钛合金难切削，3D打印、MIM成为产业发展新趋势

热传导率低是导致钛合金难切削的首要因素 在钛合金众多特性中，我们认为热传导率低是导致其难切削的首要因素。大部分钛合金热传导率都较低，仅为钢的16%左右，加工中的热量集聚在切削区域，所产生的温度可高达1000℃以上，使刀具刃口迅速磨损、崩裂和生成积屑瘤，缩短刀具使用寿命。同时，切削过程中产生的高温破坏了钛合金零件的表面完整性，导致零件几何精度下降和出现严重减少其疲劳强度的加工硬化现象。我们认为，由于钛合金的材料特性，手机端钛合金零部件的导入对传统CNC技术带来挑战。 3D打印与钛合金高适配，有望成为消费电子产品制造工艺新选项 与CNC相比，我们认为3D打印与钛合金材料具有更高的适配性。从技术端来看，钛合金3D打印依据零件三维模型快速制造，不需要专用型模具，应用粉状钛合金材料，用逐层打印的方法来建构零件，从技术路径上规避了对钛合金进行切削的弊端。从产品端来看，3D打印钛合金零件力学性能优于传统锻造工艺，我们认为主要系3D打印零件拥有更好的一致性。从设计自由度来看，3D打印可自由设计三维模型，有效加工出结构复杂的零件，更好解决钛合金材料成型问题。从环保节能角度来看，3D打印钛合金能够节省材料、降低能耗、减轻污染，符合可持续发展要求。 MIM脱颖而出，成为较为理想的钛合金零件制备工艺 MIM结合粉末冶金与塑料注塑成形两大技术的优势，突破传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制，同时利用了塑料注塑成形技术大批量、高效率成形具有复杂形状的零件的特点，成为现代制造高质量精密零件的一项近净成形技术，具有常规粉末冶金、机加工和精密铸造等加工方法无法比拟的优势。同时，适用于MIM的金属材料范围广泛，包括钛合金材料，同样从技术路径上规避了对钛合金进行切削的弊端。目前MIM钛合金材料研究取得一定进展，但大规模产业化应用仍存在钛合金粉末性能要求、粘结剂选择等瓶颈。我们认为随着相关技术的不断发展与突破，伴随生产效率的提升，有望逐步打破MIM钛合金材料产业化瓶颈。 3D打印与CNC互补替代，MIM或成为3D打印有效补充 目前钛合金加工工艺主要包括CNC切削磨削、3D金属打印两种，手机端，前者主要用于手机边框加工，后者主要用于手机结构件加工。我们认为短期看CNC加工和3D打印互补为主，替代关系现阶段演绎并不明显，有望充分发挥各自优势，共同推动钛合金在3C领域的应用，长期看3D打印有望部分替代CNC。而MIM钛合金和3D打印钛合金适配不同应用场景，3D打印钛合金在大尺寸、高复杂程度的加工中更具优势，MIM适用于大批量生产的小型、精密、具备复杂三维几何形状及特殊要求的金属零件，或成为3D打印有效补充。 投资建议：钛合金材料已在高端旗舰机率先获得使用，我们认为随着材料成本下降和产品量产形成规模效应，或在中端产品中逐步渗透，成长空间有望持续打开，建议关注3C领域钛合金渗透率提升带来的相关投资机会。 风险提示：技术发展不及预期风险；下游需求不及预期风险；产业政策推进不及预期风险。 我们曾于2023年10月8日和11月5日分别发布新材料周思考《3D打印革故鼎新，有望持续提振钛合金需求》和《大厂引领，3C领域成为钛合金新需求增长点》，对3D打印与钛合金材料高适配性、3C领域钛合金材料应用新趋势进行较为详细的论述，我们认为钛合金目前成为3D打印导入消费电子的切入点，同时在大厂引领下，3C领域有望持续提振钛合金需求。而在本次周思考中，我们将聚焦钛合金工艺端，论述钛合金难切削的具体原因、3D打印与MIM相较于传统CNC的工艺优势，并讨论3D打印与CNC/MIM之间的关系。 1.特性决定工艺：钛合金难切削，3D打印&MIM成为产业发展新趋势 热传导率低是导致钛合金难切削的首要因素。钛合金加工的切削力略高于同等硬度的钢，但钛合金的特殊理化性质造成切削难度陡增。由于钛合金具有热导率低、弹性模量小和高温化学活性高等特点，在切削加工过程中存在切削温度高、切削变形和冷硬现象严重及易粘刀等现象，导致刀具易磨损、寿命减短，并直接影响零件尺寸精度及表面粗糙度，使钛合金成为典型的难加工材料。在钛合金众多特性中，我们认为热传导率低是导致其难切削的首要因素。大部分钛合金热传导率都较低，仅为钢的16%左右，加工中的热量集聚在切削区域，所产生的温度可高达1000℃以上，使刀具刃口迅速磨损、崩裂和生成积屑瘤，缩短刀具使用寿命。同时，切削过程中产生的高温破坏了钛合金零件的表面完整性，导致零件几何精度下降和出现严重减少其疲劳强度的加工硬化现象。 手机端钛合金零部件的导入对传统CNC技术带来挑战。由于钛合金的材料特性，采用切削磨削加工钛合金制品存在良率低、耗时长，设备需求量大等难点，以手机中框为例，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。 表1：钛合金难切削影响特性汇总 图1：钛合金切削热量分布示意图 与CNC相比，我们认为3D打印与钛合金材料具有更高的适配性，有望成为消费电子产品制造工艺新选项。从技术端来看，钛合金3D打印依据零件三维模型快速制造，不需要专用型模具，应用粉状钛合金材料，用逐层打印的方法来建构零件，从技术路径上规避了对钛合金进行切削的弊端。从产品端来看，3D打印钛合金零件力学性能优于传统锻造工艺，我们认为主要系3D打印零件拥有更好的一致性。从设计自由度来看，3D打印可自由设计三维模型，有效加工出结构复杂的零件，更好解决钛合金材料成型问题。从环保节能角度来看，3D打印钛合金能够节省材料、降低能耗、减轻污染，符合可持续发展要求。 图2：3D打印钛合金T C4 塑性变形能力优于传统锻造工艺 金属注射成型（Metal Injection Molding，简称MIM），是一种将金属粉末与粘结剂混合进行注射成型的方法，将粉末冶金和塑料注塑成型融为一体，主要的工艺流程分为四个阶段，包括造粒、注射、脱脂和烧结。 图3：MIM工艺流程图 MIM能够以较低成本大批量生产复杂结构、高维度、高精度零部件，我们认为MIM是一种较为理想的制备钛合金零件的工艺，符合中长期技术发展趋势。MIM结合粉末冶金与塑料注塑成形两大技术的优势，突破传统金属粉末模压成形工艺在产品形状上的限制，同时利用了塑料注塑成形技术大批量、高效率成形具有复杂形状的零件的特点，成为现代制造高质量精密零件的一项近净成形技术，具有常规粉末冶金、机加工和精密铸造等加工方法无法比拟的优势。同时，适用于MIM的金属材料范围广泛，包括钛合金材料，同样从技术路径上规避了对钛合金进行切削的弊端。目前MIM钛合金材料研究取得一定进展，但大规模产业化应用仍存在一些瓶颈： 1）钛合金粉末性能要求：国内球形钛及钛合金粉末生产厂家近几年虽发展迅速，但距离全球领先技术仍有一定差距，进口粉末价格昂贵； 2）粘结剂的选择和脱脂去除工艺：粘结剂的选择决定了粉末填充量的大小，对烧结后产品致密度、收缩率、表面粗糙度有直接影响，而高效的脱脂去除工艺有助于降低杂质元素和提高产品性能； 3）烧结工艺优化及设备要求：由于钛合金高活性的特点，烧结时对温度和氧含量的控制至关重要，对烧结炉提出更高的要求。 我们认为随着相关技术的不断发展与突破，伴随生产效率的提升，有望逐步打破MIM钛合金材料产业化瓶颈。 2.钛合金工艺关系讨论：3D打印与CNC互补替代，MIM或成为3D打印有效补充 3D打印与CNC为互补替代关系，短期以互补为主。目前钛合金加工工艺主要包括CNC切削磨削、3D金属打印两种，手机端，前者主要用于手机边框加工，后者主要用于手机结构件加工。CNC加工具有表面光滑度高、生产效率高、适合批量生产等优点，但由于钛合金热传导率低等特殊理化性能，相较铝合金，采用CNC加工的钛合金制品存在良率低、耗时长、设备需求量大等难点，同时钛合金对刀具要求更高，刀具损耗大寿命短。作为钛合金加工新方向，金属3D打印依据零件三维模型快速制造，不需要专用型模具，具有便捷性高、高精度、低成本的特点。此外，金属3D打印还需要与CNC切削磨削相结合提高表面光滑度。我们认为短期看CNC加工和3D打印互补为主，替代关系现阶段演绎并不明显，有望充分发挥各自优势，共同推动钛合金在3C领域的应用，长期看3D打印有望部分替代CNC。 MIM适用于大批量生产的小型、精密、具备复杂三维几何形状及特殊要求的金属零件，或成为3D打印有效补充。从生产角度来看，由于MIM工艺需要通过模具成型，而模具存在成本，因此MIM工艺要求金属零件在一定批量的前提下，才具有经济价值，对于原型制造和小批量生产，往往更适用3D打印。从零件尺寸来看，由于脱脂的限制，MIM不适宜做大尺寸和厚实的零件，一般MIM零件的质量在500g以下范围，对于大尺寸零件，倾向于选择3D打印工艺。我们认为MIM钛合金和3D打印钛合金适配不同应用场景，3D打印钛合金在大尺寸、高复杂程度的加工中更具优势，MIM钛合金材料产业化之后，或在大批量和小型化两个方面对3D打印形成有效补充。 钛合金材料已在高端旗舰机率先获得使用，我们认为随着材料成本下降和产品量产形成规模效应，或在中端产品中逐步渗透，成长空间有望持续打开，建议关注3C领域钛合金渗透率提升带来的相关投资机会。 3.风险提示 技术发展不及预期风险；下游需求不及预期风险；产业政策推进不及预期风险。