3D打印:发展现状、驱动因素、市场空间、产业链及相关公司深度梳理(一)(慧博出品) 作者:慧博智能投研3D打印行业深度:发展现状、驱动因素、市场空间、产业链及相关公司深度梳理3D打印即快速成型技术的一种,... 

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3D打印:发展现状、驱动因素、市场空间、产业链及相关公司深度梳理(一)(慧博出品) 作者:慧博智能投研3D打印行业深度:发展现状、驱动因素、市场空间、产业链及相关公司深度梳理3D打印即快速成型技术的一种,... 

2024-07-11 00:40| 来源: 网络整理| 查看: 265

来源:雪球App,作者: 慧博,(https://xueqiu.com/3966435964/270882732)

作者:慧博智能投研

3D打印行业深度:发展现状、驱动因素、市场空间、产业链及相关公司深度梳理

3D打印即快速成型技术的一种,又称增材制造,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3D打印技术的发展,应用领域逐渐拓宽,新产品的研发制造推动下游不断拓展,如航空航天、医疗器械、消费等领域。近年来3D打印技术同制造业深度融合、国家相关扶持政策快速出台,行业未来成长方向明朗、应用前景广阔,预计我国3D打印行业将进入快速成长期。

关于3D打印行业,下面我们从技术优势及主要类型展开论述,了解目前行业发展现状及驱动因素、市场空间等相关内容,并进行产业链及相关公司的详细梳理,希望对大家了解3D打印行业有所帮助。

目录

一、3D打印概述 1

二、3D打印行业驱动因素 5

三、3D打印行业发展现状 11

四、3D打印市场空间及竞争格局 13

五、3D打印产业链 16

六、相关公司 29

七、参考研报 39

一、3D打印概述1.3D打印

3D打印(3DP)即快速成型技术的一种,又称增材制造,是以三维模型数据为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

区别于传统减材制造,3D打印通过对模型数字化立体扫描、分层处理,借助于类似打印机的数字化制造设备,将材料不断叠加形成所需的实体模型。

3D打印起源于20世纪末的美国,1983年查尔斯·胡尔发明了世界上第一台3D打印机,并于1988年推出了全球第一台商业设备SLA-250,3D打印技术得以发展和推广。随后的三十年里,增材制造技术不断推陈出新,应用领域持续拓展,产业规模不断扩大。

2.3D打印技术优势

3D打印技术和传统精密加工技术均是制造业的重要组成部分,3D打印在快速成形及复杂结构加工领域具有优势。目前增材制造加工与传统精密加工相比还存在加工精度、表面粗糙度和可加工材料等方面的差距,但增材制造以全新的技术原理和特点,在多种应用场景具备使用优势:可快速加工成形结构复杂的零件,缩短产品研发周期,提高材料利用率,优化制造模式。

目前,3D打印在工业制造领域取得了长足的进展,在航空航天、汽车、医疗等领域都有丰富的应用场景,但在大批量制造方面,传统精密加工技术相比3D打印在效率和成本上更具优势。3D打印与传统加工方式仍将长期并存,共同为制造行业提供精细化、自动化、高效化的加工方案。

3.3D打印技术类型

增材制造技术包含多种工艺类型,形成多种技术路线共存的局面。增材制造技术发展至今,其各主要工艺及技术因具备不同的特点,在不同的产业应用中具备独特的技术价值和发展空间,在航空航天、汽车、医疗、消费及电子产品等领域取得了长足的发展,形成了多种技术路线共存的局面。国标《增材制造术语》根据增材制造技术的成形原理,将增材制造工艺分成七种基本类别,各具特色。

(1)粉末床熔融工艺是工业应用领域的主流工艺

随着科技和增材制造行业的发展,增材制造技术的应用场景由早期的零件原型的快速制备,拓展到能够直接制造终端零件并应用至使用场景当中,增材制造的终端零件性能高度依赖于其制备的设备类型和工艺参数,粉末床熔融工艺因其特定的加工方式而使得零件具备良好的力学性能和尺寸精度,成为工业应用领域中主流的增材制造技术。其中,以激光作为能量源的选区激光熔融(SLM)和选区激光烧结(SLS)工艺因稳定性和技术成熟度较高,在直接制造终端零件的应用场景中具备较突出的价值和优势,成为工业领域主流的增材制造技术。

(2)选区激光熔融(SLM)技术应用广泛

选区激光熔融(SLM)技术应用广泛,成为近年来工业级金属增材制造领域的主流技术。1)该技术使用金属粉末,可选择金属材料范围广泛,包括钛合金、铝合金、高温合金、铜合金、钴铬合金、不锈钢、高强钢、模具钢、难熔金属等,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使用要求;2)同时该成形技术可实现复杂产品的敏捷制造,缩短产品研发制造周期,材料利用率高,设计自由度更高,可实现集成化设计、拓扑优化设计、点阵设计等先进设计手段。综上特点使该技术成为近年来工业级金属增材制造领域的主流技术之一,广泛应用于航空航天、模具、汽车、医疗、科研教育等领域。

(3)选区激光烧结(SLS)规模化生产不断拓展

选区激光烧结(SLS)技术制造效率高,规模化生产应用场景不断拓展。该项技术优势为:1)在成形过程中,无需考虑支撑系统,成形结构复杂程度高,能够直接成形高性能的尼龙、TPU等高性能工程塑料,甚至是特殊属性的特种塑料,材料利用率高,且制造效率高,成品用途广泛。2)成形零件具有较好的机械性能、耐热性能等,能够根据工程应用需求直接使用于终端产品。随着技术的不断发展,选区激光烧结(SLS)技术的成形效率和成形尺寸持续提升,成本稳步下降,特别是Flight等突破性技术的问世,使得选区激光烧结(SLS)技术规模化的生产应用场景得以不断延伸和拓展。

二、3D打印行业驱动因素1.产学研结合及专利壁垒降低,3D打印产业化进程加速

产学研结合在3D打印产业化过程中发挥着重要作用,2009-2012年许多领先的工业3D打印专利到期,随着3D打印核心技术的释放,降低了行业准入门槛与成本,激发市场活力,推动产业化进程。2012年后,各大高校和科研院所积极参与研究,3D打印相关公司深入布局核心专利,国内3D打印专利授权量迎来爆发式增长;2014年是专利到期的高峰年,SLS和SLM核心技术专利陆续到期,推动了金属3D打印商业化。2021年中国3D打印专利授权主要集中在制造工具和医药科学领域,更加侧重于直接应用型技术开发,推动产业化进程。

2.行业政策密集出台,国内3D打印快速发展

国内3D打印相关政策密集出台、行业产业化发展迅速。为促进国内3D打印发展,行业扶持政策力度不断加大。从整体战略,应用领域、关键技术再到企业标准,政策指导不断细化,促进行业发展。目前政策重点主要集中在3D打印材料、技术提升与标准建设方面。2015年以来,我国3D打印产业在“中国智造”引导下迎来高速发展契机,《中国制造2025》等一系列政策描绘了增材制造行业的发展路径。2016年国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》标志着产业化的落地。十二五到十四五期间国家重点研发计划高频度支持各类创新主体取得基础研究、关键共性技术、关键装备与零部件、应用示范等方面的重大突破,从战略规划、产业体系、技术创新、行业标准等多方面对增材制造产业进行政策推动与规范。

随着我国自主工业体系建设的推进、设备国产化要求的日益增强,增材制造行业获得良好的发展环境。通过政策引导,在各类创新主体、产业主体及社会各界的共同努力下,我国增材制造产业实现快速发展。国家及地方政府对增材制造行业技术创新、产业推进、应用融合等多维度的政策支持,让企业可以紧抓行业快速发展、产业转型内生需求强烈的契机,不断加强自身技术攻关与产品研发能力,不断推进下游行业应用融合,实现行业高速成长与高质量可持续发展。

3.终端产业升级和自身降本促进3D打印产业化(1)终端产业升级驱动3D打印技术应用场景持续拓宽

3D打印只有在一些产品需要复杂结构个性化加工,或者新材料应用导致传统工艺加工难度大导致不经济的情况下,才具备替代优势,近年来航空航天和电子等科技领域技术日新月异,3D打印技术的应用场景在不断拓宽。

电子产品随着数字化、智能化发展趋势不断迭代升级,由“有”向“优”的消费升级潜力旺盛。顺应新一轮科技革命和产业变革的趋势,消费电子产品被赋予的功能越来越多,尤其是在现阶段5G网络渗透率持续攀升、人工智能技术促进产品智能化增强交互性,新一代的虚拟现实、超高清视频等信息技术在不断丰富着产品的应用场景。由“有”向“优”的过渡,促使了消费电子产品在需求与技术实现两方面,对于材料及制造工艺提出新的要求。例如智能手机等移动终端领域,就出现了使用钛合金替代原本主流的铝合金或不锈钢的产品方案。钛合金的比强度(强度/密度)远大于其他金属结构材料,能够制作出单位强度高、刚性好、质量轻的零部件;热强度高,使用温度比铝合金高几百度,在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450~500℃的温度下长期工作;抗蚀性强,在潮湿的大气和海水介质中工作,其抗蚀性远优于不锈钢;且具备低温性能好、导热系数小等性能优势。

钛合金材料优势较多,消费电子产品的钛合金使用率有望持续提升。从苹果的专利储备和已经发布的Apple watch Ultra配备上看,根据Patently Apple统计,截至2022年底,苹果公司已累计获得钛合金材料相关专利8项。2022年9月,苹果发布的Apple Watch Ultra使用钛合金表壳,而不久的将来要推出的苹果iPhone15高端系列,命名为Ultra与Apple Watch钛合金系列相同,存在沿用钛合金技术积累的可能性。此外,钛合金材料还在可穿戴设备上多次应用,此前亚马逊、XLOONG、Rokid Air等厂商都推出了使用钛合金的AR设备,未来苹果推出头戴设备VisionPro的下一代也存在使用钛合金的可能。

钛合金应用于消费电子上有诸多优势,但尚未真正达到产业化的原因在于钛合金加工难度大、良率低,而3D打印的应用则能够克服现有难题。一方面,由于强度高、导热系数低和化学活性高等特点,传统数控加工钛合金的成本较高,主要体现在加工过程中会缩短刀具的寿命,破坏零件的完整性,同时其硬度高、弹性低等特点,会导致刀具和刀片的沟槽磨损。因此,如使用切削、磨削技术,在同等工件数量及工时要求下,钛合金设备需求比铝合金更大。另一方面,因钛的单价较高,采用传统减材制造方式下对原材料的利用率低,成本较高。而采用3D打印生产钛金属件更节省成本,钛是3D打印生产中最常被用到的金属,应用范围广泛,如航空航天、医疗等。3D打印是通过堆积材料,不涉及机械加工的消耗,且同一台3D打印设备可以生产各式各样的零部件,替代了不同种类的数控机床,故设备成本上综合考虑更优。另外,对于单价较高的钛合金,3D打印在原材料利用率上的优势将会更加突出。

(2)3D打印的降本路径:材料、设备降本和工艺持续优化

3D打印技术目前多用于航空航天等多品种、小批量、难加工的领域,始终无法进行大规模产业化的核心原因,还是在大规模生产的成本与效率方面与传统减材制造技术相比不具备经济优势。随着技术与相关产业链的发展,目前看来,降本增效的路径较为清晰,包括材料、设备成本下降和工艺优化。

金属3D打印领域原材料成本持续下降。原本高品质的金属3D打印粉末,尤其是在航空和医用级别的市场,最初均由国外厂商所垄断,而进口粉末的单价也较高,国内公司即便能够生产除满足需求方要求的3D打印粉末,其售价相应也是比较高的。但随着金属3D打印产业在我国的发展,我国金属粉末供应商技术发展,技术不断成熟,金属3D打印粉末市场供应量不断增长,我国金属3D打印粉末市场价格持续下降。以铂力特为例,公司金属3D打印粉末的价格从2020年144.48万元/吨下降至2022年78.19万元/吨(公司将2023年的募投项目中运营期首年金属3D打印粉末销售价格确定为61.95万元/吨),同期由于降价进一步开拓了市场,销售量由2020年的2.94吨快速增长至2022年的31.36吨。同时随着技术端的成熟以及规模效应逐渐显现,公司金属3D打印粉末业务的毛利率从2020年的29.38%增长至2022年的38.98%。原本阻碍3D打印产业化的核心成本已经大幅降低,未来根据下游如消费电子等应用场景,开付出新的适配性能需求的工艺,叠加产业规模不断增大,成本将会进一步降低。

3D打印设备成本随产业链成熟化和关键零部件的国产化将有效降低。3D打印设备单台价格较高,相对的不利于广泛普及与产业化,对离散生产经营来说门槛较高,规模化应用的话固定资产投入又很高。根据华曙高科3D打印设备的销售情况可以看到,2021年设备价格增长到近220万元一套的高点,而从2022年开始则逐渐稳中有降。主要原因是出于成本因素和国际贸易波动因素考虑,国产设备商在逐步采用国产的零部件做进口替代,有望有效降低成本。

3D打印技术不断迭代优化,在生产效率和良率方面有望持续提升。随着3D打印技术的应用不断成熟,可以实现更加高效率的加工,精度方面也有突破。打印效率对于3D打印技术的产业化可谓重中之重,通过近年来打印设备激光器数量增加、激光扫描系统速率提升、激光器功率增大、最大成型尺寸提升、出粉方式的升级、工艺规划软件的升级等技术迭代进步,金属3D打印设备的生产效率得到了长足的提升。

以铂力特的五光BLT-A400设备为例。2022年,铂力特推出面向金属3D打印“大·生产时代”,针对客户工业零件大规模批量化高效生产需求的BLT-A400设备。一年时间铂力特整合生产经验,持续进行设备研发与技术创新,推出了更高效更经济的五光BLT-A400。

随着3D打印设备上激光器数量的增加,设备数量、占地面积、打印气体消耗、耗材消耗以及配套的辅机数量都有着明显的下降,在规模化生产中能够大大提升整个工厂的制造效率。同时多激光头设备会同时使用激光头进行打印,设备的打印效率也有显著的提升。

(3)客户的认可度提升也是产业链赋能3D打印的一环,设计与制造有机结合提升效率

原先3D打印价格昂贵且会遇到各种突发问题,用户认可度不高。随着近些年航空航天、军工、医疗领域的突破,客户也逐渐开始主动尝试,这带来了设计层面3D打印的应用。以前对于3D打印的应用是先按照传统加工模式设计,之后交给3D打印公司制造,根本上并没有发挥出3D打印的优势,设计端和生产端存在断层。机械设计过程中拓扑优化是理想雏形,能有效优化产品受力分布及产品的重量,但因其几何构型十分复杂,难以采用传统制造工艺进行有效地制备,拓扑优化方法与实际工程结构设计之间仍存在较大的鸿沟。受制于传统设计理念及制造工艺,结构往往仅进行宏观拓扑设计,并未充分利用结构在多尺度上的变化或者空间梯度变化所带来的广阔设计空间,使得产品性能提升非常有限。如今采用3D打印的方案,设计过程是与技术相结合的,比如多零部件整合成一个零部件等,真正地做到了“制造解决设计”。

4.多种创新方法加快3D打印速度,批量化生产存在可能(1)多激光器

铂力特利用八光BLT-S450设备生产满版96个定子转子仅需18.9小时,相较于使用四光BLT-S450的生产效率提高了1.8倍。

(2)先进扫描策略和优化大幅面风场设计

华曙高科采用先进扫描策略成功将生产火箭发动机零件用时由之前327小时缩短为96.5小时,生产效率提升338%。另外通过优化大幅面风场设计,既可实现同时出光避烟打印,又减少了各激光等待时间,从而提高效率。

(3)增加粉层层厚和双向铺粉

铂力特BLT-A320M采用140μm超高效率工艺,10小时内完成38个超高效率工艺热咀套打印,提升销量160%;另外,铂力特BLT-S815采用动态铺粉策略,在保证质量的同时提高效率230%。

(4)嫁接打印

以电子烟模具为例,采用华曙高科自动嫁接技术能使生产效率提高70%,粉材成本减少69%,达到降本增效的目的。

5.行业标准不断细化,促进3D打印规范化发展

进入21世纪以来,3D打印行业进入快速发展阶段,规范化的行业标准不断形成:

2011年,国际标准化组织(ISO)创建了ISO/TC261增材制造及标准化技术委员会。

2015年,美国联邦航空管理局(FAA)委托美国机动车工程师学会(SAE)制定特殊认证的增材制造技术标准。

2016和2019年中美陆续成立增材制造委员会。

我国的增材技术标准建立起步较晚,主要是在《十三五规划》的推动下,于2016年4月成立全国增材制造标准化技术委员会(SAC/TC562),随后由该组织逐步建立和完善的相关标准体系。

三、3D打印行业发展现状1.全球3D打印行业处于成长中期阶段

营收角度:近三十年平均增速26.1%,近年增长迅速。

技术角度:部分技术较为成熟、销量开始攀升、市场份额不断扩大、竞争者不断涌入,符合成长期的特征。

2.中国加速追赶逐渐步入商业化阶段

我国3D打印行业:起步滞后于欧美十年左右,但近些年差距逐步缩小,目前我国逐步进入商业化阶段,由导入期逐渐转到成长期。

专利角度:2009~2015年许多领先的工业3D打印专利到期,降低了行业准入门槛与成本,激发了市场活力,推动了产业化进程。

融资角度:国内融资维持高水平,22年占全球1/3,主要聚焦于软件、设备与生物医疗方向,国内外设备端融资需求旺盛。

3.新技术不断涌现,技术创新方面国内落后国外

国外新技术涌现,国内专注成熟技术的完善升级。近几年中国很少出现大幅革新的3D打印技术产品,通常都是老技术的完善和升级;但是,国外却不断涌现出一个又一个新的3D打印技术和产品。

四、3D打印市场空间及竞争格局1.增材制造应用领域加速拓展,全球3D打印行业进入快速成长期(1)全球3D打印行业市场规模快速增长,预计2030年有望达到853亿美元

根据从事增材制造行业研究的美国咨询机构Wohlers Associates(沃勒斯)统计数据显示,2021年全球增材制造产值(包括产品和服务)152.44亿美元,同比增长19.50%。经过30多年发展,增材制造产业正从起步期迈入成长期,整体来看近年来呈现快速增长趋势。根据沃勒斯预测,到2025E年增材制造收入规模有望实现298亿美元,2021-2025E年CAGR为18.24%;到2030E年有望达到853亿美元,2025E-2030E年CAGR为23.41%。

(2)增材制造行业进入快速成长期,航空航天、医疗健康、消费品、汽车等行业成为未来增长的主要领域

随着增材制造技术的发展,应用领域越来越广,新产品的研发制造驱动市场快速增长,越来越多领域正转变成增材制造生产,如航空航天、医疗器械、以及消费等领域。随着这些领域使用增材制造比例的增加,将推动增材制造市场持续扩大,航空航天、医疗健康、消费品、汽车等行业将是增材制造未来增长的主要领域,将给增材制造市场提供巨大的发展空间。根据《Global Additive Manufacturing Market,Forecastto2025》(2025年全球增材制造市场预测)报告显示,从2015年到2025年,全球汽车行业、垂直医疗设备的3D打印收入将分别以34%和23%的复合增速增长,则预计2025E年全球汽车行业、垂直医疗设备的3D打印市场价值将分别到达53.56亿美元和44.25亿美元。

2.高端应用需求拉动全球增材制造行业稳步增长

根据Wohlers Associates(沃勒斯)统计数据显示,全球金属增材制造设备的销售量从2012年的200余台增长至2021年的2300余台,2021-2021年CAGR为31.63%。整体来看,得益于金属增材制造技术的成熟和金属增材制造设备的普及,近年来全球工业级金属增材制造设备销量稳步增长。全球工业级高分子增材制造设备的销售量从2012年的7500余台增长至2021年的23800余台,CAGR为13.57%,全球工业级高分子增材制造设备销量稳步增长。

3.国内3D打印仍处于发展早期,产业规模加速扩张

国内3D打印行业进入稳增长区间,预计2026E年市场规模超千亿元。当前全球3D打印头部企业主要集中在美国,我国3D打印行业仍处于成长早期,2021年我国3D打印行业规模在全球占比约17%,国内多项专利通过申请但未投入具体应用,核心技术与尖端人才是制约我国当前3D打印产业发展的关键因素。我国高度重视增材制造产业发展,近年来,国内3D打印市场应用程度不断深化,在各行业均得到了越来越广泛的应用。2017-2020年,中国3D打印产业规模呈逐年增长趋势,2020年中国3D打印产业规模为208亿元,同比增长32.06%。根据前瞻产业研究院预测,预计2026E年我国3D打印市场规模将超过1000亿元,2021-2026E年复合增速20%以上。

4.国内3D打印行业中,以增材制造设备与打印服务为主,竞争格局较为集中

根据机械工业信息研究院,2022年国内3D打印设备收入占比53.2%,服务占比26%,原材料占比12.4%,零部件占比5.9%。根据中商产业研究院,我国3D打印设备市场CR5达到62%,但排名前五的企业中仅有联泰是中国企业,其余4家均为外资企业。2022年联泰在3D打印行业中市占率达到16.4%;华曙高科与铂力特凭借先进的技术优势和良好的产品质量,成为国内3D打印行业的核心企业,市占率分别为6.6%及4.9%,在国产金属打印领域具备领先优势。

随着关键技术的不断突破及设备、工艺水平的显著提升,我国增材制造在航空航天、汽车、医疗等下游领域的应用水平和规模都在快速提升,为增材制造的发展提供了巨大空间。其中航天航空领域高端需求是增材制造行业的重要驱动力,根据IBIS World(宜必思)分析,2014年至2019年中国航空制造业(包括飞机制造、飞机零部件制造、维修服务等)年均复合增速为9.8%,2019年中国航空制造业市场价值约698亿美元,预测2020年-2029E年中国航空制造业市场年均复合增速为10%,则预计2029E年中国航空制造业市场价值约9.05万亿元,根据华曙高科招股说明书,假设未来增材制造在航空制造业占据的份额提升至1%,据此可计算出2029E年中国航空制造业为3D打印带来的市场价值约为130.46亿元。

五、3D打印产业链

近些年来我国3D打印行业快速成长,产业链配套完善,迎发展蓝海。受我国相关政策驱动以及企业端、研发端、资本端等协同发展,国内3D打印行业迎发展热潮。据中国增材制造产业联盟统计,2021年中国增材制造企业营收265亿元,近四年平均增长率约30%,高出全球平均水平约10%。根据Wind数据显示,2022年国内现有以增材制造为主营业务的上市公司已有超20家,实力较为雄厚的有铂力特、先临三维、华曙高科等。目前,京津冀全国领先,长三角地区凭借良好的经济发展优势、区位条件基础,已初步形成全3D打印产业链发展形式;而华中部地区以研发为主,以陕西、湖北为核心建立产业培育重地。珠三角地区则为3D打印应用服务的高地,主要分布在广州、深圳等地。

3D打印技术日趋成熟,已经形成了一条完整的产业链。1)3D打印行业上游为原材料、零部件和3D建模工具,包括三维扫描设备、三维软件、增材制造原材料类及3D打印设备零部件制造等;2)中游为设备制造和打印服务,是整条产业链的核心环节,大多设备制造商厂商也能提供原材料供应和打印服务;3)下游则包括航空航天、汽车、医疗、消费及电子产品等应用领域,根据打印精度、速度和技术难度等指标可分为工业级和消费级。

1.上游:金属类材料技术门槛高,进口替代需求迫切

3D打印产业链上游分为打印原材料、硬件和辅助运行软件三部分。3D打印原材料是重要的物质基础,材料的特性很大程度上决定了最终产品的属性和应用方向;硬件主要指激光器、DLP光引擎、主板和振镜系统等用于实现扫描的设备;辅助运行软件是在建模、切片和数据处理等环节中运用到的软件技术。与此相对应,聚集在产业链上游的企业包括三维软件开发商以及耗材生产商等。

(1)3D打印原材料:产业链基石,金属、复合材料潜力大

3D打印原材料是影响3D打印产品质量的重要因素之一,目前行业内常用的打印材料包括金属、塑料、光敏树脂、陶瓷和复合材料等五类。1)金属材料主要应用于航空航天、汽车等高端制造行业,其中钛合金打印材料凭借其出色的强度、耐温耐蚀性能,已经成为航空发动机零部件、弹体结构件等细分领域上不可或缺的原料来源;2)塑料类材料中PLA、ABS和尼龙占大多数,主要应用于医疗、家电、教育等领域;3)光敏树脂材料由于其成品具有高韧性、高精度、表面质量佳等优点,在消费电子、汽车和家电领域有广泛使用;4)陶瓷材料具有化学稳定性好、硬度高等特点,应用领域包括生物医疗、航空航天等,其中高性能透波陶瓷已经成为打印天线罩等导弹核心部件的重要材料;5)复合材料根据组合原料的不同可以分为碳纤维复合材料和高分子复合材料两大类,随着3D打印应用领域的拓宽和打印材料的多元化,复合材料有望成为打印材料领域重要的增长极和技术高地。

金属材料、复合材料成为未来发展趋势,国内材料市场目前以非金属为主,金属材料技术能力整体落后于国际先进水平。金属和复合材料相较传统材料具有更优异的机械特性(刚性、抗冲击性、轻便性等)和其他力学性能,未来凭借其性能优势或将推动3D打印技术服务于消费电子等更多应用场景,有望实现3D打印制造在消费端的下沉和创新。随着3D打印制品对制件性能的要求逐渐增高以及原料不断增多,各机构与公司开始探索研发例如高分子、复合、陶瓷、高性能金属材料满足多样化需求,对于材料的研发,重点投入可降解、复合合金、复合树脂、高分子材料等方向。根据艾瑞咨询数据显示,我国目前打印材料市场以非金属材料为主(占比为61%),受制于材料体系不完备、标准缺乏、工艺性验证不足等问题,现阶段国内金属粉末总体规模和产品性能同国外先进水平还存在差距。

(2)3D打印软件及核心硬件:国内外差距明显,国产替代需求迫切

3D打印软件的应用贯穿增材制造全过程,为成品的精细化需求提供保障;3D打印核心硬件存在进口依赖,国产替代需求迫切。3D打印软件系统集合扫描切片、制造与故障诊断、温场控制、远程监测、数字化扫描控制、数据反馈与集成控制等功能于一体,在3D数据模型获取、3D数据模型处理和3D打印机控制等程序中都有所体现。应用软件可由产业链上中下游主体及专业软件供应商基于技术应用需求开发提供,市面上主流的打印软件以CAD为主,主要厂商有达索、西门子、PTC和中望软件等。目前3D打印软件供应呈多元化趋势,在提升CAD软件技术性能的同时,还有更多集CAD、CAE、CAM等辅助软件于一体的综合软件正在开发。增材制造所使用的核心硬件主要包括激光器和振镜系统,是3D打印设备的重要零部件,多数采购自美国、德国等,目前已实现部分国产替代,但在技术成熟度和性能上仍与进口产品存在差距。

核心硬件市场呈多元竞争态势,国产替代势头强劲。金属3D打印设备的核心零部件包括激光器和激光扫描振镜,约占整体设备成本的20%-40%。中国激光器制造企业近年来在技术研发和产能建设等方面取得显著进步。锐科激光、光韵达等企业不断创新,持续推出高功率、高效率、高稳定性的激光器产品,满足行业对高质量激光源的需求。国内振镜系统供应厂家包括金橙子、柏楚电子维宏股份,目前中低端振镜产品已经基本实现国产化,但高端领域同国外先进水平存在较大差距。核心硬件总体具有较大的国产替代空间,国内企业具备实力并已加速进行国产替代。

2.中游:价值量占据全产业链半壁江山

3D打印行业中游包括3D打印设备及设备技术服务,其中3D打印设备是中游、也是整个产业链的核心主体。参与主体包括增材制造设备制造商、增材制造服务提供商、各类代理商等。3D打印设备制造商研发、生产3D打印设备供下游用户使用,根据下游用户反馈不断进行技术创新与更新迭代,并同步向上游传递创新与市场需求,不断推动着整个产业链水平提升。服务提供商主要通过3D打印设备为客户提供打印服务及其他各类衍生技术服务。

粉末床熔融工艺(PDF)是3D打印工业应用领域中的主流技术,其中以激光选区熔融工艺(SLM)最为优越、技术难度最高。根据国标《增材制造术语》(GB∕T35351-2017),增材制造工艺分为粉末床熔融、定向能量沉积、立体光固化、粘结剂喷射、材料挤出、材料喷射和薄材叠层七种基本类别。粉末床熔融工艺因其特定的加工方式而使得零件具备良好的力学性能和尺寸精度,成为工业应用领域中主流的增材制造技术。其中,以激光作为能量源的激光选区熔融(SLM)和激光选区烧结(SLS)工艺的稳定性和技术成熟度较高,而SLS相比SLM需要另添加粘合剂材料,因此SLS打印的成品硬度和精度略差于SLM制品,当前国内掌握SLM设备生产和服务能力的有铂力特、华曙高科等少数企业。

增材制造设备可分为桌面级打印机和工业级打印机,国内厂家以桌面级打印机供应商为主,工业级打印机由于技术难度大、工艺要求高,发展较为滞后。近年来随着国外桌面级打印机相关专利保护到期,技术壁垒下降,国内桌面级打印机厂家数量急剧增长,新进企业增多,加大了国内桌面级市场的竞争程度。与桌面级打印机市场相比,工业级打印机技术壁垒高,资本投入大,一直以来发展较为缓慢,但当前工业级增材制造产业受到国家政策大力支持,整个市场目前已开始呈现快速增长形势。3D打印的核心专利大多被设备厂商掌握,因此在整个产业链中占据主导地位,这些设备生产厂商大多亦提供打印服务业务,近年来,3D打印行业整合加剧,通过并购3D打印软件公司、材料公司、服务提供商等,设备生产企业转变为综合方案提供商,加强了对产业链的整体掌控能力。

3D打印设备国内市场格局:部分国产品牌反超海外大厂,出口数量不断增长。目前,中国市场的主流3D打印设备品牌涵盖联泰、EOS、华曙高科、铂力特、3DSystems、GE、Stratasys、惠普等。根据南极熊3D打印网数据显示,自2017年至2021年,我国3D设备出口数量由65.6万台增长至287.3万台,增长趋势向好。在大尺寸成型等领域,国内企业甚至实现了反超,这表明中国3D打印产业正迅速崛起,逐步成为全球3D打印市场中的重要力量。

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