3D打印专题报告：制造的另一种解

3D打印专题报告：制造的另一种解一、制造的另一种解，实现各种制造的可能（一）3D打印的发展历程20世纪70年代，美国和日本的科学家提出了材料叠加成型的概念，即3D打印技术。从首次提出3D打印概念至今，3D打印行业起起伏伏，经历了多个阶段。1983年美国3DSystems公司创始人胡尔发明了立体平板印刷技术(StereoLithographyAppearance,SLA)，后人将其称为“3D打印之父”。此后，SLS、FDM、SLM等打印技术相继问世，塑料、金融、复合材料等打印材料蓬勃发展，不断推动3D打印商业落地，3D打印的零件逐渐应用于医疗、消费品、航空航天等领域。2009年开始，FDM、SLS、SLM核心技术专利陆续过期，国内3D打印行业开始快速发展，华曙高科、铂力特等国产3D打印公司相继成立，推动中国3D打印产业链不断完善。伴随3D打印技术迭代的不断成熟，包括佳能、东芝、微软、苹果等在内的多家知名企业陆续开始布局相关技术，GE于2017年将3D打印应用于波音飞机引擎零件的批量化生产中，3D打印逐渐成为工业生产的主流制造技术之一，受到各国的高度重视。2023年以来，以荣耀、苹果、小米为代表的厂商推出钛合金产品，3D打印以其独特优势成为钛合金加工的主流技术路线之一，在消费电子等行业有望迎来应用质变时刻。结合Gartner曲线，3D打印行业在2010年之前处于技术触发期，多种技术路线蓬勃发展；2010-2013年进入期望膨胀期，随着3D打印技术的推广，市场对于3D打印的期望越来越高；2013-2020年处于泡沫低谷期，3D打印高估值泡沫破灭，行业暂时陷入低谷；2020年之后进入稳步复苏期，未来伴随消费电子潜在市场空间的释放，3D打印行业有望进入生产高峰期。（二）3D打印作为传统制造的补强3D打印技术又被称为增材制造技术（AdditiveManufacture,AM），区别于传统减材制造技术，3D打印是通过将粉末状金属和塑料等材料通过逐层叠加的方式直接构成三维实体，具有可成形复杂结构、缩短产品实现周期、产品强度高重量轻、材料利用率高等特点，可以实现产品轻量化、提升制作效率、提高供应链柔性、降低全生命周期成本。3D打印通常需要经历构建三维模型、切片、打印、后处理四个标准流程。在构建三维模型时，可以在软件中设计模型，也可以使用扫描仪对实物进行扫描后生成对应的三维模型。切片过程是指，在三维模型的基础上，利用切片软件对模型进行切片处理，将三维模型切分成若干层二维平面，切片的厚度会直接影响打印的速度与精度，厚度越薄，则垂直打印精度越高，但打印速度越慢。在打印过程中，打印机根据软件生成的二维平面路径数据进行逐层打印，从而形成最终的零件。在打印完成后，需要对打印零件进行后处理。零件由于存在中空结构、垂直倾角过大等，往往需要在三维模型中添加支撑结构，在打印完成后需要去除支撑。此外，有些零件还需要进行精加工、表面处理、热处理等后处理操作。3D打印独特的生产方式对于复杂零件的加工生产具有通用性。随着零件结构复杂程度的增加，传统生产方式的生产成本往往会急剧上升，并且可能难以实现加工，此时3D打印能体现出其独特优势，是传统制造工艺是有效补强。一方面，3D打印能够拔高传统制造的复杂度上限（如①所示），另一方面，在生产复杂度较高的零件时，对于同一复杂度的零件生产，3D打印拥有更高的生产效率（如②所示），因此特别适用于复杂度较高的多品种小批量生产，而传统制造则在复杂度较低的大批量零件生产中具有优势。3D打印凭借其制造灵活、材料利用率高、通用性强等特点，目前在航空航天与国防、医疗与牙医等领域技术已较为成熟，应用十分广泛，未来在消费电子、汽车、航空航天与国防、机械和工厂工程等领域拥有较大的潜力。（三）3D打印行业快速成长，千亿市场未来可期据WohlersReport数据，2022年全球3D打印产值总计180亿美元，同比增长18%，近十年复合增长率达24%。据中国增材制造产业联盟数据，2021年中国3D打印市场产值达到265亿元人民币，同比增长27%，近三年复合增长率达30%。据WholersReport2023预测，全球3D打印市场2032年产值达1,027亿美元，据亿渡数据预测，中国3D打印产值2026年有望突破千亿级，达到1,102亿元，千亿潜在市场未来可期。从市场区域来看，美中为全球3D打印前二大市场。据WohlersReport数据，2022年美国和中国为全球3D打印设备销量最多的两个国家，分别占全球销量的33%与10%。2022年全球3D打印设备市场主要集中在北美、欧洲和亚太地区，各自占比34.9%/30.7%/28.4%。从设备销售来看，近几年3D打印设备销量逐年稳步增长。据WohlersReport数据，2022年全球3D打印设备实现销售29,446台，同比增长12%，除2020年受疫情影响导致负增长外，近几年销量一直保持10%-20%的稳定增速，行业增长趋势明确。从下游应用来看，国内外3D打印应用市场均以汽车制造、航空航天等领域为主。从全球范围来看，3D打印主要应用于汽车制造、消费品、航空航天、教育科研、生物医疗等领域，各自占比15.8%/14.5%/13.9%/12.3%/12.1%，下游应用领域结构较为均衡。从国内市场来看，3D打印主要应用于工业器械、航空航天、汽车制造、生物医疗、消费电子、教育科研等领域，各自占比20.0%/19.0%/13.1%/13.0%/13.0%，相较于全球市场，国内3D打印在航空航天领域的占比更多。从打印材料来看，近几年3D打印材料销售额快速增长。据WohlersReport数据，全球3D打印材料销售额从2017-2022年从11亿美元增长至33亿美元，剔除2020年新冠疫情的影响，近五年均保持20%以上增速。3D打印材料主要分为高分子粉末、光敏树脂、高分子丝材和金属材料，不同的打印技术路线需适配相应的打印材料。近几年来看，高分子粉末增长明显，2022年全球销售额达12亿美元，是销售额最大的打印材料。高分子粉末可以适应多种打印技术路线，广泛应用于汽车制造、工业制造、医疗、消费品等领域。光敏树脂增长停滞，反应出光固化技术进一步的市场推广受阻。高分子丝材和金属材料稳定增长，其中高分子丝材主要受益于工业制造领域的广泛应用，金属材料主要受益于航空航天领域的广泛应用。二、国内3D打印产业链迎来全新变化（一）国内3D产业链逐步完善，为市场放量提供基础3D打印产业链主要包括上游零部件供应商、打印材料供应商、打印系统供应商等，中游为打印设备厂商，下游主要是通过提供打印服务的服务商为航空航天、3C、医疗等领域客户提供打印生产的零部件。3D打印行业趋势正朝向设备大型化、关键零部件国产化、大功率、多激光头、专用材料开发、上下游一体化整合等方向发展。在上游零部件与原材料环节，多家国产厂家可供应各类打印材料以及主板、激光器、风场系统、振镜等硬件。高端振镜系统仍主要来自ScanLab，金橙子自研振镜受到市场认可，包括华曙高科、铂力特等在内的多数头部设备厂已实现了3D打印软件的自研开发。在中游设备商环节，3D打印设备供应商其处于承上启下的产业链关键地位。铂力特作为行业龙头进行产业链一体化布局，华曙高科专注设备领域，易加三维、汉邦科技等已颇具规模，正积极融资扩大经营。在下游应用领域，工业器械和航空航天目前为国内3D打印最主要的应用领域，汽车制造、消费电子、生物医疗市场已颇具规模，持续提供市场增量空间。自2009年3D打印底层技术专利开始陆续过期以来，国内3D打印市场迅速发展，众多3D打印产业链上的公司相继成立，现已形成从上游原材料与零部件到中游设备制造再到下游产品应用的全产业链生态，为3D打印市场放量提供坚实基础。（二）多种技术路线蓬勃发展，技术迭代日趋成熟3D打印经历40年的高速发展，多种技术路线蓬勃发展，可适应各种加工场景、生产各种材料的零件，技术迭代的高度成熟为3D打印市场的高速增长提供了有力支撑。熔融沉积成型（FDM）将热塑性材料加热后通过喷头挤出，逐层进行打印，材料冷却硬化后即可形成对应零件，具有优异的通用性和较低的加工成本。选区激光熔融（SLM）利用激光对铺好的金属粉末进行加热熔化，冷却后打印路径上的粉末凝固在一起，逐层铺粉打印从而得到最终产品，具有较高的打印精度，并且能生产力学性能较高的金属零件。目前1.5m以上超大尺寸、10个以上激光头的成熟设备已推向市场，配合双向铺粉技术，大大提升了打印效率。FDM具有优异的通用性和较低的加工成本，SLM具有较高的打印精度，并且能生产力学性能较高的金属零件，二者是目前3D打印中应用最为广泛的两种技术。（三）钛合金加工提出新需求，3D打印生产多快好省以荣耀、苹果、小米等为代表的消费电子龙头相继推出钛合金产品，带动消费电子领域对钛合金加工需求激增，对零件加工提出了新的需求。钛合金比强度高、化学活性大、导热系数低、弹性模量小，导致钛合金加工难度大，刀具的磨损大，并且容易出现断刀，尤其对于尺寸较小、结构较复杂的零件，传统CNC加工难度较大，加工成本较高，而3D打印则独具优势。3D打印通过逐层打印的工艺解决了钛合金减材加工中所遇到的刀具损耗严重、加工效率低等问题，同时保证了较高的加工良率和材料利用率，在结构复杂的中小尺寸零件的加工生产中具有显著优势。据相关研究结果，无论是钛合金、铝合金还是高温合金，3D打印零部件均呈现静强度优于传统工艺的铸锻造件，但疲劳强度略有劣势。以选区激光熔融（SLM）技术为例，其使用金属粉末，所成型零件表面质量好，内部金相组织致密度高，具有快速凝固的组织特征，具备强韧的机械性能，性能超过铸件接近锻件水平，甚至部分性能可超过锻件水平，能够实现较高的打印精度和极端复杂结构的制造，能够很好地满足终端功能件的使用要求。（四）3D打印成本快速下降，综合成本仍具有进一步下探空间以金属打印为例，据NIST数据，根据打印速率、设备使用率、原材料价格、设备投资成本四个维度的差异，设备成本占3D打印总成本的45%-78%，打印材料成本占总成本的5%-46%，二者是3D打印最主要的成本。2018年至今，包括不锈钢、铝合金、模具钢、钛合金在内的3D打印材料以及打印尺寸为150-450mm的中小型打印设备价格普遍降幅明显，打印成本的下降，充分带动了3D打印的广泛应用。进一步对3D打印全工艺流程成本进行分析：金属制粉环节成本的因素主要包括原材料成本、制粉设备成本和制粉率。原材料主要是相应的金属材料，属于大宗商品，其价格随行就市，在成本中占比较低。气雾化法为目前主流制粉技术，气雾化法制粉率较低，并且已接近制粉率上限，制粉率的提高需要发展新的制粉工艺，制粉率的提升可以显著降低制粉成本。气雾化法制粉是较为成熟的技术，其设备价格较为稳定，其他新兴制粉技术尚未成熟，因此设备价格较高。打印环节的成本因素主要包括打印设备成本、打印效率、打印良率和成材率。SLM为目前主流的金属3D打印技术，其设备价格近几年下降明显。通过增加激光头数量和采用双向铺粉技术可以成倍提升打印效率，从而降低综合成本。目前中等复杂零件打印良率已处于较高水平。由于部分材料用于打印支撑结构，因此会有一定的材料损耗，成材率因具体的零件设计而异。去支撑与后处理环节的成本因素主要包括设备成本、良率和工时。该环节涉及的设备为传统制造设备，主要是线切割机和数控机床，其加工良率与零件和支撑结构的复杂程度相关，越复杂的零件良率越低。去掉支撑后，零件表面毛刺需进行磨削加工，加工工时因具体情况而异。综合来看，尽管近几年3D打印综合成本下降幅度较大，在制粉率、打印设备成本、打印效率、打印良率、成材率、去支持良率及工时等成本因素上，仍有一定的提升空间，从而通过进一步降本来释放3D打印市场需求。三、3D打印的成熟应用（一）中国市场快速放量，航空航天应用趋于成熟据中国增材制造产业联盟数据，2021年中国3D打印市场产值达到265亿元人民币，同比增长27%，近三年复合增长率达30%。据亿渡数据，预计未来几年3D打印市场将加速增长，2026年市场规模有望达到1,102亿元，千亿潜在市场未来可期。其中，根据艾瑞咨询数据，工业端应用市场占全3D市场的65-70%，在工业端应用中，航空航天占比58%，是中国市场中3D打印技术最主要的应用领域。模型制造、生物医疗、汽车制造各占18%/10%/7%，是3D打印技术的主要应用领域。目前国内有华曙高科、铂力特两家3D打印上市公司，据Wind数据，华曙高科2022年实现收入4.57亿元，净利润9,918万元，毛利率53%，净利率22%；铂力特2022年实现收入9.18亿元，净利润7,950万元，毛利率55%，净利率8%。华曙高科和铂力特产品下游应用均以航空航天为主，华曙高科2022年上半年航空航天领域收入5,562万元，占总收入36%；铂力特2023年上半年航空航天领域收入2.29亿元，占总收入52%。华曙高科、铂力特的产品应用领域结构表明，国内3D打印在航空航天领域已非常成熟，能够提供稳定有力的业绩支撑。GE公司从2010年开始布局3D打印技术，并于2016年成立GEAdditive，完成了多款飞机发动机3D打印零件的研发与批量生产，在航空航天领域积累了丰富经验。其中，LEAP发动机（C919飞机选用的发动机）采用3D打印批量生产燃油喷嘴，将20个零部件结合成为1个整体零件，重量减少25%，燃油效率相比CFM56引擎提升15%；CessnaDenali私人飞机采用3D打印将发动机零件从855个减少至12个，减少了20%的燃油消耗并相较同等级别引擎提升了10%的功率；波音777X的发动机GE9X有7个关键零件采用3D打印制造，其燃油效率较上一代引擎GE90提升了10%；采用3D打印生产的风冷式油冷器（ACOC）优化了散热结构，进一步减少了引擎零件数量。（二）钛合金开启消费电子产品周期，3D打印处于放量前夕消费电子处在近三年行业周期底部，销量整体下降，但季度边际好转。2023Q3，全球智能手机销量同比减少1%，但环比连续三季度好转，企业库存端明显改善；中国市场8月以来多款新产品的上市带动市场逐步回暖，2023Q3中国手机销量随持续承压，但手机实际零售量已实现同比增长0.4%手机销量增长乏力的背后，是用户机龄增加，更换周期变长，摄像头、曲屏的边际效用降低，产品亟需创新点等难题。由于钛合金具备显著性能优势，多家手机厂商开始采用钛合金作为机身材料，受到市场热捧。钛合金有望成为消费电子材料创新趋势，从而缩短手机更换周期，带动智能手机销量增长。钛合金在消费电子领域的应用经历了三个阶段。最初，苹果在PowerBookG4上尝试使用钛合金，但由于制造成本过高，后被铝合金方案替代。2010年开始，多个高端手机陆续开始尝试钛合金材料，但过高的成本和加工难度限制了其商业应用。2019年开始，随着钛合金加工成本的下降，苹果、华为、荣耀、小米、三星等头部厂商均开始推出钛合金产品，3D打印作为钛合金加工主流技术之一，有望受益于新的行业趋势，正处于放量前夕。四、金属3D打印，中国技术与盈利能力领先（一）金属3D打印关键指标中国领先，国外企业普遍亏损据WholersReport2023数据，全球3D打印市场主要集中在北美、欧洲和亚太地区，其分别占全球市场的35%/31%/28%，美国和中国是最主要的市场，分别占全球3D打印设备销量的33%/10%。从技术指标来看，国内金属3D打印设备供应商虽然起步较晚，但近年来技术迭代较为迅速，其产品在打印尺寸、激光头数量、激光头功率、扫描速度等关键指标上已达到或超越国外同行水平。其中，华曙高科在2023年TCT亚洲展发布的FS1521M可搭载16个激光头，平面成形尺寸达1530mm，成形效率达400cm³/h，激光搭接区域性能力学与非搭接区的偏差控制在5%以内；铂力特在2023年TCT亚洲展发布的BLT-S1500可搭载26个激光头，平面成形尺寸达1500mm，成形效率达900cm³/h，激光拼接精度可达±0.05mm，并可保持3个月以上的稳定性。从盈利能力来看，国外3D打印企业毛利率达40%以上，但由于过高的运营成本导致其普遍亏损，其中SLMSolutions由于多年严重亏损，已被尼康收购，从法兰克福交易所退市。对比之下，国内华曙高科与铂力特毛利率在50%以上，并且净利率在8%以上，盈利能力较强。（二）3DSystems3DSystems成立于1986年，是最早提出并应用立体光固化技术（SLA）的公司，提供“从设计到制造”全套增材制造解决方案。其打印技术路线涵盖SLA、ProJet、DMP/SLM等，打印材料包括塑料、金属、陶瓷等材料。其打印产品应用于工业和医疗保健两大领域，其中，工业领域主要包括学术和研究、航天和国防、汽车、碳捕集、消费者技术、铸造、首饰等，医疗保健主要包括牙科、医疗器械、生物打印和医疗保健。2022年3DSystems实现营业收入5.38亿美元，净利润亏损0.36亿美元，2021年受疫情影响，亏损较严重，达2.86亿美元，由于其高昂的运营成本，近五年均未实现盈利。（三）EOS德国EOS成立于1989年，是金属和高分子材料工业3D打印的代表企业，专注于SLS和SLM的研发、生产和销售，目前已经成为全球领先的金属和高分子增材制造设备提供商，其业务覆盖增材制造设备、打印服务、材料、工艺和咨询服务等。其产品下游应用领域主要包括航空航天、汽车制造、消费品、医疗、能源、备件等领域。（四）SLMSolutionsSLMSolutions是金属激光增材制造设备生产商及服务提供商，专注于SLM相关的高新技术研发及产业化，曾在德国法兰克福上市，于2023年1月被尼康收购。其业务覆盖增材制造设备、原材料、打印及软件服务，产品主要应用于航空航天、汽车制造、能源、医疗、教育科研等。2018-2022年SLMSolutions营业收入除2019年有所下滑以外，近三年均实现了20%以上的增长率，然而近五年公司却连年亏损。2022年实现营业收入1.06亿欧元，同比增长41%，净利润亏损0.25亿欧元。（五）GEAdditiveGE公司从2010年开始不断通过并购实现从增材制造用户方到服务提供方的转变。2016年，GE公司成功收购瑞典Arcam公司和德国ConceptLaser公司，成立GEAdditive，从而成为金属增材制造领域的佼佼者，并在航空发动机领域依靠GEAerospace实现了增材制造零部件的规模化应用，为波音多款发动机提供3D打印零件。GEAdditive通过整合其技术和行业资源优势，业务领域触及航空航天、军事国防、医疗、工业制造、汽车制造等多个领域。（六）华曙高科华曙高科专注于工业级增材制造设备的研发、生产与销售，主要产品正加速应用于航空航天、汽车、医疗、模具等领域。华曙高科的主要产品为具有自主知识产权和应用主要技术的金属3D打印设备和高分子3D打印设备，同时向客户提供自主研制的3D打印高分子粉末材料。公司是全球极少数同时具备3D打印设备、材料及软件自主研发与生产能力的增材制造企业，销售规模位居全球前列，是我国工业级增材制造设备龙头企业之一。华曙高科自成立以来一直专注于增材制造。据华曙高科官网，2009年许小曙博士创办“湖南华曙高科技有限责任公司；2010年公司材料研发团队正式组建；2012年推出自主研发的高分子激光烧结设备FS401P和玻璃微珠复合尼龙粉末材料FS3400GF；2014年推出紧凑级高分子激光烧结设备FS251P系列，上海、深圳华曙三维打印技术有限公司成立，华曙高科3D打印产业园正式启用；2015年推出自主研发的开放可定制中型金属激光融熔设备FS271M以及用于3D打印的PA6材料，承建国家发改委高分子复杂结构增材制造国家工程实验室；2019年推出高分子光纤激光烧结技术Flight，扫描速度达到20m/s，极限薄壁达到0.3mm；2021年发布金属8激光增材制造技术、Flight双激光增材制造技术，推出FS3300PA-F、FS3401GB-F、FS3150CF三款材料；2022年国内首款激光3D打印“多孔型椎间融合器”获得三类医疗器械注册证，多款产品上市，全球设备销量突破800台；2023年获证监会批准于科创板上市。华曙高科团队专业背景雄厚，股权结构较为稳定。创始人许小曙是应用数学及材料科学博士，粉末床3D打印技术的领军人物和企业家，拥有超过20年的增材制造经验，R&D100Award、美国“DinosaurAward”（恐龙奖）等荣誉获得者。截至2023年第三季度末，美纳科技直接持有公司16,596.36万股股份，持股比例为44.53%，为公司的控股股东。许小曙、许多分别持有美纳科技75.00%、19.80%的股权，间接控制华曙高科44.53%的股份，二者为父子关系，系公司实际控制人。此外，侯银华将所持华曙高科12.37%的股份对应的表决权持续且不可撤销地委托给美纳科技行使，因此许小曙和许多合计间接控制发行人56.89%表决权。受益于下游行业对产品的旺盛需求，华曙高科自2019年以来各年度营业收入维持正增长。2019-2022年，华曙高科营业收入从1.55亿元增加到4.57亿元，复合增长率为43.39%，2022年全年营业收入同比增速36.67%；2019-2022年间，华曙高科归母净利润由0.18亿元增加至0.99亿元，复合增长率为76.52%，2022归母净利润为增速负主要系2022年下半年华曙高科对信用风险较高的应收账款单项计提坏账准备，导致2022年度信用减值损失同比大幅增加。华曙高科的主要产品中，2022年全年3D打印设备及辅机配件营业收入为4.03亿元，占总营收88.20%；3D打印粉末材料营业收入为0.34亿元，占总营收7.42%。（七）铂力特铂力特专注于工业级金属3D打印，其主要产品广泛应用于航空航天、工业机械、能源动力、医疗研究等领域。铂力特为客户提供金属增材制造与再制造技术全套解决方案，业务涵盖金属3D打印定制化产品服务、金属3D打印设备、金属3D打印原材料、金属3D打印结构优化设计开发和工艺技术服务（含金属3D打印定制化工程软件的开发等）。其技术团队从1995年即开始从事金属增材制造技术研究工作，2011年铂力特成立，自主研制最大成形尺寸能力3100mm的激光立体成形设备LSF-V修复