1. 3D打印復合材料裝備概述

3D打印技術，作為一種革命性的增材制造方法，在制造業中正變得越來越重要。它通過逐層堆疊材料，能夠快速制造出復雜的精密部件，無需傳統模具，縮短生產周期，提高材料利用率，降低成本，并突破了傳統制造技術在制備復雜零件時的限制。特別是在小批量復雜零件的生產及設計優化方面，3D打印技術展現了強大的市場競爭力，成為推動制造業創新的關鍵力量。

復合材料在現代制造業中也扮演著重要角色，通常由兩種或以上不同性質的材料組成，通過優化比例和結構，實現性能互補和提升。它們具有高強度、低密度、耐腐蝕、耐高溫等特性，在航空航天、汽車制造、醫療器械等領域應用廣泛，有助于減輕重量、提高效率、增強結構強度和性能。

隨著對高精度、高性能零部件需求的增長，3D打印技術與復合材料的結合成為必然趨勢。3D打印復合材料裝備能夠快速、精準地制造出復合材料零部件，推動制造業的轉型升級。這種技術不僅滿足了高端領域對復雜零部件的嚴格要求，還為其他領域如科研教育、消費電子、文化創意等帶來了創新機遇。

目前，3D打印技術已發展出多種類型，如立體光固化成型技術（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）和熔融沉積成型（FDM）。FDM技術因其低成本、簡單制備程序和適用多種材料的優勢，成為市場上應用最廣泛的3D打印技術之一。聚合物3D打印工藝正朝著低打印成本、低能耗、大尺寸、高打印速率方向發展，逐步實現批量生產，與傳統塑料生產工藝競爭。粉末床工藝已應用于塑料零件批量生產，而快速光聚合技術如DLP和CLIP則使光聚合3D打印面向小批量生產，重點研究低能耗和高零件性能的工藝。材料擠出3D打印工藝也走向成熟，高速、大型設備得到應用發展。

2. 行業發展概述

2.1 3D打印復合材料裝備發展歷史

國內3D打印技術的發展歷程，宛如一部波瀾壯闊的科技史詩，記錄了無數先驅者的智慧與勇氣，見證了中國科技從追隨到超越的偉大飛躍。1980年，世界上首項3D打印專利在日本誕生，如同一粒科技的火種，點燃了全球3D打印技術發展的燎原之火。而在國內，顏永年教授于1988年在清華大學建立了激光快速成形中心，成為中國快速成型技術的奠基人，為中國3D打印技術的發展打下了堅實的基礎。此后，中國3D打印技術的發展步伐逐漸加快。1993年，中國首家3D打印公司成立，標志著中國3D打印產業正式啟航。1994年，西安交通大學的盧秉恒教授開始致力于3D打印機的研發，其科研成果為中國3D打印技術的自主創新注入了強大的動力。

步入21世紀，中國3D打印技術迎來了更為迅猛的發展。2010年，華中科技大學的史玉升教授團隊成功研制出工業級1.2mx1.2m快速制造裝備，其工作面積之大在當時堪稱世界之最，彰顯了中國在大型3D打印設備制造領域的卓越實力。2011年，史玉升教授團隊憑借其精湛的技術，為空客和歐洲航天局等單位制作飛機、衛星、航空發動機用大型復雜鈦合金零部件的鑄造蠟模，將中國3D打印技術應用于國際高端航空航天領域，贏得了國際贊譽。2013年，中國3D打印聯盟正式成立，標志著中國3D打印產業開始走向聯合發展、協同創新的新階段，為技術交流、資源整合與市場拓展搭建了廣闊的平臺。2017年，西安智熔推出了中國首個電子束金屬3D打印系統ZcompleX3，填補了中國在電子束金屬3D打印領域的技術空白，使中國在高端金屬3D打印技術方面達到了新的高度。2018年，昆明理工大學增材制造中心成功試制出當時使用SLM工藝成形的最大單體鈦合金復雜零件，充分展示了中國在鈦合金3D打印技術上的精湛工藝與強大創新能力。2020年，中國空間技術研究院成功完成了首次“太空3D打印”實驗，這也是全球首次連續纖維增強復合材料的3D打印實驗，標志著中國在航天領域的3D打印技術應用取得了重大突破，為未來太空探索與開發提供了全新的技術手段。

2.2復合材料裝備發展現狀

復合材料在當今科技領域的應用堪稱廣泛且深入，其獨特的性能優勢使其成為眾多行業不可或缺的關鍵材料。在航空航天領域，復合材料經歷了從早期非承載結構到如今主承載結構的重大轉變。以機翼和機身制造為例，復合材料的應用不僅大幅減輕了飛行器的重量，還顯著提升了其結構強度與耐久性。在國防軍工領域，復合材料同樣發揮著至關重要的作用。輕型裝甲車、隱形飛機、導彈和火箭等裝備均廣泛采用復合材料，這得益于其高強度、低密度、隱身性能好等特點，能夠有效提升裝備的作戰效能與生存能力。而在新能源汽車、儲能、光伏等新興領域，復合材料也展現出了巨大的應用潛力。在新能源汽車制造中，復合材料可用于車身、電池外殼等部件的制造，有助于降低車輛自重，提高續航里程，同時增強車輛的安全性與舒適性。隨著這些領域的快速發展，復合材料的市場需求將持續增長，為3D 打印復合材料裝備提供了廣闊的發展空間。

3. 3D打印復合材料裝備產業鏈全景

3.1市場規模

3.1.1全球3D打印市場規模分析

據英國專注全球3D 打印行業研究的 VoxelMatters 公司月發布的《Metal AM》報告數據顯示，2022 年全球金屬 3D 打印市場規模約為 28.61 億美元，其中硬件、材料和服務的市場規模分別為 14.76 億美元、3.98 億美元和 9.87 億美元，同比增長 26%。預計到 2032 年，全球金屬 3D 打印市場規模將突破 400 億美元，2022-2032 年期間的復合年均增長率將高達 30.3%。該報告還評選出了十家在全球金屬 3D 打印領域領先的企業，分別是 EOS、SLM Solutions、3D Systems、Desktop Metal、GE Additive、BLT、Velo3D、DMG Mori、TRUMPF 和 HBD，這些企業在推動全球金屬 3D 打印技術發展和市場拓展方面發揮著重要的引領作用。

圖2022－2032年全球金屬3D打印細分市場規模預測值（單位：百萬美元）

資料來源：VoxelMatters.

圖2024年全球收入排名前十的金屬3D打印商

3.1.2中國3D打印市場規模分析

在中國，3D 打印市場正展現出蓬勃的活力，市場占有率領先的五家公司依次為聯泰、Stratasys、EOS、GE 和 3D Systems，它們的市場占有率均未超過 20%，這反映出行業集中度相對較低，市場競爭異常激烈，同時也預示著行業發展潛力巨大。近年來，中國制造業企業積極采納 3D 打印技術，以此替代或優化企業原有的生產流程，進而提升企業生產的智能化水平，滿足政府對中國制造產品轉型升級的迫切需求。在市場規模方面，中國 3D 打印產業規模呈現出逐年穩步增長的趨勢，其增長速度略快于全球整體增速，這使得中國 3D 產業在全球所占的比重持續上升。

中國3D打印設備分工藝占比（截至2022.10）

國海證券研究所、中國復合材料工業協會

目前，我國3D打印機產業規模逐年增加，增加速度要略快于全球整體增速，以致于我國3D產業占全球的比重在不斷增加。展望未來，在航空、汽車、醫療器械等行業的快速發展下，3D打印機市場需求巨大，市場規模將呈現快速擴張的趨勢。

3.2 3D打印設備

3.2.1  FDM/FFF

FDM（熔融沉積成型）技術作為一種廣泛應用的 3D 打印技術，其原理是將絲狀材料通過加熱熔化后，依據計算機控制的路徑，由噴頭擠出并逐層堆積成型。這種技術以其設備和打印原料成本低、制備程序簡單以及適用于多種材質原料打印等優勢，成為現階段市場上應用最為廣泛的 3D 打印技術之一，在眾多領域都展現出了卓越的應用價值。

Stratasys F370?CR FDM? 復合打印機是一款極具代表性的高性能 3D 打印機。它支持多種高強度復合材料和工程級材料的打印，如 ABS-CF10 和 FDM Nylon-CF10 等，這些材料的應用使得打印出的零部件在強度和耐用性方面表現出色。該打印機具有可變零件密度功能，能夠根據零部件的不同使用需求，靈活調整零件內部的結構密度，在保證零件性能的前提下，實現材料的優化利用，減少材料浪費。其較大的構建空間（355 mm x 254 mm x 355 mm）為打印大型零部件提供了可能，適用于高強度夾具、固定裝置和制造工具的生產。此外，該設備還具備與制造執行系統連接的能力，能夠實現生產過程的數字化管理和監控，提高生產效率和管理精度。

Markforged 的 Mark Two 和 FX20 打印機則專為連續碳纖維增強高分子材料設計，這一設計特點使其在對零部件強度和輕量化要求較高的領域具有顯著優勢。該打印機能夠打印多種材料，包括熱塑性塑料、尼龍和連續碳纖維，通過將這些材料進行復合打印，可以充分發揮不同材料的性能優勢，實現零部件性能的優化。例如，在航空航天領域的一些零部件制造中，使用該打印機能夠在保證零部件結構強度的同時，大幅減輕其重量，提高飛行器的燃油效率和性能。在服務機器人等領域，這些打印機也有著廣泛的應用，能夠為機器人制造輕量化、高強度的結構部件，降低機器人的整體重量，提高其運動性能和能耗效率，從而實現成本降低和性能提升的雙重目標。Markforged系列：包括Mark2和X7等型號，采用短切碳纖維混摻尼龍粉末的激光燒結工藝，適用于航空航天、汽車、醫療等領域。

Arevo Labs 和 9T Labs 的機器人系統則代表了 FDM 技術在復雜幾何形狀制造方面的創新應用。這些系統利用六軸機器人技術，能夠高效地打印短纖維復合材料和 CF/PA12 復合材料，并在曲面上實現復雜幾何形狀的制造。例如，Arevo Labs 開發的用于打印 PEEK/CF 復合材料的機器人系統，充分利用了六軸機器人的靈活性和高精度運動控制能力，能夠在復雜的三維空間內精準地鋪設打印材料，實現對具有復雜曲面和內部結構零部件的制造。這種技術突破了傳統 3D 打印設備在幾何形狀制造方面的局限，為航空航天、汽車制造等領域中一些特殊零部件的制造提供了全新的解決方案。9T Labs 展示的在曲面上放置 CF/PA12 復合材料的能力，也為制造具有高性能要求的曲面結構部件提供了技術支持，如在航空發動機葉片、汽車輪轂等零部件的制造中具有潛在的應用價值。

Continuous Composites 的 CF3D?工藝是一種具有革命性的連續纖維 3D 打印技術。它通過工業機器人采用干燥纖維進行打印，在打印過程中原位浸漬樹脂，這一獨特的工藝方式無需昂貴的模具或烤箱等設備，大大降低了生產成本和設備復雜度。該技術適用于航空級碳纖維、玻璃纖維或芳香族聚酰胺纖維等高性能連續纖維的制造，能夠充分發揮這些高性能纖維的力學性能優勢，制造出具有高強度、高剛度的復合材料零部件。例如，在航空航天領域的結構件制造中，使用 CF3D?工藝能夠制造出輕量化、高強度的機翼、機身框架等部件，滿足航空航天領域對零部件高性能和輕量化的嚴格要求。

除了上述設備外，還有許多其他FDM 技術設備也在各自的領域發揮著重要作用。例如，Ultimaker+ 3D 打印機可以使用含有氮化硅粒子的復合材料進行打印，這種復合材料具有較高的硬度和耐磨性，可用于制造一些對耐磨性要求較高的零部件，如工業機械中的耐磨零件、模具等。Zmorph 2.0 3D 打印機則使用陶瓷糊狀物進行打印，能夠制造出具有特殊陶瓷性能的零部件，如耐高溫、耐腐蝕的陶瓷部件，在化工、電子等領域有著潛在的應用前景。這些設備通常結合開源軟件（如 Blender 和 Ultimaker Cura）來設計和打印模型，開源軟件的應用使得用戶能夠更加靈活地進行打印參數設置和模型設計，降低了使用門檻，促進了 FDM 技術的廣泛應用和創新發展。

3.2.2  SLA

光固化成型（SLA）技術是一種高精度的 3D 打印技術，其原理是將光敏聚合物單體與增強顆粒或纖維混合，在特定波長的紫外光照射下，光引發劑引發聚合物單體快速發生光聚合反應，由液態迅速轉變為固態，然后按照規劃的路徑逐層疊加，最終形成所需的三維制品。

SLA 技術具有極高的精度，能夠制造出尺寸精度極高、表面質量光滑的零部件，在對精度要求極高的領域，如珠寶首飾、精密模具、醫療器械等行業有著廣泛的應用。在珠寶首飾制造中，SLA 技術可以精確地打印出復雜精美的首飾模型，為后續的鑄造或加工提供精準的樣板，能夠大大縮短首飾設計和生產周期，同時提高產品的質量和設計自由度。在精密模具制造方面，SLA 技術能夠制造出高精度的模具型芯和型腔，確保模具的尺寸精度和表面質量，從而提高注塑成型產品的質量和一致性。對于醫療器械制造，如牙科修復體、助聽器外殼等小型醫療器械，SLA 技術可以制造出貼合人體生理結構、精度極高的產品，提高醫療器械的使用效果和舒適度。

然而，SLA 技術也存在一些局限性。目前適合光固化的高分子樹脂基體種類相對有限，這在一定程度上限制了該技術在不同材料性能需求領域的應用。由于樹脂基體種類的限制，可能無法滿足一些特殊零部件對材料力學性能、耐熱性能、化學穩定性等方面的要求。此外，在打印過程中，當加入短纖維增強材料時，容易出現纖維沉降問題，這會導致復合材料內部結構不均勻，影響打印部件的性能一致性和質量穩定性。為了克服這些局限性，研究人員正在不斷探索新型的光敏樹脂材料和纖維增強技術，以拓展 SLA 技術的應用范圍和提高其打印質量。

Optimizing your Ultimaker Cura workflow

3.2.3  LDM/DIW

直接墨水書寫（DIW）技術：這是一種擠出技術，用于從陶瓷、金屬和其他精細材料制造3D打印零件。DIW設備價格適中，適用于設計師快速原型制作。直接墨水書寫（DIW）技術，也稱為液體沉積模塑（LDM），是一種獨特的 3D 打印擠出技術。

LDM/DIW 技術所用的原材料是具有一定流動性的溶液、膏狀或水凝膠的復合材料，通過后加熱、紫外光（Ultraviolet Light，UV）固化或添加活性成分等方式來實現固化成型。

這種工藝的一個顯著優勢在于能夠生產具有功能和成分梯度的零件。在一些特殊的應用場景中，例如生物醫學領域的人工關節制造、電子領域的功能梯度材料器件制造等，需要零部件內部具有不同的材料成分或性能梯度，以滿足不同部位的功能需求。LDM/DIW 技術能夠通過精確控制打印過程中不同材料墨水的擠出量和混合比例。但是，不能添加大長徑比、含量過高的纖維，以免在打印過程中堵塞打印頭。

3.2.4  SLS/SLM

選擇性激光燒結(SLS)，是一種利用激光產生的熱量選擇性熔結粉末的3D打印方法．使用高分子基體與增強體纖維的混合粉末，讓激光按三維模型的截面形狀對特定區域的粉末進行加熱，熔點相對較低的高分子粉末融化，把基體和增強體粘接起來實現組分的復合．較高的表面精度、支撐結構容易去除和材料可重新回收利用均是SLS成型的優點．但該方法存在的問題是混合粉末中兩種材料的密度通常不同，易出現沉析現象使得制品成分不均勻．此外，SLS對原料粒徑要求嚴格，因此一般選用20～250μm長度的短纖維，復合材料力學性能提升有限.

4 未來發展

科技發展正推動復合材料行業迎來空中交通市場的新機遇。城市間空中出租車服務（AAM市場）使用全電動eVTOL飛機，航程約150公里，需要高性能復合材料零部件，而3D打印技術將在其中扮演關鍵角色。盡管目前只有少數公司資金充足，但市場潛力巨大，預計到2030年將有數千輛空中出租車投入運營，為3D打印復合材料裝備創造市場空間。

復合材料在大飛機制造中也扮演著重要角色，例如C919飛機廣泛使用了多種復合材料，包括增韌環氧樹脂基T800級高強碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料、芳綸蜂窩材料、碳纖維復合材料風扇葉片及陶瓷基復合材料渦輪部件等。這些應用提高了飛機性能，展示了復合材料在大飛機制造中的重要性。隨著技術發展，對復合材料零部件性能、精度和可靠性要求提高，3D打印技術提供了高效、優質解決方案。

3D打印技術的進步推動了其在復合材料領域的應用。新型材料的研發豐富了3D打印復合材料的種類，提升了性能；打印工藝的改進，如微波加熱打印、超聲波輔助3D打印，提高了打印速度和制品質量；噴頭技術的創新，如多噴頭、高精度噴頭，提高了制品精度和復雜度。技術成熟和市場規模的擴大使3D打印設備成本降低，更多企業和科研機構能承擔3D打印復合材料裝備成本，促進了其廣泛應用。

3D打印復合材料裝備在科技飛速發展的背景下，正展現出其獨特而強大的魅力與價值。產業鏈涵蓋了從上游原材料的精心篩選與供應，到中游核心硬件、輔助運行裝備以及各類3D打印設備的制造與優化，再到下游在航空航天、汽車、醫療、消費電子等眾多領域的廣泛應用，形成了一個完整而緊密的產業生態系統。

在應用領域，3D打印復合材料裝備已在多個高端制造業領域發揮著不可替代的作用。在航空航天領域，它助力飛行器實現輕量化、高性能化；在汽車制造領域，推動汽車向個性化、智能化方向發展；在醫療領域，為個性化精準醫療提供了有力支持。

盡管如此，3D打印復合材料裝備在技術層面仍面臨材料性能提升、打印效率和質量標準完善等挑戰。成本高昂也限制了其普及。此外，跨學科專業人才短缺也制約行業發展。未來，材料創新、技術融合和應用拓展將是主要發展方向。新型復合材料的研發將拓展應用領域，3D打印技術將與人工智能、大數據、物聯網等技術融合，提高打印質量和效率。同時，3D打印將在建筑、能源、文化創意等領域拓展應用，推動相關行業創新和發展。