机械行业一周解一惑系列：苹果荣耀入局3D打印，有望启动产业新引擎

本周关注：三一重工、徐工机械、恒立液压、华曙高科、铂力特 增材制造共分七种工艺，粉末床熔融为主流。增材制造（3D打印）主要有七种工艺，分别为粉末床熔融、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。由于不同技术在不同的产业应用中具备独特的技术价值和发展空间，目前增值制造呈现多种路线共存的局面。其中，粉末床熔融工艺加工而成的终端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。 全球3D打印市场快速增长，预计2023年达到853亿美元。根据Wohlers Associates统计数据显示，2021年全球增材制造产值为152.44亿美元，同比增长19.5%，十年复合增长率为23.5%。其中，2021年增材制造设备销售收入31.74亿美元。根据Wohlers预测，到2025年增材制造收入规模较2020年将增长2倍，达到298亿美元（2021-2025年CAGR=18.2%），到2030年将增长5.6倍，达到853亿美元（2025-2030年CAGR=23.4%）。全球工业级增材制造设备销量从2012年的6千余台增长至2021年的2.6万余台，年复合增长率14.45%。根据Wohlers Associates，截至2021年末中国工业增材制造设备安装量市场占比10.60%，仅次于美国。2017-2020年，中国3D打印产业规模逐年增长趋势，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，到2025年我国3D打印市场规模将超过630亿元，2021-2025年复合年均增速20%以上。 设备是企业核心竞争力，激光器振镜有对外依赖。我们以铂力特的金属3D打印定制化产品为例，其生产成本中，制造费用占成本约60%，20%以上为原材料成本，剩下为直接人工。其中，制造费用主要为生产设备的折旧费用、非核心生产环节的外协加工费用及生产过程中使用的惰性气体的费用；直接材料主要包括金属/非金属粉末，电子电器元器件、激光器、钣金件等。从材料占比看，非金属材料仍为目前我国主要采用的3D打印材料，占比达到61%，其中由以PLA、尼龙、ABS为主；常用的金属材料包括钛合金、铝合金等。目前，我国已经打破钛合金等专用材料的国外垄断，实现在增材制造技术中的突破性应用。增材制造装备核心器件，如高光束质量激光器及光束整形系统、高品质电子枪及高速扫描系统、大功率激光扫描振镜、动态聚焦镜等精密光学器件、阵列式高精度喷嘴/喷头等严重依赖进口，激光器市场基本被Trumpf（通快）、IPG等3-4家国外企业占有，扫描振镜市场则主要被德国Scanlab公司占有。 增材制造进入智能电子设备，苹果荣耀入局有望启动产业增长新引擎。目前，3D打印已经成为航空航天等高端设备制造及修复领域的重要技术手段，逐步成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具。2021年，航空航天是最大的应用领域，占比达到16.8%，医疗牙科、汽车、消费电子等也是3D打印的主要应用领域。苹果公司今年下半年发布的Apple Watch Ultra智能手表的部分钛金属机械部件有望采用3D打印制造。 我们估算出，若苹果高端手表年销售1000万块，可能带来1.2-1.6亿元的3D打印设备需求；此外，荣耀发布的Magic V2手机的轴盖也采用了3D打印技术，假设年销售1000万台，该部分可能为3D打印设备创造5.5-7.6亿元的设备需求。苹果与荣耀的入局，预计将启动3D打印在消费电子领域的应用动力。 风险提示：供应链风险、技术发展和创新速度低于预期风险。 1增材制造优势独特，下游应用广泛 1.1增材制造共分七种工艺 所谓3D打印是快速成型技术的一种，又称增材制造，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。 增材制造主要有七种工艺，分别为粉末床熔融、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。由于不同技术在不同的产业应用中具备独特的技术价值和发展空间，目前增值制造呈现多种路线共存的局面。其中，粉末床熔融工艺加工而成的终端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。 表1：增材制造主要工艺类型 SLM技术是采用激光有选择地分层熔化烧结固体粉末，在制造过程中，金属粉末加热到完全融化后成形。其工作原理为：被打印零部件提前在专业软件中添加工艺支撑与位置摆放，并被工艺软件离散成相同厚度的切片，工艺软件根据设定工艺参数进行打印路径规划。实际打印过程中，在基板上用刮刀铺上设定层厚的金属粉末，聚焦的激光在扫描振镜的控制下按照事先规划好的路径与工艺参数进行扫描，金属粉末在高能量激光的照射下其发生熔化，快速凝固，形成冶金结合层。当一层打印任务结束后，基板下降一个切片层厚高度，刮刀继续进行粉末铺平，激光扫描加工，重复这样的过程直至整个零件打印结束。 图1：激光选区熔化成形设备（SLM）工作原理 粉末材料选择性激光烧结（SLS，Selective Laser Sintering）技术是先将一层粉末材料平铺在已成型零件的表面上，并加热至恰好低于该粉末的烧结点温度。 然后，通过控制系统控制激光束按照该层的截面轮廓在粉层上扫描，使粉末的温度升到熔化点，进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘结。完成一层后，工作台下降一层厚度，再铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型的制造过程。上一层粉末，进行下一层烧结，如此循环，逐渐形成三维原型零件。 图2：选区激光烧结技术设备（SLS）工作原理 电子束熔化技术（EBM）其工艺过程与SLM非常相似，但两者有一些区别。 不同之处在于EBM采用电子束作为能量源，而SLM使用激光。EBM的电子束输出能量通常比SLM的激光输出功率大一个数量级，并且扫描速度也比SLM快得多。由于这种高能量输出，EBM在构建过程中需要对造型台整体进行预热，以防止成型过程中温度过高，产生较大的残余应力。 电子束选区熔化技术（EBSM）是一种高能高速的快速制造技术，类似于激光选区烧结和激光选区熔化工艺。将所设计零件的三维图形按一定的厚度切片分层，得到三维零件的所有二维信息；在真空箱内以电子束为能量源，电子束在电磁偏转线圈的作用下由计算机控制，根据零件各层截面的CAD数据有选择地对预先铺好在工作台上的粉末层进行扫描熔化，未被熔化的粉末仍呈松散状，可作为支撑；一层加工完成后，工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层铺粉和熔化，同时新熔化层与前一层熔合为一体；重复上述过程直到零件加工完后从真空箱中取出，用高压空气吹出松散粉末，得到三维零件。这种以电子束为能量源的粉床增材制造技术，具有能量利用率高、无反射、功率密度高、扫描速度快、真空环境无污染等优点，可以实现活性金属材料的直接洁净快速制造。 图3：电子束选区熔化技术（EBSM）工作原理 近净成形技术是一种成形技术，指的是零件经过成形后，仅需少量或不再需要加工，就可以直接用作机械构件。首先，高功率激光通过聚焦后形成一个较小的光斑作用于基体并在基体上形成一个较小的熔池。然后，粉末运输系统将金属粉未通过喷嘴汇集后输送到熔池中，粉末经熔化，凝固后形成一个致密的金属点。最后，随激光在零件上的移动，逐渐形成线和面最后通过面的累加形成三维金属零件 图4：激光近净成型(LENS)工作原理 光固化立体成型技术（SLA）是一种早期实用的快速成形技术，使用特定波长和强度的激光聚焦在光固化材料表面，逐层固化构建三维实体。SLA将所设计零件的三维计算图像数据转换成一系列很薄的模型截面数据，然后在快速成型机上，用可控制的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的每层薄片的二维图形轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，形成连续的固化点，从而构成模型的一个薄截面轮廓。下一层以同样的方法制造。该工艺从零件的底薄层截面开始，一次一层连续进行，直到三维立体模型制成。一般每层厚度为0.076~0.381mm，最后将制品从树脂液中取出进行最终的硬化处理，再打光、电镀、喷涂或着色。 图5：光固化立体成型技术（SLA）工作原理 三维印刷（3DP）工艺类似于SLS工艺，使用粉末材料（如陶瓷粉末、金属粉末）进行成型。不同之处在于，3DP工艺不是通过烧结连接材料粉末，而是通过喷头使用粘结剂（如硅胶）在材料粉末上“印刷”零件的截面。然而，由于使用粘结剂进行连接，零件强度较低，因此需要进行后处理。具体的工艺过程如下：首先，上一层的粘结完成后，成型缸下降一个距离（等于层厚的0.013～0.1mm）。然后，供粉缸上升一定高度，推出一定量的粉末，并通过铺粉辊将其推到成型缸，然后将其铺平并压实。接着，喷头在计算机控制下，根据下一组建造截面的成型数据，有选择地喷射粘结剂来建造层面。在铺粉时，多余的粉末会被集粉装置收集起来。 这样反复进行送粉、铺粉和喷射粘结剂的过程，最终完成一个三维粉体的粘结。没有被喷射粘结剂的地方仍为干粉，在成型过程中起到支撑作用，且在成型结束后相对容易去除。 图6：三维印刷（3DP）工作原理 FDM（熔积法）是一种快速成形技术，通常使用高温将材料熔化成液体，通过压印头的挤压固化，从而形成三维物体。FDM机械装置主要由喷头和送丝器、运动机构、加热工作室、工作台等五个部分组成。材料分为模制材料和支撑材料。 热塑料丝通过挤出头被挤出，并沉积成正确的实际零件薄层，逐层堆积到最终的实体模型和零件。喷嘴根据预输入的数据移动，驱动丝杠运行，控制喷嘴按照预定轨迹移动。成形平台上的热熔流体凝固成形，完成整个打印过程。例如，线材通过传动装置被送入加热管，热熔的流体在190℃-210℃的加热管中熔化，然后从喷嘴挤出，并根据步进电机的控制在成形平台上逐层凝固成形。 图7：熔融堆积工艺（FDM）工作原理 PolyJet即聚合物喷射技术，其成型原理类似3DP技术，但喷射的不是粘合剂而是光固化树脂，喷射完成后通过紫外光照射固化成型。PolyJet采用阵列式喷头，甚至可以同时喷射不同材料，实现多种材料、多色材料同时打印。其具体打印过程是：1）喷头沿X/Y轴方向运动，光敏树脂喷射在工作台上，同时UV紫外光灯沿着喷头运动方向发射紫外光对工作台上的光敏树脂进行固化，完成一层打印。 2）之后工作台沿Z轴下降一个层厚，装置重复上述过程，完成下一层的打印。3）重复前述过程，直至工件打印完成。4）去除支撑结构。 图8：聚合物喷射技术（PolyJet）工作原理 LOM（层叠制造，Laminated ObjectManufacturing）工艺使用薄片料如纸、塑料薄膜等，将热熔胶涂覆在片材表面。在加工过程中，热压将片材与下面已成型的工件粘结在一起。然后，使用 CO2 激光器在新粘结层上切割出零件截面轮廓和外框，并在截面轮廓与外框之间切割出上下对齐的网格。完成激光切割后，工作台带动已成型的工件下降，与带状片材（料带）分离。供料机构转动收料轴和供料轴，使新层移到加工区域，然后工作台上升到加工平面。再使用热压棍热压，使工件的层数增加一层，高度增加一个料厚。然后在新层上切割截面轮廓。如此重复直至零件的所有截面都粘结、切割完成，得到分层制造的实体零件。在这种快速成型机上，截面轮廓被切割和叠合形成制品。所需的工件被废料小方格包围，去除这些小方格后即可得到三维工件。 1.2轻量化、复杂结构优势明显，增材制造市场快速增长 3D打印能够实现复杂结构及轻量化设计，具有独特优势。相较于传统精密加工，金属3D打印通过分层制造、逐层叠加的方式，能够实现内部的复杂构件成形，提升材料利用率。同时，金属3D打印技术的应用可以优化复杂零部件的结构，在保证性能的前提下，将复杂结构经变换重新设计成简单结构，从而起到减轻重量的效果，3D打印技术也可实现构件一体化成形，从而提升产品的可靠性。 表2：金属3D打印于传统精密加工对比 全球3D打印市场快速增长，预计2030年市场规模达到853亿美元。受益于3D制造在高端制造