3D打印行业深度报告：3D打印，将数模“投影”到现实

“降维”制造，复杂度“免疫”：3D打印是一种以数字模型为基础，以粉材（或丝材）为原料，通过逐层打印的方式来生产产品的技术。与传统减材、平材制造相比，3D打印通过逐层生产的模式，有效将3维空间中的零部件数模投影到2维平面，进而实现“降维”制造，也由此衍生出3D打印最重要的特性，即随零件复杂度、定制化程度的提升，单位制造成本变化不明显。 高端领域，有效的减重&降本将来进一步提升渗透空间：3D打印由于其加工周期短、材料利用率高、设计自由度高等特点，能较好满足航空航天零件制造高复杂度、短制造周期、小批量的要求。随装备进一步高端化发展，传统机加工、铸锻造工艺在制造复杂零部件中将愈发乏力，进而推动3D打印的加速渗透；另一方面航空航天装备减重可带来巨大经济效益，3D打印可以通过拓扑结构优化设计、零件一体化成型等方式助力航空航天装备减重，利用“二次降本”来拓宽3D打印工艺的应用空间。 民用领域，成本为王，设计端降本是行业应用拓展的关键：3D打印在民用领域的拓展，是伴随设备成本降低、打印效率提升而逐步推进的过程。我们认为目前3D打印在民品端应用拓展慢的核心原因是制造业仍然按传统工艺的零件设计来设计3D打印零件，进而忽略了应用3D打印后优化零件设计的能力。 而3D打印的加工本质是逐层打印，加工时间和零件体积正相关，通过优化零件设计有望带来3D打印制造效率的提升，进而实现加速降本。 全球市场达千亿，未来持续高增：根据WohlersReport的数据，2022年全球3D打印总产值约182亿美元，同比+18%，预计2031年全球3D打印市场规模将达到853亿美元，2021-2031Cagr约18.8%；根据中国3D打印产业联盟统计，2021年我国3D打印产业总产值达到265亿元，同比+27.4%，赛迪顾问预测到2024年我国3D打印产业规模将高速增长到500亿元。 投资建议：3D打印制造工艺因其不同于传统制造工艺方法，将有望在部分领域取代传统工艺，同时通过借助3D打印强大的复杂零件制造能力，将有望助力打开零件设计自由度，从而进一步推动3D打印的应用加速。高端领域3D打印应用渗透率的提升，有望带动3D打印技术、设备日趋成熟，促进行业应用成本下降，最终助力实现民用领域“平价”。我们重点推荐金属+非金属3D打印设备核心供应商华曙高科（688433.SH）；建议关注金属3D打印设备+服务龙头企业铂力特（688333.SH）；金属3D打印上游粉末核心供应商有研粉材（688456.SH）。 风险分析：高端领域应用拓展不及预期、民品应用拓展不及预期 投资聚焦 3D打印工艺作为区分于传统减材、平材制造的新制造工艺，在加工复杂零件上具有较大的优势。随应用领域、市场规模的逐步扩大，有望助力设备成本下降，进而打开民品端的大规模应用。当前时点，我们看到3D打印正逐步从生产小批量多批次产品走向生产规模化生产的转变，具备较大前瞻性布局研究的价值。 创新之处 本报告分析了3D打印工艺的制造本质，推演了其降维制造的能力带来的3D打印工艺几大特点，顺之讨论了3D打印工艺在高端领域推广的逻辑和后续趋势，并阐述了我们对民用领域3D打印应用的研判。 股价上涨的催化因素 1)高端领域3D打印应用渗透率的进一步提升； 2)设备、原材料成本随行业成熟后逐步下降，为民用领域的大规模应用提供可行性； 3)在民用领域看到从设计端考虑3D打印工艺的应用，并带来产品成本达到与传统工艺可比。 投资观点 我们认为，3D打印行业正处在高端领域渗透率持续提升，民用领域从0到1的过程，行业具备长期增长的潜力。随各领域下游逐步推广3D打印工艺，中游核心设备厂商有望首先受益。 重点推荐：华曙高科，布局金属、非金属3D打印设备，设立欧洲、美国子公司参与全球竞争，随3D打印在各下游领域的应用拓展，公司业绩有望维持高增，首次覆盖给予“增持”评级； 建议关注：铂力特，国内金属3D打印设备&服务龙头，向上游布局金属粉末材料。募投项目逐步落地，公司未来增长潜力得到保障。受益于高端领域3D打印应用的进一步拓展、民用领域逐步起量，看好公司发展的持续性；有研粉材，积极布局3D打印金属粉末，有望随3D打印下游应用扩展长期受益。 1、3D打印——将数模“投影”到现实 1.1、什么是3D打印 3D打印，是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、树脂、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。相较于传统的材料去除、切削加工技术，3D打印技术采用材料逐渐累加的方法制造实体零件，因此又被称作增材制造（Additive Manufacturing，AM）。 图1：平材（上）、减材（中）&增材（下）制造示意图 1.2、工艺分类 根据2012年美国材料与试验协会（ASTM）公布的F2792-12A《3D打印技术标准术语》分类，结合2018年中国发布的GBT35021-2018《3D打印工艺分类及原材料》，根据成形原理，将3D打印技术分为7种基本工艺。 表1：3D打印技术一览表 根据《金属增材制造在发动机涡轮设计中的应用》（JulienPavillet）中的数据，到2020年54%的金属3D打印市场采用粉末床熔融（PBF）的工艺，16%的市场采用定向能沉积（DED）工艺。 图2：2020年金属3D打印工艺市场占比 不同3D打印技术各有优劣，在实际应用中，通常从成形零件力学性能、精度、成形效率、成本等方面综合考虑，选择适合的3D打印工艺。以当前应用最广泛的PBF工艺为例，该工艺成熟度较高，生产零件力学性能好、精度高，但同时存在成形速度慢、成本相对较高等问题。另一项广泛应用的DED工艺虽然成形精度低，但胜在成本低、成形速度快，在大型构件及零件修复领域占据一席之地。 表2：不同金属3D打印工艺优劣势对比 粉末床熔融PBF 粉末床熔融工艺，指通过热能选择性地熔化/烧结粉末床的制造工艺。工艺原理是先将一层金属粉末铺设到构建托盘上，然后能量源（激光或电子束）按当前层的轮廓信息选择性地熔化托盘上的粉末，加工出当前层的轮廓，然后下降一个层厚的距离，进行下一层的加工。 粉末床熔融根据加热源的不同、使用材料的不同又可分为：选区激光烧结（SLS）、选区激光熔化（SLM）和电子束熔融（EBM）等，其中SLM工艺以其成型零件力学性能较好、精度较高等特点，成为目前主流的金属3D打印技术之一。 图3：SLM技术示意图 图4：EBM技术示意图 图5：SLS技术示意图 定向能量沉积DED 定向能量沉积技术，指利用聚焦热将材料同步熔化沉积的3D打印工艺。 该工艺的原材料为粉末或丝材，通过将粉末或丝材送入能量源（激光、电子束或电弧），使材料在能量源产生的熔池区域沉积进而成形。 根据使用的能量源和原材料形态不同，定向能量沉积又分为：激光熔化沉积成形（LMD）、电子束自由成形（EBF）、电弧3D打印（WAAM）三种工艺。 图6：LMD技术示意图 图7：EBF技术示意图 图8：WAAM技术示意图 1.3、“降维”制造，复杂度“免疫” 由于3D打印的核心是基于数字模型进行逐层生产，与传统减材（机加工）、平材（铸造、锻造）等制造工艺相比，具有产品复杂度“免疫”、规模效应弱以及无模具制造的特点。而从复杂度“免疫”的特性中，又能衍生出供应链短、零件轻量化程度高的特点。 复杂度“免疫” 在传统生产制造体系中（平材&减材），随最终产品设计复杂度的提升，所需加工制造工序也随之增加，与之相应地，加工成本也随产品复杂度的提升同步上升，而3D打印基于数模、切片、逐层打印（制造）的生产模式，有效实现了零件降维制造，回避产品复杂性带来的制造成本提升。 另一方面，从可制造性的角度来看：1）平材制造中锻造工艺在可加工复杂度上较为受限；铸造工艺虽可以通过增加型芯等手段完成有内部结构产品的制造，但也受流道设计等的限制；2）减材制造对有内部复杂腔体产品的加工不具备优势。相比之下，3D打印可为产品设计带来更大的自由度。 图9：单位制造成本随产品复杂度变化 适合精细化小零件生产 受限制于制造速度，单个3D打印设备产能较传统制造工艺有限，相较于传统工艺中产能利用率提升带来的规模效应，3D打印产量的提升往往伴随着扩产（固定资产投资），传统意义上的规模效应不明显。但基于3D打印“增材”制造的特点，反而在生产体积较小的零部件上具备优势。 图10：3D打印和传统工艺规模效应对比 无模具生产，助力制造业成本改善 参考传统汽车制造业，随项目研发的推进，产品制造成本的改善潜能会逐步下降。特别是到了一定的项目节点，传统制造需要开模，后续更改零件设计势必带来额外的开模成本，进而抵消开模后零件优化设计的降本效应。而3D打印基于数模生产的特点，从根本上摆脱了批量化生产中对模具的依赖，有望助力传统制造业研发规划中的成本改善。 供应链压缩&轻量化制造能力 基于3D打印制造成本对零件复杂度“免疫”的特点，相较于传统锻造、铸造以及机加工等工艺，3D打印可提升零件集成化程度：以GE Aviation的CFMLEAP发动机燃油喷嘴为例，传统工艺需要将一系列复杂零部件钎焊在一起来最终成型，产品产能低，耐久性差，并且受制于传统工艺的加工能力，工程师很难进行优化设计以满足要求。通过3D打印的技术，成功将之前20多个组件构成的燃油喷嘴“打印”成一个单件。一体化成型技术压缩了供应链长度，降低供应链管理难度，提升供应链安全。 图11：用3D打印制造的CFMLEAP燃油喷嘴 除开零件一体化成型带来的减重效应，拓扑结构优化也能助力实现零件轻量化。定义上来讲，拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，使用拓扑优化可以最大化材料利用率。受制于传统成型技术加工能力、加工成本的限制，并不能完全按理论计算所得的最优设计来进行实际生产。然而借助3D打印的制造对零件“复杂度”免疫的特点，通过零件一体化成型、拓扑优化进而最大限度提升产品轻量化程度，助力航空航天、汽车等对减重需求较高的行业实现二次降本。 图12：拓扑优化设计空间（全承载式客车车身） 图13：拓扑优化结果 2、高端市场支撑行业发展，民用市场打开星辰大海 自3D打印技术诞生以来，发展已经超过30年。而国内3D打印行业发展相对较慢，随2014年SLS和SLM核心技术专利陆续到期，推动了金属3D打印的商业化进展。从国内专利情况来看，自14年以来3D打印相关专利申请量逐年递增，到2020年达峰后，2021&2022年均出现同比下降的趋势。我们判断，随着新申请专利数量的下降，或在一定程度上标志着技术发展已趋近成熟。 图14：国内3D打印相关专利年申请量（单位：件） 从下游应用领域分析，根据Wohlers Report的统计数据，2021年全球3D打印市场占比最高的下游领域为航空航天（16.8%），接下来是医疗齿科（15.6%）&汽车（14.6%）；2022年全球统计结果来看，占比最高的前三个领域分别为汽车 （15.8%） 、 定制化产品 （14.5%） 以及航空航天（13.9%）。 图15：2021年全球3D打印下游市场规模占比 图16：2022年全球3D打印下游市场规模占比 而从国内两家3D打印设备上市公司（铂力特&华曙高科）的下游分布来看，航空航天仍是国内3D打印的主要应用领域。 图17：铂力特2016年至今航空航天收入占比 图18：华曙高科2019-2021航空航天收入占比 2.1、高端领域：从1到N，减重和降本有望进一步提升渗透空间 应用现状 随着技术进步，3D打印正在逐步改变航空航天工业的生产方式，包括商用和军用飞机、太空应用及导弹卫星系统。在航空航天领域，随着飞行器使用要求和设计水平的不断提高，新型航空航天产品不断向性能高、寿命长、成本低、可靠性好等方向发展，航空航天零件趋于结构复杂化和整体化。 金属3D打印由于其加工周期短、材料利用率高、设计更自由等优势，能够满足航空航天零件制造的低成本、短周期需求。其技术特点