世界智能制造装备产业发展动态

2016-04-30 12:38:42 江苏省企业技术改造协会 7

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一、世界智能制造装备产业总体发展态势

二、重点行业领域发展动态

(一)数控机床

(二)智能控制系统

(三)3D打印设备


增加值为247860亿元,同比


 

 

世界智能制造装备产业发展动态

 

 

一、世界智能制造装备产业总体发展态势

1.智能制造装备产业总体处于发展上升阶段

关于“智能制造(intelligent manufacturing)”,国际上尚无公认的定义,也无相应的统计。一般认为,智能制造装备主要涵盖了以下细分领域:数控机床、工业机器人、智能控制系统、精密仪器与智能仪表和3D打印设备等。其中,机床产业发展相对最成熟,在智能制造装备中份额最大,但近年来相关市场(特别是欧美地区市场)逐步趋于饱和,增长逐步放缓;智能控制系统是仅次于机床的智能制造装备第二大细分市场,近几年呈现稳步发展态势;工业机器人则正处于产业发展的上升阶段,近年来工业机器人应用范围和领域不断拓展,世界工业机器人销量屡创历史新高;3D打印则代表了一种全新的制造方式,受到美、欧、日发达国家和地区的普遍关注,尽管目前整个产业仍处于起步阶段,规模还相对较小,但是增长速度及未来潜力巨大。

2.发达国家和地区主导智能制造装备市场和技术创新方向

当前,以美、德、日等为代表的工业发达国家主导了全球智能制造装备市场,并引领智能制造技术创新的方向。美、德、日等发达国家在数控机床、工业机器人、智能控制系统、3D打印等智能制造装备各相关领域有多年的技术积累,其产品经过长期的检验,技术先进、质量可靠,并具有很强的品牌优势,处于市场掌控地位。

发达国家智能制造装备的技术优势主要体现在以下三个方面:一是掌握智能制造装备的一批共性、基础性关键支撑技术,包括新型传感原理和工艺、高精度运动控制、高可靠智能控制、工业通信网络安全、健康维护诊断等;二是拥有发展智能制造装备所需的关键零部件配套产业,如智能测控装置等;三是能够成套化提供智能制造装备产品。

3.智能化制造技术将引领未来制造业变革

随着生产制造由劳动密集型向现代化制造转型,在工业生产向自动化生产转型的道路上,大力引进工业机器人变得不可或缺。金融危机以后,以美国为代表的发达国家为实现制造业回流,工业机器人需求快速复苏。3D打印技术作为制造业智能化革命的一项重大突破,已经进入了工业化和实用化的初级阶段,在促进新兴产业快速发展的同时,也带来了生产方式、商业模式和组织结构的深刻变革。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。

新一轮的全球制造业竞争极有可能是3D打印与机器人等高端智能制造装备的竞争。以工业机器人和3D打印为代表的数字化、智能化制造技术将成为引领未来制造业变革的重要技术之一,使制造业从传统迈向智能化时代。

4.主要工业化国家将智能制造装备作为重振制造业战略的重要抓手

制造业在发达国家的工业化和现代化进程中曾经发挥了主导性的作用,此后随着以互联网为代表的新经济的兴起,发达国家经济重心转向互联网、金融等服务性产业,国内制造业开始大规模转移至海外。2008年金融危机以来,以美国为代表的发达国家政府开始重新审视制造业在本国经济发展中的作用,提出先进制造业是其经济活力和创新动力的基础,相继出台了一系列促进制造业发展的政策、法规、战略,而发展智能制造装备是其中最核心的内容之一。例如,美国于2011年和2012年分别提出的“先进制造业伙伴计划”和“先进制造业国家战略计划”,对过程控制系统、3D打印和机器人技术予以高度关注;2013年德国工业4.0战略提出加强信息物理系统建设,在智能工厂、智能生产实现突破;2014年、2015年日本连续在制造业白皮书中提出发挥3D打印、机器人、大数据等对制造业的影响作用,见表1。

表1   主要国家/地区智能制造装备相关发展战略

国家/地区

时间

规划

主要内容

日本

2014年

6月

制造业白皮书(2013年版)

将机器人、下一代清洁能源汽车、再生医疗以及3D打印技术作为今后制造业发展的重点领域;提出科技研发的两大主要方向:一是发挥日本在既有领域内的优势,包括信息通信、纳米技术、制造业等;二是针对国家安全保障

2015年

6月

制造业白皮书(2014年版)

白皮书中指出,日本制造业在积极发挥信息技术作用发方面落后于欧美,建议转型为利用大数据的下一代制造业。日本制造业依然有着勃勃雄心,一方面,不断通过海外并购打通相关领域,整合优势资源,从而有更进一步提升的空间;另一方面,通过大量开放专利技术使技术得到普及,从而成为行业“领跑者”

美国

2011年

6月

先进制造业伙伴计划

其中国家机器人计划(NRI)目标是开发下一代机器人,提高机器人系统的性能和可用性;2012.9和2013.10,美国国家科学基金会(NSF)、国立卫生研究院(NASA)共同宣布,NRI第一轮、第二轮资助计划总额分别达4000万、3800万美元

2012年

2月

先进制造业国家战略计划

为先进制造业提供良好的创新环境;统筹促进公共和私人对先进制造技术基础设施的投资;促进先进制造技术规模的迅速扩大和市场渗透

德国

2013年

4月

保障德国制造业的未来:关于实施“工业4.0”战略的建议(2013)

建设一个网络(Cyber-Physical System,信息物理系统)、研究两大主题(智能工厂、智能生产)、实现三大集成(横向集成、纵向集成与端对端集成)、推进三大转变(实现生产由集中向分散的转变;实现产品由大规模趋同性生产想规模化定制生产转变;实现由客户导向向客户全程参与的转变)

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)整理

二、重点行业领域发展动态

(一)数控机床

1.世界机床产值和消费连续三年呈现萎缩状态

经过2010和2011年两年大幅增长后,近年来世界机床产值和消费继续维持萎缩态势。据美国Gardner公司最新公布的数据,2014年世界27个主要机床生产国和地区的机床产值约为812亿美元,较2013年下降3.1%;2014年世界27个主要机床生产国和地区的机床消费额约为753亿美元,较2013年微幅增长0.3%,见图1。

图片关键词

图1   1980—2014年世界机床产值和消费趋势变化

资料来源:Gardner Publications, Inc,上海科学技术情报研究所(ISTIS)整理

2.主要国家和地区机床产值下降,机床消费涨跌互现

经过2011-2012年大幅增长后,近两年全球主要国家和地区的机床产值呈现下降趋势,机床消费呈现涨跌互现态势。就机床生产国(地区)排名看,前10名中,除了日本、韩国和中国台湾地区机床产值较2013年有所增加外,其余7个国家的机床产值均较2013年有所下降。2014年中国大陆机床产值约为238亿美元,虽然产值较2013年有所下降,但仍遥遥领先于其他国家;2014年机床产值前五位国家分别是中国、德国、日本、韩国和意大利。就机床消费排名看,和2013年一样,2014年前五位国家依然是中国、美国、德国、日本和韩国。虽然中国大陆机床消费连续三年出现萎缩,但是2014年机床消费仍达到317亿美元,继续排名第一。美国继续保持世界第二的位次,与2013年基本持平。由于2013年德国机床消费额较2012年大幅增长,因此2014年德国机床消费与2013年相比有较大幅度的下降。2014年日本和韩国机床消费较2013年相比有较大增长,见表2。

表2   2014年世界主要国家和地区机床产值及机床消费额

排名

国家/地区

机床产值/100万美元

排名

国家/地区

机床消费额/100万美元

2014年

2013年

2014年

2013年

1

中国大陆

23800.0

24700.0

1

中国大陆

31700.0

31900.0

2

德国

12957.2

15268.7

2

美国

8056.3

8048.5

3

日本

12831.6

11333.6

3

德国

6758.2

7573.4

4

韩国

5631.0

5150.0

4

日本

5150.2

3695.8

5

意大利

5074.7

5475.9

5

韩国

4891.0

4320.0

6

美国

4900.4

4956.1

6

意大利

2266.9

2098.4

7

中国台湾

4700.0

4537.0

7

俄罗斯

2030.2

2054.5

8

瑞士

3111.7

3242.8

8

墨西哥

1708.9

1924.2

9

奥地利

1101.2

1217.0

9

中国台湾

1687.0

1629.0

10

西班牙

1083.0

1285.1

10

印度

1416.5

1337.7

11

英国

931.9

1007.1

11

加拿大

1235.0

1342.0

12

土耳其

722.0

719.0

12

土耳其

1227.0

1261.0

13

法国

698.9

797.3

13

英国

1087.2

1077.5

14

印度

645.3

576.0

14

瑞士

1081.8

1126.1

15

捷克

625.9

697.2

15

巴西

1014.6

1464.9

16

加拿大

571.0

685.0

16

法国

977.3

1113.8

17

荷兰

380.5

428.8

17

奥地利

663.7

734.0

18

巴西

280.0

417.5

18

西班牙

534.8

426.1

19

比利时

254.0

317.8

19

捷克

464.3

435.5

20

俄罗斯

234.4

210.9

20

澳大利亚

333.0

374.7

21

芬兰

170.2

191.8

21

荷兰

303.9

342.5

22

墨西哥

144.0

140.6

22

比利时

221.2

190.4

23

澳大利亚

143.4

160.0

23

阿根廷

195.7

210.0

24

瑞典

135.7

163.4

24

葡萄牙

166.5

209.6

25

葡萄牙

102.1

119.2

25

瑞典

161.3

194.2

26

丹麦

45.0

49.3

26

芬兰

115.5

121.9

27

阿根廷

37.5

36.2

27

丹麦

59.6

63.0

合计

81312.6

83883.3

合计

75268.7

75507.6

资料来源:Gardner Publications, Inc,上海科学技术情报研究所(ISTIS)整理

3.汽车、机械、军工和电子信息是数控机床的最大用户

数控机床产业链贯穿技术研发、原料采购、产品生产制造、市场销售及最终用户。数控机床产业链上游主要包括主要原材料(钢铁铸件)、主机制造(基础件、配套件)、数控系统制造(控制系统、驱动系统)、外围制造(包括铸造、锻造、模具加工、焊接等)四大类;数控机床产业的下游主要是四大应用行业,即汽车行业、机械行业、军工行业(航空航天、造船、兵器、核工业等)和其他行业(主要是以电子信息技术为代表的高新技术产业),分别占总需求的45%、25%、20%和10%左右,见图2。

图片关键词

图2   数控机床产业链

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)整理

各个下游行业对机床产品的主导需求各不相同。汽车行业和军工行业由于其生产规模较大,加工工艺要求较高,因此对高端的大型、专用数控机床及加工中心需求量较大;而电子信息产业由于其所需的生产设备主要用于加工小型精密零件,因此,对小型、精密、高速的高档机床需求量较大。机械行业包含的子行业众多,而工程机械是机械行业中的机床需求大户,约占整个机械行业需求的40%左右。目前,汽车行业和航天军工产业对机床市场需求最大且需求产品技术水平最高。表3简要罗列了不同行业所需的机床种类。

表3   各行业需求机床种类

行业

机床种类

军工

航空

高速5轴龙门移动式或横梁移动式加工中心、数控立式车床、立卧转换镗铣加工中心、5轴卧式加工中心、六坐标镗铣中心、高精度齿轮加工机床、数控磨床、高精度数控万能磨床、高精度电加工机床等

航天

精密数控车床和车削中心、7轴控制双主轴车削中心、立卧转换4~5轴铣削中心、小规格5轴立式加工中心、高精度电加工机床、高精度数控万能磨床、数控光学成形磨床、5轴双柱立式车铣中心、大型外圆磨床、落地镗铣床和龙门加工中心

造船

重型和超重型龙门铣镗床、重型数控落地镗铣床、6轴五联动数控镗铣床、数控立式车床、大型数控成型砂轮磨齿机、曲轴镗铣床、大型曲轴车铣中心、大型曲轴磨床

兵器

重型龙门铣镗床、对置式落地镗铣床、立卧式加工中心、5轴加工中心、齿轮加工机床、数控车床、车削中心和其他各类数控机床

汽车

汽车

高速卧式加工中心、数控曲轴内铣或外铣床、数控曲轴磨床、曲轴抛光机、数控车床、立式加工中心、卧式加工中心,数控高效磨床和数控齿轮加工机床、柔性生产线

机械

冶金设备

大型龙门铣床、大型数控卧车和立车

发电设备

重型数控龙门铣床、大型数控落地镗铣床、大型数控立式车床、叶根槽专用铣床以及叶片数控加工设备

工程机械

数控龙门铣床、数控车床

模具行业

汽车覆盖件模具:高速龙门铣床和三坐标测量机;大中型塑料模具:数控镗铣床、加工中心、电加工机床、深孔钻床、磨床;中小型精密模具:高精度加工中心、坐标磨床、光学曲线磨床、精密成形磨床、精密平面磨床、精密电加工机床等

轻工业

多轴联动加工中心、数控成套设备、一般金切机床

纺织工业

加工中心、数控金切机床

电子信息

电子信息

精密车床和亚微米加工设备、纵切自动机、盘型棒料自动车床、排刀式数控车床、小型5轴立式加工中心、高速加工中心、高速铣削中心、精密细丝电火花线切割机床精密电火花成型机、高速精密冲床和其他专用设备

资料来源:上海科学技术情报研究所(ISTIS)整理

4.日本、德国机床制造商在世界数控机床产业中占据绝对领先地位

从美国Gardner公司2015年5月发布的2014年世界机床产值前20位企业排名看(表4),日本和德国最多,分别是7家和6家;美国3家;中国2家;韩国和瑞士各1家。其中,前10名企业中日本占了5家,可见日系数控机床制造商在世界数控机床产业中占有绝对领先地位。中国有两家企业入榜前10名,分别是位于第2位的沈阳机床和第4位的大连机床。前10名榜单中,德国有3家企业上榜,分别是排名第1位的通快、排名第6位的吉迈特和排名第8位的舒勒;另有3家德国企业(格劳博、埃玛格、联合磨削集团)排名介于第10~20之间,足以体现以德国数控机床制造商在世界数控机床产业中占有的举足轻重的地位。和前几年排名相比,美国机床企业排名后移,前10名无企业入榜,美国MAG(与德国合资企业)排名第11位,哈斯排名第14位,格里森排名第20位,其他知名机床企业如哈挺等均排在20名以后。

表4   2014年世界机床产值前20名企业名单

排序

公司名称

国别

截止财政

年度

机床产值/

100万美元

主要品牌

1

通快(Trumpf)

德国

2014年6月

2930.3

Trumpf,TruPunch,TruBend,TruLaser

2

沈阳机床集团

中国

2011年12月

2782.7

SMTCL,S1,Schiess,ZJ,Fiyang

3

天田(Amada)

日本

2014年3月

2547.3

Amada,Amada Wasino

4

大连机床(DMTG)

中国

2010年12月

2380.6

DMTG,Ingersoll Peoduction System,BoKo

5

小松(Komatsu)

日本

2013年3月

2224.6

Komatsu,NTC

6

德马吉森精机(德国)(DMG Mori Seiki A.G.)

德国

2013年12月

1606.7

DMG Mori

7

德马吉森精机(日本)(DMG Mori Seiki Co.Ltd.)

日本

2014年3月

1604.1

DMG Mori

8

舒勒(Schuler)

德国

2013年9月

1555.5

Schuler,Müller-Weingarten,SMG,Gräbener

9

捷太格特(Jtekt)

日本

2014年3月

1546.9

Toyoda,Koyo

10

大隈(Okuma)

日本

2014年3月

1340.8

Okuma

11

MAG

美/德

2011年12月

1259.0

MAG

12

牧野(Makino)

日本

2014年3月

1236.5

Makino

13

斗山·英维高

(Doosan Infracore)

韩国

2013年12月

1224.0

Doosan,Daewoo

14

哈斯(Haas)

美国

2012年12月

967.0

Haas

15

阿奇·夏米尔

(GF AgieCharmilles)

瑞士

2013年12月

935.1

Charmilles,Agie,Mikron,StepTec,System3

16

格劳博(Grob)

德国

2012年3月

896.0

Grob

17

埃玛格(Emag)

德国

2011年12月

724.0

Emag,SW,Naxos-Union

18

联合磨削集(UNITED GRINDING)

德国

2013年12月

704.7

Blohm,Ewag,Jung,Mägerle,Studer,Walter

19

会田(Aida)

日本

2014年3月

694.5

Aida,Manzoni,Rovetta

20

格里森(Gleason)

美国

2012年12月

685.0

Gleason,Gleason-Pfauter,

-Hurth

资料来源:根据Gardner Publications, Inc 2015年数据整理

(二)智能控制系统

1.世界智能控制系统市场规模稳步增长

2010—2014年世界智能控制系统市场获得稳步增长,见图3。据国际著名咨询机构Market Line2014年11月发布的数据显示,2014年世界智能控制系统(包括集散控制系统DCS和可编程控制器PLC两大部分,不包括基于PC的工业控制系统和软件)市场规模约为227亿美元,较2013年增长6.4%,2010年至2014年年复合增长率为3.9%。2014年集散控制系统(DCS)市场规模达115亿美元,占世界智能控制系统市场规模的比例为50.8%;2014年世界可编程控制器(PLC)市场规模达112亿美元,占智能控制系统总额的49.2%。

MarketLine预计,2014—2019年世界智能控制系统市场将保持稳定增长,但增幅有所趋缓,2014—2019年复合年均增长率约为3.9%,2019年产业市场规模将达275亿美元,较2014年增长30.8%,见表5。

图片关键词

图3   2010—2014年世界智能控制系统市场规模

资料来源:Marketline. Globall Control Systems,November 2014.

表5   2014—2019年世界智能控制系统市场规模

年度

市场规模/亿美元

增长率/%

2014

227

6.4

2015

234

3.1

2016

244

4.2

2017

255

4.2

2018

265

4.0

2019

275

3.9

资料来源:MarketLine,上海科学技术情报研究所(ISTIS)整理

2.占据智能控制系统高端市场的欧洲地区快速增长

就世界智能控制系统市场区域分布来看,2014年,欧洲、亚太和美洲地区智能控制系统市场规模分别为98亿、76亿和47亿美元,占世界智能控制系统市场规模的比例分别为43.2%、33.6%和20.7%,见表6。2009年至2014年,欧洲、美洲、亚太地区智能控制系统复合年均增长率分别为7.3%、2.5%、2.1%。欧洲地区智能控制系统占据高端市场,近年来优势明显,发展势头迅猛,不仅得到快速增长,在全球比重也由2009年占比38.5%上升为2014年43.2%,而美洲和亚太地区尽管也保持稳定增长,但比重有所下降,尤其是前几年增长较快的亚太地区,比重由2009年的38.3%下降至2014年的33.6%。

表6   2009年和2014年世界智能控制系统市场对比情况

区域

2009年

2014

市场规模/亿美元

分布比例/%

市场规模/亿美元

分布比例/%

美洲

41.5

23.2

47.0

20.7

欧洲

68.9

38.5

98.0

43.2

亚太地区

68.6

38.3

76.0

33.6

中东及非洲

6.0

2.5

全球

179.0

100.0

227.0

100.0

资料来源:MarketLine,上海科学技术情报研究所(ISTIS)整理

美国、日本和欧洲等发达国家智能控制系统市场发达,代表了当今智能控制系统的最高技术水平。近年该市场保持稳步增长的态势,主要原因在于欧美日发达国家加大了对智能控制系统生产和研发,加快对现有控制系统的智能化改造。而亚太与中南美洲等新兴地区近几年工业发展快速,资本投入和大型基础建设项目大幅增加,对智能控制系统需求量大,进口相对增加,而亚洲相对低廉的劳动力,吸引欧美厂商积极开拓亚洲市场。

3.跨国公司并购重组向更强大综合性工业集团发展

智能控制系统行业综合了多种高新技术成果,发展智能控制系统需要一批具备相当经济实力、拥有著名品牌和现代化生产经营开发规模的大型公司。近年来,世界上主要的自动化仪器仪表厂商进行了新一轮的成本削减和重组,一些财力雄厚的厂商为了扩展实力,争夺市场份额或垄断市场,开始收购有名或不知名的生产企业,成为更强大的综合性工业集团。如,艾默生完成了约40亿美元的战略收购计划,不仅补充了原有业务链,进一步促进了技术、产品和解决方案的创新,也提高了企业利润,帮助其在全球经济复苏期占领有利位置。罗克韦尔也在不断扩充产业链:2013年10月收购vMonitor公司,vMonitor是全球范围内数字油田实施及远程运营领域的先驱,创造性地将最尖端的无线仪表和通信与可视化软件结合在一起,成为罗克韦尔互补的产品线;2013年11月收购Jacobs Automation公司,Jacobs Automation是智能跟踪运动控制技术领域的领导者,拥有一款名为iTRAK系统的运动控制解决方案,该方案面向全球机器制造商市场,可有效提升包装、物料输送等工作效率。

4.领先公司发展概况

(1)ABB(ABB,Ltd.)

ABB是电力和自动化技术领域的领导厂商,由两个具有100多年历史的国际性企业:瑞典的阿西亚公司(ASEA,成立于1883年)和瑞士的布朗勃法瑞公司(BBC Brown Boveri,成立于1891年)在1988年合并而成。ABB集团总部位于瑞士苏黎世。目前,ABB下设五大业务部门:电力产品部、电力系统部、离散自动化与运动控制部、低压产品部和过程自动化部。其中,离散自动化与运动控制部的电机、发电机、传动系统、可编程逻辑控制器、电力电子和机器人产品广泛应用于电力、运动和控制等自动化领域;过程自动化部为客户提供仪器仪表、自动化产品和工业流程优化解决方案,服务于石油、天然气、电力、化学、制药、制浆、造纸、金属、矿产、船舶和涡轮增压等行业。2013年ABB销售收入为418.48亿美元,较2012年增长6.4%。

(2)艾默生(Emerson Electric Co.)

艾默生是一家多元化全球制造商,公司成立于1890年,总部位于美国密苏里州圣路易斯市。公司通过过程管理、工业自动化、网络能源、环境优化技术、商住解决方案等业务,将技术与工程相结合,为客户提供创新性解决方案。其中,过程管理业务涉及:测量和分析仪表(压力、温度、液位及流量测量,分析仪表,气相色谱仪);系统、控制器及软件(过程管理系统,安全仪表系统,船用管理系统,过程控制及自动化软件,运营管理软件,资产管理、维护及可靠性)等。工业自动化业务涉及:流体自动化(流体控制产品,气动运动控制产品);电机及驱动(工业电子电机,齿轮传动电机,变速驱动,光伏发电并网逆变器,伺服驱动及电机);工业电气产品等。2013年艾默生销售收入为242.22亿美元,较2012年下降0.8%。

(3)霍尼韦尔(Honeywell International Inc.)

霍尼韦尔是一个拥有多元化制造技术的领导者,公司成立于1885年,总部设在美国新泽西州莫里斯镇。其业务涉及航天产品及服务、工业和家庭楼宇控制技术、汽车产品、涡轮增压器以及特种材料。其中,工业过程控制业务涉及:传感器、开关及控制产品(温湿度传感器、压力传感器、速度传感器、压力/真空开关、功率继电器等);控制、监测及安全系统(集成控制与安全系统、数字视频管理器、质量控制系统、可扩展控制解决方案等);工业无线解决方案等。目前,霍尼韦尔在全球95个国家/地区拥有13万名员工。2013年霍尼韦尔销售收入为390.55亿美元,较2012年增长3.7%。

(4)西门子(Siemens Aktiengesellschaft)西门子是全球电子电气工程领域的领先企业,公司成立于1847年,总部位于德国幕尼黑。其业务遍及200多个国家,专注于电气化、自动化和数字化领域。西门子在海上风机建设、联合循环发电、输电解决方案、基础设施解决方案、工业自动化、驱动和软件解决方案,以及医疗成像设备和实验室诊断等领域占据全球领先地位。其中,西门子工业自动领域业务涉及:自动化与控制系统(工业自动化系统、运动控制系统SIMOTION、CNC系统和CNC控制器、自动化软件等);过程控制系统(SIMATIC  PCS7、旧系统改造);仪表和传感器(过程自动化仪表、过程分析仪器、视觉传感器等);工业通讯(工业以太网、工业无线通讯、工业远程访问);基于PC的自动化(工业PC、基于PC的控制器、嵌入式控制器);等等。2013年西门子销售收入为1007.30亿美元,较2012年下降3.1%。

(三)3D打印设备

1.3D打印市场规模继续保持快速增长态势

根据美国专门从事添加制造技术的技术咨询服务公司——沃勒斯(Wohlers Associates)发布的2015年度报告显示,近年来全球3D打印市场持续保持快速增长态势,2014年全球产值约为41亿美元,比2013年增长35.2%,创近18年来最高增幅。2012—2014年全球3D打印产业年均复合增长率约为33.8%。2014年全球约有49家制造商生产和销售工业级3D打印设备。据Wohlers报告显示,到2016年全球3D打印市场规模将超过70亿美元,2018年将达到125亿美元,到2020年市场预计将达到212亿美元,见图4。

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图4   2010—2020年全球3D打印产业市场规模及预测

说明:2016年、2018年、2020年为预测值

资料来源:Wohlers Associates,上海科学技术情报研究所(ISTIS)分析整理

从2007年至2014年,桌面3D打印机的年销售额从区区66台增长到139584台。Wohlers认为,桌面3D打印机销售增长最快领域将是企业和教育机构,而非家用。从销售数量上来说,2014年桌面级3D打印机占91.6%,而工业级只占8.4%,但从销售额上截然相反,工业级3D打印机占86.6%,桌面级只占13.4%,即2014年工业级3D打印机的销售额为11.2亿美元,而桌面级3D打印机的销售额仅为1.733亿美元。

2.欧美日发达国家3D打印应用较广泛,中国尚未实现大规模应用

目前,美国、日本、德国、中国是拥有3D打印设备最多的国家。据Wohlers Associates发布的2013年度报告显示,美国、日本、德国和中国拥有的3D打印设备占全球3D打印设备的比例分别为38%、9.7%、9.4%和8.7%(图5),以上四个国家拥有3D打印设备之和占世界总份额的比重约达65.8%。

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图5   2013年主要国家3D打印设备数量占比

资料来源:Wohlers Associates

目前,在欧美日等发达国家,3D打印技术的应用已较为广泛,大到飞行器、赛车,小到服装、手机外壳、甚至是人体组织器官。尤其在一些交叉学科领域中,3D打印的应用更加明显。从近期欧美市场看,越来越多的零售商在网店和实体店售卖3D打印机。随着百思买、沃尔玛、亚马逊、家得宝及劳式等集团公司相继成为制造商和终端用户的中介,3D打印机也渐渐地进入主流行列。就企业实力来看,3D打印产业排名前4位的企业分别是美国3D Systems、Stratasys公司,以色列Object公司和德国EOS公司,它们占据全世界近70%的市场份额,形成了寡头垄断的市场竞争格局。目前欧美较具规模的3D打印企业的年销售收入一般都在10亿元人民币左右。

目前,中国的3D打印仍处于起步阶段,设备、材料、软件等环节已实现不同程度突破,应用对象以科研和职业技术培训、高校等教育领域为主,在文化创意、工业、生物医学等领域得到部分应用,尚未实现在工业及个人消费领域大规模推广。中国目前仍没有一家3D打印企业收入过亿元,甚至超过5000万元的企业都寥寥无几。整体看,3D打印行业缺乏龙头企业、核心技术、成熟的商业模式和政策资金扶持。

3.航空航天、军工和医疗是3D打印技术应用前景最广阔的领域

根据美国3D打印技术路线图规划,未来10~12年,3D打印技术将对航空航天、汽车、医疗和消费电子产品等核心产业的革新产生巨大推动,而军事、牙科、建筑、家具、家居饰品、珠宝、收藏品、玩具、教育等行业,也将受益于3D打印技术的发展。

(1)航空航天领域

由3D打印制造出来的金属零件完全符合航空航天领域对于未来器械设备制造的要求。主要表现在以下三个方面:①“轻量化”和“高强度”一直是航空航天设备制造和研发的主要目标。3D打印技术所制造出来的零件能够很好地满足这两个要求,如由激光快速成型技术打造的一次成型钛合金的承力能力比普通锻造、焊接强上近30%。②由于航空航天设备所需要的零部件往往都是一些需要单件定制的小部件,如果运用传统工艺制作势必会存在制作周期过长,且成本过高的问题。而3D打印技术低成本快速成型的特点则能很好地弥补这一缺陷;③传统技术在生产零件过程中会造成许多不必要的损耗,对于复杂产品,有时候原材料利用率仅不到10%。而3D打印所特有的增材制造技术则能很好地利用原材料,利用率高达90%。

2013年8月,美国国家航空航天局(NASA)对用3D打印技术制作出的火箭发动机喷射器进行了测试,并取得成功。火箭发动机喷射器是火箭生产中最昂贵的组件之一,通过使用金属3D打印技术的工艺,成本能够减少70%以上,并且极大缩短开发时间。欧洲宇航防务集团创新工场和欧洲光学学会使用直接金属激光烧结技术制造的钛零件替代空客A320发动机舱的铸钢铰链支架,在关键载荷位置优化金属结构布置,削减了75%的原材料重量,减少了生产、使用与回收过程中能源消耗及排放物。劳斯莱斯集团(Rolls Royce)正在研发用3D打印技术更快更精准地生产喷气发动机组件。2014年9月,NASA将一台由Made In Space公司制造的Zero-G3D打印机送上了国际空间站,帮助宇航员在零重力的情况下制造复杂零件和所需工具,修复受损的齿轮,甚至是组装纳米卫星。欧洲航天局(ESA)也计划在2015年上半年将3D打印机发送到国际空间站上去。

Wohlers最新发布的报告指出,目前全球航空航天业在3D打印方面投入了巨资。GE航空集团已经打印了40000个航空发动机燃料喷嘴。而空中客车公司则每个月3D打印30吨的零部件,而且该公司已经看到在应用3D打印之后零部件生产方面的显著提升。使用3D打印技术生产航空航天零部件的其他公司包括BAE系统公司、贝尔直升机、波音、庞巴迪、巴西航空工业公司、通用动力公司、霍尼韦尔航空航天集团、洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁门公司、普惠公司、雷神公司、劳斯莱斯公司和SpaceX公司等。

(2)军工领域

目前,3D打印技术已经被大量应用于美军武器装备的研发之中。除了能够提升武器装备的研发速度外,3D打印技术还能大幅降低武器装备的造价成本和生产周期。美军已应用3D打印技术辅助制造导弹用弹出式点火器模型,并取得了良好的效果。美国GE航空已应用3D打印技术制造终极喷气发动机,并将所有的专门技术应用于下一代的军用发动机上,自动地将高推力模式转换到高效率模式。美陆军加速3D打印技术实战化部署,以增强持续战斗力。2013年1月7日,美国陆军快速装备部队(REF)将其第2个移动远征实验室部署到战区,该实验室通过使用3D打印机和计算机数字控制(CNC)设备将铝、塑料和钢材生产加工成所需零部件。2013年11月,美国德克萨斯州的Solid Concepts公司用金属粉末制造并测试了世界上第一支3D打印的金属手枪,这支以经典的M1911为模型打印的手枪组成元件超过30个,包括不锈钢和一些特殊合金材料,经过50次发射测试,射击距离超过27米,与常规武器同样精准。2013年12月,Solid Concepts又为Area-I公司的737无人机模型PETRA,使用选择性激光烧结(SLS)技术打印了燃料箱、副翼、操纵面、襟翼等主要组件,所生产的部件质量完美,重量减轻,并省掉了传统制造方法耗时的后处理步骤,仅副翼的制作就从原来的24天缩短到3天,最终使PETRA实现了完美的试飞测试。除此以外,3D打印技术正计划被用于各种武器装备,如水面舰艇、潜艇和战机的设计制造。

(3)医疗领域

医疗领域已然成为3D打印应用最多的领域之一,大部分应用都集中在假肢制造、牙齿矫正与修复等方面。利用3D打印能够完美地复制人体结构构造,贴合人体工学。现如今在欧洲,使用3D打印制造钛合金人体骨骼的成功案例就有3万多例。

随着科技的不断进步,将3D打印应用于组织器官移植的技术也不单单只停留在理论层面。2013年5月,美国俄亥俄州一名六周大的男婴患有支气管软化症,病情危重。医生利用3D打印机,制作了一个夹板,在婴儿的气道中开辟了一个通道。男婴最终成功维持呼吸,免于夭折。这是医学史上首宗3D打印器官成功移植的案例。根据美国器官共享网络(UNOS)统计数据,美国等待器官移植的患者人数在逐年增加。截至2014年4月10日,美国在等待器官移植手术的病患共计7.8万余人。今后这将是一个需求量极大的市场。而由于符合要求的器官捐献数量不足,以及术后可能产生的严重排斥性问题,传统医疗手段已然无法满足现在需要器官移植病患的要求。因此,今后3D打印在这一领域的应用将会非常可观的。

4.金属3D打印大有前途

金属3D打印是通过把一层厚度为0.025~0.08毫米的金属粉末逐层熔铸,制成所需产品。相较于PVC、陶瓷等材料,金属材料由于其高硬度,耐高温等得天独厚的特性,其作为3D打印原材料的发展空间巨大,金属3D打印所制造出来的产品可以在更多的领域得到应用,如航天航空、汽车制造、军工等。例如,通过金属3D打印,可实现飞机零部件的轻量化订制,减轻机身重量。相关研究表明,一架飞机机身重量每减少一公斤,每年将可节省3万美元的燃油费。当前,汽车的更新换代速度越来越快,车主们很可能因为找不到适合自己车型的零件而犯愁。金属3D打印技术将能轻松解决此类问题。只要保存好汽车零件的扫描数据,随时可以通过一台金属3D打印机制造出来。由于产业链下游需求面更加宽广,使得金属零部件的3D打印技术在未来的发展前景更加被业界所看好。

金属3D打印在现阶段仍然会遇到一定的技术难题。因为金属的熔点相对较高,所以在成品制造的过程中会出现物理变化(如金属固液形态的转变)、热传导和表面扩散等情况。为了解决这一系列问题,需要多种制造参数配合。相较于其他材料的3D打印技术,金属零部件快速成型技术是最为复杂的。

 

 





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