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金属3D印刷行业前景分析‘华体会’

本文摘要:(请访问未来智库www.vzkoo.com,获取投诉)1 3D打印技术优势突出,行业进入高速增长期。1.1 3D打印有两个优点:成型工艺简单,设计友好性大。 3D打印又称加成制造,是一种基于数字模型,将材料层层聚集制造实物的新型制造技术。现在,基础技术成熟、新技术不断创新的技术体系已经形成,材料领域的创新层出不穷,逐渐成为航空航天、汽车、消费电子、医疗等领域的热门技术。三维打印的原理是基于计算机的三维设计模型,由软件离散分析成若干层平面切片。

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(请访问未来智库www.vzkoo.com,获取投诉)1 3D打印技术优势突出,行业进入高速增长期。1.1 3D打印有两个优点:成型工艺简单,设计友好性大。

3D打印又称加成制造,是一种基于数字模型,将材料层层聚集制造实物的新型制造技术。现在,基础技术成熟、新技术不断创新的技术体系已经形成,材料领域的创新层出不穷,逐渐成为航空航天、汽车、消费电子、医疗等领域的热门技术。三维打印的原理是基于计算机的三维设计模型,由软件离散分析成若干层平面切片。

数控成型系统使用激光束、热熔喷嘴等。将材料一层一层地聚集并粘合,然后将这些材料叠放在一起以制造固体产品。

由于特殊的制造技术,制造一个复杂的物体比制造一个简单的物体不需要更多的时间、成本或技术。3D打印有两个优点:成型工艺简单,设计友好,可以有效提高企业的生产效率和产品的综合性能。3D打印颠覆了传统的制造工艺,具有成型工艺简单、设计友好两大优势,可以有效提高企业的生产效率和产品的综合性能。1)生产效益:3D打印可以一次成型,无需模具和机械加工,大大简化了制造工艺,降低了装配成本,提高了材料使用效率。

同时独特的添加剂制造工艺对庞大的设计非常友好。庞大的结构、个性化的定制或参数修改,基本不会带来新的时间、技术和模具成本,使零时间交付成为可能,有效提升市场响应,推陈出新的速度;2)产品性能:整体成型有效消除产品体积和重量,高精度、自动化印刷工艺保证了结构庞大产品的一致性。3D打印适合高附加值的大型结构产品的小批量、多批量生产模式。

3D打印以其便捷的制作工艺和优异的综合性能,在适用场景和产品上具有不可替代的优势。适用场景:R&D等高附加值应用场景,具有小批量、多批量生产特点的试产、个性化定制,如航空航天、高校科研院所、珠宝、牙科、医疗等。

适用产品:制造原材料成本高、一致性要求高、容错性低、重量要求轻的大型结构产品,如精细零件、实验样品、原模具、人工骨器官等。但同时,由于高精度带来的对基体材料的高质量要求、特殊的印刷设备支撑和高工时,3D打印在低成本大批量生产领域并不能有效替代传统的锻造、铸造、冲压等生产工艺。

1.2产业链流程短,设备销售兑现一半以上产值。3D打印产业链上下游配套设施精准,全产业链企业更常见。1)上游:主要包括设备重点硬件和辅助运营产品。设备聚焦硬件指激光器、检流计系统、光引擎等。

辅助操作产品指设计、模拟、流量控制软件、扫描仪等。2)中流:主要包括印刷材料和印刷设备供应商,一般分为金属和非金属。本级企业为下游客户提供3D打印设备、材料及配套服务。由于设备特异性强,印刷材料往往由设备供应商提供或销售。

3)下游:主要指3D打印产品的用户,一般指购买打印设备、材料或最终产品的客户,行业规模涵盖航空航天、工业机械、能源电力、科研院所、医学研究、汽车制造、电子行业。3D打印行业主要包括以下三种商业模式:1)打印材料销售:供应树脂或金属打印垫的企业 然而,随着工业化水平的提高和环节分工的细化,特殊材料的供应商逐渐增多。

一些实力雄厚的材料制造商利用自身的材料优势,通过并购、设立子公司等方式,向印刷产品制造、印刷服务等领域延伸。比如镁铝ALCOA收购RTI,获得钛、镍等3D打印金属和塑料的制造能力。2)印刷设备销售:主要业务在R&D,制造和销售印刷设备。

因为这一级别的企业有专业设备和专业人员的优势,所以经常提供定制产品印刷、技术支持等服务。部门强的厂家也有独立的金属粉末制造能力,比如EOS。

另外,由于我国装备制造业成长较晚,企业通常是先代理国外厂商的设备来获取客户资源和技术记录,部门的国内自产设备厂商最初是通过代理国外厂商的设备逐渐成长起来的。比如白金2012年销售EOS设备,2013年开始自主研发,2014年开发乐城。3)打印服务提供:一般是设备厂商为C端或B端客户搭建服务平台。

客户下单后,在设备供应商或服务供应商远程打印产品,然后运送给客户。这种商业模式应用于定制要求高、无批量生产要求、无专业技术人员的消费类印刷领域。

对于有一定规模、专业化、保密要求的制造领域,往往接受外包设备和材料印刷的模式,对服务平台的需求主要是技术和维护支持。目前国内3D打印行业产值集中在设备上,材料和服务主要围绕设备配套。

总体来说,国内缺乏大型高端特种印刷材料制造商;印刷设备厂家比较多,经常包装销售低端印刷材料;印刷服务商也很少,大多是面向个人或小企业的消费级印刷服务商。2016年,我国3D打印行业设备、材料和服务产值分别占50.1%、26.9%和23%,设备环节占比过半,在产业链中发挥了重要作用。目前印刷材料、专用软硬件、产品加工等配套和服务环节主要靠设备供应商。3D打印设备供应商作为目前产业链的重点,除了设备销售,往往还涉及上下游配套环节。

这种现象主要是由于工业专利壁垒高、申请成熟度低、缺乏相关专业人才造成的。然而,随着3D打印的商业应用和产业化的快速发展,以及海内专用打印质料制备技术的成熟, 预计打印质料和加工服务等环节的产值有望实现大幅增长。1.3 政策鼎力大举支持下,我国 3D 打印工业进入快速生长期 全球 3D 打印行业生长正处于快速商业化阶段。从全球看, 3D 打印技术的生长历史分为三个阶段: 1)1892-1988 年是增材制造技术的初期阶段,“质料叠加”制造思想和开端技术泛起; 2)1988-1990 年是增材制造技术开端应用的阶段,3D Systems 推出第一台 SLA 商用机,SLS、FDM、LENS 等 技术陆续被推出;3)1990 年起开始进入商业化阶段,实现了金属质料的成形,LSF、SLM 等技 术被推出。

2009 年以后商业化显著加速,各国纷纷制定了支持 3D 打印产物生长的战略计划与技 术门路,将 3D 打印作为制造业创新升级重点结构之一。3D 打印工业的生长离不开国家战略计划和政策支持,美国成熟度最高投资力度最大。

1)美欧在 3D 打印领域研发早投入力度大,美国最早从国家战略层面临工业生长予以支持,致力于低成本 3D 打印设备的社会化应用和金属零件直接制造技术在工业界的应用,GE 公司在其主要商用发念头型 号中已经广泛使用 3D 打印的燃油喷嘴、传感器外壳等庞大结构件。2)亚太地域的 3D 打印生长 稍晚,中日韩从 13 年开始重视并加大对 3D 打印工业的投入力度、近年来生长迅猛,主流打印技 术已到达国际领先水平。在 3D 打印经费投入力度上,2016 年美国达 390 百万美元元居首位,中 国其次,但投入金额仅为美国的 11.5%,随着工业化的推进仍有较大上升空间。

我国 3D 打印行业虽然起步晚,但近年来生长迅速。我国从 20 世纪 90 年月初就开始结构对 3D 打印典型成形设备、软件、质料等方面的研究,但工业化历程相对滞后,直到近几年才迎头遇上。我 国 3D 打印的工业化分两个阶段:第一个阶段是技术突破和尺度制定,十二五期间增材制造相关的 专利数量从 2011 年的 5 个激增至 2016 年的 6564 个,打印质料、设备零件、工业尺度等焦点能 力发展迅速。

第二个阶段是工业化的落地,2016 年国务院印发《“十三五”国家科技创新计划》,提出生长增材制造等技术,次年科技部宣布《“十三五”先进技术领域科技创新专项计划》,将增材制造作为 重点任务生长,3D 打印成为国家重点资助领域。2018 年海内拥有约 90 多家涉及 3D 打印业务的 公司,近半数企业为 2016 年后进入市场。

现在,我国在 SLM 等主流金属 3D 打印技术和设备制 造上,已经到达世界先进水平。2 成本下降推动工业化历程,金属打印前景辽阔2.1 金属 3D 打印契合工业级应用,潜力大、发展快 金属 3D 打印可服务于高端制造业金属部件的制造,颠覆性强、生长潜力大。非金属 3D 打印通常 使用塑料、树脂质料等,金属 3D 打印通常使用各种合金粉末和线材。

相比传统制造模式,非金属 3D 打印的优势主要在于无模化和可定制,但受限于质料性能,其主要用于样品和模具的生产,量和价都很难起来;而金属 3D 打印除了具备无模化可定制优势外,在打印效率和打印质量上相比传统金属加工工艺均有较为显着的提升,甚至能够完成传统工艺无法制造的高庞大度高细密度零部件 的打印,具有更大的生长潜力。由于更高的技术含量、制造难度和不行替代性,金属 3D 打印设备 单价较高,而金属质料凭借更优秀的耐热、高强和耐用性能,极大拓宽了 3D 打印的应用规模,在 航空航天、医疗的义齿和植入体制造、汽车等应用领域具有辽阔前景。金属 3D 打印工艺原理主要分为粉末床选区熔化和定向能量沉积两大种别。

1)粉末床选区熔化技 术主要包罗选区激光烧结技术(SLS)、选区激光熔融技术(SLM)、电子束选区熔融技术(EBSM); 2)定向能量沉积技术包罗激光近净成形技术(LENS)、电子束熔丝沉积技术(EBDM)、直接 金属沉积技术(DMD)等。接纳这两类工艺原理的金属 3D 打印技术都可以制造到达锻件尺度的金属零件。总的来说,各技术间存在替代和互补的关系,但粉末床选区熔化技术门路由于更高的成 型质量,现在应用更为广泛。

凭据 Wohlers 对全球 36 家主要的金属 3D 打印企业统计,2018 年 度,接纳粉末床选区熔化技术为 18 家,接纳定向能量沉积技术为 8 家,合计占比到达 72%。现在 SLM、SLS 是高精度、高质量金属件加工领域最主流的工艺技术,LENS 是大型庞大金属件领域 领域最主流的工艺技术。金属 3D 打印设备及耗材价值量占比靠近全行业的一半。

从设备端看,金属 3D 打印机价值量占比 为 49.5%,位居全行业首位,其次划分为塑料打印机、桌面打印机等产物。从质料端看,金属耗 材占比为 39.4%,低于塑料的 46.5%,也低于设备端的占比,主要由于金属打印的工业化正处于 快速扩张阶段,设备端的增长领先于质料消耗的增长。3D 打印逐渐由消费级市场往高端制造市场渗透,以金属 3D 打印为代表的高价值量设备成为销售 增长的主力。

凭据工信部数据,2017 年海内出货的 3D 打印机 95%是小我私家或桌面打印机,工业级 只占 5%,但从销售收入来看,工业级 3D 打印机占总收入的 80%,工业级 3D 打印的占比在 2018 年进一步扩大。3D 科学谷对中国市场的调研数据也显示,现在高端工业级 3D 打印设备的采购正 在成为主流,44.1%的被观察企业接纳的是 10 万美金(单台)以上的 3D 打印设备。

法国 3D 打印 公司 Sculpteo 调研了全球 1000 多家应用 3D 打印的公司,从打印材质来看,2018 年塑料的运用 率高达 65%,但却从 2017 年的 88%下降了 23%,唯一增长的质料是金属,其需求从 2017 年的 28%增长到了 2018 年的 36%。我们认为以金属 3D 打印工业化应用加速为契机,高价值量的工业 级 3D 打印机的销售规模连续扩大,3D 打印正逐渐由消费级市场往高端制造市场渗透。

2.2 主流打印技术专利掩护陆续到期,工业化历程加速 3D 打印设备焦点专利到期,成本下降推动工业化历程。专利掩护一直是 3D 打印行业的“双刃剑”, 一方面有利于知识产权的掩护,另一方面又倒霉于工业化的推广。SLA 技术是 3D Systems 首创 人在 1986 年申请的专利,Formlabs 致力于 SLA 技术的桌面级应用,降低价钱门槛。

但由于受到 3D Systems 在 2012 年的专利侵权起诉,导致 Formlabs 每销售一台打印秘密支付 8%的版税给 3D Systems。全球 3D 打印专利申请的岑岭期在 2007 年,其中主流技术的焦点发现专利申请时间 主要在 1998 年以前。

专利到期意味着个体厂商专利垄断的竣事,降低了技术使用成本和企业进入 门槛,促进了 3D 打印设备和产物的进一步普通化和工业化。以 FDM 技术为例,2009 年到期后, FDM打印机价钱从 10000 元下降到不足 1000 美元,而且涌现出 MakerBot 等大批新兴设备厂商。

SLS 和 SLM 焦点技术专利陆续到期,推动金属 3D 打印设备加速普及。SLS、SLA 系列技术专利 于 2014 年陆续到期,SLM 系列技术专利于 2016 年陆续到期,SLM 和 SLS 是现在金属 3D 打印领域最为主流的技术,其专利到期预计将通过专利授权用度的淘汰而极大降低厂商的技术应用成本, 并使得更多厂商能够更低的成本应用该技术,FDM、SLS 等领域有望重复 FDM 的普通化和工业化 路径,金属 3D 打印有望加速普及。金属打印工业化落伍于非金属打印,但随着焦点技术专利到期,近年来商业化显着提速。从应用角 度,非金属质料的商业化更早,但随着金属打印技术逐步成熟、以 SLM 技术(2016 年 12 月到期) 为代表的专利陆续到期,其商业应用近年来开始加速。

凭据 Wohlers、Gartner 等研究机构判断, 未来三年内全球增材制造增速将维持在 20%-30%的增长水平,其中金属 3D 打印受工业级 3D 打 印需求的驱动将维持在 40%的增长水平。2009 年后中国专利申请数量凌驾美国,国产化加速,专利结构集中在提升可靠性和降低成本。从专利漫衍看,无论中美两国,提高打印工艺可靠性和降低打印设备和打印工艺成本均是最主要的技术研发偏向,这反映了行业在鼎力大举推动工业化的同时新的工艺技术依然在快速革新,这也体现在了 3D 打印行业现阶段技术的多元化和互补性,尚未有单一的技术占据主导职位。对比中美总量差异, 中国的专利数量大幅凌驾美国,一方面说明海内 3D 打印行业正处于高速生长阶段,另一方面也有外洋企业在中国举行专利结构的因素。

对比中美结构差异,中国专利分部在打印工艺可靠性方面数量不及美国,但在降低设备和工艺成本以及提升设备可靠性方面数量远超美国。前者主要是因为 3D 打印技术起源于美国,美国在基础性专利和工艺革新方面在全球起主导作用。

后者主要是因为 中国设备制造企业在近几年进入高速生长通道,相关专利的结构略微落伍于美国。专利到期、国产替代配景下,设备零部件和打印原质料采购单价逐年下降,工业化条件愈发成熟。

以铂力特为例,其打印设备的焦点零部件光纤激光器主要从 IPG 采购,单价从 2016 年的 14.5 万 元大幅下降至 2018 年的 11.2 万元,这与锐科激光等国产优质供应商的崛起有密不行分的关系。公司从诺雅光电采购的场镜也由 2016 年的 3.0 万元降低至 2018 年的 1.8 万元,动员设备成本大幅降低,提升了产物盈利能力和市场开拓能力。打印质料方面,价钱下降也较为显着,其中规格 20~53μm 的金属粉末由 2016 年的 2506 元下降至 2018 年的 1049 元,进一步降低金属打印的产 业化应用门槛。2.3 耗材需求弹性大,高端金属粉末逐步实现国产替代 原质料是金属 3D 打印的制造成本中占比最大的一部门。

DigitalAlloys 以钛粉末(6Al-4V)为例, 对于 SLM、EBM、DED、Binder Jetting、Digital Alloys 等主流的金属 3D 打印工艺的制备成本进 行统计,发现每千克产物的打印成本中原质料成本是占比最高的(除 SLM 工艺外),同时随着成 型精度、成型质量、打印时间的增长,设备、维护和人工的占比逐步提升,在打印质量最好的 SLM工艺中,设备、维护和人工成本是占比最高的,其中也有专利掩护因素,可是在打印效率越来越高、 规模效应越来越显着的趋势下,质料成本占比将进一步提升。凭据 IDTechEx 预测,到 2028 年金 属 3D 打印全球规模有望到达 120 亿美元,其中凌驾 90%是由打印质料孝敬的。规模化生产中打印质料占据最大部门的产值,金属打印原质料要求高,其成本和供应能力是制约 3D 打印生长的瓶颈之一。

金属粉末是 3D 打印产物具有良好性能的关键,所使用的金属粉末一般要求纯净度高、球形度好、粒径漫衍窄、氧含量低。自制的耗材无法制备高性能产物,无法向附加 值更高需求更迫切的工业制造领域推广;而高端耗材售价高昂且供应能力有限,直接推高了 3D 打印技术应用的成本,尤其是金属打印领域质料成本占比很是高,随着设备成本的降低质料已逐渐成 为商业化和规模化生产推广的一大制约因素。打印质料愈发受到重视,打印设备商和质料制造商纷纷设立独立的 3D 打印质料部门。

近年来,随 着 3D 打印商业化应用连续推广,打印质料的重要性愈发凸显:一方面打印质料逐渐由打印设备的 配套部门转变为独立业务部门。另一方面 2016 年以来全球大型质料制造商建立了专门的 3D 打印 部门,如巴斯夫、杜邦等传统质料企业纷纷开始结构专用质料领域,说明 3D 打印的工业应用价值已经获得广泛认可,随着商业化生产规模的连续扩大,更具增长弹性的质料端开始发力,尤其是处 于工业化应用初期且技术难度较大的金属专用质料领域。海内 3D 打印金属质料企业发展迅速, 但限于生长历史较短,产物集中于中低端领域。

现在海内已经开发出钛合金、高强钢、镍基合金、尼龙粉末、碳纤维复合质料、玻璃微珠复合质料等近百种牌 号专用质料,质料品质性能、种类逐步提升。现在海内的基础 3D 打印质料已基本满足国产设备的增材制造需要,但高性能金属粉末耗材依然依赖入口,国产质料在纯净度、颗粒度、匀称度、球化 度、含氧量等对打印制品性能影响较大的原料指标方面相比外洋仍存在较大的差距。德国的 EOS、 TLS,瑞典的 Arcam、Hoganas、Sandvik,比利时的 Solvay 等具备较强实力的金属 3D 打印耗材 供应商多数建立于 2000 年以前,在粉末冶金或金属打印设备领域有较强的技术积淀。

海内现在能提供高质量金属粉末的公司包罗中航迈特、飞而康、塞隆金属、西安欧中、铂力特以及新进入的钢 研高纳、顶立科技等,这些公司或相关业务多数建立于 2010 年以后,近年来生长较快。陪同金属 3D 打印工业化的快速推进,金属粉末作为后市场,其需求会越来越强劲,在国家自主可控大配景 下,高端金属打印质料的短板有望弥补。3 由设计研发转向直接制造,工业化需求逐步释放航空航天、医疗(牙科、植入物)是金属 3D 打印工业化前景最明确的市场,汽车、工业机械、消 费电子市场弹性大。

从现在全球的金属 3D 打印设备装机量占比来看,各个主要应用市场漫衍总体比力平衡,其中航空航天市场的装机量占比相对最高,其次是医疗、牙科、工业机械、消费电子、科研机构以及汽车领域。需要指出的是其中医疗、牙科和科研机构的打印设备使用面向定制化需求,虽然价值量高确定性强,但无法形成批量化的生产。航空航天、工业机械、消费电子、汽车等领域 存在一定的规模化需求,尤其是这些板块自己产值大且尚处于 3D 打印的应用初期,未来具备较高 的增长弹性。

IDTechEx 预测到 2028 年,金属 3D 打印市场全球规模有望到达 120 亿美元,其中 航空航天由于兼具需求确定性和规模化生产要求,有望成为增长最快且规模最大的应用领域。3.1 航空航天:应用契合度高,兼具确定性与规模化需求 航空航天工业市场需求潜力大,增长确定性高。航空航天是金属 3D 打印技术应用的主要推动者,行业对增材制造接受水平高,已经具备较大的工业规模,现在正在从原型设计往直接制造生长。据 Wohlers 对全球 82 家服务提供商和 28 家系统制造商统计数据显示,零部件直接制造占其营业收 入的比例逐年提升。

作为传统铸造技术的有力增补,金属 3D 打印存在替代潜力,传统铸造技术难以做到飞机结构件一体化制造、重大装备大型锻件制造、难加工质料及零件的成型、高端零部件的 修复等,3D 打印可以有效减轻结构重量、提高制造效率、降低生产成本,因此很是契合航空航天 工业的需求。当前,航空航天零部件工业产值规模凌驾 1,500 亿美元,其中 3D 打印市场规模约 17.6亿美元,份额占比尚不足1.2%,未来市场空间庞大。

据Research and Markets预测,2017-2021 期间全球商用航空 3D 打印市场将以 23%的复合年增长率增长。航空航天领域金属 3D 打印应用于直接制造的优势在于: 1) 缩短新型航空航天装备及零部件的研发周期:金属 3D 打印无需研发零件制造历程中使用的模具,让高性能金属零部件,尤其是高性能大结构件的研发、制造流程大为缩短。一些需要单件定制的庞大部件用传统工艺制作的周期过长,打印工艺制造速度快,成形后的近形件仅需少量后续机加工,可以显著缩短零部件的生产周期。美国宇航局马歇尔太空航行中心通过 3D 打印制作火箭喷射器,制造时间显着缩短,仅花了 4 个月的时间,成本削减了约莫 70%。

2) 庞大结构设计得以实现:金属 3D 打印具有高柔性、高性能灵活制造特点,可实现靠传统制 造难以实现的庞大几何结构。,同时,3D 打印工艺能够实现单一零件中质料身分的实时一连变化,使零件的差别部位具有差别身分和性能,是制造异质质料(如功效梯度质料、复合 质料等)的最佳工艺,这大幅提升了航空航天业的设计和创新能力。3) 满足轻量化需求,淘汰应力集中,增加使用寿命:金属 3D 打印技术的应用可以优化庞大零部件的结构,在保证性能的前提下,将庞大结构经变换重新设计成简朴结构,从而起到减轻重量的效果。

而且通过优化零件结构,能使零件的应力出现出最合理化的漫衍,淘汰疲劳裂 纹发生的危险,从而增加使用寿命。空客 A320 一个 3D 打印活页零件就可以减重 10 公斤左 右,F16 战机 3D 技术制造的起落架平均寿命是原来的 2.5 倍。4) 提高质料的使用率,降低制造成本:加工一个发念头叶盘,传统工艺制造属于“镌刻”,最 终质料的使用率只有 7%。

可是接纳 3D 打印技术能提高质料的使用率到 60%,甚至到 90%以上,航空航天制造领域大多使用价钱昂贵的战略质料,好比像钛合金、镍基高温合金等金 属质料,3D 打印技术可以节约昂贵原质料,显著降低制造成本。韩国空军使用 3D 打印技术 制造其 F-15K 战斗机喷气发念头的高压涡轮机盖板,将成本从 4000 万韩元(3.4 万美元)减 少到 300 万韩元,还将欧洲制造的运输机扬声器罩的制造成本从 621 美元降低至 35 美元。金属增材制造技术可以有效解决钛合金、镍基高温合金等难加工金属的制备问题。

随着军民用飞机 性能的不停提升,机体结构钛合金用量也连续提升,民机由不到 4%上升到靠近 10%,歼击机由 F-16 的 3%增加到了 F/A-18 的 15%以及 F-22 的钛合金的 41%。但受钛合金难熔难加工的影响, 传统“铸造+机械”的制造工艺不仅制造工序繁多、工艺庞大,而且需要大型钛合金真空铸锭炉、万吨级以上液压铸造机等重型装备,零件机械加工余量大、质料使用率低、制造成本高、生产周期长,严重制约了大型钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用。发念头镍基高温合金则存 在传统工艺一致性差、加工时长、修复难题等问题,3D 打印凭借其全自动、无模化、增材制造的 工艺特点,可以有效解决上述制备难题,有望成为航空航天工业未来主流的金属加工制造方式。

国际上金属增材制造在航空航天领域已逐步转入规模化应用阶段。波音公司停止 2018 年底已在 16 架商用和军用飞机上安装了数万个增材制造零件(包罗 200 个非金属零件),并开始生产钛合 金增材制造零件,预计投入后将使每架飞机最高节约 300 万美元;空客公司在其飞机上使用金属 增材制造的支架和排气管,现在正与 Arconic 互助量产大型增材制造机身组件,2017 年 9 月首次在商用飞机上安装钛合金制造的支架。GE公司在航空部门继续投资了约 35 亿美元,大量采购 EOS 公司生产的 M-280 工业金属 3D 打印机,计划在 2020 年打印出约莫 10 万个燃料喷射管,现在已 有 800 多台 3D 打印机正在使用,每年使用金属增材为其新型 LEAP 发念头制造数千个燃料喷嘴。

海内金属 3D 打印在航空航天领域的应用近年来生长较快,但工业化相比外洋仍有差距。2013 年王华明院士以“飞机钛合金大型庞大整体构件激光成形技术”获国家技术发现奖一等奖。讲明我国成为继美国之后,世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形技术的国家。西北工业大学凝 固技术国家重点实验室制造的 C919 飞机主承力梁试验样件长度 5 米,中央翼缘条试验样件长度超 过 3 米。

2015 年乐成发射浦江一号,在海内卫星上首次接纳了 3D 打印钛合金质料的天线支架。海内金属打印技术虽然已获得较多应用,但现在更多是作为关键部位攻关、试验件制备或者小批量产物应用,在工业化方面相比外洋仍存在一定差距。陪同供应端国产能力的提升以及需求端应用的 推广,未来工业化或将提速。

装备换代叠加发念头国产替代,航空航天领域需求量逐步释放,金属增材技术具备辽阔空间。发动 机方面,从 2014 年开始,我国发念头入口量逐渐淘汰,国产发念头逐渐成为主力,发念头零部件 细密度高,性能要求严苛,外形结构庞大,对 3D 打印的需求较为迫切。航行器方面,近年来 20 系列产物批产陆续定型,装备换代逐步提速,3D 打印在难加工金属结构件领域的应用以及构件修 复方面具备较大潜力。此外,未来 C919 等国产机型的批量交付将打开万亿级的民航市场,3D 打 印技术在双曲面窗框、翼根、起落架等关键部位都有望获得大规模的应用。

3.2 医疗行业:齿科骨科需求庞大,有望形陋习模化定制市场 3D 打印现在主要应用于非生物医疗领域,在齿科、骨科、医疗器械市场应用成熟度高。3D 打印技术在医疗领域的应用主要可以分为四个条理。

第一个条理是无生物相容性要求的质料,不会直接和细胞等直接发生接触或反映,典型案例包罗骨科手术导板等,质料较为多样化;第二个条理是具有生物相容性但非降解质料,典型案例包罗假耳移植无、人工骨移植等,主要使用钛合金、钴铬合金等质料;第三个条理是具有生物相容性,且可降解的质料,典型案例包罗骨、皮肤组织工程支架,该类打印质料中含有磷酸钙,更容易融合转化;第四个条理是活性细胞、卵白及细胞外基质,主要 着眼于打印人体器官及组织,属于最新研究偏向。现在 3D 打印应用最为广泛的主要是第一、二个条理的需求,相对来说在实用价值和技术成熟度上具备较高可行性。

现在应用最广泛的包罗两大领 域:1)个性化假体的制造,可用在骨科、齿科、整形外科等;2)庞大结构以及难以加工的医疗 器械制品,包罗植入物与非植入物,如多孔结构的髋枢纽、模拟人体器官的医用模型等。3D 打印技术满足了医疗制品定制化、精准化需求,具有效率高和节约成本的优势。3D 打印 3D 打印技术具有的灵活性高、不限数量、节约成本等特点,能够很是好地满足医学领域个体化、精准化医疗的需求。

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设计即制造,以及全自动的生产方式很是契合定制化、高时效性的医疗行业需求。以 口腔医学为例,一台3D打印设备可替代月产1万颗义齿生产线的全部人工,大大节约了生产成本。

市场研究机构 Transparency Market Research 的陈诉显示,2016 年全球牙科 3D 打印市场规模 达 9.03 亿美元,2025 年将到达 34.41 亿美元,年复合增长率到达 16.5%。金属 3D 打印医疗植入物逐渐成熟,医疗领域有望形陋习模化定制市场。从事医疗 3D 打印,尤其 是医疗植入物领域,通过 FDA 认证或 CFDA 认证是最大的难点,审核严、周期长、用度高。

外洋 医疗器械巨头从 2001 年起就已开始结构 3D 打印医疗植入物市场,努力开拓新技术、申请产物认 证,在小批量定制的基础上逐渐往工业化偏向生长。现在通过 FDA、CFDA 认证的 3D 打印植入物产物已经越来越多,海内爱康医疗的膝枢纽、髋臼杯、人工椎体等也相继获得审批,居海内销量市 占率第一。随着产物增加、商业模式逐渐成型、医疗器械巨头采购使用 3D 打印设备将越来越多, 有望形成医疗领域的规模化定制市场。

3.3 其他行业:集中于设计研发环节或高端定制领域 汽车工业自身规模庞大,3D 打印哪怕只占据 1%的份额也能带来百亿市场空间。现在 3D 打印在汽 车工业的应用规模为 11.74 亿美元,主要用于研发环节,直接制造仅占 30%。当前,传统汽车制 造环节产能牢固切入难度大,3D 打印在普通金属尺度件的规模化生产领域现在还不具备成本和效率优势,直接制造环节具备较高可行性的偏向主要包罗个性化外观组件定制(以宝马和标致汽车为代表)和庞大功效零件生产(以通用汽车为代表)两个偏向。

此外,随着新能源汽车市场的蓬勃发 展,轻质化、一体化需求增强,且产物跌代速度较快,3D 打印有望凭借奇特优势切入新工业链。守旧预计,3D 打印未来纵然只在每年过万亿美元的汽车研发、生产环节中占有 1%的份额,其每 年的市场规模也能凌驾百亿美元。Frost & Sullivan 市场观察陈诉预测,汽车 3D 打印的市场规模 有望于 2025 年到达 43 亿美元。

汽车行业的金属 3D 打印的应用优势有两方面:1)无模化,加速迭代历程,淘汰研发成本;2)对 产物的庞大性成本不敏感,适合创新颠覆产物的设计。将 3D 打印应用于汽车个性化制造领域的典 型案例是宝马团体 MINI 汽车,2018 年开始 MINI 通过 3D 打印技术提供汽车零部件个性化定制服 务。2018 年通用汽车和 Autodesk 互助重新设计了汽车座椅支架,新设计比原来的部件轻 40%、 强 20%,将八个差别的部件整合到一个增材制造部件中。

Conflux 公司通过 3D 打印对热交流器 举行功效集成化的设计,使部件数量淘汰 2/3,交流器的尺寸减小 55 毫米,重量减轻 22%,还减 少了热交流器所需的部件和对焊接的需求。3D 打印在工业制造中的应用较为疏散,主要面向高端零部件领域。金属 3D 打印已经广泛用于模具行业,液压、燃气轮机、核工业、刀具、再制造等等,但受成本和生产效率的限制,主要在高端部件上应用。

满足了工业制造领域对结构庞大产物的制造需求,提高产物性能,并适合小批量、研 发到生产周期长的高端部件,与汽车领域相似,现在工业机械领域金属 3D 打印市场放量的瓶颈在 于 3D 打印成本高、批量生产效率低。我国高端模具依赖入口,3D 打印是实现国产替代的有利契机。

受工业制造领域工业升级驱动,高 端模具国产化需求迫切,3D 打印模具具备众多优点,包罗:1)模具生产周期缩短;2)制造成本 降低;3)模具设计的革新为终端产物增加了更多的功效性如随型水冷等;4)优化工具更切合人 体工学和提升最低性能;5)定制模具资助实现最终产物的定制化,提升注塑模具的生产效率以及模具寿命。高端模具中海内具备立体热流和冷却水道模具制作能力的厂家屈指可数,内部结构庞大 的随形冷却模具有望成为 3D 打印应用的主要偏向之一。3D 打印在消费品行业的应用主要集中在产物设计和开发环节。

消费品行业涵盖规模较广,主要包罗手机、电子产物、电脑、家电、工具和玩具等行业。消费品行业具有产物生命周期短,更新换代 快的特性,需要连续不停的开发和投入。借助 3D 打印可以缩短产物开发周期,大幅削减设计成 本,现有的 3D 打印技术可以实现种种庞大设计的模型制作,赋予设计师更多的自由,产物设计 水平大幅提升。但由于 to C 的消费品行业对于价钱的敏感度较高,因此阶段 3D 打印技术依然无 法胜任规模化批产的任务。

4 依托成本和市场优势,3D 打印国产化生长迅速4.1 老牌龙头职位稳固,海内企业由署理迅速走向自产 全球金属3D打印机领域新老企业并存,竞争猛烈。1)老牌厂商: 如EOS、SLM solution、3D Systems 等老牌 3D 打印巨头,在早期引领了工业的生长,凭借专利优势拥有十几年甚至二十多年的技术积 累,已经拥有较高的市场份额和客户认知度;2)新创企业:包罗 Desktop Metal、Digital Alloys 等初创公司,这些公司多数建立于 2000 年甚至 2010 年以后,一反面系列专利到期后降低了进入壁垒,另一方面这些公司通过革新工艺技术、创新业务模式和提升成本控制,具备一定的后发优势。

例如 Desktop Metal 划分开发了桌面级系统和工业级系统,以满足差别领域客户的需求。Digital Alloys 开发了 Joule Printing 技术,使用金属线取代金属粉末作为原质料来解决打印速度、质量和 成本问题,在 2018 年获得了 1290 万美元的 B 轮融资。金属 3D 打印集中度较高,老牌巨头的市园地位稳固。

全球有 7 家主要企业占据金属 3D 打印市场 的 80%以上,其中 EOS 享有 28%的份额,是行业的绝对龙头。2010 年以后由于专利到期等因素 影响,新创 3D 打印企业数量增长较快,但由于金属打印领域对技术和资金的要求较高,且下游客 户更多面向工业级市场,尤其是 Concept Laser 等与客户(2016 年被 GE 收购)高度绑定的公司, 因此老牌巨头的市园地位相对稳固。反之众多小规模的 3D 打印企业仍处于微利或亏损状态,一方 面金属 3D 打印主要面向 B 端客户,形成稳定的客户群体有赖市场的逐步开拓和品牌效应的形成; 另一方面早期在政府的扶持下涌现了大批的初创企业,导致中低端市场的竞争较为猛烈。总体技术门路和工艺实现方式已基本定型,但新技术依然存在应用空间。

金属 3D 打印生长至今,总体技术门路已基本定型,主要为粉末床烧结和定向能量沉积两大类,可是在详细实现工艺上仍有 较多分支门路。凭据 DigitalAlloys 的统计,在两大总体技术门路中,激光烧结依然是主要的工艺实现方式,接纳该技术的企业数量占比过半,产值更是占据主导职位。但新的工艺实现方式依然不停 涌现,主要为一些面向特定市场的初创企业或者跨界进入者。

海内企业逐步从署理走向自产,现在仅少数企业实现稳定盈利。早期海内 3D 打印厂商起步于署理销售外洋产物,通过署理外洋厂商产物、与外洋厂商开展互助,海内厂商迅速提升技术水平、工业履历和客户积累。随着自有技术和产物的不停开发,海内头部企业已逐步发展起来,具备了一定的 市场规模。现在中国市场份额前八的企业中,外洋品牌占 37.6%,海内联泰(树脂)、华曙(尼 龙及金属)、铂力特(金属)划分占 16.4%、6.6%和 4.9%。

其中铂力特专注于金属 3D 打印市场,产物在航空航天领域已经获得广泛使用,拥有稳定的客户群体,是盈利质量最好的海内企业。可是 由于海内 46%以上企业为 2016 年后进入市场,传统企业跨行涉足、新创企业不停孕育,加之外洋 金属 3D 打印巨头 3D Systems 进入中国市场,竞争日益扩大,多数企业仍无法盈利。占据全球制造中心和最大消费市场的便利,海内企业在成本端和需求端均具备优势。3D 打印作为技术麋集型行业,质料、设备、工艺技术的优劣是决议公司市场竞争力的重要因素之一。

海内作为厥后者,技术积淀不足,在基础工艺上的创新能力相对单薄,凭借全新技术打开市场的难度较高。已往二三十年 3D 打印的市场份额多数都被拥有专利技术的老牌 3D 打印厂商掌控,专利技术的到期虽然给新进入者开了一道口子。海内企业应当在努力弥补技术短板创新应用工艺的同时,挑选优质市场绑定优质客户,在形成稳定现金流的前提下,才气进一步到场全球竞争。

海内企业占据全球 制造中心和最大消费市场的便利,在成本端和需求端均具备优势,向上可以提升设备/质料的盈利能力,向下可以与航空、医疗等行业配合发展,绑定优质客户,在这两方面能力突出的企业往往更 具备竞争优势和可连续生长能力。4.2 海内金属 3D 打印相关公司先容 金属 3D 打印工业链已基本实现国产化,其中不乏具备焦点技术优势的企业。

金属耗材端主要企业包罗钢研高纳、金钼股份、宝钛股份、楚江新材、银邦股份等,产物笼罩高温合金粉末、钛金属粉末已经其他的难熔金属球形粉;关键零部件及配套设备供应商包罗锐科激光、先临三维、诺雅光电等企业,产物涵盖高功率激光器、3D 扫描仪、场镜、振镜等。金属打印设备端企业包罗铂力特、华曙高科、先临三维、大族激光等;打印服务企业包罗中航重机、南风股份等。4.2.1 铂力特:海内金属 3D 打印机龙头 主营工业级金属 3D 打印设备业务,航空航天领域金属 3D 打印龙头企业。

铂力特建立于 2011 年, 业务涵盖金属 3D 打印原质料的研发及生产、金属 3D 打印设备的研发及生产、金属 3D 打印定 制化产物服务、金属 3D 打印工艺设计开发及相关技术服务(含金属 3D 打印定制化工程软件的开发等)。公司依托著名军工高校西北工业大学,现已生长厂成为海内最具工业规模的金属增材制造企业,产物和服务广泛应用于航空航天、工业机械、能源动力、科研院所、医疗齿科、汽车制造 及电子工业领域,尤其在航空航天和工业机械领域拥有较高的市占率。铂力特主要有四类业务。

1)3D 打印定制化产物,通过自有金属增材设备为客户提供金属 3D 打 印定制化产物的设计、生产及相关服务,2018 年毛利率 56%;2)署理销售增材制造设备及配件, 主要是非独家署理外洋 EOS 公司的 3D 打印设备,毛利率 18%; 3)销售自研 3D 打印设备及配 件,毛利率 48%;4)销售 3D 打印原质料,主要是通过海内商业署理公司从外洋厂商 TLS、Praxair 等入口金属粉末后举行销售,毛利率 35%;4)3D 打印技术服务,详细包罗工艺咨询服务、设计优化服务、逆向工程服务、软件定制服务等,毛利率 90%。铂力特商业模式与先临三维有差异, 其打印产物业务占比大,成本低、毛利高,推动盈利能力提升。铂力特近三年营收业绩均保持较高增速。

2016-2018 年营收划分为 1.66 亿元、2.20 亿元、2.91 亿 元,复合增长率到达 21%,近三年归母净利润划分为 0.31 亿元、0.349 亿元、0.57 亿元,复合增 长率高达 22%。公司整体实力在海内外金属增材制造领域处于领先职位。公司整体的技术实力强,专攻金属增材制造。基于装备、工艺、原质料、设计协同生长,设备各项焦点技术指标到达外洋同类领先产物的水平,形成了基于增材制造技术的构件一体化结构设计、轻量化结构设计(薄壁化、镂空化结构)、拓扑优化结构设计等先进设计技术,为航空航天领域重点型号的减重设计、一体化设计提供有效的技术支撑。

公司先后负担工信部“国家重大科技结果转化”、“工业强基工程”、“国家智能制造 试点示范项目”、科技部“国家重大研发计划”等国家级、省部级重大专项。铂力特客户资源优质,主要为实力雄厚的大型军工央企团体下属企业或事业单元。主要客户有中航 工业、航发团体、航天科工、航天科技等军工企业以及科研院所等。

其 3D 打印零件产物批量装机 应用或支持多项国家重点型号工程的研制,详细包罗 7 个飞机型号、4 个无人机型号、7 个航空 发念头型号、2 个火箭型号、3 个卫星型号、5 个导弹型号、2 个燃机型号、1 个空间站型号,涉及 C919 等军民用大飞机、先进战机、无人机、高推比航空发念头、新型导弹、空间站和卫星 等。公司与海内航空航天单元及下属科研院所保持精密互助。4.2.2 先临三维:3D 扫描仪及打印设备领先企业 先临三维建立于 2004 年,在 3D 扫描仪和打印机领域实力强劲。

公司 2014 年 9 月在新三板挂牌, 2019 年 5 月科创板上市申请受理,拟召募资金 8.14 亿元,募资用途包罗面向高端制造的金属 3D 打印装备及工艺技术研发及工业化,面向齿科精准医疗、面向定制消费的 3D 数字化与 3D 打印系 统研发及工业化项目,以及 3D 数字化与 3D 打印智能软件及算法技术研发项目。先临三维拥有金 属、尼龙、树脂、桌面等 10 多款自主 3D 扫描与 3D 打印设备产物,提供数字化、定制化、智能 化的“3D 数字化—智能设计—3D 打印”智能制造完整解决方案,应用于高端制造、精准医疗、 定制消费和启智教育等四大领域。

先临三维有两大类业务。1)3D 数字化系统,主要举行三维数字化设备产物销售,毛利率 67%。

在服务上,主要凭据客户需求使用矜持设备提供三维扫描、数据处置惩罚及 3D 打印服务。2)3D 打印 系统及服务,主要举行打印设备销售和相关技术服务。

四类细分业务综合毛利率 39%,其中自研 设备销售毛利率 50%,集成设备销售毛利率 24%,3D 打印服务毛利率 36%,3D 打印质料毛利率 31%。先临三维近三年营收连续增长,但业绩受研发用度影响较大。2016 年至 2018 年,公司的营收分 别为 3.13 亿元、3.63 亿元和 4.01 亿元;归母净利润划分为 1471.22 万元、1895.01 万元及 941.07 万元,扣非后归母净利润划分为 981.52 万元、-135.79 万元、-2145.38 万元。

近两年扣非后归母净利润均为负的原因,主要由于期间研发用度较大,部门子公司实施股权激励发生股份支付金额较 大,且有部门子公司计提商誉减值与无形资产减值以及非经常损益中政府津贴金额较大等。先临三维的 3D 扫描技术优势较强,客户大部门为科研院所、汽车、工业机械等企业,集中度低。

到 2018年 9月底,公司拥有已授权和申请中的专利合计 479项,其中申请中的国际发现专利(PCT) 14 项,是国家白光三维丈量系统行业尺度的牵头起草单元,具有较强的技术优势。研发投入高, 2016 年~2018 年合计研发用度为 2.26 亿元,占三年期总营业收入比例为 20.98%。公司主要客户 有扬州市智能化技术研究院、UFP Deutschland、奇瑞汽车、杭州古凡机电等企业,2018 年前五 大客户销售金额占营业收入的 12.11%。4.2.4 楚江新材:子公司顶立科技具备超纯清洁金属粉体生产能力 楚江新材2015年收购子公司顶立科技拥有国际先进的新型等离子制粉技术。

顶立科技建立于2006 年,是中国 3D 打印创新企业,少数实现高端入口替代的企业。公司接纳国际先进水平的新型等离 子制粉技术(N-PREP),建成金属粉末研发生产基地,提供金属 3D 打印整体解决方案:专业生产 超纯清洁金属基 3D 打印球形实心粉体,提供军、民用高性能金属 3D 打印制品服务、高端金属 3D 打印制品关键热处置惩罚工艺及装备、适于 3D 打印的结构拓扑优化与轻量化设计等。顶立科技 3D 打印业务主要包罗打印质料与打印制品。

其中包罗 1)金属基 3D 打印粉体质料;2) 金属 3D 打印制品。客户主要集中在国家重点工程、航空航天、国防军工等领域。公司是中国航天 航空的战略互助同伴,外洋主要客户有俄罗斯 VIRIAL、KOMPOZIT、KRASM 等主流的先进质料 制造企业。顶立科技的人才和技术优势较强。

1)公司拥有多专业、高水平的创新研发团队,并聘请了近 50 名在质料、机械、电气、环保等领域的海内顶级专家为照料,可提供设备、工艺解决方案。2)公 司自 2013 年就开始从事金属基 3D 打印粉末制备技术研发,攻克了超高转速等离子旋转雾化关键 共性技术难题,手握 120 余项发现专利,已研制开发出具有自主知识产权的第四代等离子旋转雾 化制粉设备,制备的钛基、镍基、铝基等数十种金属 3D 打印粉末到达国际先进水平,已乐成应用 于航空航天、武器装备等高端军工领域。公司业绩稳步上升,盈利能力连续改善。

2014-2018 年营收划分为 82.23 亿元、80.11 亿元、79.18 亿元、110.44 亿元、131.07 亿元,复合增长率 9.8%,近五年归母净利润划分为 0.52 亿元、0.70 亿元、1.87 亿元、3.61 亿元、4.09 亿元,复合增长率高达 51.5%。推动一系列战略转型和厘革,实现 3D 打印质料量产化。通过高端军工装备领域积累的人才优势和技术优势,推动更多的质料工业项目落地,为公司在军工新质料领域实现跨越式生长奠基项目基础 和盈利保证,同时实现超高纯石墨和金属基 3D 打印质料大规模工业化。

对金属 3D 打印粉体质料、固废环保处置项目、气垫炉、石墨纯炉等重点项目举行研制和攻关,为公司后期谋划提供新的 利润增长点。(陈诉泉源:东方证券)获取陈诉请登陆未来智库www.vzkoo.com。立刻登录请点击:「链接」。


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