一周解一惑系列：3C钛合金渗透率提升，设备、耗材多重受益

本周关注：奥来德、快克智能、沃尔德、华曙高科、铂力特、金太阳 钛合金在消费电子领域用量提升，高强度、轻重量是优势，难加工导致相关加工设备、耗材用量/更新需求增加。相比传统不锈钢、铝合金，钛金属能更好兼顾硬度和重量，满足3C领域屏幕尺寸加大，对框架的强度要求提升，以及提升使用体验的轻薄化需求。由于强度高、导热系数低和化学活性高等特点，钛合金难加工，良率较低：以手机中框为例，根据艾邦高分子数据，钛合金手机中框整体良率约为30%-40%，远低于铝合金中框的80%；且加工时间长，约为铝合金的3-4倍。当前3D打印与CNC之间互补与替代关系并存：3D打印在加工定制化、复杂化的结构件时可以替代传统机加工，在小批量加工中具备成本优势； 3D打印后处理环节还需精加工的介入，与CNC呈现互补关系，后续需要热处理、研磨、抛光等环节。 全球3D打印折叠屏铰链及智能手表表壳潜在设备需求预计到2027年可达52.85亿元。1）3D打印折叠屏手机钛合金铰链需求：假设钛合金在中国折叠屏手机领域的渗透率从2023年的18%增长至2027年的60%，中国3D打印钛合金铰链设备市场需求有望从2023年的1亿元增长至2027年的12亿元，对应全球3D打印设备需求空间有望从3亿元增长至37亿元。2）智能手表表壳需求：假设苹果高端手表未来采用3D打印钛合金表壳，预计钛合金在苹果手表的渗透率从2024年的10%提升到2027年的35%，3D打印表壳的零部件市场空间有望从2024年预计的8.8亿元提升至2027年的35.67亿元；对应3D打印设备需求有望从2024年的196台增长至2027年的793台，设备市场空间从2024年的4亿元增长至2027年的15.85亿元。 单个手表表壳3D打印环节的设备折旧+原材料成本约为36.8元，后续仍有降本空间。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。以手表表壳3D打印成本为例，我们测算单个表壳打印成本约36.8元，降本有望从原材料、气体消耗、设备折旧下降等路径切入。 建议关注钛合金加工产业链相关公司：钛合金在消费电子领域用量有望持续提升，目前，消费电子设备中框、壳体等零部件加工路径多种并存，由于钛合金难加工，以及手机新机补库需求，将带动新一轮后处理加工设备采购需求。3D打印技术有望实现消费电子领域规模放量，对于当前以军工领域需求为主的设备、服务企业将带来需求增量。1）3D打印设备/服务供应商：华曙高科、铂力特、银邦股份2）研磨抛光环节供应商：金太阳。 风险提示：供应链风险、消费电子下游需求复苏不及预期风险、技术发展和创新速度低于预期风险。 13C领域钛合金应用潜力巨大，加工难度提升 1.1钛合金减重、高强度优势有望拓展3C领域应用 3C钛合金元年，大趋势带来新增长。2023年iphone 15系列手机首次使用钛合金材质，这意味着苹果放弃了沿用6-7年的不锈钢材质，同时也体现出3C领域产品材质逐渐向钛合金转变的趋势。钛合金的使用使得新款iPhone在保持坚固耐用的同时,实现了重量的显著减轻。全新钛金属设计是iPhone外壳中使用的最优质材料,更坚固、耐用,也更轻,重量均减轻19克,是有史以来最轻的Pro。在屏幕尺寸仍为6.1/6.7英寸的情况下,配合着有史以来最窄的边框,机身尺寸减小。 钛合金因其硬度高、抗菌性强等特性,将成为消费电子客户的新选择。除减轻重量外,钛金属机身采用新的拉丝表面处理技术,具有更好的抗拉伸效果。这种处理方式使得新款iPhone不易留下指纹,更加清洁美观,且具有更舒适的边框手感。同时,钛金属的耐用性也得到了进一步的提升,使得新款iPhone在使用过程中更加耐磨耐用。2023年8月底,长盈精密其2023年半年报中披露,公司正在配合大客户落地了钛合金材料全制程工艺,为后续项目做好了量产准备。 图1：小米14Pro中框采用99%纯钛和铝合金材料打造 图2：iPhone15采用钛合金边框 小米新机也采用钛合金作为高端机型配置。小米14 Pro的钛金属特别版的中框采用了航天级99%高纯度的钛和高强度的铝合金材料打造，与后盖和正面的全等深微曲玻璃精密结合，一体感更强，而且强度更高的中框也能够更好地保护好这块屏幕。钛合金的中框采用了拉丝工艺处理，相对不容易沾染指纹。 表1：不同类型金属的性质金属纯钛 随着主屏尺寸不断增加，对轻薄的追求导致对中框金属的强度要求不断提升。 手机2018年，手机中框从“金属外壳+金属中框”向“双面玻璃+金属中框”的产业布局转变，手机的主屏面积不断增加，厚度往超薄型发展，手机框架的强度急需增强，金属中框在双玻璃设计中不可或缺，必须要高强度的金属中框支撑整个机身部件，并承载内部结构件、功能模块、PCB主板等。早期，铝合金因其质轻、价廉、易加工等优点，但由于需要更高强度的金属中框，高强铝合金、不锈钢及液态金属成为第一批“候选者”。2022年，钛合金逐步在消费电子端应用，据搜铁网数据，TC4合金的抗拉强度和屈服强度分别可达到960 Mpa和892 Mpa，高于304不锈钢的520 Mpa和205Mpa以及A380铝合金的320 Mpa和160Mpa。合金的密度比不锈钢材料低，TC4与304不锈钢的密度分别为 4.51 g/cm3 和 7.93g/cm3 ，这使钛合金在同体积下重量更小。相比使用不锈钢，苹果Ultra手表使用铁合金表壳能够减轻全机重量的12.9%。 在荣耀最新发布的折叠屏手机Magic V2中，成功的应用了3D打印的钛合金零件，这个零件是折叠屏中的一个关键零件铰链上的轴盖。在荣耀Magic V2发布会上，荣耀负责人表示轴盖采用“跨界航空工艺，行业首次钛金3D打印。材料强度提升150%，打印温度高达3500℃。”Magic V2的轴盖为钛合金材质，采用了行业首创的3D激光打印工艺，设计更轻薄，结构强度更高。 图3：Magic V2铰链轴盖采用3D打印技术 图4：Magic V2搭载全新鲁班钛金铰链 折叠屏手机国内主流厂商陆续推出，IDC手机季度跟踪报告显示，2023年第二季度，中国折叠屏手机市场出货量约126万台，同比增长173.0%；上半年出货227万台，同比增长102.0%。自问世以来，折叠屏手机市场一直保持快速增长，且是目前低迷的手机市场里唯一保持上升趋势的细分市场。据CINNO Research数据显示，2023年1月我国折叠屏手机均价为9428元，较2022年同期下滑27%，其中5000-9999元价格区间折叠屏手机销量同比涨超31%，占比超80%。 在手机卷轴中，卷轴的轴盖是影响折叠屏厚度的关键，钛合金技术可以让轴盖变得更轻更薄，从而带动折叠屏整体厚度和重量的下降。相比以前手机以不锈钢(硬但不轻)和铝合金(轻但不硬)为主，钛金属能更好地兼顾硬度和重量。目前主流折叠屏手机中，机身最薄的的华为Mate X3，厚度为5.3mm。Magic V2的厚度或将达到5.2mm，比竞争对手极限薄了0.1mm。 图5：中国折叠屏手机出货量 图6：Magic V2在2023Q3中国折叠屏市场销量第一 中国目前占据了全球可折叠智能手机市场的最大份额，占58.6%。2023年Q3，荣耀Magic V2产品在中国折叠屏市场销量达到排名第一。 1.23D打印在钛合金加工领域有望进一步渗透 钛合金材料有望随着头部厂商的影响力而加速替代原有材料，而3D打印在钛合金领域的应用也有望随之提升。荣耀MagicV2采用3D打印工艺生产折叠手机铰链，随着折叠屏手机需求逐步增长，相关应用市场化有望加速。 3D打印生产小批量零部件相比传统工艺更具成本、效率优势。从生产小批量零部件来看，3D打印相较于传统注塑工艺更具交付周期和成本的优势。以生产GoPro相机复合弓支架StaBowMount为例，通过3D打印交付周期从原本的87天下降到了12天，而从成本方面来看，两者基本持平，3D打印略有一定的成本优势。 表2：3D打印生产小批量零部件相比传统工艺更具效率优势 表3：3D打印更具成本优势 3D打印使用的原材料是钛合金粉末或者棒材，主要生产工艺为等离子雾化或气体雾化。在大多数情况下，钛和铝以粉末形式出现，但它们也可以线材形式提供，例如Virtual Foundry或Nanoe提供的钛或铝丝。要用这些金属3D打印零件，必须首先获得合金粉末，这主要使用两种技术完成：等离子雾化或气体雾化。等离子体（电离气体）雾化是一种使用高温、能量和热源、惰性介质（例如氩气）和高速雾化金属的过程，这个工艺生产出高质量的耐磨粉末。而气体雾化使用空气、氩气或氦气作为气体来破碎熔融材料流，这是一种非常有效的工艺，广泛用于生产细小的球形金属粉末。 3D打印钛合金工艺包括激光粉末床熔化(L-PBF)、DED和粘合剂喷射（BJ）。 在L-PBF中，激光束用于逐层加热粉末金属至其熔点并构建物体。钛在非常高的温度(1,600°C)下熔化，因此需要在3D打印之前分析材料的热效应和机械效应。铝的熔化温度低得多（约630°C），但铝具有高反射率和导热性。 表4：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7：激光选区熔化成形设备（SLM）工作原理 DED与前一个工艺非常相似，但这里的材料在喷嘴沉积时熔化，并且可以粉末或线材形式用于制造。通常，该技术会带来更高的生产速度和更低的单位体积成本。 在BJ的工艺下，材料为未熔化的粉末形式，而是为了使颗粒相互粘附，使用多喷头打印将粘合剂喷射到特定位置的层上。打印后还需要进行烧结步骤或其他固化后处理。当它们离开3D打印机时，这些部件非常脆弱且多孔，需要进行热处理才能达到最终的机械性能。 武汉易制科技创始人蔡道生向南极熊表示，“我们600*380*200mm幅面的粘结剂喷射金属3D打印生产性设备，一层可打印72个不锈钢表壳（钛合金打印工艺还需攻克），16小时打印整缸16层，1150个手表壳，只需十台机器，年产可达300万件。” 面向消费电子领域需求，需要将金属打印与传统制造方法相结合。CNC加工是一种适合此目的的后处理工艺，因为它可确保严格的公差和所需的表面光洁度。 特别是使用DED技术，3D打印部件的表面非常粗糙，因为金属在喷出过程中直接熔化。因此，始终需要CNC加工来获得光滑且明确的表面。 3D打印完零部件后仍需要热处理以提升强度，将打印部件加热到高温并快速冷却以改变微观结构，从而提高材料的延展性，或在断裂前在负载下变形的能力。 当铝和钛用于所谓的间接3D打印工艺（例如FDM或粉末粘合）时，也需要烧结。在打印阶段之后，部件必须经过脱脂过程以将聚合物与金属粘合剂分离。然后将部件在烧结炉中加热到特定温度，刚好低于熔化温度，这将巩固最终物体。 这导致部件的孔隙率非常低，因为粘合剂所在的空腔在此过程中被压缩，从而导致零件收缩。 23D打印成本及市场空间测算 2.13D打印部件成本测算——以手表表壳为例 苹果手表作为全球最受欢迎的智能手表，一直在持续地发展和创新。到了2023年，这款产品已经进化到了第9代Apple Watch Ultra。 图8：最新49mm Apple Wat