1982 查爾斯·胡爾試圖將光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于快速成型領(lǐng)域，并于第二年發(fā)布了世界上第一臺3D打印機(jī)；

1984 胡爾發(fā)明了SLA立體平板印刷技術(shù)；

1986 胡爾成立了世界上第一家生產(chǎn)3D打印設(shè)備的公司——3D Systems，采用基于液態(tài)光敏樹脂的 光聚合原理工作的技術(shù)，被稱為“立體光刻”；

1989 Carl Deckard發(fā)明了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）；

1992 Stratasys公司推出了第一臺基于FDM技術(shù)的3D工業(yè)級打印機(jī)——3D造型者（FDM技術(shù)步入 了商用階段；美國DTM公司推出了首臺選擇性激光燒結(jié)（SLS）打印機(jī)；

1993 美國麻省理工學(xué)院MIT的Emanual Sachs教授發(fā)明了三維打印技術(shù)；

1995 德國一家激光技術(shù)研究所推出了SLM技術(shù)；美國Z Corporation公司開始開發(fā)基于3DP技術(shù)的打印機(jī)；西安交通大學(xué)盧秉恒教授發(fā)布了中國第一臺3D打印樣機(jī)；1996 各種3D打印新技術(shù)被開發(fā)：LENS激光凈成型技術(shù)、DMD直接金屬沉積、DLF直接激光成型、 LRF激光快速成形等技術(shù)的出現(xiàn)實現(xiàn)了人們對于3D打印技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新；

1998Autostrade發(fā)布了全球第一臺商業(yè)化個人用的桌面型立體光固化成型機(jī)；Optomec成功開發(fā) LENS激光燒結(jié)技術(shù)；

2000 Objet更新SLA技術(shù)，使用紫外線光感和液滴噴射綜合技術(shù)，大幅提高制造精度；

2005ZCorp公司推出世界上第一臺高精度彩色3D打印機(jī)Spectrum Z510 2008 第一款開源的桌面級3D打印機(jī)RepRap發(fā)布 ；

2010Organovo公司，一個注重生物打印技術(shù)的再生醫(yī)學(xué)研究公司 ；

2011 設(shè)計和試駕了全球首架3D打印的飛機(jī)，推出全球第一輛3D打印的汽車Urbee；

2012 英國著名經(jīng)濟(jì)學(xué)雜志《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》聲稱3D打印將引發(fā)全球第三次工業(yè)革命；MIT的團(tuán)隊成立Formlabs公司；MIT的團(tuán)隊成立Formlabs公司；至今3D打印行業(yè)龍頭公司盈利能力初現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)鏈上游材料、中游技術(shù)、下游產(chǎn)品逐漸成熟，行業(yè)未來市場空間廣闊。

01

3D打印

3D打?。河直环Q為增材制造，是一種快速成型技術(shù)。3D打印是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。傳統(tǒng)工藝：采用的制造技術(shù)是減材制造，主要通過去除材料來生產(chǎn)出所需要的零部件。

3D打印相比傳統(tǒng)工藝具有：1）適用于制造復(fù)雜物體；2）節(jié)省材料、降低成本；3）縮短研發(fā)制造周期；4）輕量化、一體化 成型；5）滿足定制化需求等優(yōu)勢，如下表所示。

來源：華福證劵

02

技術(shù)類型

增材制造制造工藝比傳統(tǒng)減材制造難度更高，工藝流程可以分為制造前處理，推擠增材制造和產(chǎn)品后處理三個階段，與傳統(tǒng)工藝相比，均有顯著差異；

（1）前處理離散階段：需要依靠計算機(jī)和特定軟件將所需產(chǎn)品的模型搭建在系統(tǒng)中，再通過優(yōu)化調(diào)整、分層切片、規(guī)劃路徑等操作完善前期 準(zhǔn)備工作；

（2）加工堆積階段：利用3D打印設(shè)備按照規(guī)劃設(shè)計的模型和路徑將材料逐層堆積，獲得制成品。其中粉末的制造工藝與加工工藝為該階段最 為關(guān)鍵的技術(shù)；

（3）后處理階段：打印后按需將成品進(jìn)行外表處理后投入使用進(jìn)行實際檢驗，一般需要通過剝離、打磨、拋光，若是金屬材料則還需要真空 淬火、退火等處理，得到成品。

當(dāng)下主流增材技術(shù)分別是以下幾大類：

選擇性激光熔化（SLM）：首先將金屬粉末以薄層分布在積層板上聚焦的激光在掃描振 鏡的控制下進(jìn)行參數(shù)掃描，金屬粉末在高能量激光的照射下發(fā) 生熔化，快速凝固，形成治金結(jié)合層打印任務(wù)結(jié)束后，基板下 降一個切片層厚高度，繼續(xù)進(jìn)行粉末鋪平，激光掃描加工，重 復(fù)這樣的過程直至整個零件打印結(jié)束；

電子束熔化成型 (EBM)：粉末或金屬絲形式的原料被輸送到同時聚焦激光束、電子束或 等離子/電弧等能量源的基板上，從而形成一個小熔池并逐層連 續(xù)沉積材料；

定向能量沉積(DED)：器上端為大功率激光器和金屬粉末噴嘴，通過計算機(jī)控制激 光器和噴嘴，將金屬粉末噴涂至預(yù)設(shè)位置并熔化，冷卻凝固后 成型，逐層重復(fù)此操作；

選擇性激光燒結(jié)（SLS）：由 CO2 激光器發(fā)出的激光束在計算機(jī)的控制下，根據(jù)幾何形 體各層橫截面的 CAD 數(shù)據(jù)，有選擇地對粉末層進(jìn)行掃描，使 粉末的溫度升到熔化點進(jìn)行燒結(jié)并與下面已成型的部分實現(xiàn) 粘結(jié)，一層一層得到成品；

立體光固化（SLA）：激光器發(fā)出紫外線激光束按照零件的分層截面信息逐點掃描 光敏樹脂材料表面，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng) 而固化，工作臺自上而下移動逐層疊加掃描固化出成品；

材料擠出(FDM)：加熱噴嘴至一定高度后，材料會依靠壓力以長絲的形式分別通 過X、Y 和 Z 三個軸系統(tǒng)按照計算機(jī)建好物品的預(yù)定位置培化 擠出，逐層沉積并且周化冷卻，在單層填充完畢后逐層向下移動，重復(fù)此過程完成制作；

數(shù)字光處理 (DLP)：形成層面建模記憶。然后把影像信號經(jīng)過數(shù)字處理后以面光的 形式在液態(tài)光敏樹脂表面進(jìn)行層層投影，每一層圖像在樹脂層很薄的區(qū)域產(chǎn)生光聚合反應(yīng)固化，形成零件的個薄層，層層固化成型堆積成最終的成品；

材料噴射成形(PJ)：將液體光聚合物層射到構(gòu)建托盤上，滾輪把噴射的樹脂表面處 理平整，UV 紫外光燈對光敏聚合材料進(jìn)行固化，層層累積后形成精確的模型成品；

目前主流使用的3D打印技術(shù)是SLM、SLS和EBM，SLS 和 SLM 屬于利用激光器將粉末進(jìn) 行逐層疊加，而 EBM 則利用高能電子束掃描熔融粉末逐層固化成形。SLS 相比 SLM 需要另添加粘合劑材料，混合粉末后 SLS 打印的成品硬度和精度略差于 SLM 制品。而 EBM 利用電子束產(chǎn)生的熱量和能量高于 SLM，更適合制造高導(dǎo)熱金屬、高溫合 金、高熔點金屬零件，但 SLM 利用激光打印的制品力學(xué)性能和制品強度仍略優(yōu)于 EBM 制品。綜合看燒結(jié)\粘結(jié)成型技術(shù)憑借金屬材料和技術(shù)特點能保證制品的硬度、 力學(xué)性能好等優(yōu)點更多應(yīng)用于工業(yè)制造、航空航天、汽車制造中。

BJAM技術(shù)：成本較PBF與DED技術(shù)更低，核心性能尚不滿足下游需求。基于粉末床工藝，通過噴墨打印頭逐層噴射粘結(jié)劑選區(qū)沉積在粉末床上，粘結(jié)打印三維實體零件初坯，隨后將打印的初坯置于均勻的熱環(huán)境中進(jìn)行脫脂和燒結(jié)，使其致密化并獲得機(jī)械性能良好的零件。與PBF和DED 技術(shù)相比，BJAM技術(shù)存在獨特的優(yōu)點：成本、材料體系廣泛、表面質(zhì)量良好和無需支結(jié)構(gòu)等，缺點為打印成品需后處理過程較為復(fù)雜，同時致密度和孔隙率與SLM工藝差距較大，難以用在消費電子領(lǐng)域。

03

材料的選擇

目前當(dāng)下增材制造選用原則主要受用途、制品質(zhì)量要求、材料、成型效率、成本、激光器以及外部環(huán)境的影響。粉末影響最大，不同3D打印技術(shù)適用于不同的打印材料。據(jù)中商情報網(wǎng)《 2023年中國3D打印行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈上中下游市場分析》 ， 我國3D打印市場中，鈦合金、鋁合金、不銹鋼分別占20.2%、10.0%、9.1%，合計占比39.3%，其余多為非金屬材料，包括尼龍、 PLA、ABS塑料、樹脂等。

（1）金屬材料

金屬材料多樣化及材料組合為未來發(fā)展方向，金屬3D打印材質(zhì)要求嚴(yán)格，主要采用鈦合金/鈷鉻合金/不銹鋼/鋁合金等材料。3D打印所使用的金屬粉末一般要求純凈度高、 球形度好、粒徑分布窄、氧含量低，因此能夠應(yīng)用于3D打印的金屬材料品種較少。

3D打印適用于難熔、難加工及價格高的材料。首先，3D打印具有節(jié)省材料的特性，適用于加工價格昂貴的材料，從而降低成 本。其次，采用傳統(tǒng)工藝加工高溫難熔、難加工金屬，工藝繁復(fù)、成本高昂，而3D打印能夠快速成型，適用于難加工材料制造。

金屬材料多樣化及材料組合為未來方向。其中，高熔點鎢、鎳合金有望成為未來3D打印的發(fā)展方向；鎂合金是質(zhì)量最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，可用于制作復(fù)雜流道、拓?fù)涞冉Y(jié)構(gòu)，適用3D打印技術(shù)；近年來銅合金的應(yīng)用逐步增長；鈷鉻合金有望在齒科等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

（2）高分子材料

高分子3D打印有望引領(lǐng)鞋類市場新革命。高分子材料是鞋的重要組成部分。在鞋類制造領(lǐng)域，3D打印能夠具有減輕鞋的重量， 減少制作工序、縮短上市周期，提高設(shè)計自由度等優(yōu)點。未來高分子3D打印有望成為鞋類制造的發(fā)展趨勢，打開市場空間。

未來隨著技術(shù)進(jìn)步，3D打印汽車零部件市場有望打開。目前3D打印技術(shù)主要應(yīng)用在打印汽車原型，幫助車企縮短研發(fā)周期， 使用的材料多為高分子材料。未來隨著技術(shù)進(jìn)步，3D打印有望應(yīng)用于最終產(chǎn)品或零件打印，打開更高附加值應(yīng)用的市場空間。

（3）陶瓷材料

成形缺陷多、質(zhì)量差，陶瓷3D打印工業(yè)化進(jìn)程受限。陶瓷3D打印技術(shù)具有材料利用率高、生產(chǎn)周期短、成型精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點，可實現(xiàn)形狀復(fù)雜的單件、小批量陶瓷零件的定制化生產(chǎn)，然而陶瓷3D打印存在成形缺陷過多、質(zhì)量差的問題，尤 其是裂紋缺陷嚴(yán)重問題將影響陶瓷件的力學(xué)性能，因此，目前3D打印在陶瓷領(lǐng)域應(yīng)用較少。

碳化硅陶瓷有望成為陶瓷3D打印突破領(lǐng)域。傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)工序復(fù)雜、成本高、模具設(shè)計制作周期長，同時碳化硅陶瓷材料具有極高的硬度和脆性，加工難度高，而3D打印技術(shù)能較好地解決復(fù)雜形狀難成型、難加工，制作周期長、成本高的問題，未來有望打開碳化硅陶瓷市場空間。

（4）復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料具有比強度、比模量高的特性。碳纖維復(fù)合材料主是由碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷、橡膠等基體混合加工成的 碳纖維復(fù)合材料，相比單一碳纖維具有比強度高、比模量高等特性。據(jù)國際金屬 加工網(wǎng)，碳纖維復(fù)合材料強度比鋼鐵高10倍，比鋁高8倍，但重量僅為鋼鐵、鋁的一小部分。采用3D打印加工碳纖維具有生產(chǎn) 周期短、降低成本、可定制化等優(yōu)勢。

針對不同的材料選擇對應(yīng)不同的技術(shù)類型，其中選擇性激光燒結(jié)（SLS）和選擇性激光熔化（SLM） 則以金屬、陶瓷粉末材料為主。目前SLM工藝市場優(yōu)勢主要有：1）成熟的軟件和機(jī)械技術(shù)；2）工藝直接交付金屬零件；3）在目前所有金屬增材 技術(shù)中致密度最高；4）因其能夠打印航空航天業(yè)常用的大尺寸、重負(fù)荷最終使用部件而備受推崇。

04

發(fā)展驅(qū)動因素

（1）技術(shù)進(jìn)步：3D打印能夠有效解決鈦合金加工問題。鈦合金材料存在加工難度大、良率低等問題，從而使得制造成本過高。通過3D打印技術(shù)，尤其是金屬粉末激光熔化技術(shù)，能夠有效地解決鈦合金材料成型的問題，大大降低了生產(chǎn)成本。

（2）成本下降：光學(xué)光熱類/電子電氣類/機(jī)械類/金屬粉末為3D打印設(shè)備主要成本，據(jù)華曙高科招股書，2022H1華曙高科直接材料占3D 打印設(shè)備及輔機(jī)配件的80.4%，同時2022H1光學(xué)熱學(xué)類/電子電氣類/機(jī)械類/金屬粉末/耗材類/高分子原材料分別占原材料采購成本的37.2%/18.8%/15.3%/ 6.6%/3.3%/1.9%。3D打印材料、設(shè)備成本快速下降。據(jù)鉑力特公司公告，我國金屬3D打印粉末價格持續(xù)下降，鉑力特自制金屬3D打印粉末平均售價由 2020年的144.48萬元/噸下降至2022年的78.19萬元/噸，降幅達(dá)45.9%；

（3）效率提升：3D打印通過增加激光頭、增加層厚、改變鋪粉方式及嫁接打印等方式提升效率。

（4）ESG需求：3D打印能夠節(jié)省材料、降低能耗。據(jù)美國能效和可再生能源局，相較于傳統(tǒng)制造方法，增材制造可以將材料成本和浪費 降低近90%，同時將能耗降低25%。同時，目前越來越多的3D打印支持材料回收循環(huán)，進(jìn)而減少材料浪費。3D打印制造過程環(huán)境污染小。傳統(tǒng)工藝所產(chǎn)生的廢渣、廢水、廢氣有害物質(zhì)會對環(huán)境造成污染，而3D打印機(jī)可以可再生 生物降解為原料，通過電源產(chǎn)生的高溫熔化噴出熔融物并逐層堆積而成，減少毒氣、噪聲和化學(xué)物質(zhì)等污染。

05

3D打印市場規(guī)模

2022年全球3D打印市場規(guī)模達(dá)180億元，預(yù)計2025年將達(dá)298億美元，2022-2025年CAGR為18.3%。據(jù)Wohlers Associates 《Wohlers Report 2023》、3D打印技術(shù)參考，全球增材制造市場規(guī)模由2017年的80.95億元增長至2022年的180億美元，同 比增長18.3%，2017-2022年CAGR為17.3%。據(jù)Wohlers預(yù)測，預(yù)計2025年增材制造收入規(guī)模將達(dá)298億美元，2022-2025年 CAGR為18.3%；預(yù)計2030年將達(dá)853億美元，2022-2030年CAGR為21.5%。

06

3D打印在“熱管理”中具備優(yōu)勢，未來前景可期

3D打印目前主要應(yīng)用在航空航天、消費電子、汽車、人形機(jī)器人、無人機(jī)、飛行汽車等等領(lǐng)域，其中：航空航天領(lǐng)域要求精度高、快速成型及輕量化降本，3D打印能夠匹配航天航空需求；3D打印市場空間有望打開汽車：縮短研發(fā)周期、輕量化及定制化，3D打印在汽車制造領(lǐng)域優(yōu)勢顯著；人形機(jī)器人：輕量化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)生產(chǎn)及效率提升，3D打印人形 機(jī)器人應(yīng)用前景廣闊無人機(jī)/飛行汽車：碳纖維3D打印有望成為未來的主流技術(shù)。
3D打印的主要優(yōu)勢在于其能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一次性成型，這樣的特性非常適合生產(chǎn)熱交換器和散熱器。傳統(tǒng)方法制造熱交換器和散熱器時，通常需要將單獨的翅片或板焊接或粘合在一起，這種方法不僅耗時耗力，而且焊接接頭可能出現(xiàn)故障。而3D打印技術(shù)能夠在單個制造過程中完成所有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的制作，極大地提高了生產(chǎn)效率和散熱器的性能。除了散熱器和熱交換設(shè)備之外，3D打印還被用于制造其他類型的散熱器，如微型散熱器、均溫板和熱管。下面重點看看3D打印技術(shù)作可為熱管理領(lǐng)域提供的技術(shù)賦能的相關(guān)產(chǎn)品：

（1）VC均熱板/熱管

當(dāng)下VC均熱板/熱管+TIMs已成為3C消費電子散熱的主流方案。隨著消費電子性能的提升，智能手機(jī)功耗快速提升，對散熱的需求增加。目前散熱方式主要以VC均熱板、熱管、風(fēng)冷散熱、石墨散熱、導(dǎo)熱凝膠散熱、金屬背板/邊框散熱等。其中高階智能手機(jī)散熱主要采用超薄VC均熱板輔以石墨及石墨烯等的散熱組合方案，中階機(jī)型則是使用熱導(dǎo)管結(jié)合石墨散熱。VC均熱板和熱管由純銅制造的內(nèi)部密封、中空且填充冷卻劑的散熱單元組成。

3D打印一體化成型、輕量化及制造周期短 ，“熱管理”領(lǐng)域未來前景可期。3D打印具有一體化成型、輕量化、制造周期短等特點，能夠提高散熱構(gòu)件的密封性及輕薄性，并縮短生產(chǎn)周期。2023年5月，芯片研究巨頭imec在ITF世界會議上展出的3D打印處理器冷卻器將處理器（如CPU和 GPU）的能力提高了3.5倍，比目前最好的CPU冷卻器性能高出 3.5倍。未來3D打印有望在散熱領(lǐng)域打開市場空間。VC均熱板將迎來爆發(fā)性增長。假設(shè)VC均熱板在5G手機(jī)中的滲透率達(dá)到30%，單片VC均熱板價值15元人民幣，則2025年全球手機(jī)VC均熱板市場將達(dá)到90億元人民幣以上。

（2）液冷組件

在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)，行業(yè)的關(guān)注點集中在具有較高價值量的熱交換器、航空航天熱管理部件、高端芯片散熱部件如微型冷板、拓?fù)鋬?yōu)化通道液冷換熱器、液冷板等。3D打印技術(shù)結(jié)合軟件智能算法，在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、換熱表面最優(yōu)化、流道熱阻壓降最優(yōu)化的高性能散熱器方面，具有傳統(tǒng)加工手段無法達(dá)到的高度。

液冷系統(tǒng)在電子設(shè)備中被廣泛使用，用于將熱量從電子元件傳輸?shù)嚼鋮s介質(zhì)中。3D打印可以制造復(fù)雜的液冷系統(tǒng)部件，例如冷卻通道、冷卻板等，以提高冷卻效率并適應(yīng)各種設(shè)備的形狀和尺寸。AI 產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，驅(qū)動液冷服務(wù)器滲透率逐步抬升。受限于數(shù)據(jù)中心建設(shè) 面積及環(huán)保要求，傳統(tǒng)風(fēng)冷難以滿足散熱需求，需要液冷技術(shù)提升服務(wù)器使 用效率及穩(wěn)定性，冷板式液冷是目前最成熟的方案。從發(fā)展趨勢來看，預(yù)計 到 2025 年液冷服務(wù)器滲透率大約保持在 20%-30%的水平。

測算AI服務(wù)器液冷市場規(guī)模 2023-2025年分別為66.87/81.29/106.12億元，其中冷板式方案 24.88/28.64/35.37億元，2022-2025年AI服務(wù)器液冷市場需求年復(fù)合增長率為21.50%。

3D打印技術(shù)不僅在散熱器的設(shè)計上提供了更大的自由度，而且在材料選擇和性能提升方面也展現(xiàn)出了其無可比擬的優(yōu)勢，是電子設(shè)備散熱解決方案中的一個極具潛力的發(fā)展方向。

參考資料[1] 電力電子器件用液冷針翅散熱器的研究進(jìn)展[2] 電子器件冷卻技術(shù)研究進(jìn)展[3]電力電子中 IGBT 散熱器選型應(yīng)用

[4]3D打印微型流冷散熱器在大功率冷卻上展示獨特優(yōu)勢

[5]多領(lǐng)域散熱材料、工藝的發(fā)展歷史與路徑演繹

[6] 各公司官網(wǎng)

[7]揭秘3D打印熱管理應(yīng)用的主流方向 這15家公司不容錯過！

[8]導(dǎo)熱材料：AI 發(fā)展推動產(chǎn)業(yè)升級

[9] 3D打印：消費電子開啟大規(guī)模應(yīng)用，成長空間打開

[10]3D打印行業(yè)深度：——蓄勢待發(fā)，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用賦能未來

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