1. 3D打印复合材料装备概述

3D打印技术，作为一种革命性的增材制造方法，在制造业中正变得越来越重要。它通过逐层堆叠材料，能够快速制造出复杂的精密部件，无需传统模具，缩短生产周期，提高材料利用率，降低成本，并突破了传统制造技术在制备复杂零件时的限制。特别是在小批量复杂零件的生产及设计优化方面，3D打印技术展现了强大的市场竞争力，成为推动制造业创新的关键力量。

复合材料在现代制造业中也扮演着重要角色，通常由两种或以上不同性质的材料组成，通过优化比例和结构，实现性能互补和提升。它们具有高强度、低密度、耐腐蚀、耐高温等特性，在航空航天、汽车制造、医疗器械等领域应用广泛，有助于减轻重量、提高效率、增强结构强度和性能。

随着对高精度、高性能零部件需求的增长，3D打印技术与复合材料的结合成为必然趋势。3D打印复合材料装备能够快速、精准地制造出复合材料零部件，推动制造业的转型升级。这种技术不仅满足了高端领域对复杂零部件的严格要求，还为其他领域如科研教育、消费电子、文化创意等带来了创新机遇。

目前，3D打印技术已发展出多种类型，如立体光固化成型技术（SLA）、选择性激光烧结（SLS）和熔融沉积成型（FDM）。FDM技术因其低成本、简单制备程序和适用多种材料的优势，成为市场上应用最广泛的3D打印技术之一。聚合物3D打印工艺正朝着低打印成本、低能耗、大尺寸、高打印速率方向发展，逐步实现批量生产，与传统塑料生产工艺竞争。粉末床工艺已应用于塑料零件批量生产，而快速光聚合技术如DLP和CLIP则使光聚合3D打印面向小批量生产，重点研究低能耗和高零件性能的工艺。材料挤出3D打印工艺也走向成熟，高速、大型设备得到应用发展。

2. 行业发展概述

2.1 3D打印复合材料装备发展历史

国内3D打印技术的发展历程，宛如一部波澜壮阔的科技史诗，记录了无数先驱者的智慧与勇气，见证了中国科技从追随到超越的伟大飞跃。1980年，世界上首项3D打印专利在日本诞生，如同一粒科技的火种，点燃了全球3D打印技术发展的燎原之火。而在国内，颜永年教授于1988年在清华大学建立了激光快速成形中心，成为中国快速成型技术的奠基人，为中国3D打印技术的发展打下了坚实的基础。此后，中国3D打印技术的发展步伐逐渐加快。1993年，中国首家3D打印公司成立，标志着中国3D打印产业正式启航。1994年，西安交通大学的卢秉恒教授开始致力于3D打印机的研发，其科研成果为中国3D打印技术的自主创新注入了强大的动力。

步入21世纪，中国3D打印技术迎来了更为迅猛的发展。2010年，华中科技大学的史玉升教授团队成功研制出工业级1.2mx1.2m快速制造装备，其工作面积之大在当时堪称世界之最，彰显了中国在大型3D打印设备制造领域的卓越实力。2011年，史玉升教授团队凭借其精湛的技术，为空客和欧洲航天局等单位制作飞机、卫星、航空发动机用大型复杂钛合金零部件的铸造蜡模，将中国3D打印技术应用于国际高端航空航天领域，赢得了国际赞誉。2013年，中国3D打印联盟正式成立，标志着中国3D打印产业开始走向联合发展、协同创新的新阶段，为技术交流、资源整合与市场拓展搭建了广阔的平台。2017年，西安智熔推出了中国首个电子束金属3D打印系统ZcompleX3，填补了中国在电子束金属3D打印领域的技术空白，使中国在高端金属3D打印技术方面达到了新的高度。2018年，昆明理工大学增材制造中心成功试制出当时使用SLM工艺成形的最大单体钛合金复杂零件，充分展示了中国在钛合金3D打印技术上的精湛工艺与强大创新能力。2020年，中国空间技术研究院成功完成了首次“太空3D打印”实验，这也是全球首次连续纤维增强复合材料的3D打印实验，标志着中国在航天领域的3D打印技术应用取得了重大突破，为未来太空探索与开发提供了全新的技术手段。

2.2复合材料装备发展现状

复合材料在当今科技领域的应用堪称广泛且深入，其独特的性能优势使其成为众多行业不可或缺的关键材料。在航空航天领域，复合材料经历了从早期非承载结构到如今主承载结构的重大转变。以机翼和机身制造为例，复合材料的应用不仅大幅减轻了飞行器的重量，还显著提升了其结构强度与耐久性。在国防军工领域，复合材料同样发挥着至关重要的作用。轻型装甲车、隐形飞机、导弹和火箭等装备均广泛采用复合材料，这得益于其高强度、低密度、隐身性能好等特点，能够有效提升装备的作战效能与生存能力。而在新能源汽车、储能、光伏等新兴领域，复合材料也展现出了巨大的应用潜力。在新能源汽车制造中，复合材料可用于车身、电池外壳等部件的制造，有助于降低车辆自重，提高续航里程，同时增强车辆的安全性与舒适性。随着这些领域的快速发展，复合材料的市场需求将持续增长，为3D 打印复合材料装备提供了广阔的发展空间。

3. 3D打印复合材料装备产业链全景

3.1市场规模

3.1.1全球3D打印市场规模分析

据英国专注全球3D 打印行业研究的 VoxelMatters 公司月发布的《Metal AM》报告数据显示，2022 年全球金属 3D 打印市场规模约为 28.61 亿美元，其中硬件、材料和服务的市场规模分别为 14.76 亿美元、3.98 亿美元和 9.87 亿美元，同比增长 26%。预计到 2032 年，全球金属 3D 打印市场规模将突破 400 亿美元，2022-2032 年期间的复合年均增长率将高达 30.3%。该报告还评选出了十家在全球金属 3D 打印领域领先的企业，分别是 EOS、SLM Solutions、3D Systems、Desktop Metal、GE Additive、BLT、Velo3D、DMG Mori、TRUMPF 和 HBD，这些企业在推动全球金属 3D 打印技术发展和市场拓展方面发挥着重要的引领作用。

图2022－2032年全球金属3D打印细分市场规模预测值（单位：百万美元）

资料来源：VoxelMatters.

图2024年全球收入排名前十的金属3D打印商

3.1.2中国3D打印市场规模分析

在中国，3D 打印市场正展现出蓬勃的活力，市场占有率领先的五家公司依次为联泰、Stratasys、EOS、GE 和 3D Systems，它们的市场占有率均未超过 20%，这反映出行业集中度相对较低，市场竞争异常激烈，同时也预示着行业发展潜力巨大。近年来，中国制造业企业积极采纳 3D 打印技术，以此替代或优化企业原有的生产流程，进而提升企业生产的智能化水平，满足政府对中国制造产品转型升级的迫切需求。在市场规模方面，中国 3D 打印产业规模呈现出逐年稳步增长的趋势，其增长速度略快于全球整体增速，这使得中国 3D 产业在全球所占的比重持续上升。

中国3D打印设备分工艺占比（截至2022.10）

国海证券研究所、中国复合材料工业协会

目前，我国3D打印机产业规模逐年增加，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。展望未来，在航空、汽车、医疗器械等行业的快速发展下，3D打印机市场需求巨大，市场规模将呈现快速扩张的趋势。

3.2 3D打印设备

3.2.1  FDM/FFF

FDM（熔融沉积成型）技术作为一种广泛应用的 3D 打印技术，其原理是将丝状材料通过加热熔化后，依据计算机控制的路径，由喷头挤出并逐层堆积成型。这种技术以其设备和打印原料成本低、制备程序简单以及适用于多种材质原料打印等优势，成为现阶段市场上应用最为广泛的 3D 打印技术之一，在众多领域都展现出了卓越的应用价值。

Stratasys F370®CR FDM® 复合打印机是一款极具代表性的高性能 3D 打印机。它支持多种高强度复合材料和工程级材料的打印，如 ABS-CF10 和 FDM Nylon-CF10 等，这些材料的应用使得打印出的零部件在强度和耐用性方面表现出色。该打印机具有可变零件密度功能，能够根据零部件的不同使用需求，灵活调整零件内部的结构密度，在保证零件性能的前提下，实现材料的优化利用，减少材料浪费。其较大的构建空间（355 mm x 254 mm x 355 mm）为打印大型零部件提供了可能，适用于高强度夹具、固定装置和制造工具的生产。此外，该设备还具备与制造执行系统连接的能力，能够实现生产过程的数字化管理和监控，提高生产效率和管理精度。

Markforged 的 Mark Two 和 FX20 打印机则专为连续碳纤维增强高分子材料设计，这一设计特点使其在对零部件强度和轻量化要求较高的领域具有显著优势。该打印机能够打印多种材料，包括热塑性塑料、尼龙和连续碳纤维，通过将这些材料进行复合打印，可以充分发挥不同材料的性能优势，实现零部件性能的优化。例如，在航空航天领域的一些零部件制造中，使用该打印机能够在保证零部件结构强度的同时，大幅减轻其重量，提高飞行器的燃油效率和性能。在服务机器人等领域，这些打印机也有着广泛的应用，能够为机器人制造轻量化、高强度的结构部件，降低机器人的整体重量，提高其运动性能和能耗效率，从而实现成本降低和性能提升的双重目标。Markforged系列：包括Mark2和X7等型号，采用短切碳纤维混掺尼龙粉末的激光烧结工艺，适用于航空航天、汽车、医疗等领域。

Arevo Labs 和 9T Labs 的机器人系统则代表了 FDM 技术在复杂几何形状制造方面的创新应用。这些系统利用六轴机器人技术，能够高效地打印短纤维复合材料和 CF/PA12 复合材料，并在曲面上实现复杂几何形状的制造。例如，Arevo Labs 开发的用于打印 PEEK/CF 复合材料的机器人系统，充分利用了六轴机器人的灵活性和高精度运动控制能力，能够在复杂的三维空间内精准地铺设打印材料，实现对具有复杂曲面和内部结构零部件的制造。这种技术突破了传统 3D 打印设备在几何形状制造方面的局限，为航空航天、汽车制造等领域中一些特殊零部件的制造提供了全新的解决方案。9T Labs 展示的在曲面上放置 CF/PA12 复合材料的能力，也为制造具有高性能要求的曲面结构部件提供了技术支持，如在航空发动机叶片、汽车轮毂等零部件的制造中具有潜在的应用价值。

Continuous Composites 的 CF3D™工艺是一种具有革命性的连续纤维 3D 打印技术。它通过工业机器人采用干燥纤维进行打印，在打印过程中原位浸渍树脂，这一独特的工艺方式无需昂贵的模具或烤箱等设备，大大降低了生产成本和设备复杂度。该技术适用于航空级碳纤维、玻璃纤维或芳香族聚酰胺纤维等高性能连续纤维的制造，能够充分发挥这些高性能纤维的力学性能优势，制造出具有高强度、高刚度的复合材料零部件。例如，在航空航天领域的结构件制造中，使用 CF3D™工艺能够制造出轻量化、高强度的机翼、机身框架等部件，满足航空航天领域对零部件高性能和轻量化的严格要求。

除了上述设备外，还有许多其他FDM 技术设备也在各自的领域发挥着重要作用。例如，Ultimaker+ 3D 打印机可以使用含有氮化硅粒子的复合材料进行打印，这种复合材料具有较高的硬度和耐磨性，可用于制造一些对耐磨性要求较高的零部件，如工业机械中的耐磨零件、模具等。Zmorph 2.0 3D 打印机则使用陶瓷糊状物进行打印，能够制造出具有特殊陶瓷性能的零部件，如耐高温、耐腐蚀的陶瓷部件，在化工、电子等领域有着潜在的应用前景。这些设备通常结合开源软件（如 Blender 和 Ultimaker Cura）来设计和打印模型，开源软件的应用使得用户能够更加灵活地进行打印参数设置和模型设计，降低了使用门槛，促进了 FDM 技术的广泛应用和创新发展。

3.2.2  SLA

光固化成型（SLA）技术是一种高精度的 3D 打印技术，其原理是将光敏聚合物单体与增强颗粒或纤维混合，在特定波长的紫外光照射下，光引发剂引发聚合物单体快速发生光聚合反应，由液态迅速转变为固态，然后按照规划的路径逐层叠加，最终形成所需的三维制品。

SLA 技术具有极高的精度，能够制造出尺寸精度极高、表面质量光滑的零部件，在对精度要求极高的领域，如珠宝首饰、精密模具、医疗器械等行业有着广泛的应用。在珠宝首饰制造中，SLA 技术可以精确地打印出复杂精美的首饰模型，为后续的铸造或加工提供精准的样板，能够大大缩短首饰设计和生产周期，同时提高产品的质量和设计自由度。在精密模具制造方面，SLA 技术能够制造出高精度的模具型芯和型腔，确保模具的尺寸精度和表面质量，从而提高注塑成型产品的质量和一致性。对于医疗器械制造，如牙科修复体、助听器外壳等小型医疗器械，SLA 技术可以制造出贴合人体生理结构、精度极高的产品，提高医疗器械的使用效果和舒适度。

然而，SLA 技术也存在一些局限性。目前适合光固化的高分子树脂基体种类相对有限，这在一定程度上限制了该技术在不同材料性能需求领域的应用。由于树脂基体种类的限制，可能无法满足一些特殊零部件对材料力学性能、耐热性能、化学稳定性等方面的要求。此外，在打印过程中，当加入短纤维增强材料时，容易出现纤维沉降问题，这会导致复合材料内部结构不均匀，影响打印部件的性能一致性和质量稳定性。为了克服这些局限性，研究人员正在不断探索新型的光敏树脂材料和纤维增强技术，以拓展 SLA 技术的应用范围和提高其打印质量。

Optimizing your Ultimaker Cura workflow

3.2.3  LDM/DIW

直接墨水书写（DIW）技术：这是一种挤出技术，用于从陶瓷、金属和其他精细材料制造3D打印零件。DIW设备价格适中，适用于设计师快速原型制作。直接墨水书写（DIW）技术，也称为液体沉积模塑（LDM），是一种独特的 3D 打印挤出技术。

LDM/DIW 技术所用的原材料是具有一定流动性的溶液、膏状或水凝胶的复合材料，通过后加热、紫外光（Ultraviolet Light，UV）固化或添加活性成分等方式来实现固化成型。

这种工艺的一个显著优势在于能够生产具有功能和成分梯度的零件。在一些特殊的应用场景中，例如生物医学领域的人工关节制造、电子领域的功能梯度材料器件制造等，需要零部件内部具有不同的材料成分或性能梯度，以满足不同部位的功能需求。LDM/DIW 技术能够通过精确控制打印过程中不同材料墨水的挤出量和混合比例。但是，不能添加大长径比、含量过高的纤维，以免在打印过程中堵塞打印头。

3.2.4  SLS/SLM

选择性激光烧结(SLS)，是一种利用激光产生的热量选择性熔结粉末的3D打印方法．使用高分子基体与增强体纤维的混合粉末，让激光按三维模型的截面形状对特定区域的粉末进行加热，熔点相对较低的高分子粉末融化，把基体和增强体粘接起来实现组分的复合．较高的表面精度、支撑结构容易去除和材料可重新回收利用均是SLS成型的优点．但该方法存在的问题是混合粉末中两种材料的密度通常不同，易出现沉析现象使得制品成分不均匀．此外，SLS对原料粒径要求严格，因此一般选用20～250μm长度的短纤维，复合材料力学性能提升有限.

4 未来发展

科技发展正推动复合材料行业迎来空中交通市场的新机遇。城市间空中出租车服务（AAM市场）使用全电动eVTOL飞机，航程约150公里，需要高性能复合材料零部件，而3D打印技术将在其中扮演关键角色。尽管目前只有少数公司资金充足，但市场潜力巨大，预计到2030年将有数千辆空中出租车投入运营，为3D打印复合材料装备创造市场空间。

复合材料在大飞机制造中也扮演着重要角色，例如C919飞机广泛使用了多种复合材料，包括增韧环氧树脂基T800级高强碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、芳纶蜂窝材料、碳纤维复合材料风扇叶片及陶瓷基复合材料涡轮部件等。这些应用提高了飞机性能，展示了复合材料在大飞机制造中的重要性。随着技术发展，对复合材料零部件性能、精度和可靠性要求提高，3D打印技术提供了高效、优质解决方案。

3D打印技术的进步推动了其在复合材料领域的应用。新型材料的研发丰富了3D打印复合材料的种类，提升了性能；打印工艺的改进，如微波加热打印、超声波辅助3D打印，提高了打印速度和制品质量；喷头技术的创新，如多喷头、高精度喷头，提高了制品精度和复杂度。技术成熟和市场规模的扩大使3D打印设备成本降低，更多企业和科研机构能承担3D打印复合材料装备成本，促进了其广泛应用。

3D打印复合材料装备在科技飞速发展的背景下，正展现出其独特而强大的魅力与价值。产业链涵盖了从上游原材料的精心筛选与供应，到中游核心硬件、辅助运行装备以及各类3D打印设备的制造与优化，再到下游在航空航天、汽车、医疗、消费电子等众多领域的广泛应用，形成了一个完整而紧密的产业生态系统。

在应用领域，3D打印复合材料装备已在多个高端制造业领域发挥着不可替代的作用。在航空航天领域，它助力飞行器实现轻量化、高性能化；在汽车制造领域，推动汽车向个性化、智能化方向发展；在医疗领域，为个性化精准医疗提供了有力支持。

尽管如此，3D打印复合材料装备在技术层面仍面临材料性能提升、打印效率和质量标准完善等挑战。成本高昂也限制了其普及。此外，跨学科专业人才短缺也制约行业发展。未来，材料创新、技术融合和应用拓展将是主要发展方向。新型复合材料的研发将拓展应用领域，3D打印技术将与人工智能、大数据、物联网等技术融合，提高打印质量和效率。同时，3D打印将在建筑、能源、文化创意等领域拓展应用，推动相关行业创新和发展。