，被称为“立体光刻”； 

1989 Carl Deckard发明了选择性激光烧结技术（SLS）； 

1992 Stratasys公司推出了第一台基于FDM技术的3D工业级打印机——3D造型者（FDM技术步入 了商用阶段；美国DTM公司推出了首台选择性激光烧结（SLS）打印机； 

1993 美国麻省理工学院MIT的Emanual Sachs教授发明了三维打印技术；

1995 德国一家激光技术研究所推出了SLM技术；美国Z Corporation公司开始开发基于3DP技术的打印机；西安交通大学卢秉恒教授发布了中国第一台3D打印样机；1996 各种3D打印新技术被开发：LENS激光净成型技术、DMD直接金属沉积、DLF直接激光成型、 LRF激光快速成形等技术的出现实现了人们对于3D打印技术的持续创新； 

1998 Autostrade发布了全球第一台商业化个人用的桌面型立体光固化成型机；Optomec成功开发 LENS激光烧结技术；

2000 Objet更新SLA技术，使用紫外线光感和液滴喷射综合技术，大幅提高制造精度； 

2005 ZCorp公司推出世界上第一台高精度彩色3D打印机Spectrum Z510 2008 第一款开源的桌面级3D打印机RepRap发布 ；

2010 Organovo公司，一个注重生物打印技术的再生医学研究公司 ；

2011 设计和试驾了全球首架3D打印的飞机，推出全球第一辆3D打印的汽车Urbee； 

2012 英国著名经济学杂志《经济学人》声称3D打印将引发全球第三次工业革命；MIT的团队成立Formlabs公司；MIT的团队成立Formlabs公司； 至今3D打印行业龙头公司盈利能力初现，产业链上游材料、中游技术、下游产品逐渐成熟，行业未来市场空间广阔。

 

01

3D打印

 

3D打印：又被称为增材制造，是一种快速成型技术。3D打印是以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。传统工艺：采用的制造技术是减材制造，主要通过去除材料来生产出所需要的零部件。

 

3D打印相比传统工艺具有：1）适用于制造复杂物体；2）节省材料、降低成本；3）缩短研发制造周期；4）轻量化、一体化 成型；5）满足定制化需求等优势，如下表所示。

 

来源：华福证劵

 

 

 

02

技术类型

 

增材制造制造工艺比传统减材制造难度更高，工艺流程可以分为制造前处理，推挤增材制造和产品后处理三个阶段，与传统工艺相比，均有显著差异；

 

（1）前处理离散阶段：需要依靠计算机和特定软件将所需产品的模型搭建在系统中，再通过优化调整、分层切片、规划路径等操作完善前期 准备工作；

（2）加工堆积阶段：利用3D打印设备按照规划设计的模型和路径将材料逐层堆积，获得制成品。其中粉末的制造工艺与加工工艺为该阶段最 为关键的技术； 

（3）后处理阶段：打印后按需将成品进行外表处理后投入使用进行实际检验，一般需要通过剥离、打磨、抛光，若是金属材料则还需要真空 淬火、退火等处理，得到成品。

 

当下主流增材技术分别是以下几大类：

选择性激光熔化（SLM）：首先将金属粉末以薄层分布在积层板上聚焦的激光在扫描振 镜的控制下进行参数扫描，金属粉末在高能量激光的照射下发 生熔化，快速凝固，形成治金结合层打印任务结束后，基板下 降一个切片层厚高度，继续进行粉末铺平，激光扫描加工，重 复这样的过程直至整个零件打印结束；

电子束熔化成型 (EBM)：粉末或金属丝形式的原料被输送到同时聚焦激光束、电子束或 等离子/电弧等能量源的基板上，从而形成一个小熔池并逐层连 续沉积材料；

定向能量沉积(DED)：器上端为大功率激光器和金属粉末喷嘴，通过计算机控制激 光器和喷嘴，将金属粉末喷涂至预设位置并熔化，冷却凝固后 成型，逐层重复此操作；

选择性激光烧结（SLS）：由 CO2 激光器发出的激光束在计算机的控制下，根据几何形 体各层横截面的 CAD 数据，有选择地对粉末层进行扫描，使 粉末的温度升到熔化点进行烧结并与下面已成型的部分实现 粘结，一层一层得到成品；

立体光固化（SLA）：激光器发出紫外线激光束按照零件的分层截面信息逐点扫描 光敏树脂材料表面，使被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应 而固化，工作台自上而下移动逐层叠加扫描固化出成品；

材料挤出(FDM)：加热喷嘴至一定高度后，材料会依靠压力以长丝的形式分别通 过 X、Y 和 Z 三个轴系统按照计算机建好物品的预定位置培化 挤出，逐层沉积并且周化冷却，在单层填充完毕后逐层向下移动，重复此过程完成制作；

数字光处理 (DLP)：形成层面建模记忆。然后把影像信号经过数字处理后以面光的 形式在液态光敏树脂表面进行层层投影，每一层图像在树脂层很薄的区域产生光聚合反应固化，形成零件的个薄层，层层固化成型堆积成最终的成品；

材料喷射成形(PJ)：将液体光聚合物层射到构建托盘上，滚轮把喷射的树脂表面处 理平整，UV 紫外光灯对光敏聚合材料进行固化，层层累积后形成精确的模型成品；

 

目前主流使用的3D打印技术是SLM、SLS和EBM，SLS 和 SLM 属于利用激光器将粉末进 行逐层叠加，而 EBM 则利用高能电子束扫描熔融粉末逐层固化成形。SLS 相比 SLM 需要另添加粘合剂材料，混合粉末后 SLS 打印的成品硬度和精度略差于 SLM 制品。而 EBM 利用电子束产生的热量和能量高于 SLM，更适合制造高导热金属、高温合 金、高熔点金属零件，但 SLM 利用激光打印的制品力学性能和制品强度仍略优于 EBM 制品。综合看烧结\粘结成型技术凭借金属材料和技术特点能保证制品的硬度、 力学性能好等优点更多应用于工业制造、航空航天、汽车制造中。

 

BJAM技术：成本较PBF与DED技术更低，核心性能尚不满足下游需求。基于粉末床工艺，通过喷墨打印头逐层喷射粘结剂选区沉积在粉末床上，粘结打印三维实体零件初坯，随后将打印的初坯置于均匀的热环境中进行脱脂和烧结，使其致密化并获得机械性能良好的零件。与PBF和DED 技术相比，BJAM技术存在独特的优点：成本、材料体系广泛、表面质量良好和无需支结构等，缺点为打印成品需后处理过程较为复杂，同时致密度和孔隙率与SLM工艺差距较大，难以用在消费电子领域。

 

03

材料的选择

 

目前当下增材制造选用原则主要受用途、制品质量要求、材料、成型效率、成本、激光器以及外部环境的影响。粉末影响最大，不同3D打印技术适用于不同的打印材料。据中商情报网《 2023年中国3D打印行业产业链上中下游市场分析》 ， 我国3D打印市场中，钛合金、铝合金、不锈钢分别占20.2%、10.0%、9.1%，合计占比39.3%，其余多为非金属材料，包括尼龙、 PLA、ABS塑料、树脂等。

 

 

（1）金属材料

 

金属材料多样化及材料组合为未来发展方向，金属3D打印材质要求严格，主要采用钛合金/钴铬合金/不锈钢/铝合金等材料。3D打印所使用的金属粉末一般要求纯净度高、 球形度好、粒径分布窄、氧含量低，因此能够应用于3D打印的金属材料品种较少。

3D打印适用于难熔、难加工及价格高的材料。首先，3D打印具有节省材料的特性，适用于加工价格昂贵的材料，从而降低成 本。其次，采用传统工艺加工高温难熔、难加工金属，工艺繁复、成本高昂，而3D打印能够快速成型，适用于难加工材料制造。

金属材料多样化及材料组合为未来方向。其中，高熔点钨、镍合金有望成为未来3D打印的发展方向；镁合金是质量最轻的金属结构材料，可用于制作复杂流道、拓扑等结构，适用3D打印技术；近年来铜合金的应用逐步增长；钴铬合金有望在齿科等领域实现应用。

 

 

（2）高分子材料

 

高分子3D打印有望引领鞋类市场新革命。高分子材料是鞋的重要组成部分。在鞋类制造领域，3D打印能够具有减轻鞋的重量， 减少制作工序、缩短上市周期，提高设计自由度等优点。未来高分子3D打印有望成为鞋类制造的发展趋势，打开市场空间。

 

未来随着技术进步，3D打印汽车零部件市场有望打开。目前3D打印技术主要应用在打印汽车原型，帮助车企缩短研发周期， 使用的材料多为高分子材料。未来随着技术进步，3D打印有望应用于最终产品或零件打印，打开更高附加值应用的市场空间。

 

 

（3）陶瓷材料

 

成形缺陷多、质量差，陶瓷3D打印工业化进程受限。陶瓷3D打印技术具有材料利用率高、生产周期短、成型精度高、表面质量好等优点，可实现形状复杂的单件、小批量陶瓷零件的定制化生产，然而陶瓷3D打印存在成形缺陷过多、质量差的问题，尤 其是裂纹缺陷严重问题将影响陶瓷件的力学性能，因此，目前3D打印在陶瓷领域应用较少。

 

碳化硅陶瓷有望成为陶瓷3D打印突破领域。传统工艺生产工序复杂、成本高、模具设计制作周期长，同时碳化硅陶瓷材料具有极高的硬度和脆性，加工难度高，而3D打印技术能较好地解决复杂形状难成型、难加工，制作周期长、成本高的问题，未来有望打开碳化硅陶瓷市场空间。

 

 

（4）复合材料

 

碳纤维复合材料具有比强度、比模量高的特性。碳纤维复合材料主是由碳纤维与树脂、金属、陶瓷、橡胶等基体混合加工成的 碳纤维复合材料，相比单一碳纤维具有比强度高、比模量高等特性。据国际金属 加工网，碳纤维复合材料强度比钢铁高10倍，比铝高8倍，但重量仅为钢铁、铝的一小部分。采用3D打印加工碳纤维具有生产 周期短、降低成本、可定制化等优势。

 

针对不同的材料选择对应不同的技术类型，其中选择性激光烧结（SLS）和选择性激光熔化（SLM） 则以金属、陶瓷粉末材料为主。目前SLM工艺市场优势主要有：1）成熟的软件和机械技术；2）工艺直接交付金属零件；3）在目前所有金属增材 技术中致密度最高；4）因其能够打印航空航天业常用的大尺寸、重负荷最终使用部件而备受推崇。

 

04

发展驱动因素

 

（1）技术进步：3D打印能够有效解决钛合金加工问题。钛合金材料存在加工难度大、良率低等问题，从而使得制造成本过高。通过3D打印技术，尤其是金属粉末激光熔化技术，能够有效地解决钛合金材料成型的问题，大大降低了生产成本。

 

（2）成本下降：光学光热类/电子电气类/机械类/金属粉末为3D打印设备主要成本，据华曙高科招股书，2022H1华曙高科直接材料占3D 打印设备及辅机配件的80.4%，同时2022H1光学热学类/电子电气类/机械类/金属粉末/耗材类/高分子原材料分别占原材料采购成本的37.2%/18.8%/15.3%/ 6.6%/3.3%/1.9%。3D打印材料、设备成本快速下降。据铂力特公司公告，我国金属3D打印粉末价格持续下降，铂力特自制金属3D打印粉末平均售价由 2020年的144.48万元/吨下降至2022年的78.19万元/吨，降幅达45.9%；

 

（3）效率提升：3D打印通过增加激光头、增加层厚、改变铺粉方式及嫁接打印等方式提升效率。

 

 

（4）ESG需求：3D打印能够节省材料、降低能耗。据美国能效和可再生能源局，相较于传统制造方法，增材制造可以将材料成本和浪费 降低近90%，同时将能耗降低25%。同时，目前越来越多的3D打印支持材料回收循环，进而减少材料浪费。3D打印制造过程环境污染小。传统工艺所产生的废渣、废水、废气有害物质会对环境造成污染，而3D打印机可以可再生 生物降解为原料，通过电源产生的高温熔化喷出熔融物并逐层堆积而成，减少毒气、噪声和化学物质等污染。

 

05

3D打印市场规模

 

2022年全球3D打印市场规模达180亿元，预计2025年将达298亿美元，2022-2025年CAGR为18.3%。据Wohlers Associates 《Wohlers Report 2023》、3D打印技术参考，全球增材制造市场规模由2017年的80.95亿元增长至2022年的180亿美元，同 比增长18.3%，2017-2022年CAGR为17.3%。据Wohlers预测，预计2025年增材制造收入规模将达298亿美元，2022-2025年 CAGR为18.3%；预计2030年将达853亿美元，2022-2030年CAGR为21.5%。

 

 

06

3D打印在“热管理”中具备优势，未来前景可期

3D打印目前主要应用在航空航天、消费电子、汽车、人形机器人、无人机、飞行汽车等等领域，其中：航空航天领域要求精度高、快速成型及轻量化降本，3D打印能够匹配航天航空需求；3D打印市场空间有望打开汽车：缩短研发周期、轻量化及定制化，3D打印在汽车制造领域优势显著；人形机器人：轻量化、复杂结构生产及效率提升，3D打印人形 机器人应用前景广阔无人机/飞行汽车：碳纤维3D打印有望成为未来的主流技术。
3D打印的主要优势在于其能够实现复杂结构的一次性成型，这样的特性非常适合生产热交换器和散热器。传统方法制造热交换器和散热器时，通常需要将单独的翅片或板焊接或粘合在一起，这种方法不仅耗时耗力，而且焊接接头可能出现故障。而3D打印技术能够在单个制造过程中完成所有内部结构的制作，极大地提高了生产效率和散热器的性能。除了散热器和热交换设备之外，3D打印还被用于制造其他类型的散热器，如微型散热器、均温板和热管。下面重点看看3D打印技术作可为热管理领域提供的技术赋能的相关产品：

（1）VC均热板/热管

 

当下VC均热板/热管+TIMs已成为3C消费电子散热的主流方案。随着消费电子性能的提升，智能手机功耗快速提升，对散热的需求增加。目前散热方式主要以VC均热板、热管、风冷散热、石墨散热、导热凝胶散热、金属背板/边框散热等。其中高阶智能手机散热主要采用超薄VC均热板辅以石墨及石墨烯等的散热组合方案，中阶机型则是使用热导管结合石墨散热。VC均热板和热管由纯铜制造的内部密封、中空且填充冷却剂的散热单元组成。

 

 

3D打印一体化成型、轻量化及制造周期短 ，“热管理”领域未来前景可期。3D打印具有一体化成型、轻量化、制造周期短等特点，能够提高散热构件的密封性及轻薄性，并缩短生产周期。2023年5月，芯片研究巨头imec在ITF世界会议上展出的3D打印处理器冷却器将处理器（如CPU和 GPU）的能力提高了3.5倍，比目前最好的CPU冷却器性能高出 3.5倍。未来3D打印有望在散热领域打开市场空间。VC均热板将迎来爆发性增长。假设VC均热板在5G手机中的渗透率达到30%，单片VC均热板价值15元人民币，则2025年全球手机VC均热板市场将达到90亿元人民币以上。

 

 

（2）液冷组件

 

在热管理领域的应用开发，行业的关注点集中在具有较高价值量的热交换器、航空航天热管理部件、高端芯片散热部件如微型冷板、拓扑优化通道液冷换热器、液冷板等。3D打印技术结合软件智能算法，在结构复杂、换热表面最优化、流道热阻压降最优化的高性能散热器方面，具有传统加工手段无法达到的高度。

 

液冷系统在电子设备中被广泛使用，用于将热量从电子元件传输到冷却介质中。3D打印可以制造复杂的液冷系统部件，例如冷却通道、冷却板等，以提高冷却效率并适应各种设备的形状和尺寸。AI 产业快速发展，驱动液冷服务器渗透率逐步抬升。受限于数据中心建设 面积及环保要求，传统风冷难以满足散热需求，需要液冷技术提升服务器使 用效率及稳定性，冷板式液冷是目前最成熟的方案。从发展趋势来看，预计 到 2025 年液冷服务器渗透率大约保持在 20%-30%的水平。 

 

测算AI服务器液冷市场规模 2023-2025年分别为66.87/81.29/106.12亿元，其中冷板式方案 24.88/28.64/35.37亿元，2022-2025年AI服务器液冷市场需求年复合增长率为21.50% 。

 

3D打印技术不仅在散热器的设计上提供了更大的自由度，而且在材料选择和性能提升方面也展现出了其无可比拟的优势，是电子设备散热解决方案中的一个极具潜力的发展方向。

 

参考资料[1] 电力电子器件用液冷针翅散热器的研究进展[2] 电子器件冷却技术研究进展[3] 电力电子中 IGBT 散热器选型应用

[4] 3D打印微型流冷散热器在大功率冷却上展示独特优势

[5] 多领域散热材料、工艺的发展历史与路径演绎

[6] 各公司官网

[7] 揭秘3D打印热管理应用的主流方向 这15家公司不容错过！

[8] 导热材料：AI 发展推动产业升级

[9] 3D打印：消费电子开启大规模应用，成长空间打开

[10] 3D打印行业深度：——蓄势待发，产业化应用赋能未来

 

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