比航天最强合金强50%！3D打印钛结构展现超自然力量【附3D打印技术赛道观察图谱】

瞻观前沿

3D打印的“超材料”具有自然界或制造业中不常见的强度/重量水平，它可能会改变我们制造从医疗植入物到飞机或火箭部件等各种物品的方式。皇家墨尔本理工大学(简称RMIT)的研究人员用普通的钛合金创造了这种新的超材料，该术语用于描述具有自然界中未观察到的独特性能的人造材料。但正是该材料独特的晶格结构设计最近在《先进材料》杂志上披露使它变得非常不常见：测试表明，它比航空航天应用中使用的类似密度的下一个最强合金强50%。

通过将3D打印设计推向极限，RMIT团队优化了一种新型的晶格结构，以更均匀地分布应力，提高其强度或结构效率。RMIT的杰出教授Ma Qian说：“我们设计了一种中空的管状晶格结构，内部有一条细带。这两种元素结合在一起，展现出前所未有的力量和轻盈。通过有效地合并两个互补的晶格结构以均匀分布应力，我们避免了应力通常集中的弱点”。

该团队在RMIT先进制造区使用激光粉末床融合工艺3D打印了该设计，即使用高功率激光束将金属粉末层熔化到位。测试表明，打印的设计(钛晶格立方体)比铸造镁合金WE54强50%，WE54是航空航天应用中使用的类似密度的最强合金。新结构有效地将集中在晶格臭名昭著的弱点上的应力减半。双晶格设计还意味着任何裂纹都会沿着结构偏转，进一步增强韧性。

研究主要作者、皇家墨尔本理工大学博士候选人乔丹·诺罗尼亚 (Jordan Noronha) 表示，他们可以使用不同类型的打印机制造出几毫米或几米大小的结构。这种可印刷性及其强度、生物相容性、耐腐蚀性和耐热性使其成为许多应用的有前途的候选者，从骨植入物等医疗设备到飞机或火箭零件。

该团队计划进一步改进该材料以实现最大效率，并探索在更高温度环境中的应用。虽然目前可耐受高达 350 °C 的温度，但他们相信使用更耐热的钛合金可以使其耐受高达 600 °C 的温度，用于航空航天或消防无人机。由于制造这种新材料的技术尚未广泛应用，其在行业中的采用可能需要一些时间。

图片来源：摄图网

技术价值观察

3D打印产业链的上游为原材料及基础配件，原材料分为金属专用材料及非金属专用材料两大类，是基础配件及3D打印耗材的原材料。中游为3D打印耗材(金属粉末、光敏树脂、工程塑料、陶瓷材料、生物材料等)及3D打印设备的研发制造;下游为3D打印服务及应用，3D打印主要应用场景于航空航天、模具铸造、生物医疗、汽车、军工等领域。

皇家墨尔本理工大学的研究人员用普通的钛合金，融合工艺3D打印的设计(钛晶格立方体)创造新的超材料。因此，从3D打印产业链上看，该技术处于产业链的上游环节，对原材料产生较大影响。

宏观市场观察

——3D打印行业仍旧处于成长阶段

依托行业不同生命阶段关键因素的发展特征对行业的成熟度进行综合判定和分析，目前全球3D打印行业处在行业成长中期。3D打印起源于19世纪末的美国，由美国研究的照相雕塑和地貌成型技术开创了的3D打印核心思想，1986年，世界上第一家生产3D打印设备的公司3D Systems成立，自此，美国开始涌现出多家3D打印公司。

据Wholers数据，3D打印自诞生30多年以来，该领域包括设备、材料和服务在内的全球收入平均年增长率为26.1%，并有23年以两位数的速度增长。这个行业具有巨大的未开发潜力，因受疫情影响，2020年3D打印市场发展虽然放缓，但仍然保持了正向增长。从技术的角度来看，3D打印经历过产品新、质量差，专攻研发与技术改进的“负盈利”导入期，目前部分技术较为成熟、销量开始攀升、市场份额不断扩大、竞争者不断涌入，符合成长期的特征。在未来还将有一段较长的成长期，最终过渡到成熟期，达到最高的产值和利润总量。

——全球3D打印市场美国独占1/3

作为3D打印起步较晚的中国，近几年，抓紧自主创新和研发，虽然和国外的技术还有一定差距，但也一步步朝着精细化和专业发展。当然，国内巨大的市场潜能，也吸引了不少国外3D打印行业巨头的目光和投资，进一步推动了中国3D打印产业的发展。

——市场规模及预测：全球3D打印市场未来增速达到20%以上的高水平

根据全球知名3D打印制造平台3D Hubs数据，2020年全球3D打印产品及服务市场规模约为126亿美元。同时，3D Hubs预测2020-2023年全球3D打印市场增速达到17%;2023-2025年达到最高23.7%;2025-2026年达到20.4%，到2026年，全球3D打印市场规模将超过370亿美元。

——我国3D打印市场规模超200亿元

2017-2020年，我国3D打印产业规模逐年增加，增加速度要略快于全球整体增速，以致于我国3D产业占全球的比重在不断增加。根据2020年3月赛迪顾问发布的《2019年全球及中国3D打印行业数据》，2019年，中国3D打印产业规模为157.5亿元，同比增加31.1%。经初步统计，2020年中国3D打印规模突破200亿元，约为208亿元。

——多数3D打印机价格在2500美元以上

3D打印机随用途的不用价位也不同，一般商用打印机价位较高，价位为几万到几十万不等;国内购物网站上已经可以购买到廉价的3D打印机价格在3000至5000元不等，并配有快速入门指南、相应软件下载、机器矫正等介绍。随着3D打印技术的应用越来越广泛，各种耗材、打印机的价格必将呈现下降趋势，未来3D打印机完全有可能像传统打印机一样，成为每家每户都买得起、用得上的设备。

3DScienceValley对企业的调查显示，中国市场对于高端的工业级3D打印设备采购占据主流地位，有超过44%的企业采用的10万美金/台以上的工业级3D打印机。

——汽车、工业机械与航空航天是主要应用领域

3D打印应用的领域广泛，3D打印在下游应用行业和具体用途领域的分布反映了这一技术具有的优势和特点，同时也反映了这一技术的局限和在发展过程中尚需完善的地方。

根据中国增材制造产业联盟统计，在应用领域方面，由于工业机械、汽车制造、航天航空等领域对于构件质量要求、定制化要求较高，因此，我国3D打印应用领域主要集中于工业机械、汽车制造、航天航空等领域，三者合计占比超过50%，其中工业领域应用占比20%，航空航天应用占比18.90%，汽车领域应用占比16.00%。

中国3D打印技术赛道热力图

根据前瞻产业热力图显示，与3D打印关键技术强关联的城市集群主要集中在华南和华中地区，并且以广东、湖南省为重点发展区域，未来布局3D打印技术及其他效果技术的发展路径，极大可能性在于华南、华中地区优先导入，其中可重点关注广东省广州市天河区、广东省深圳市龙华区、湖南省长沙市开福区所处3D打印的相关企业，以及该地方对于3D打印的产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

前瞻经济学人APP资讯组

更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国3D打印行业深度调研与投资战略规划分析报告》。

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