3D打印专题报告：钛合金材料崭露头角，3D打印开拓消费电子市场新需求

证券研究报告|行业专题 机械设备2023年11月20日 钛合金材料崭露头角，3D打印开拓消费电子市场新需求 ——3D打印专题报告 证券分析师 姓名：俞能飞 资格编号：S0120522120003 邮箱：yunf＠tebon.com.cn 主要观点 3D打印优势明显。增材制造（又称3D打印）是以三维模型数据为基础，通过材料（包括液体、粉材、线材或片材等）堆积的方式制造零件或实物的制造方法。与传统的减材制造方式相比，增材制造技术具有工艺先进性、材料先进性、设计先进性以及经济性强等技术优势。预计到2025年全球增材制造行业产值规模将达到298亿美元，到2031年将达到853亿美元，2021-2031年CAGR为18.8%。 兼顾硬度和重量，3D打印钛合金材料在3C市场崭露头角。在荣耀新发布的折叠屏手机MagicV2中，铰链的轴盖部分首次采用钛合金3D打印工艺，宽度相较于铝合金材质降低27%，强度却提升150%，实现轻薄与可靠性的平衡。钛金属能更好地兼顾硬度和重量，降低手机的重量，使得手机更加轻薄，提升手机产品的整体体验感。我们认为，目前3D打印钛合金的成本较高，使得3D打印技术将主要应用在高端机型上，未来随着3D打印技术的成熟，以及3C行业钛合金零部件进一步规模化，产品生产效率、良率、成本等有望进一步优化，助力产业链降本。 苹果有望入局3D打印，进一步打开市场空间。iPhone15Pro系列采用了更轻、更坚固的五级钛合金材质，取代了此前的不锈钢中框，这是苹果首次在手机产品使用钛合金材质。若未来AppleWatchUltra、iPhonePro系列全部引入3D打印钛合金工艺，则将为3D打印行业带来广阔的市场空间。 相关上市公司梳理。3D打印设备及服务：铂力特、华曙高科、银邦股份（飞而康）、光韵达等。 风险提示：行业技术进步不及预期、消费电子行业需求不及预期、行业竞争加剧等风险。 目录CONTENTS 01 02 03 04 3D打印优势明显，需求端驱动市场空间高增 产业链：设备为核心，金属打印成长性较强 兼顾硬度和重量，3D打印钛合金材料在3C市场崭露头角 风险提示 01 3D打印优势明显，需求端驱动市场空间高增 4 1.1增材制造：设计便捷、工艺灵活、材料利用率高 增材制造（又称3D打印）是以三维模型数据为基础，通过材料 （包括液体、粉材、线材或片材等）堆积的方式制造零件或实物的制造方法。不同于传统的材料去除技术（切削加工），增材制造是一种“自下而上”材料累加的制造方法。 图：设计越复杂，增材制造成本优势越明显 金属3D打印技术 传统精密加工技术 技术原理 “增”材制造（分层制造、逐层叠加） “减”材制造（材料去除、切削、组装） 技术手段 SLM、LSF等 磨削、超精细切削、精细磨削与抛光等 适用场合 小批量、复杂化、轻量化、定制化、功能一体化零部件制造 批量化、大规模制造，但在复杂化零部件制造方面存在局限 使用材料 金属粉末、金属丝材等（受限） 几乎所有材料（不受限） 材料利用率 高，可超过95% 低，材料浪费 产品实现周期 短 相对较长 零件尺寸精度 ±0.1mm（相对于传统精密加工而言偏差较大） 0.1-10μm（超精密加工精度甚至可达纳米级） 零件表面粗糙度 Ra2μm-Ra10μm之间（表面光洁程度较低） Ra0.1μm以下（表面光洁度较高，甚至可达镜面效果） 图：减材制造（a）与增材制造（b）图：金属3D打印技术与传统精密加工技术的比较 设计先进性：设计全过程可视化、实物化，解决了计算机辅助设计“看得见，摸不着”的三维造型问题。制造产品完全定制化、个性化，适宜医疗领域及科研等行业，此外增材制造业具有较高的柔性，产品换代时设备无需大改。 材料先进性：适用各种传统加工中难以加工的材料、轻型材料及复合材料，如钛合金、高温合金、铝合金、树脂类等。也适用于如碳纳米管、石墨烯、生物等碳纤维等特殊用途材料。 航空发动机风扇叶片 钛合金髋臼杯 高温合金叶环 不同制造方式的原材 料利用率（克，%） 工艺先进性：适合于形状复杂、不规则零件的加工，避免了毛坯制造、切削加工、部件装配等繁琐工序，也无需模具与刀具等工装，极大缩短了产品的生产周期，提高了生产效率。 经济性强：采用增材制造技术可实现快速制造模具，降低成本。在小批量、个性化生产中，增材制造技术可节省传统制造中模具制造、工艺设计等诸多成本。增材制造技术所涵盖的覆膜修复技术、再生产技术、无装配技术以及工具治具制作技术等都具有极好的经济性。 增材制造下游占比航空航天医疗 建筑 4% 政府/军事 6% 其他 13% 航空航天 17% 能源 7% 学术机构 11% 消费产品/电子产品12% 医疗/牙科 15% 汽车 15% 汽车手机治具科研 2010年代，增材制造市场经历了快速增长，部分原因是技术进步、早期采用者的激烈资格认证工作以及媒体的大量关注。许多供应商的年营收 增长率达到50%或以上；在这段时期过后，市场年增长率放缓至20%左右。 从竞争情况来看，目前行业处于成长初期，多数企业规模偏小，中国和美国为发展领先市场，未来有望带领全球3D打印行业持续放量。 图：增材制造市场增长曲线 2021年全球增材制造产值（包括产品和服务）152.44亿美元，同比2020年增长19.50%。经过30多年发展，增材制造产业正从起步期迈入成长初期，整体来看近年来呈现快速增长趋势。根据Wohlers预测，到2025年全球增材制造行业产值规模将达到298亿美元，到2031年将达到853亿美元，2021-2031年CAGR为18.8%，保持高速增长。 中国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，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。 图：全球增材制造产业产值高速增长（十亿美元） 图：中国增材制造产业规模（亿元） 700 600 500 400 300 200 100 0 20172018201920202021E2022E2023E2024E2025E 02 产业链：设备为核心，金属打印成长性较强 上游：主要是生产所需原材料和增材制造设备的核心硬件和辅助设备，其中原材料是上游领域的核心，主要为金属和非金属材料。 中游：为增材制造设备和增材制造服务，增材制造设备为产业链核心； 下游：主要为各应用领域，航空航天、医疗、汽车、高校科研院所为主要应用领域。 图：3D打印产业链 图：产业链各环节营收比重 3% 材料 12% 服务 26% 装备 53% 其他 零部件 6% 增材制造专用材料的品类和品质决定增材制造产品及服务的质量。现有增材制造专用材料包括金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料等。 根据WohlersAssociates数据显示，全球增材制造专用原材料销售金额从2012年的4.17亿美元增长至2021年的25.98亿美元，CAGR22.54%。 图：各类3D打印材料介绍 类型 材料名称 应用领域 金属增材制造材料 钛合金、高温合金、铝合金等金属粉末、液态金属材料等。 航空航天、船舶工业、核工业、汽车工业、轨道交通等领域高性能、难加工零部件与模具的直接制造。 无机非金属增材制造材料 高性能陶瓷、非金属矿、宝玉石材料、树脂砂、覆沙膜、硅砂、硅酸盐类等。 航空航天、汽车发动机等铸造用模具开发及功能零部件制造；工业产品原型制造及创新创意产品生产。 有机高分子增材制造材料 树脂类：光敏树脂；丝材类：PLA、ABS、PC、PPSF、PETG等；粉末类：PA、PS、PC、PP、PEEK等。 工/模具制造、原型验证、科研教学、文物修复与保护、生物医疗等。 生物增材制造材料 生物可降解材料、生物相容性材料、活细胞等。 药物控制释放、器官移植、组织和软骨质结构再生与重建等。 图：全球增材原材料销售额（亿美元） 30 25 图：各类3D打印材料市场价值量占比情况（左：国内；右：全球） 2% 金属 18% 聚合物 35% 丝材 20% 光敏树脂 25% 其他 树脂 6% 其他 14% 钛合金 21% 不锈钢 9% 铝合金 10% PLA15% ABS11% 尼龙 14% 20 15 10 5 0 根据增材制造技术的成形原理，增材制造工艺分成七种基本类别，即粉末床熔融（PBF）、定向能量沉积（DED）、立体光固化（VPP）、粘 结剂喷射（BJT）、材料挤出（MEX）、材料喷射（MJT）和薄材叠层（SHL）。主要工艺技术分类情况如下： 金属3D打印：激光选区熔化（SLM）、激光近净成型（LENS）、电子束选区熔化（EBSM）、电子束熔丝沉积（EBDM）等。 非金属3D打印：光固化成形（SLA）、熔融沉积成形（FDM）、激光选区烧结（SLS）、三维立体打印（3DP）、材料喷射成形（PJ）等。 技术类型 技术名称 工艺原理 应用领域 激光选区熔化 （SLM） 粉末床选区熔化 （PBF） 航空航天等复杂金属精密零件、金属牙冠、医用植入物等 激光近净成形 （LENS） 定向能量沉积 （DED） 飞机等大型复杂金属 构件成形与修复等 金属3D打印 电子束选区熔化 （EBSM） 粉末床选区熔化 （PBF） 航空航天复杂金属构件、医用植入物等 电子束熔丝沉积 （EBDM） 定向能量沉积 （DED） 航空航天大型金属构件等 技术类型 技术名称 工艺原理 应用领域 光固化成形 （SLA） 立体光固化 （VPP） 工业产品设计开发、创新创意产品生产、精密铸造用蜡模等 熔融沉积成形 （FDM） 材料挤出 （MEX） 工业产品设计开发、创新创意产品生产等。 非金属3D打印 激光选区烧结 （SLS） 粉末床选区熔化 （PBF） 三维立体打印 （3DP） 粘结剂喷射 （BJT） 航空航天领域用工程塑料 零部件、汽车家电等领域 铸造用砂芯、医用手术导板与骨科植入物等 工业产品设计开发、铸造用砂芯、医疗植入物、医疗模型、创新创意产品、建筑等 材料喷射成形 （PJ） 材料喷射 （MJT） 工业产品设计开发、医疗植入物、创新创意产品生产、铸造用蜡模等 全球工业级增材制造设备销量从2011年的6500余台增长至2021年的2.6万余台，年复合增长率14.9%。 金属增材制造：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，年复合增长率31.6%。 非金属增材制造：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，年复合增长率13.6%。 MEX VPP PBF BJT MJT DED SHL 热塑性高分子材料 √ √ √ 热固性聚合物材料 √ √ 弹性聚合物材料 √ √ √ √ 复合材料 √ √ √ √ √ √ 金属 √ √ √ √ √ √ √ 梯度/混合金属 √ √ √ 陶瓷 √ √ √ √ √ 熔模铸造模型 √ √ √ √ √ 砂型和砂芯 √ √ √ 纸/木材 √ √ √ 表：各种增材制造工艺适用的材料类型 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 200720082009201020112012201320142015201620172018201920202021 图：全球工业级增材制造设备销售量（台） 图：全球金属增材制造装备销售量（台） 图：全球工业级高分子增材制造装备销售量（台） 利用高强度激光能量源对金属粉末层按照路径规划逐层快速扫描熔化，然后经工作缸、送粉缸和刮刀通过程序联动完成铺粉工作。 特点： 零件致密度好； 形状不受限制； 零件成型精度高； 材料选取范围广； 需要高功率密度的激光器