国防军工行业专题报告：增材制造（3D打印）深度报告-多行业同步渗透，成长空间稳步打开

六大优势奠定增材制造成为数字时代智能制造重要发展方向：增材制造亦被称为3D打印技术，不同于传统制造业通过切削等机械加工方式对材料去除而成形的“减”材制造，增材制造对材料自下而上逐层叠加，将三维实体变为若干个二维平面，大幅降低制造复杂度。金属增材制造技术相较于传统精密加工存在诸多优势：1）缩短新产品研发及实现周期；2）可高效成形更为复杂的结构；3）实现一体化、轻量化设计；4）材料利用率较高；5）实现优良力学性能；6）对于较小批量生产任务，可以显著降低单件成本。 多行业同步渗透，成长空间稳步打开：当前增材制造应用领域已经由早期的航空航天领域稳步渗透至医疗器械、汽车制造、消费电子等领域，根据工信部数据，2012-2022年，中国增材制造产业规模自10亿元增长至320亿元，年复合增长率达41.42%。据左世全《增材制造十年发展及展望》数据，我国增材制造产业规模有望于2027年超过千亿，2022-2027年CAGR有望达到25.59%。随着居民收入水平提升，医疗/牙科用增材制造市场或将稳步提升，随着钛合金等高端金属在消费电子领域的应用，消费电子用增材制造空间亦将稳步打开。此外，随着原材料制造技术的逐渐成熟及成本的进一步下降，增材制造在汽车、科研、能源等领域的渗透率有望稳步提升。 增材制造产业链解析：1）上游：主要为原材料制备、核心硬件和辅助运行系统供应商。①原材料：国内市场非金属与金属占比约6：4，当前原材料价格约为同等重量传统粉体10倍，改善材料制备技术或可普及3D打印；②核心软硬件：软件主要包括设备工业软件系统及应用软件，目前大部分系向第三方采购，国产化程度有待提高。2）中游：主流3D打印技术可分三类：挤出成型 （FDM）、 光聚合 （SLA、DLP、PolyJet等 ） 和烧结\粘结成型（SLM、SLS、EBM等），中国3D打印设备主要以SLS、SLM（合计占比约32%）和非金属的FDM（占比15%）。3）下游：增材制造在下游应用方式主要分为直接制造、设计验证和原型制造，主要应用于航空航天、医疗/牙科、汽车、消费电子等领域，未来渗透率有望稳步提升。 投资建议：目前增材制造集中在B端，中国增材制造主要集中在工业端且渗透率较低，随着增材制造思维逐渐普及，增材制造行业或将继续享受高成长红利，因此给予增材制造行业“看好”评级。建议关注：铂力特、华曙高科（材料、设备、产品全产业链布局企业）；峰华卓立（生产工艺扩展关注陶瓷增材制造）；超卓航科（国内少数掌握冷喷涂增材制造技术并产业化运用的企业）；先临三维（需求端扩展关注医疗领域需求）。 风险提示：需求不及预期风险；竞争格局恶化风险；原材料发展不及预期风险；行业渗透率不及预期风险。 表1：重点公司投资评级: 1增材制造：数字时代的智能制造 1.1化数字为实体，铸虚拟至现实 增材制造是指利用打印头、喷嘴或其他打印技术，通过材料堆积的方式来制造零件或实物的工艺。增材制造（Additive Manufacturing；AM）亦被称为3D打印，不同于传统制造业通过切削等机械加工方式对材料去除从而成形的“减”材制造，增材制造通过对材料自下而上逐层叠加的方式，将三维实体变为若干个二维平面，大幅降低了制造的复杂度。增材制造一般可以分为6个步骤。1）3D建模：使用CAD软件进行建模；2）转化为STL：将模型文件转化为STL文件格式；3）切片处理：将STL文件导入切片软件进行切片处理；4）增材制造：根据切片路径信息控制打印过程；5）去除增材制造支撑：将打印好的模型从打印机器中取出； 6）产品后处理：使用打磨、抛光、着色等工艺加强产品外观以及力学等性能。 图1.增材制造流程示意图 增材制造技术的发展大致分为“快速原型制造”和“金属直接增材制造”两个阶段。原型制造包括SLA、LOM、FDM、SLS，由于受工艺和材料的限制，加工的成品无法达到产品级别性能要求，只能作为原型，或用于模具制造的样件，所以被称为“快速原型制造”。然而SLM、LENS、EBSM、EBF、IFF、WAAM以激光束、电子束、等离子束或电弧为热源，能对制备好的金属粉材或丝材进行逐层熔化或堆积，可直接制造出金属零件成品或半成品，因此被称为“金属直接增材制造”。增材制造技术随着技术、材料、工艺的发展，打印的成品在结构和性能上有很大改善，正在由“原型”向“产品”逐步升级。 表1.增材制造技术的发展阶段阶段年份发明人 与传统制造的“减材制造”方式相比，增材制造的“增材制造”特性使其与传统制造形成较好互补。传统制造主要通过铸造、锻造、机械加工等方式将原材料加工为所需的零部件或产品，这种加工方式对加工流程简单的产品可以实现大规模生产，生产效率较高，但对于批量较小，工艺复杂的产品则效率显著下降。增材制造技术通过逐层添加材料的方式进行制造，可以实现对复杂结构、小批量结构的高效制造，因此，增材制造可以形成对传统制造领域的有效补充。 图2.增材制造与传统制造流程对比 表2.金属增材制造技术与传统精密加工技术对比项目金属增材制造技术 与传统精密加工相比，金属增材制造技术存在如下优势：1）缩短新产品研发及实现周期；2）可高效成形更为复杂的结构；3）实现一体化、轻量化设计；4）材料利用率较高；5）实现优良的力学性能；6）对于批量较小的生产任务，可以显著降低单件成本。 图3.增材制造优点 图4.增材制造在产品批量较小时可以实现更低的成本 1.2多技术路线并存，性能各有优劣 增材制造从诞生至今近40年，目前处于多技术路线共存的状态。目前的技术路线主要有7个：1）粉末床熔融；2）定向能量沉积；3）立体光固化；4）粘接剂喷射；5）材料挤出；6）材料喷射；7）薄材叠层。七种基本的增材制造工艺中，金属增材制造工艺原理主要为粉末床熔融和定向能量沉积两大类别，采用这两类工艺原理的金属增材制造技术都可以制造达到锻件标准的金属零件。 表3.增材制造技术分类及对比成型工艺细分类型粉末床熔融 1.3金属增材制造技术未来发展趋势 兼顾高性能、高精度、高效率、低成本、更大的加工尺寸范围和更广泛的材料将是金属增材制造技术未来发展方向。金属增材制造技术的发展并不是孤立的，其涉及制造工艺、设备、材料、优化设计等各个方面，总体来看，金属增材制造技术未来将分别在制造工艺、制造设备、制造原材料、优化设计等方面有较为明确的发展趋势：1）制造工艺方面：克服现有技术缺陷并提升优势，发展增减材复合制造技术，发展新工艺理论；2）设备方面：大型化、专业化以及智能化； 3）原材料方面：开发更多种类、更高品质、更专业化原材料，以及单一原材料向复合材料发展；4）优化设计方面：突破传统制造思维束缚，发展拓扑优化设计、点阵结构设计、点阵结构设计、一体化结构设计等轻量化设计。 图5.金属增材制造发展趋势 2增材制造市场空间广阔，多领域应用稳步拓展 2.1国家制造升级重点发展方向，密集政策推动行业稳步发展 增材制造是先进制造的重点方向，国家密集政策推动行业稳步发展。中国高度重视增材制造产业发展，工信部会同国家发改委、教育部、科技部、财政部等部门印发《“十四五”智能制造发展规划》，明确将选区激光熔融装备、选区激光烧结成形装备列入智能制造装备创新发展行动，加强自主供给，壮大产业体系新优势。 表4.中国增材制造相关政策汇总发布时间发布单位 2.2增材制造进入高速增长期，设备及服务仍将占据主要部分 中国增材制造发展迅速，并将在未来继续保持较高速度增长。根据工信部数据，2012-2022年，中国增材制造产业规模自10亿元增长至320亿元，年复合增长率为41.42%，2019-2022年，中国增材制造产业市场规模年复合增长率为26.52%，根据左世全《增材制造十年发展及展望》数据，我国增材制造产业规模有望于2027年超过千亿元，2022-2027年年复合增长率有望达到25.59%。根据工信部装备工业发展中心对50家行业企业的调研数据，调研企业在装备、服务、材料、零部件（扫描振镜、三位扫描仪、激光器、过程传感器等）等环节的营收占比分别为53.2%、26.0%、12.4%和5.9%，装备及服务仍旧占据市场主导地位。 图6.2019-2027年中国增材制造行业市场规模及预测 图7.2022年中国增材制造细分领域营收占比 增材制造已经在诸多领域稳步拓展应用。目前增材制造应用领域已经从早期的航空航天等高端制造领域逐步拓展至多个领域，2021年，航空航天依然是增材制造应用最多的领域，占比为16.8%，其次分别为医疗/牙科（占比15.6%）、汽车领域（14.6%）、消费电子（11.8%）、学术科研（占比11.1%）等。 图8.2021年全球增材制造应用领域占比 2.3航空航天零部件工艺复杂，成为增材制造天然适配领域 部分航空航天零部件工艺复杂，在此场景下增材制造成为理想解决方案。在航空航天行业中，随着产品复杂度提升，部分零部件结构越发复杂化，且呈现出一体化程度逐渐提高的态势，这使得其加工难度和装配难度较高。针对这个趋势，部分航空公司开始采用增材制造技术制造相关零部件并取得良好效果。2010年，GE公司成立增材制造团队致力于部分航空零部件的增材制造，此后的十余年间，GE公司陆续完成了LEAP系列航空发动机引擎喷油嘴的增材制造，热交换器的增材制造，涡轮叶片的增材制造等一系列航空零部件的增材制造。 图9.GE的增材制造之路 增材制造技术在减少航空发动机零部件数量、减轻机身重量方面效果显著。GE Catalyst涡桨发动机将成为全世界第一款集成螺旋桨操作全权数字控制的涡桨发动机，该发动机超过三分之一的部件是通过增材制造技术生产制造的。在此发动机中有855个单独的部件可以通过增材制造技术组合成12个部件，因此大幅提升了发动机研制速度，还帮助发动机成功“瘦身”100多磅。在GE发动机喷嘴中，增材制造技术使其原来的20个零部件缩减为1个零部件，最终成品重量比原来降低25%，使用寿命提升5倍。 图10.GE Catalyst发动机中使用增材制造技术优点 图11.GE发动机喷油嘴零部件使用增材制造优点 航天火箭结构复杂批量较小，是3D打印的天然适用场景。与典型工业零部件相比，火箭等航天运载工具总体呈现出结构复杂、批量较小的特征，从经费上看，火箭作为系统工程，存在设计线、生产线和测试线三条业务流，其中设计线占一发火箭首型科研经费的70%，生产线占火箭首型科研经费的30%，在设计线中，3D打印的应用可以大幅降低设计成本，缩短设计周期，同时，小批量的生产线使用3D打印工艺更能极大缩减生产成本。除此之外，在火箭设计制造场景中使用3D打印技术还有以下优点：1）拓展设计空间，不同部分一体化设计制造成为可能；2）有效减少零件数量，例如华曙高科采用SLM工艺制造的火箭发动机收扩段可以实现一体化成形，大大缩减零件数量；3）结构部件的集成与减重。当前增材制造已经在中国航天领域加快布局应用，2022年12月27日，西安航天发动机有限公司增材制造中心基于液体动力制造及航天装备发展需求，分两批引进近百台增材制造设备，推进增材制造产业化发展。 图12.华曙高科采用SLM工艺制造的火箭发动机收扩段图13.西发公司部署近百台增材制造设备 我们认为，3D打印工艺本身的高度定制化、设计自由化、材料使用高效化或将突破航空航天领域零部件设计约束，传统制造工艺下难以制造的零部件在增材制造场景下成为可能，航空航天领域设计空间获得较大拓展，零部件结构简化并减重难度显著下降，未来增材制造在航空航天领域的渗透率或将稳步提升。 2.4医疗领域产品高度定制化，增材制造渗透率稳步提高 人类个体差异造成多数医疗器材需要定制化，这种特性决定了增材制造在医疗方面的渗透率稳定提升。基于人体存在个体差异而传统制造医疗器械多为标准化样式或尺寸的现状，增材制造凭借可个性化定制的特点在医疗领域内应用逐步广泛，主要应用方向包括骨科植入物、齿科、康复辅助器具以及制药等。 2.4.1骨科植入物领域3D打印应用广泛，市场规模庞大，发展空间广阔 骨科植入