3D打印，国之重器

　　【仪表网 产业报道】中国的比较优势与核心利益是制造业，制造业是中国经济发展与安全的基石。
 

　　放之近200余年全球现代商业文明，只在数个国家发生了有且只有一次的以制造业为内核的“工业化起飞”，这些国家无一例外相继成为世界强国。以此200余年历史为镜，除美国之外，尚无任何一个国家可以在失去制造业比较优势后，能够持续占据世界经济舞台中心。
 

　　当时间来到2023年，制造业的核心要素已发生巨大嬗变：
 

　　1.生产工具正从蒸汽、电力机械，转变为自动化设备、智能机器人。
 

　　2.生产资料正从传统能源，转变为传统能源、新能源与数据资料融合。
 

　　3.生产力正从人，转变为人、机器人与AI共生。
 

　　4.驱动机制正从企业内部、行会组织，转变为国家意志与风险资本。
 

　　如是我们便不难理解这样一个逻辑：当通用人工智能火焰开始跳动，制造业的底层技术竞争逻辑亦即开始重构。率先掌握“新能源+新材料+AI+数据”这一融合性先进制造业技术通关密码的国家，将在未来百年新周期内，走上或继续保留在世界经济舞台中心。
 

　　恰好，3D打印正是这样一个融通了前述生产要素，并在理论上足够颠覆既有制造业格局的前沿生产力平台与工具性技术。在此我们仅取两例，即可深刻理解这一逻辑：
 

　　狭义上，在汽车行业，特斯拉领衔的铸造一体化，即是3D打印的雏形，正推动汽车制造业一日千里。广义上，目前全球最风头正劲的科技公司，“AI之王”英伟达，正在着力推进“cuLitho计算光刻技术”，则是以3D打印的变种，期革命性地推动“人类科技之巅”——光刻机核心技术的迭代与指数级效率提升。
 

　　市场中有两类人：讲故事的人与听故事的人。通常来说，前者是镰刀，后者是韭菜。而那些盛行一时的故事，大都以骗局告终。但就3D打印这则故事来说，即使最终出现了最悲观的结局，但在结局未揭晓前，对于中国制造业而言，唯有饱和式研发投入一条路可以走——在绝对核心利益面前，不存在容错率可言。
 

　　一言以蔽之，3D打印，国之重器。
 

　　01
 

　　我们仍处于3D打印“黑障期”
 

　　通往最前沿的技术领域，注定颠沛流离。仅就3D打印而言，已经是数十年的技术概念，而今距离产业化破局仍有漫长的黑障期。
 

　　3D打印又称增材制造(AdditiveManufacturing，AM)是指以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。传统制造业是通过切、铣、磨等机械加工方式去除多余材料从而成形所需零件的“减”材制造，3D打印则恰恰相反，它通过3D打印设备对数字模型文件进行分层处理，将三维实体变为若干个二维平面，然后将金属粉末、热塑性材料、树脂等特殊材料以自下而上逐层叠加的方式，叠加成一个三维的整体，大幅降低了制造的复杂度。
 

　　简单来说，3D打印相比于传统技术来说在小批量生产时的生产成本，个性化，复杂设计，材料利用率，加工便利性等方面都具有明显优势。但如果一些产品能够大批量生产，不需要复杂的设计或用传统工艺加工就很方便的情况下3D打印则不占优势。
 

　　不同于传统制造企业通过批量生产单一产品形成规模经济，3D打印依靠同一台设备生产多样产品。企业通过增加产品种类降低生产的单位成本，从而达到范围经济。生产的主要成本可分为物料成本，机器折旧耗材成本和人工成本等几个方面。
 

　　目前的3D打印主要应用于航天航空、汽车、医疗领域内的部分细分领域内，多年以来应用领域格局变化并不大。而复杂构件的的需求在各个领域都或多或少的存在，未触达的主要原因是受材料成本和设计成本的制约。
 

　　1、材料受限
 

　　材料作为3D打印的物质基础，其发展程度决定着3D打印未来是否能够被广泛运用。与传统的机械加工不同，当前阶段，3D打印的原料使用的主要是塑料材料、金属粉末、陶瓷材料，而国内在3D打印原材料方面生产企业较少。以金属粉末来说，其制造工艺主要是激光烧结成型，对粉末的颗粒度，纯度都有着较高的要求，金属粉末的质量越好，粒径越小，打印出的零件机械性能就越好。目前国内的金属材料性能和国外的相比仍然存在一些差距，大部分原材料的的使用仍依赖于进口。
 

　　而高质量的金属粉末制备成本很高，性能达标的成品金属粉末价格一般是其所使用原材料的10—20倍。制备方式也是影响其价格的重要因素，就通常所用的制备方法来说，气雾法生产金属粉末的成本约为电解法的2-3倍，机械法的成本约为气雾法的2-5倍。目前主流的打印材料价格，钛合金粉末的价格在1,500-1,800元/kg之间，铝合金粉末价格在300-500元/kg之间，塑料ABS价格在19-23元/kg之间。
 

2、设计受限
 

　　在技术极客领域，设计一个模型单个设计师一天的费用大约在800元左右，一个普通的模型设计周期大概一到两周，设计成本就在8000元左右。
 

　　如果模型制作复杂，精细度要求高设计周期将达到一两个月甚至更长的时间，那么高达几万甚至几十万的设计费用就很难在小规模生产中摊薄，这也就成了3D打印普及化的瓶颈。
 

　　02
 

　　当下我们为何须格外重视3D打印
 

　　1、原材料从成本到工艺大幅累进推动价格下降
 

　　任何一种材料在早期制备工艺不够成熟和完善的时候制备成本都是很高的。举个例子，古代初步掌握炼钢工艺的时候使用块炼铁的手法炼铁，受限于耐火材料和鼓风技术的不过关，制备成本极为高昂，所以才有了“干将莫邪为楚王铸剑，三年乃成”等典故，只有军队才能大规模配备铁质武器，百姓依然还是使用青铜器农耕。
 

　　但随着金属3D打印产业在我国的发展，3D打印金属粉末价格已经在逐年下降。以某上市公司龙头为例，公司金属3D打印粉末的价格从2020年144.48万元/吨下降至2022年78.19万元/吨(公司将2023年的募投项目中运营期首年金属3D打印粉末销售价格确定为61.95万元/吨)，同期由于降价进一步开拓了市场，销售量由2020年的2.94吨快速增长至2022年的31.36吨。同时随着技术端的成熟以及规模效应逐渐显现，公司金属3D打印粉末业务的毛利率从2020年的29.38%增长至2022年的38.98%。
 

　　原本阻碍3D打印产业化的核心成本已经大幅降低，未来根据下游如消费电子等应用场景，开付出新的适配性能需求的工艺，叠加产业规模不断增大，成本将会进一步降低。
 

　　另一方面，打印设备商的上游原材料均呈现不同程度的价格下降趋势，其中占比最大的光学热学类元器件如3kW光纤激光器的价格从2018年的40万元/台下降至2021年的10万元/台，降幅达到了75%。
 

　　技术工艺方面的突破同样会带来效率的提升，自2017年增材制造行业开发出多激光打印策略后，每增加一个激光头设备的打印效率就将提升20%-50%，最新的六激光头设备与市面上同体量的四激光头设备相比，打印效率可提升约30%。
 

　　除了3D打印设备的生产制造商，产业链相关的配套服务厂商也在不断发展壮大。一般3D打印件的表面比较粗糙，通常还需要传统的加工手段来进行表面处理，过去难以找到配合服务厂商做后处理环节现在都可以轻松解决，产业链的协同效应使得各个环节的成本和效率大大优化。
 

　　2、AIGC的发展突破了设计的壁垒
 

　　大部分行业都存在着一些简单重复性的劳动，设计领域同样不例外。就五年前的行业来说，还有大量的简单工作可以交由刚入行的新人或实习生来做，如今随着软件效率的提升，简单性重复劳动的工作时间已经大大压缩，设计周期变短，相应设计成本也在逐渐降低。
 

　　随着AI大模型推开通用人工智能大门后，AIGC技术的涌现与应用开始威力初显，未来将为设计行业整体带来更为颠覆性的变革——80%的趋同性设计可以由AI来完成，人类负责20%的创新性工作，亦可降低设计参与者的门槛，简单模型可由个人在较短时间内制作完成。
 

　　目前行业内公司均以已经初步开始探索人工智能与3D打印的结合，不久的将来3D打印设计也会由AI带来新一轮的革新。
 

　　03
 

　　制造业需要3D打印完成新一轮迭代升级
 

　　随着社会的不断发展进步，工业发展呈现出从“有”向“优”的升级趋势。例如由钢铝构件换成钛合金可以在强度，耐腐蚀，耐高温和重量方面均实现大幅度改善，是工业制造升级的必经之路。但钛合金硬度高弹性低的特点会在加工过程中导致刀具和刀片的磨损，缩短刀具的寿命，使得传统数控加工钛合金的成本较高。3D打印可以绕开传统切削加工方式带来的问题并减少材料浪费，有助于制造业的进一步迭代升级。
 

　　3D打印直接制造无需模具的特点亦能大幅减少制造环节，人员参与，材料损耗方面的成本投入，在制造复杂部件上有着无可比拟的优势。相对于传统制造，对复杂构件制造的研发周期可缩短到1/3，材料利用率有五到十倍的提升，利用率达90%以上。
 

　　近期美国相对论空发射的人族一号运载火箭占全箭质量85%以上的零件就由3D打印制造，包括火箭的整个箭体和几乎所有的发动机部件。整箭制作成本大幅度降低。以火箭燃烧室的制造为例，使用3D打印激光粉末床融技术(L-PBF),可以将工期从传统制造的18个月缩短至5-8个月，成本降低35%-60%。未来3D打印为火箭制造带来的优势很可能发生连锁反应，重塑供应链。
 

　　3D打印的另一大特色是结构强度高，自重较低。汽车行业设计所追求的节能，降耗，增加续航里程等目标，轻量化是是最为重要的技术路径之一。据《轻量化技术和材料在汽车工程中的应用》中的数据，对于燃油车，汽车质量每减少10%，汽车燃油效率将会增加6%-8%；而对于新能源汽车，每减重10%，续航里程可提升5-6%。
 

　　3D打印的大规模应用可以使汽车领域的开发、设计、制造过程发生巨大变化，实现更轻量化的设计，更安全的结构，更短的研发周期。
 

　　目前宝马、戴姆勒、通用、大众等众多知名车企已将3D打印技术应用于汽车零部件的量产。MakerBot公司3D打印趋势报告指出，较2020年相比，2021年有将近一倍的车企增加了对3D打印的应用。
 

　　医疗领域对于个性化、定制化的需求也使得3D打印在医疗领域的应用快速增长，2019-2021年全球医疗行业增材制造市场规模自16.5亿美元增至23.78亿美元，CAGR达20.07%。3D打印在体外器官模型、仿生模型制造，手术导板，个性化植入体制造方面均可实现降本增效。义齿金属义内冠使用3D打印技术可降低70%的人工成本，为义齿行业定制的3D打印设备FS121M-E6个小时可打印150颗义齿，每年打印100万颗以上。
 

　　据Wohlers统计数据，2022年全球3D打印市场规模为180亿美元，同比增长18.3%。中国3D打印市场规模虽不及美国但增速较快据中商情报网数据，2022年中国3D打印产业规模达330亿元，同比增长52%。
 

　　目前全球3D打印市场主要集中在北美、欧洲和亚太地区三个地区，2021年美国、中国增材制造设备安装量占比达33%、10.6%。中国市场的主流设备品牌包括联泰、EOS、华曙、铂力特、3DSystems、GE、Stratasys、惠普等。联泰在3D打印行业中市场占比最大达16.4%，其次为Stratasys和EOS，分别占比14.8%和13.1%。
 

　　回望国内，中国3D打印产业链上的厂商主要由铂力特、金橙子、华曙高科、 锐科激光、有研粉材等：
 

　　铂力特：3D 打印全产业链覆盖公司，背靠航空航天名校西工大，公司发展迅速。公司是一家专注于工业级金属 3D 打印(3D 打印)的高新技术企业，为客户提供金属3D 打印与再制造技术全套解决方案，业务涵盖金属 3D 打印设备的研发及生产、金属 3D 打印定制化产品服务、金属 3D 打印原材料的研发及生产、金属 3D 打印结构优化设计开发及工艺技术服务(含金属 3D 打印定制化工程软件的开发等)，构建了较为完整的金属 3D 打印产业生态链，整体实力在国内外金属 3D 打印领域处于领先地位。
 

　　华曙高科：3D 打印产业链中游制造设备公司。华曙高科十余年来专注于工业级 3D 打印设备的研发、生产与销售，致力于为全球客户提供金属(SLM)3D 打印设备和高分子(SLS)3D 打印设备，并提供 3D 打印材料、工艺及服务。公司已开发 20 余款设备，并配套 40 余款专用材料及工艺，正加速应用于航空航天、汽车、医疗、模具等领域。公司是全球少数同时具备 3D 打印设备、材料及软件自主研发与生产能力的 3D 打印企业，销售规模位居全球前列，是我国工业级 3D 打印设备龙头企业之一。
 

　　锐科激光：国内光纤激光器龙头企业。锐科激光公司是一家专业从事光纤激光器及其关键器件与材料的研发、生产和销售的国家火炬计划重点高新技术企业，拥有高功率光纤激光器国家重点领域创新团队和光纤激光器技术国家地方联合工程研究中心，是全球有影响力的具有从材料、器件到整机垂直集成能力的光纤激光器研发、生产和服务供应商。公司主营业务包括为激光制造装备集成商提供各类光纤激光器产品和应用解决方案。2021 年公司产品应用于激光焊接、激光熔覆、新能源、3D 打印、船舶制造、航空航天等高端应用领域。
 

　　金橙子：3D 打印产业链中游制造设备金橙子。金橙子激光系统集成硬件产品包括高精密振镜、激光器、场镜及其他硬件，金橙子重点投入振镜硬件研发，不断提高振镜硬件单品的自主研发比例，夯实差异化优势，降低生产成本，金橙子软硬配套比例有望保持快速提升的态势，振镜业务有望成为主要增长点。此外，金橙子发挥技术和渠道协同优势，横向拓展激光伺服控制业务。
 

　　有研粉材：3D 打印产业链上游金属粉末材料公司。有研通过多年雾化球形粉末制备技术的研究，掌握成套球形金属粉末制备关键技术，设计并制造了适用于球形金属粉末的雾化装备，通过新型雾化器结构设计、雾化系统的创新和雾化工艺参数的优化，显著的提高了成品粉末收得率、进一步提高了粉体的品质。以 3D 打印球形金属粉末为例，通过雾化制备技术的创新和技术积累，解决了 3D 打印粉末球形度差、空心粉多、粒度分布不集中的行业技术难题，开发出铝合金 3D 打印粉末材料具有流动性好，球形度高，松装密度高，粒度分布窄，卫星球少，打印件力学性能优异等特点，有效的推动了 3D 打印金属粉末国产化替代的进程。公司采用气雾化为主要工艺生产的铝、铜、钛、高温合金、模具钢、钴铬合金等粉末材料。产品杂质含量低，球形度好，成分均匀，主要应用于用于航空航天、医学修复等。
 

　　未来随着设备、材料、服务供应商技术的不断突破，3D打印将在更大规模上具有经济性，制造业也将迎来“增材制造2.0时代”。
 

　　以上，制造业对任何一个国家的重要性不言而喻。在通往或证伪3D打印的前沿路径里，作为投资者，我们已经到了长周期追踪这一技术的时刻。