高端装备制造：增材制造（3D打印）行业研究.docx

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1、高端装备制造：增材制造（3D打印）行业研究1. 1化数字为实体，铸虚拟至现实增材制造是指利用打印头、喷嘴或其他打印技术，通过材料堆积的方式来制造零件或实物的工艺。增材制造（AdditiveManufacturing;AM）亦被称为3D打印，不同于传统制造业通过切削等机械加工方式对材料去除从而成形的减材制造，增材制造通过对材料自下而上逐层叠加的方式，将三维实体变为若干个二维平面，大幅降低了制造的复杂度。增材制造一般可以分为6个步骤。1）3D建模：使用CAD软件进行建模；2）转化为STL:将模型文件转化为STL文件格式；3）切片处理：将STL文件导入切片软件进行切片处理；4）增材制造：根据切片路径

2、信息控制打印过程；5）去除增材制造支撑：将打印好的模型从打印机器中取出；6）产品后处理：使用打磨、抛光、着色等工艺加强产品外观以及力学等性能。增材制造技术的发展大致分为快速原型制造和金属直接增材制造两个阶段。原型制造包括SLA、LOM、FDM.SLS,由于受工艺和材料的限制，加工的成品无法达到产品级别性能要求，只能作为原型，或用于模具制造的样件，所以被称为快速原型制造。然而SLMLENSEBSMEBF、IFF、WAAM以激光束、电子束、等离子束或电弧为热源，能对制备好的金属粉材或丝材进行逐层熔化或堆积，可直接制造出金属零件成品或半成品，因此被称为金属直接增材制造。增材制造技术随着技术、材料、工

3、艺的发展，打印的成品在结构和性能上有很大改善，正在由原型向产品逐步升级。与传统制造的减材制造方式相比，增材制造的增材制造特性使其与传统制造形成较好互补。传统制造主要通过铸造、锻造、机械加工等方式将原材料加工为所需的零部件或产品，这种加工方式对加工流程简单的产品可以实现大规模生产，生产效率较高，但对于批量较小，工艺复杂的产品则效率显著下降。增材制造技术通过逐层添加材料的方式进行制造，可以实现对复杂结构、小批量结构的高效制造，因此，增材制造可以形成对传统制造领域的有效补充。图2.增材制造与传统制造流程对比增材制造（3D打印）VS减材制造（传统工艺）L从。开始层层蜃加最终成品从一大块原材料开始加工加

4、工、制造最终成品数据来源：亿源数据.财通证赤研究所与传统精密加工相比，金属增材制造技术存在如下优势：1）缩短新产品研发及实现周期；2）可高效成形更为复杂的结构；3）实现一体化、轻量化设计；4）材料利用率较高；5）实现优良的力学性能；6）对于批量较小的生产任务，可以显著降低单件成本。1.2 多技术路线并存，性能各有优劣增材制造从诞生至今近40年，目前处于多技术路线共存的状态。目前的技术路线主要有7个：1）粉末床熔融；2）定向能量沉积；3）立体光固化；4）粘接剂喷射；5）材料挤出；6）材料喷射；7）薄材叠层。七种基本的增材制造工艺中，金属增材制造工艺原理主要为粉末床熔融和定向能量沉积两大类别，采用

5、这两类工艺原理的金属增材制造技术都可以制造达到锻件标准的金属零件。1.3 金属增材制造技术未来发展趋势兼顾高性能、高精度、高效率、低成本、更大的加工尺寸范围和更广泛的材料将是金属增材制造技术未来发展方向。金属增材制造技术的发展并不是孤立的，其涉及制造工艺、设备、材料、优化设计等各个方面，总体来看，金属增材制造技术未来将分别在制造工艺、制造设备、制造原材料、优化设计等方面有较为明确的发展趋势：1）制造工艺方面：克服现有技术缺陷并提升优势，发展增减材复合制造技术，发展新工艺理论；2）设备方面：大型化、专业化以及智能化；3）原材料方面：开发更多种类、更高品质、更专业化原材料，以及单一原材料向复合材料

6、发展；4）优化设计方面：突破传统制造思维束缚，发展拓扑优化设计、点阵结构设计、点阵结构设计、一体化结构设计等轻量化设计。2增材制造市场空间广阔，多领域应用稳步拓展2. 1国家制造升级重点发展方向，密集政策推动行业稳步发展增材制造是先进制造的重点方向，国家密集政策推动行业稳步发展。中国高度重视增材制造产业发展，工信部会同国家发改委、教育部、科技部、财政部等部门印发十四五智能制造发展规划，明确将选区激光熔融装备、选区激光烧结成形装备列入智能制造装备创新发展行动，加强自主供给，壮大产业体系新优势。2.2 增材制造进入高速增长期，设备及服务仍将占据主要部分中国增材制造发展迅速，并将在未来继续保持较高速

7、度增长。根据工信部数据，2012-2022年，中国增材制造产业规模自10亿元增长至320亿元，年复合增长率为41.42%,2019-2022年，中国增材制造产业市场规模年复合增长率为26.52%,根据左世全增材制造十年发展及展望数据，我国增材制造产业规模有望于2027年超过千亿元，2022-2027年年复合增长率有望达到25.59%。根据工信部装备工业发展中心对50家行业企业的调研数据，调研企业在装备、服务、材料、零部件（扫描振镜、三位扫描仪、激光器、过程传感器等）等环节的营收占比分别为53.2%、26.0%、12.4%和5.9%,装备及服务仍旧占据市场主导地位。增材制造已经在诸多领域稳步拓展

8、应用。目前增材制造应用领域已经从早期的航空航天等高端制造领域逐步拓展至多个领域，2021年，航空航天依然是增材制造应用最多的领域，占比为16.8%,其次分别为医疗/牙科（占比15.6%）、汽车领域（14.6%）、消费电子（11.8%）、学术科研（占比11.1%）等。图8.2021年全球增材制造应用领域占比消费电子,11.8%Jt据来说：WohlcrsAssociateWohlcrsReport2022.财通证券研究所2.3 航空航天零部件工艺复杂，成为增材制造天然适配领域部分航空航天零部件工艺复杂，在此场景下增材制造成为理想解决方案。在航空航天行业中，随着产品复杂度提升，部分零部件结构越发复杂

9、化，且呈现出一体化程度逐渐提高的态势，这使得其加工难度和装配难度较高。针对这个趋势，部分航空公司开始采用增材制造技术制造相关零部件并取得良好效果。2010年，GE公司成立增材制造团队致力于部分航空零部件的增材制造，此后的十余年间，GE公司陆续完成了LEAP系列航空发动机引擎喷油嘴的增材制造，热交换器的增材制造，涡轮叶片的增材制造等一系列航空零部件的增材制造。增材制造技术在减少航空发动机零部件数量、减轻机身重量方面效果显著。GECatalyst涡桨发动机将成为全世界第一款集成螺旋桨操作全权数字控制的涡桨发动机，该发动机超过三分之一的部件是通过增材制造技术生产制造的。在此发动机中有855个单独的部

10、件可以通过增材制造技术组合成12个部件，因此大幅提升了发动机研制速度，还帮助发动机成功瘦身TOo多磅。在GE发动机喷嘴中，增材制造技术使其原来的20个零部件缩减为1个零部件，最终成品重量比原来降低25%,使用寿命提升5倍。航天火箭结构复杂批量较小，是3D打印的天然适用场景。与典型工业零部件相比，火箭等航天运载工具总体呈现出结构复杂、批量较小的特征，从经费上看，火箭作为系统工程，存在设计线、生产线和测试线三条业务流，其中设计线占一发火箭首型科研经费的70%,生产线占火箭首型科研经费的30%,在设计线中，3D打印的应用可以大幅降低设计成本，缩短设计周期，同时，小批量的生产线使用3D打印工艺更能极大

11、缩减生产成本。除此之外，在火箭设计制造场景中使用3D打印技术还有以下优点：1）拓展设计空间，不同部分一体化设计制造成为可能；2）有效减少零件数量，例如华曙高科采用SLM工艺制造的火箭发动机收扩段可以实现一体化成形，大大缩减零件数量；3）结构部件的集成与减重。当前增材制造已经在中国航天领域加快布局应用，2022年12月27日，西安航天发动机有限公司增材制造中心基于液体动力制造及航天装备发展需求，分两批引进近百台增材制造设备，推进增材制造产业化发展。我们认为，3D打印工艺本身的高度定制化、设计自由化、材料使用高效化或将突破航空航天领域零部件设计约束，传统制造工艺下难以制造的零部件在增材制造场景下成

12、为可能，航空航天领域设计空间获得较大拓展，零部件结构简化并减重难度显著下降，未来增材制造在航空航天领域的渗透率或将稳步提升。2.4 医疗领域产品高度定制化，增材制造渗透率稳步提高人类个体差异造成多数医疗器材需要定制化，这种特性决定了增材制造在医疗方面的渗透率稳定提升。基于人体存在个体差异而传统制造医疗器械多为标准化样式或尺寸的现状，增材制造凭借可个性化定制的特点在医疗领域内应用逐步广泛，主要应用方向包括骨科植入物、齿科、康复辅助器具以及制药等。2.4.1骨科植入物领域3D打印应用广泛，市场规模庞大，发展空间广阔骨科植入物主要分为标准化、个性化两类，使用材料为金属、高分子聚合物、生物陶瓷、碳质材

13、料等。根据智研瞻产业研究院统计，中国骨科3D打印设备行业市场规模或将在2021-2026年持续维持50%左右增长率，2026年后同比增长率持续增高，2029年市场规模有望达到1689.32亿元，市场空间广阔，增长后劲十足。2.4.2齿科天然具备定制化属性，增材制造在齿科领域空间广阔齿科是增材制造的重要应用领域，日益提高的齿科治疗需求或将成为增材制造的重要成长因素。根据世界卫生组织，口腔三大疾病为错颌畸形、耦病、牙周病。第四次全国口腔健康流行病学调查报告显示，中国错颌畸形的患病率达74%,对应潜在错颌畸形患病人数约10.4亿人，中国2021年的正畸市场规模约为412亿元，预计到2025年将达到6

14、60亿元，2022-2025年预计复合增速为14.04%,成为新一轮高速增长的蓝海市场。正畸治疗为典型的定制化治疗，不同案例需要定制不同矫正器，增材制造在正畸治疗过程中可定制化生产透明陶瓷托槽矫治器、舌侧牙托槽矫正器、隐形无托槽矫正器等治疗器材，随着增材制造技术渗透率在正畸行业的稳定提升以及正畸市场逐步扩大，正畸治疗所需增材制造市场或将实现高速成长。人口老龄化及居民收入水平的提高，或将持续推动中国种植牙市场空间稳步扩大。根据艾瑞咨询数据，受人口老龄化影响，2020年我国35-74岁的劳动人口及老年人群体中还未接受耦病修复的人群达3.67亿人，较2015年整体增加了2900万人，预计2025年增

15、长到4.32亿人。随着人民收入水平的提高、修复意识的提升以及集采政策的推行，中国65-74岁老年人种植牙渗透率或将持续提升，预计到2025年潜在种植牙数量将达到1210万颗。传统种植牙多采用锥柱状种植体，治疗流程一般包括预备植牙孔、植入种植牙、埋入式愈合、二期手术、牙冠制作及戴入等步骤，治疗周期大约需要6到8个月，而3D打印种植牙可以直接生产患者原生牙齿相同尺寸的牙冠与压根，患者在种植牙时，既不需要额外植骨，也不需要再给牙槽骨打洞，不仅创伤小、修复时间短，而且费用也将大大降低，种一颗私人订制的3D打印牙费用预计在万元以内。随着技术成熟度不断提升，未来3D打印种植牙技术或将大幅普及。国内覆盖齿科

16、增材制造的公司有先临三维、钺联科技、上海联泰等，业务范围包括3D打印服务、金属、光固化树脂增材制造设备、设计软件、原材料等领域。传统牙齿修复需要有高技术水平、操作经验丰富的医师进行数小时的种植体选择、牙模灌注、临时冠设计制作、假牙修饰装配等工作。增材制造技术应用于口腔种植领域大幅精简传统工序，缩短工作时间，返工率也大幅提升，同时降低操作人员数量降低人工成本。2.5消费电子产品升级，增材制造应用场景逐步扩大2.5.1折叠屏手机风头正盛，轻量化需求催生3D打印钛合金市场近年来手机等消费电子产品形态逐渐多样化，更加复杂的产品形态使得增材制造在消费电子领域的应用场景进一步扩大。近年来，折叠屏手机逐步发力高端市场，根据艾瑞咨询，中国智能手机市场出货量受市场饱和、换机周期加长等因素影响不断下滑，折叠屏手机在行业出货量下降大周期背