金屬3D打印行業深度研究

1、 3D 打印為傳統制造業的補充,技術特點契合航空航天

1.1 3D 打印可成形定制化復雜結構,是傳統制造業的重要補充

3D 打印,又稱增材制造(Additive Manufacturing,AM),是對 于傳統工業生產的一種變革性方法。傳統的減材制造工藝是指利 用已有的幾何模型工件,用工具將材料逐步切削、打磨、雕刻,最終 成為所需的零件。而 3D 打印恰恰相反,通過借助于 3D 打印設備, 對數字三維模型進行分層處理,將金屬粉末、熱塑性材料、樹脂等特 殊材料一層一層地不斷堆積黏結,最終疊加形成一個三維整體。3D 打印是一種跨學科的交叉技術,涵蓋機械、材料、計算機視覺、軟件、 電子等多個學科,而其中核心的技術在于 3D 打印機的制造,對于材 料、軟件、設計等也有特殊要求。

與傳統制造工藝相比,3D 打印具有可成形復雜結構、縮短產品 實現周期、產品強度高重量輕、材料利用率高等特點,但其成本也比 較高。3D 打印技術的特點具體如下:(1)可制造復雜幾何結構的部 件,實現一體化生產,結構的復雜性不會帶來額外的成本。設計師不 再受到傳統制造工藝的約束,可以更自由地創造零件。(2)縮短新產 品研發和實現周期。傳統工藝在研發新產品時,需要設計生產新模具, 建立裝配流程,而 3D 打印無需模具,工藝流程短。(3)產品具有強 度高、重量輕的特點。3D 打印部件可以實現傳統工藝難以加工的蜂窩點陣結構,在保證性能的前提下,大幅減輕重量?;?3D 打印快 速凝固的工藝特點,可以實現良好的力學性能,從而保證強度有所提 高。(4)材料利用率大幅提高。由于材料是逐層疊加的,在生產過程 中幾乎不會產生材料的浪費,材料利用率達到 90%以上。(5)設備成 本和材料成本較高。工業級 3D 打印設備價格昂貴,少則一兩百萬元, 多則上千萬元。此外,由于工藝比較特殊,3D 打印對材料有特殊的 要求,普通材料需要經過調整。而材料的研發難度大,成本較高,在 一定程度上限制了 3D 打印的發展。


1.2 30 余年發展技術逐步完善,多材料、大型化、批量化為改進方向

經過 30 多年的發展,3D 打印技術不斷完善,目前已形成了 3D 生物打印、有機材料打印、金屬打印等多種打印模式,鑒于國內大型 3D 打印企業如鉑力特等主營金屬打印,本文重點論述該打印模式的特征。金屬 3D 打印一般利用激光、電子束能量源熔化金屬粉末,使 得金屬粉末熔結,堆積形成一個整體結構。在整個工藝中金屬粉末的 輸入方式有兩種,鋪粉和送粉。根據不同送粉方式,金屬 3D 打印工 藝原理分為定向能量沉積(也稱為送粉)和粉末床選區熔化(也叫為 鋪粉)。鋪粉指把金屬粉末鋪到基板上,形成一個薄層,然后通過激 光熔化薄層上的特定區域進而熔結在一起。與鋪粉相比,送粉未形成 薄層,通過粉末噴嘴直接把粉末輸送到激光在基體上形成的熔池中, 熔結形成一個整體。主流的金屬 3D 打印技術根據原理可以大致分為 激光選區熔化技術(SLM)、電子束熔化成形(EBM)、激光凈成形技 術(LENS)電子束熔絲沉積技術(EBF)。

金屬 3D 打印工藝中金屬粉末質量是影響最終打印部件結構及性 能的關鍵因素之一,目前國內制粉水平接近國外但仍有差距。金屬粉 末質量越好,粒徑越小,其打印出的產品致密性、機械性能越好。 2013 年國外公司3D Systems制出的粉末粒徑為6-9μm,國內鋼研高納2019 年生產粉末粒徑為 10μm。鉑力特公司建成的粉末生產線,可用于其 自制的 3D 打印設備,提高打印產品質量。根據鉑力特招股書,其研 制粉末粒徑最低為 20μm 左右,與國內外先進公司有一定差距。

對于金屬 3D 打?。ㄔ霾闹圃欤┒?,其特性決定了它的應用將 是傳統制造工藝的重要補充而非完全替代,且體現在不同行業的不同 環節上應用均有所差異。據德勤咨詢發布的《2019 科技、傳媒和電 信 行 業 預 測 》與《Additive manufacturing methods – state of development, market prospects for industrial use and ICT-specific challenges in research and development》,與使用數控機床相比,增材 制造的每個零件成本更加高昂,且每個零件制造時間為數小時而非數 分鐘(同樣不包含精加工和各類后期加工時間)。相對于傳統制造業 擅長的批量化、規?;a領域,3D 打印效率較低、成本較高。此 外,3D 打印機目前功能比較單一,對于不同的材料,可能需要不同 型號、工藝的打印機,這就需要制造企業購置多臺不同型號打印機, 增加了生產成本。盡管如此,某些零件只可能通過 3D 打印制作,如 上文所述的部件內幾何蜂窩結構。另外,當零件量過低時,如原型制 作以及模具應用環節,傳統制造方法和減材制造工藝不適用或者成本 過高、時間過長時,則也只可采用 3D 打印方法?;?3D 打印 自身的特點,從環節上來看,3D 打印更偏向于設計端,更適用于部 分小批量、個性化、定制化高端產品的設計與生產,在鑄模、鑄件、 工具、模具和夾具上亦有更廣泛的應用。


金屬增材制造技術發展中有三個重要的因素,設備、材料和工藝, 目前在這三方面還有提高的空間。為了擴大 3D 打印技術的應用規模, 金屬增材制造技術正在朝著低成本、大尺寸、多材料、高精度、高效 率方向發展。 (1)金屬增材設備朝著大型化、專業化方向發展。隨著 對打印大尺寸結構和特定領域的需求不斷增加,金屬 3D 打印設備朝 著大型化、專業化發展已經成為趨勢。 (2)可打印原材料不斷增加, 復合材料打印開始出現。目前應用于金屬 3D 打印的原材料種類偏少、 材料質量不高,隨著增材制造在工業領域的不斷滲透,市場對于金屬3D 打印可實現多材料混合打印的需求也逐步上升。此外,多種復合 材料同時打印開始出現,可結合不同材料的優點。 (3)開發新的金屬 增材制造技術。傳統的金屬增材制造技術存在高成本、效率低等問題, 其中效率低也是限制增材制造在許多領域替代傳統減材制造的關鍵 因素之一。預計隨著未來該技術的逐漸成熟,如激光功率的提高、打 印路徑的優化等,增材制造生產速率或有所改進。

1.3 增材制造可打印復雜件,減重、周期短的特點契合航空航天需求

金屬增材制造工藝能夠契合航天航空產業的苛刻條件。例如,飛 行器要求高速、續航時間長、安全高效低成本等條件,對結構設計、 材料和制造提出了更高要求。對于增材制造這一改進工藝流程,其較 多技術優勢能夠很好的契合航空航天的多項要求。例如,結合上文, (1)增材制造可實現傳統減材工藝無法實現的復雜幾何結構件,實 現傳統工藝無法加工的蜂窩點陣結構,能夠在保證性能的前提下大幅 減輕部件質量,達到提升航空航天裝備機動性、速度及節省高昂的航 空燃油費的目的;(2)同時 3D 打印技術能夠縮短高性能部件的制造 流程,無需研發制造部件使用的模具,大大縮短了研發周期,降低時 間成本,利于加快項目進程;(3)因航空航天裝備服役環境惡劣,尤 以航空發動機為典型,使用環境為高溫、高壓,傳統材料難以承受, 適配于此類環境的材料的研制難度大、價格高昂。增材制造工藝可大幅提高材料利用率的特點可較好契合這特征,可節省裝備研制經費。

3D 打印技術在航天航空領域也存在一定的缺陷,還需要技術穩 定性驗證積累。增材制造技術由于本身各向異性的特點決定了機械性 能,在不同方向的波動相對較大。例如,據《激光增材制造在航空航 天領域中的應用》一文,由于內應力問題和內部質量難控多變等因素, 控制增材制造成形零件的變形開裂是一個永恒的問題。此外,在增材 制造技術制造的零件機械性能穩定性達到航空航天部門的要求之前, 還需要做進一步的工作。隨著技術的改進和科技水平的提高,3D 打 印有望在航空航天領域或有更大的作為。

2、 商業模式:具有范圍經濟優勢,掌握設備制造居產業主導

2.1 3D 打印產品偏小批量居多、定制化直銷,范圍經濟或降成本

3D 打印產業鏈覆蓋多種服務與應用領域,打印設備廠商占產業 鏈主導地位。3D 打印行業上游包括原材料、核心硬件及建模工具(軟 件)。中游涵蓋各類打印技術,以打印設備生產廠商為主,由于設備 的匹配性要求,此類廠商往往同時涉及上游。3D 打印的下游除了跟 蹤服務平臺,3D 打印出的產品應用領域廣泛,以航空航天、汽車工 業等領域為主,在生物、食品及建筑領域也有特殊應用。由于 3D 打 印的成本較高,真正掌握打印生產能力或設備制造能力的中游廠商在 行業中占主導地位。在國際競爭中領先的 3D Systems、GE 增材、SLM Solutions Group 等,以及國內主要廠商鉑力特、鑫精合、先臨三維等 均具備 3D 打印設備制造的相關業務。


基于增材制造工藝特性下目前多為定制化生產,需較早介入甚至 參與客戶產品設計,這決定了其定制化產品多為直接銷售。以鉑力特 為例,其下游主要是航天航空領域客戶。增材制造對微觀組織結構的 控制能力,能較好滿足功能集成性零件、拓撲優化異性零件等需求。而為了更好地完成產品定制化需求,相關公司會進行定制化原材料選 擇、定制化生產以及設計定制化工藝等。但 3D 打印產品的定制化直 銷,有時或導致公司銷售額易受下游大客戶需求波動所影響。例如, 鉑力特在 2016-2018 年航空航天領域客戶收入占主營業務收入分別為 62.35%、54.32%、62.21%,前五大客戶也主要集中該領域。

增材制造對原材料利用率明顯高于減材制造,但設備成本高,目 前多為小批量生產。相較于傳統建材制造中材料去除、切削、組裝等 流程,增材制造按分層制造、逐層疊加的工藝順序,減免了打磨、拼 接等過程中材料的浪費,據鉑力特招股書,金屬 3D 打印技術材料利 用率可高達 95%。盡管根據美國國家標準與技術研究院(NIST),增 材制造總體成本與傳統制造業相比并不存在明顯劣勢,但增材制造初 始精密設備成本占總成本 45%-74%。根據國際成本估算和分析協會 (International Cost Estimation and Analysis Association)于 2015 年發 布的研究,按重量計算,增材制造材料的成本比傳統制造材料高 8 倍, 設備、材料成本降低依托技術且周期長,邊際成本隨銷量增加幾乎不變,難從規模經濟受益,導致目前 3D 打印產品主要是小批量模式。

依托增材制造縮短產品研發周期、降低產品生命周期成本,中短 期降成本或依靠范圍經濟而不是規模經濟。相對于規模經濟,3D 打印 行業依托專一核心技術,可以覆蓋多種完全不同的產品領域,且只要 產品設計合理,幾乎不存在設備上的轉換成本,可以通過打印模型有 效縮短研發周期、產品上市時間,幫助制造企業迅速爭取或維持市場 份額。例如,據《Analyzing Product Lifecycle Costs for a Better Understanding of Cost Drivers in Additive Manufacturing》, 數字齒帽 (invisalign)從模擬全球牙科生產到數字本地生產的轉換節省了 85%的物流步驟,將生產以及生產活動的能耗降低了 80%。

批量生產并不能進一步降低邊際成本,這限制了 3D 打印產品大 批量制造形成規模效應。為更好的分析 AM 制造過程中的成本變化情 況,《Analyzing Product Lifecycle Costs for a Better Understanding of Cost Drivers in Additive Manufacturing》一文中采用 Augsburg 的一個 汽車部件樣本生產案例進行分析,對機器利用率、折舊、投資、維護 費用、構建速率、材料價格等關鍵因素進行限定,證實機器成本占比 高達 70%以上。后續論證發現,增加生產數量后,單位成本出現斷崖 式下降后基本不再受數量增加影響,這是由于建造室利用率對擴大產 能不再敏感,而單位產品所需材料固定,即批量生產并不能進一步降 低邊際成本,這限制了 3D 打印產品大批量制造形成規模效應。而在 之后的論證中發現,改變構建速率、材料成本對成本結構影響較大,而改變利用率、機器投資對成本結構影響較小,這說明 3D 打印成本 降低主要環節集中在設備、材料技術升級。

2.2 增材設備直銷的客戶依賴性低于產品,代理經銷多用于培育市場

基于前文論述,主要廠商多進行設備銷售,但由于設備定制化程 度比產品低,且應用領域較廣,下游客戶對其依賴程度較低。與鉑力 特所含的定制化產品制造業務不同,先臨三維主要 3D 打印業務涵蓋 3D 打印設備及材料、3D 打印服務,其在 2016-2018 年前五大直銷客 戶變化較大,且營收占比只有 10%-30%,對下游客戶的依賴程度明顯 低于鉑力特對航空航天客戶的依賴。

設備的定制化程度低的同時,易使公司可通過代理經銷模式培育 及拓寬市場,代理商及供應商對渠道依賴程度高于直銷。對于國際巨 頭如 EOS 等,以及主要集中于打印設備制造的廠商如先臨三維等,3D 打印設備及技術的推廣需要依靠經銷商,設備經銷是拓寬國際市場的 重要渠道。而對于鉑力特等提供全套服務的廠商,盡管代理業務毛利 低于直銷,但代理國際知名廠商 EOS 業務有助于其綁定部分重要客 戶,即通過介紹客戶使用代理產品拓展客戶群,后推進自產設備進行 低成本替代,進而促進長期合作。就渠道依賴程度而言,由于供應商 需要對經銷商進行設備配套服務的專業培訓,經銷代理渠道較直銷依 賴程度略高,如先臨三維與 UFP Deutschland GmbH、南京威布三維科 技有限公司等存在兩年或以上的合作關系,公司海外經銷客戶促進了 海外業務拓展;鉑力特主要代理德國 EOS 的幾種設備,代理銷售設備 及配件營收占比在 2016-2018 年分別達 29.08%、36.51%、27.64%。

3、 競爭格局:美歐發達國家主導,工業級競爭格局良好

3.1 全球競爭格局:美、歐發達國家主導,亞洲國家正后起直追

全球 3D 打印市場主要集中在北美、歐洲和亞太三個地區,行業 內部設備廠商之間競爭激烈。據 Wohlers Associates 發布的報告,如今 美、歐、亞三個地區的 3D 打印設備累計裝機量占到了全球的 95%, 其中北美占據四成,歐洲和亞太地區各占近三成,美國、中國、日本 和德國裝機量位列前四。3D 打印內部競爭集中于設備廠商之間,2017年從市場份額看,Stratasys 的市場份額為 27.2%,雖不及 16 年,但仍 連續 16 年占據市占率榜首,累計裝機量超過五萬臺。2017 年 3D systems 的市場份額為 9.8%,位列全球第二。

金屬 3D 打印新老企業并存,老牌龍頭地位穩固,小型企業發展 迅速,中低端市場競爭激烈。3D 打印材料可分為金屬和非金屬兩大 分類,不同材料需要不同的打印原理和設備。美國企業以非金屬材料 為主,歐洲企業更偏向于金屬材料領域。EOS、SLM solution、3D Systems、Concept Laser/ Arcam(GE 收購)等老牌金屬 3D 打印巨頭 在早期引領了產業的發展,憑借技術優勢和企業的深厚底蘊,已經擁 有較高的市場份額和客戶認知度,并且老牌龍頭企業大多與客戶高度 綁定,地位相對穩固,2017 年 Stratasys 的市場份額為 27.2%,市占率 連續 16 年居全球第一。Desktop Metal、Digital Alloys 等新創企業大多 成立于 2010 年以后,相關專利到期后技術壁壘降低,新創企業通過 不斷改進工藝技術、創新業務模式、提升成本控制,部分企業發展迅 速。但是由于老牌企業通過長期市場開拓維持著較高的客戶穩定性, 而且金屬 3D 打印領域對技術和資金的要求很高,大多數小規模 3D 打印企業處于虧損狀態,加之在政府激勵政策下涌現了大批企業。據 前瞻產業研究院數據統計,2016 年中國 3D 打印市場 66.7%的企業營 收規模不到 500 萬,整體中低端市場競爭尤為激烈。

金屬 3D 打印總體技術路線趨于穩定,不同企業技術路線相似, 新型技術應用空間有限,較難形成競爭優勢。金屬 3D 打印經過多年 發展,總體技術路線已基本定型,大多數企業選擇使用粉末床選區熔 化(鋪粉)和定向能量沉積(送粉)兩大技術,這兩種技術占據 了全球 72%企業的技術路線(據 Wohlers2018 年統計)。但是在具體實 現工藝上仍有較多分支路線。根據 DigitalAlloys 的統計,在兩大總體 技術路線中,激光燒結是主要的工藝實現方式,采用該技術的企業數 量占比過半,產值更是占據主導地位。但新的工藝實現方式依然不斷 涌現,不過中短期內市場拓展難度較大,主要為一些面向特定市場的 新型企業等。

3.2 國內:鉑力特、鑫精合等企業著力培育市場以加大增材制造滲透

國內龍頭產品的關鍵技術指標能夠達到國外巨頭同類產品水平, 產品整體性能相當。由于 3D 打印設備關鍵零部件仍然依賴進口(如 激光器、振鏡等),國內企業技術研發主要集中于基于進口零部件之 上的設備制造與軟件優化,因此短期內產品性能可迅速趕上國際領先 水準。國內企業擁有金屬 3D 打印工程化應用的豐富經驗,針對下游 客戶使用過程中的難點和痛點,進行相關技術的優化和改進,產品性 能得到了提升,部分產品指標如成形尺寸、預熱溫度、氧含量控制以 及鋪粉效率等方面甚至超過了國外老牌企業。相較于國外公司近 30 年的發展歷史,國內增材制造設備起步較晚,雖然在短時間內取得較 快進步,但在設備運行的穩定性、產品質量等方面需要進一步提升。

國內金屬 3D 打印企業主要客戶集中于航空航天高端裝備領域, 盈利能力和穩定性較高,有利于營收規模的穩步增長。海外金屬 3D 打印龍頭 3D Systems 主要客戶領域較為分散,汽車、航天、醫藥、材 料以及各類消費級市場皆有所涉獵,盡管 2018 年毛利率為 47.17%, 但期間費用率高達約 53.45%,其中銷售及一般行政費用率較高,一定 程度上反映消費級及工業級市場的競爭較大且推廣應用的難度。國內 企業在品牌效應、渠道、技術等方面有所劣勢的情形下,多個領域多 管齊下難度較大且難以穩定快速發展。航空航天領域客戶粘性較大, 銷售費用率相對較低,盈利能力的絕對值以及穩定性往往能夠得到可 靠保證,因此大多數國內優質企業主要依托于航空航天領域發展并逐 漸拓寬市場。鉑力特在航空航天領域的主要客戶比例高達 68.94%,為 盈利質量和成長穩定性提供了重要保障。

國內企業發展時間較短,整體營收規模和市占率水平較低。國內優質企業領銜開展市場培育與國產替代進程,由代理逐步走向自產, 基于成本和需求端的一定優勢,發展前景良好。多數國內 3D 打印企 業于 2010 年后進入高速發展期,目前整體市占率依然較低。隨著自 有技術和產品的不斷進步,國內龍頭企業成長較快,已具備一定的市 場規模。據 3D 科學谷統計,目前中國市場份額前八的企業中,國外 品牌占 37.6%,國內聯泰(樹脂)、華曙(尼龍及金屬)、鉑力特(金屬)分 別占 16.4%、6.6%和 4.9%。但相比海外老牌企業,國內企業的整體營 收規模相對較小,仍有較大的成長空間。由于國內產品相比國外同類 產品價格較低,而整體毛利水平較為一致,都接近 50%,反映出在成 本端具有一定優勢。例如鉑力特主推 3D 打印設備 S300 平均單價 255.16 萬,同類產品 EOS-M290 平均單價 354.63 萬,在產品性能相當 的前提下,國內產品具有一定價格競爭優勢。目前國內企業如鉑力特 等,正逐步開展市場培育與國產替代進程。以國內金屬 3D 打印領先 企業鉑力特為例,其商業模式包括以銷售代理 EOS 設備產品為先獲取 穩定客戶群體,之后向客戶推薦性能相當但價格更低的自產產品進行 國產替代,由此從代理逐步走向自產。近年來鉑力特自產比重逐步提 高,在航空航天領域逐步加大使用。

4 、金屬增材制造市場規模穩步上升,航空航天或為主要增量

4.1 全球增材制造市場規模穩步增長,航空航天及汽車應用提升

全球增材制造市場規模持續上升,下游應用領域多元。據 Wohlers Associates 數據,2018 年全球增材制造市場規模達到 96.8 億美元,同 比增長 32%,參考其 2015 年的預測,2020 年市場規?;蜻_到 212 億 美元。2017 年增材制造五大應用領域分別為航空航天、汽車、工業機 械、消費電子和醫療,合計占比接近 80%。3D 打印在航空航天和汽 車領域應用規模穩步提升。2017 年度,3D 打印在航空航天和汽車領 域應用規模占比分別 18.9%和 16%,市場規模為 13.87 億美元和 11.74 億美元,相較 2015 年分別提升了 2.3%和 2.2%。此外,增材制造在消 費電子、醫療器械等方向也有一定拓展。

3D 打印技術滿足航空航天零部件制造和研發的主要目標,增長 潛力較大。3D 打印在航空航天領域主要應用于飛機、飛船等精密零 部件的設計與制造等方向。它能夠縮短設計和測試航空發動機的時 間,減輕零部件重量,提高燃料效率等。與其他應用領域相比,航空 航天領域注重安全與性能,價格敏感度較低,使得 3D 打印在該領域 率先發展。據 EY2016 年發布的《If 3D printing has changed the industries of tomorrow, how can your organization get ready today?》, EY稱航空航天當前為 3D 打印滲透率最高的應用,且未來最有可能 成為規模較大的市場。3D 打印性能的提升與成本的降低使其應用規模逐漸擴大。從 1993 到 2012 年 3D 打印市場一直發展低迷,由于性能不高,應用領 域狹窄。2012 年之后,3D 打印快速發展,得益于新的打印機、耗材 和商業模式的推出,不斷提升 3D 打印機性能以及探索應用邊界。行 業巨頭加快收購,擴張全球化銷售網絡,亞太市場從無到有,歐洲經 濟回暖等多重因素促使近年來 3D 打印行業獲得快速發展。歐美市場 占比較大,中國市場有增長潛力。據 Wohlers Associates 預測,2019 年-2024 年全球 3D 打印行業將保持年均 24%的復合增速。統計數據顯 示,2017 年中國 3D 打印市場規模為 17.5 億元,同比增長 47.4%,高 于平均水平。從 2018 年地區增材制造設備裝機量分布格局看,據鉑 力特招股說明書,北美、亞太、歐洲為全球最主要市場,其中分國家 看中國裝機量占比達 10.6%位于全球第二,略高于日本的 9.3%,但較 大幅低于美國的 35.9%。中國地區 3D 打印市場是價值洼地,目前國 內產業化不足,高端金屬材料緊缺。但隨著政策扶持、技術瓶頸攻克 和企業間合作加深,中國市場 3D 打印將取得快速發展。工信部等部 門印發的《增材制造產業發展行動計劃(2017-2020 年)》明確提出, 我國增材制造年銷售收入超過 200 億元,年增速在 30%以上。

4.2 以 SLM 技術為代表的金屬增材制造正逐步加大在航空航天應用

金屬增材制造 SLM、EBM、LENS 技術正逐步加大在航空航天 領域的應用。應用到航空航天制造領域的金屬增材制造技術,按工藝 類型主要可分為: 激光選區熔化(SLM),電子束選區熔化(EBM),激光 近凈成形(LENS)等,這三項技術在航空航天制造中都有很多應用。其 中,SLM 技術是近年快速發展的新型金屬增材制造技術,在整體化 航空航天復雜零件等領域具有廣泛應用前景。目前,歐美發達國家尤 其是美國在 SLM 的設備研發、軟件開發、粉末原材料制備、工藝優 化及質量監測等方面處于領先地位。此外,3D 打印市場近幾年最大 的轉變是市場從塑料打印轉向金屬打印。據德勤《2019 科技、傳媒和 電信行業預測》報告,2017 至 2018 年間,一項 3D 打印行業調查顯 示,盡管塑料仍然是最常見的物料,但塑料打印在 3D 打印領域的占 比僅一年已從 88%下滑至 65%,而金屬打印的占比從 28%增至 36%, 按該比率計算,金屬似乎有可能取代塑料,且最快于 2020 或 2021 年 占據過半 3D 打印市場。

航空航天領域正逐步加大對增材制造的應用,以 GE 布局及收購 進程尤為典型。GE 公司從 2010 年開始布局增材制造技術,通過不斷 并購實現從增材制造的用戶方到服務提供方的轉變。如上文所述,金 屬增材制造的工藝特點使其可打印內部結構輕量化的復雜部組件,減 重特性下亦吸引國際航空巨頭 GE 公司進入該市場。據鉑力特招股書, 以燃油噴嘴為例,采用 3D 打印技術比傳統生產將零部件數量從 20 個 降為 3 個,重量減少 25%,使用壽命延長到 5 倍,燃油效率也大大提 升。GE 于 2015 年 4 月獲得了其首個增材制造零件的聯邦航空管理局 (FAA)認證,其噴氣發動機 LEAP-1C 被譽為革命性推進系統。2016 年,GE 公司成功收購瑞典 Arcam 公司和德國 Concept Laser 公司,成為金屬增材制造領域的巨頭,在航空發動機領域實現了增材制 造零部件的規?;瘧?。據 GE2016 年年報,這兩次收購使得 GE 在 增材制造設備市場占據了 20%的份額,我們相信增材制造的長期市 場潛力是巨大的,大約有 750 億美元,我們計劃到 2020 年在附加設 備和服務方面,從現在 3 億美元發展到 10 億美元收入…在未來十年, 增材制造可以使通用電氣的產品成本減少 30 億至 50 億美元,并創造 新的性能…我們Advanced Turboprop是第一個充分利用增材工具的航 空產品,減少了 30%的零件并將其‘cycle time’縮短 50%。據 GE2018 年年報,GE 已經為 CFM LEAP 發動機(也是我國 C919 飛機選用的 發動機)使用增材制造技術生產了超過 30000 個燃料噴嘴頭,僅在 2018 年一年中就交付了 1100 多個,未來 3D 打印技術還將在 GE9X、 Catalyst 渦輪螺旋槳發動機和 T901 等型號上實現更大規模的應用。

3D 打印技術在民用航空領域同樣備受關注。波音、空客、GE 將 其作為戰略性技術之一進行攻克,并已開展布局建設。我國 3D 打印 技術雖然起步較晚,但也取得了輝煌的成就。中國商飛設計制造的國 產大飛機 C919 在設計過程中也大量采用了 3D 打印技術制造的鈦合 金技術部件。3D 打印在民用航空航天市場的應用不僅體現在制造領 域,也體現在機務維修方面。3D 打印發動機零部件的出現解決了發 動機維修所需備件的采購難題。利用 3D 打印技術可以方便快捷地制 造出所需的零備件,解決了航空發動機維修企業采用傳統方法短時間 內無法滿足設備、工藝等基礎條件的難題,大大縮短了維修周期。在 機務維修領域,會接觸到很多外形結構復雜的異形零件,在高空的極 端環境下,可能發生結構的形變,這時候可以利用 3D 打印制造出同 樣零件進行對比、測量判定磨損或者腐蝕情況,從而確定該零部件是 否需要更換。

4.3 汽車及醫療領域也是主要方向,短期受成本及規模限制拓展有限

汽車、醫療等領域的3D打印技術也正在應用。汽車工業是 3D 打 印技術最早的應用領域之一,其在模型設計、復雜零件制造、整車模 型制作等方面相比傳統工藝具有高精度、低成本、重量輕的特點,可 滿足汽車零部件定制化需求。而醫療行業一直是 3D 打印技術主流應 用領域,3D 打印技術可應用于齒科、骨科甚至活體器官制作。在模 具行業,3D 打印可替代 CNC 加工技術,具有周期短、成本低的優勢。3D 打印開辟了多元化應用,但由于 3D 打印技術目前受體積、成本、 規?;拗?,目前拓展有限。隨著技術進步,3D 打印機大型化、打 印速度加快,3D 打印未來有一定的增長空間。

細致看,增材制造有望在長期成為汽車領域內重要的工藝補充。汽車行業使用增材制造工藝,可有效減輕重量,改善汽車的性能并提 高燃油經濟性。此外,增材制造可以通過直接制造用于注模的工具來 提高制造效率,還可通過將內部冷卻通道應用于注塑方法,可以縮短 生產周期,提高工具質量并降低維護成本。此外,汽車原始設備制造 商使用該技術來經濟高效地快速生產制造輔助設備,夾具和固定裝 置。據 Frost & Sullivan's Global 360° Research Team 2016 年 5 月發布的 《Global Additive Manufacturing Market, Forecast to 2025》, Toyota Central R&D Labs Inc.和Materialize開發了3D打印的汽車座椅設計以 及生產過程。仿生結構和較軟的芯材(不包括傳統座椅中使用的泡沫) 更輕巧,更舒適。此外,由于坐在陽光下的表面材料吸收的能量不到 一半,因此改善了加熱功能。

此外,長期看,醫療領域有望也是長期內增材制造主要應用市場 之一。據《Global Additive Manufacturing Market, Forecast to 2025》, 美國助聽器生產在不到 500 天的時間內就轉換為 100% 3D 打印。這 種轉變的關鍵是 3D 打印機使人工勞動密集型行業轉變為自動化行 業。降低成本,提高質量并以患者為中心,其他子行業也在研究增材 制造技術。該技術通過提供義肢和牙科的定制功能,以及通過生物打 ?。茖W家可以在其中打印人類大小的骨骼,軟骨和肌肉)實現了以 患者為中心的方法,醫療植入體領域的定制化特征使其更適合用增材 制造技術。

5、 海外復盤:全行業覆蓋的雙刃劍,聚焦專業領域以求突破

5.1 3D 系統:短期并購推動營收,盈利能力受限于多領域滲透不足

多年布局下,3D 系統已實現多領域 3D 打印應用全流程覆蓋。3D 系統公司(股票代碼:DDD.N)于 1993 年成立于美國特拉華州,向 全球客戶提供全面的 3D 打印解決方案,包括塑料和金屬 3D 打印機、 材料、數字設計工具、定制服務等。公司的 3D 打印機類型多樣,包 括立體光刻(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、直接金屬打印機(DMP)、 多點噴射打印機(MJP)和彩色噴射打印機(CJP),滿足醫療保健、 航空航天、汽車和耐用品等應用場景的不同需求。公司的打印機大多 使用自主開發且銷售的專有材料,包括塑料、尼龍、金屬、聚合物牙 科材料等,同時通過第三方的研發和購買補充材料組合。為了實現價 值鏈全流程覆蓋,公司還提供設計工具、掃描儀、模擬器等產品和維 修培訓服務。多環節覆蓋下,公司營業收入位于同業前列。在全球主 要上市 3D 打印公司中(AM3D.DF、VJET.N、DDD.N、SSYS.O、688333.SH), 2018 年以美元結算下,公司營收位居第一達 6.88 億美 元。截至 2019 年 11 月 22 日交易日,3D 系統市值位于上述可比公司 第一,達 10.36 億美元。

公司下游應用廣泛易受宏觀因素影響,階段性營收增長的主要推 力為并購擴張。自 1990 年以來,公司營收規模持續增長,但增長率 波動較大。一方面,公司消費級品類多樣,營收增速受宏觀經濟影響, 如 2008-2009 年全球經濟衰退造成公司營收下降 28%,2010 年經濟復 蘇拉動營收增長率超過 40%。另一方面,增長率受公司自身因素影響, 如 1994 年公司推出新的產品和服務使得營收增長率從 19%躍升至 39%,2006 年銷售渠道受阻導致營業收入轉增為減??傮w來看,公司 2010-2014 年銷售額增加的絕對值最為明顯,但主要來源于企業并購, 自身原有的經營業績增長較為平緩。不完全統計,2009 年至 2014 年 初,公司累計發生 40 余次并購交易,累計貢獻超過 40%的營收。

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5.2 3D 打印滲透低限制前期營收規模擴大,先發專利奠定發展基礎

5.3 大舉并購忽視行業需求埋隱患,部分專利到期競爭加劇惡化盈利

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6、 投資建議

推薦關注國內航空航天金屬增材制造領域領先企業鉑力特等。(1)金屬增材制造空間廣闊,航空航天領域業績持續穩定性強。歷 史看,海外同業公司曾經歷市值戴維斯雙殺,系家庭及消費級桌面級 打印機預期可實現高速增長的泡沫破裂。但主營專用金屬增材制 造設備的德國 SLM 在此階段市值平穩,工業級增材制造需求相對穩 定。同時,增材制造技術特點及研制契合航空航天市場需求,國際航 空制造巨頭 GE 公司在 2016 年并購兩家主營金屬增材制造設備企業、 截至 2018 年 GE 年報公布日已實現三萬余只 C919 選用發動機型號的 燃油噴嘴頭的量產,表明中短期看航空航天市場有望成為增材制造最 先大規模應用的領域之一。(2)客戶優勢穩定性突出,高端裝備放量 有望催化業績較快增長。航空航天領域裝備需求的穩定性優于民航, 研制批產周期較長且供應商更換難度更大,具有顯著高于海外同業的 抗周期性特征。良好賽道上的鉑力特等企業,憑借與航空航天高端客 戶的較穩定合作,未來業績穩定性及增長的持續性較高。(3)海內外 技術差距小,高端裝備領域先發及卡位優勢突出。以鉑力特為例,其 目前覆蓋行業三種商業模式,具備粉末自制、設備自研、服務定制的 全產業鏈布局優勢。該公司是國內鋪粉路線領先企業,并已拓展 至送粉路線,因與德國金屬增材制造設備老牌企業 EOS 技術差距 較小,公司自研鋪粉設備已逐步或客戶認可并已實現德國出口。尤其 是對于高端裝備客戶,采用新技術所制造的產品若進入批產且性能突 出,公司有望繼續參與后續其他部件的替換及新裝備研制。且若在后 期實現自制金屬打印粉末的規模應用及量產,客戶粘性更大,先發地 位及卡位優勢突出,并有望拓展至其他工業領域。

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(報告來源:方正證券 未來智庫  如有侵權,請及時聯系刪除)

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