中信建投：金屬增材制造賽道投資機遇

來源：韜揚軍工高端制造沙龍
作者：中信建投軍工團隊


金屬增材制造工藝原理主要分為粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）兩類，當前PBF應用最廣泛，DED市場份額逐步提升。作為新興工藝，增材制造具有傳統(tǒng)的減材制造不具備的優(yōu)勢，因此其逐漸被人們重視，各國紛紛出臺產(chǎn)業(yè)政策扶持，行業(yè)進入快速發(fā)展期。其未來發(fā)展趨勢也逐漸明了，金屬增材制造將向著多材料、高效率、高精度、大尺寸、智能化、國產(chǎn)化率提高、滲透率提高、增減材一體化、無支撐、系統(tǒng)級制造等趨勢發(fā)展。

1金屬增材制造：方興未艾，星辰大海（上）

核心觀點
增材制造的主要應用場景為：小批量、復雜化、輕量化、定制化、功能一體化零部件制造。金屬增材制造工藝原理主要分為粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）兩類，當前PBF應用最廣泛，DED市場份額逐步提升。作為新興工藝，增材制造具有傳統(tǒng)的減材制造不具備的優(yōu)勢，因此其逐漸被人們重視，各國紛紛出臺產(chǎn)業(yè)政策扶持，行業(yè)進入快速發(fā)展期。其未來發(fā)展趨勢也逐漸明了，金屬增材制造將向著多材料、高效率、高精度、大尺寸、智能化、國產(chǎn)化率提高、滲透率提高、增減材一體化、無支撐、系統(tǒng)級制造等趨勢發(fā)展。

增材制造—先進制造業(yè)技術(shù)，傳統(tǒng)制造業(yè)重要補充
增材制造（Additive Manufacturing, AM, 俗稱“3D打印”）是具有顛覆性的先進制造技術(shù)。增材制造以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料通過分層制造、逐層疊加的方式制造出實體零件。其優(yōu)勢在于短研發(fā)周期、復雜結(jié)構(gòu)制造、輕量化、高材料利用率、強力學性能等。反之金屬增材制造在可加工材料種類、加工精度、表面粗糙度、加工效率方面遜于傳統(tǒng)精密加工，在大規(guī)模生產(chǎn)上成本處于劣勢，因此增材制造的主要應用場景為：小批量、復雜化、輕量化、定制化、功能一體化零部件制造。

金屬增材制造技術(shù)以PBF、DED為主要路線

金屬增材制造工藝原理主要為粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）兩大類別。前者適用于精密成型，后者適用于高效率大尺寸應用場景。當前PBF應用最廣泛，DED市場份額逐步提升。2021年P(guān)BF和DED分別在金屬增材制造市場中占據(jù)83.8%和9.1%的市場份額，預計到2026年P(guān)BF與DED市場份額分別下降至74%和8.6%。且金屬增材制造成熟度及產(chǎn)業(yè)化水平最高的技術(shù)路線主要集中在PBF、DED，其中L-PBF（基于激光的PBF，以SLM為代表）在產(chǎn)業(yè)中應用最為廣泛，E-PBF（基于電子束的PBF，以EBM為代表）排名第二。

SLM是目前應用最廣泛的金屬增材制造技術(shù)，廣泛用于制造航空航天、汽車模具等領(lǐng)域的精密零部件。SpaceX使用SLM技術(shù)制造二代龍飛船引擎室，解決了復雜結(jié)構(gòu)制造、縮短火箭發(fā)動機交貨期、降低制造成本。

電子束熔融技術(shù)(Electron Beam Melting）是新興的先進金屬增材制造技術(shù)，已廣泛應用于快速原型制作、快速制造、工裝和生物醫(yī)學工程等領(lǐng)域。EBM技術(shù)應用助力航空航天零部件生產(chǎn)發(fā)展，減輕發(fā)動機零部件重量，提高燃油效率，并且有效提高增材制造技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的滲透率。

激光近凈成形技術(shù)是無需后處理的金屬直接成形方法，也是DED中研究和應用最廣泛的技術(shù)。該技術(shù)不僅能直接打印出三維金屬零件，還能在已有零件上進行打印。因此在制造或修復高附加值的產(chǎn)品，比如航空發(fā)動機或機床部件中得到廣泛應用。LENS(激光近凈成型)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)梯度材料、復雜曲面修復，在大型器件的修復上正不斷地發(fā)揮作用，是鏈接傳統(tǒng)制造與3D打印的橋梁。

電子束熔絲沉積成形技術(shù)（Electron Beam Wire Deposition, EBWD）是以電子束作為激活源的前沿DED技術(shù)，具有速度快、成本低、打印尺寸大等優(yōu)點。Sciaky公司推出的EBAM技術(shù)實現(xiàn)了沉積速率大幅提升。

電弧增材制造技術(shù)（Wire and Arc Additive Manufacture, WAAM）使用電弧作為激活源，是一種成本極大降低的大尺寸高效率金屬增材制造技術(shù)。WAAM打印精度較低，但是打印尺寸較大。WAAM的特點讓其很適合以高價值的材料制造中等復雜程度的大尺寸零件。

金屬增材:向著多材料、高效率、高精度、大尺寸、智能化、國產(chǎn)化率提高、滲透率提高、增減材一體化、無支撐、系統(tǒng)級制造等趨勢發(fā)展

作為新興工藝，增材制造具有傳統(tǒng)的減材制造不具備的優(yōu)勢，因此其逐漸被人們重視，各國紛紛出臺產(chǎn)業(yè)政策扶持，行業(yè)進入快速發(fā)展期，未來金屬增材發(fā)展趨勢如下：

1）多材料：多材料包括可打印材料的多樣化以及多材料混合打印兩個方面；

2）高效率與高精度：金屬增材制造效率有待進一步提升，打印效率和打印精度是增材制造技術(shù)兩個難以兼顧的目標，未來希望能在高精度制造的情況下實現(xiàn)高效率增材制造；

3）大尺寸：進一步增大可打印尺寸是當前增材制造裝備的發(fā)展趨勢，目前增材制造打印件成形尺寸已經(jīng)步入“米”級時代；

4）智能化：增材制造工藝需要進行質(zhì)量控制，需要高度訓練有素的技術(shù)人員來啟動、監(jiān)測和拆除組件，未來需要實現(xiàn)增材制造的智能化與自動化；

5）國產(chǎn)化率提高：由于我國的3D打印設(shè)備公司對于軟硬件存在不同程度的進口依賴，因此推進核心器件（主要指：激光器、振鏡以及工業(yè)軟件）國產(chǎn)化至關(guān)重要；

6）滲透率提高：加強金屬 3D 打印定制化產(chǎn)品在一般工業(yè)領(lǐng)域滲透，提高3D打印可運用場景，并使其在已經(jīng)引入增材制造的下游領(lǐng)域中增加3D打印的使用占比；

7）增減材一體化：增減材復合制造技術(shù)結(jié)合了增材近凈成形和減材保證精度的優(yōu)點，適合高精度復雜型面及具有內(nèi)孔內(nèi)腔零件的一體化制造和修復再制造；

8）無支撐3D打�。褐�撐結(jié)構(gòu)的存在會降低模型的表面質(zhì)量，且去除支撐需要的后處理會提高成本，無支撐3D打印能降低材料浪費以及提高模型質(zhì)量；

9）系統(tǒng)級制造：系統(tǒng)級制造就是指對于整個系統(tǒng)部件基于增材制造設(shè)計制造，而不單單只通過3D打印技術(shù)打印出個別零部件。由于增材制造相比于傳統(tǒng)工藝能夠更好的制造復雜構(gòu)件，且系統(tǒng)級制造應用越來越多，其已經(jīng)成為增材制造技術(shù)的一大趨勢。

風險提示：軍工訂單不及預期。國內(nèi)金屬增材打印行業(yè)下游客戶集中于軍工行業(yè)，收入最終主要來源于國家的國防裝備支出。軍工行業(yè)屬于特殊的經(jīng)濟領(lǐng)域，主要受國際環(huán)境、國家安全形勢、地緣政治、國防發(fā)展水平等多種因素影響。若未來國際形勢出現(xiàn)重大變化，導致國家削減國防開支若軍工訂單不及預期則可能影響到行業(yè)企業(yè)的營收。

產(chǎn)業(yè)政策風險。增材制造行業(yè)系國家重點扶持的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，國家產(chǎn)業(yè)政策對該行業(yè)的發(fā)展起到了積極的引導作用。如果未來政府對行業(yè)支持政策發(fā)生變化導致財政稅收優(yōu)惠、政府補助及科技扶持等政策縮減甚至取消，將會對行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營造成不利影響。

技術(shù)迭代風險。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，應用領(lǐng)域的擴大，技術(shù)的升級迭代加快，不同技術(shù)之間的競爭加劇，技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)仍是行業(yè)競爭的關(guān)鍵。若企業(yè)無法保持技術(shù)先進性則可能導致競爭力下降。

供應鏈風險。國內(nèi)增材制造領(lǐng)域振鏡、激光器等核心零部件進口依賴嚴重，若因地緣政治導致進口受限，且短期內(nèi)無法國產(chǎn)化替代，則可能影響到企業(yè)產(chǎn)品的交付。

2、金屬增材制造：方興未艾，星辰大海（中）

核心觀點
全球增材制造市場規(guī)模高速增長，整個增材制造市場從疫情期間回暖，增速穩(wěn)定。金屬增材制造市場增速領(lǐng)跑增材制造行業(yè)。各國政府爭相出臺扶持政策爭奪產(chǎn)業(yè)高地。金屬增材制造產(chǎn)業(yè)鏈完備，增材制造設(shè)備制造是整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心主體。增材制造下游主要系工業(yè)級應用需求，已處產(chǎn)業(yè)化階段，航空航天、醫(yī)療、汽車應用最廣泛。

國內(nèi)外金屬增材制造產(chǎn)業(yè)快速擴張

全球增材制造市場規(guī)模高速增長，整個增材制造市場從疫情期間回暖，增速穩(wěn)定。全球增材制造行業(yè)產(chǎn)值從2003年的5.29億美元增長至2022年的180億美元，CAGR達19.58%。2020年受疫情影響年同比增速短暫下滑至7.51%，但2021年快速回升19.49%。預計2025年將達298億美元，2030年預計將達853億美元。
金屬增材制造市場增速領(lǐng)跑增材制造行業(yè)。2021年全球金屬增材制造市場規(guī)模達25億歐元，，從需求側(cè)測算預計2026年將達到75.8億歐元，CAGR達到25%，從供給側(cè)測算預計2026年將達到78.1億歐元，CAGR達26%，領(lǐng)先增材市場平均增速。全球增材制造市場正從非金屬打印轉(zhuǎn)向金屬打印，增材制造行業(yè)應以萬億美元規(guī)模的金屬零件制造市場為目標。

中國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)�？焖贁U張。截至2021年末中國增材制造設(shè)備累計裝機量占全球比重約10.6%，位列世界第二。中國增材制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值從2017年的96億元增長至2020年的208億，同比增長32.06%，CAGR達29.40%。且預計2025年我國增材制造市場規(guī)模將超過630億元，2021年-2025年CAGR超20%。

各國政府爭相出臺扶持政策爭奪產(chǎn)業(yè)高地。美國在最新的《美國增材制造標準化路線圖草案V3.0》注釋了目前增材制造領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)的已發(fā)布和開發(fā)中的標準，并提供了解決增材制造標準和規(guī)范差距的建議，其中包括必要的前期研究和開發(fā)指南以推進標準化進程。歐洲早在2014年的《Horizon2020》就將增材制造列為關(guān)鍵實用技術(shù)之一，而我國的《2025中國制造》、《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》等重要文件中亦將增材制造列入規(guī)劃之中。

金屬增材制造產(chǎn)業(yè)鏈完備，核心環(huán)節(jié)創(chuàng)造價值大
金屬增材制造產(chǎn)業(yè)鏈完備。增材制造產(chǎn)業(yè)上游包括原材料、零部件、三維掃描設(shè)備和三維軟件等企業(yè)，中游以增材制造設(shè)備生產(chǎn)廠商為主，大多亦提供打印服務業(yè)務及原材料供應，下游行業(yè)應用覆蓋航空航天、汽車、工業(yè)、消費電子、醫(yī)療、教育等多個領(lǐng)域。由于金屬增材制造技術(shù)的成本較高，增材制造設(shè)備在制造技術(shù)的研發(fā)應用和提供產(chǎn)品服務方面起到?jīng)Q定性作用，因此真正掌握打印生產(chǎn)能力或設(shè)備制造能力的中游廠商在行業(yè)中占主導地位。

上游：增材專用粉材要求高，軟硬件國產(chǎn)化率低
與傳統(tǒng)冶金用金屬粉末相比，增材專用金屬粉材性能指標要求較高，生產(chǎn)工藝有明顯區(qū)別。增材制造采用的金屬粉末一般要求純凈度高、球形度好、粒徑分布窄、氧含量低，目前應用于 3D 打印的金屬粉末材料主要有鈦合金、高溫合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金材料等。目前國內(nèi)的金屬 3D 打印材料已基本滿足國產(chǎn)設(shè)備及國內(nèi)下游增材制造需要，設(shè)備生產(chǎn)廠商一般與第三方材料廠商合作研究開發(fā)各類金屬材料熔融工藝，少量 3D 打印服務的廠商會同時自主生產(chǎn)金屬 3D 打印材料。

我國工業(yè)級增材制造裝備的核心光學硬件嚴重依賴進口。增材制造設(shè)備所需核心元器件包括振鏡、激光器，其中激光器主要從美國、德國進口，振鏡主要從德國進口，都存在嚴重的依賴進口的情況。增材制造主要采用500W等中低功率激光器，中國中功率光纖激光器國產(chǎn)化率保持穩(wěn)定且多保持在60%上下，實現(xiàn)了大部分的國產(chǎn)化替代。進口振鏡在行業(yè)內(nèi)應用歷史較久，性能成熟穩(wěn)定，知名度相對更高，而國產(chǎn)振鏡的技術(shù)成熟度相比進口振鏡還存在一定的差距。激光器市場基本被 Trumpf、IPG 等 3-4 家國外企業(yè)占有，掃描振鏡市場則主要被德國 Scanlab 公司占有。
行業(yè)內(nèi)大部分 3D 打印設(shè)備制造企業(yè)的 3D 打印設(shè)備工業(yè)軟件系統(tǒng)系向第三方采購，軟件性能提升依賴并受制于軟件服務商，限制了設(shè)備性能和材料性能的應用，難以快速響應客戶軟件方面的需求。因此，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)3D 打印設(shè)備工業(yè)軟件系統(tǒng)將有助于設(shè)備制造企業(yè)提升競爭力。國內(nèi)比較有名的工業(yè)軟件服務商為安世亞太、Voxeldance，國外行業(yè)知名軟件廠商有Altair 公司、Materialise 公司、Hexagon 公司。

中游：打印設(shè)備為產(chǎn)業(yè)鏈核心主體，鋪粉技術(shù)路線主導行業(yè)應用
增材制造設(shè)備制造商研發(fā)、生產(chǎn)打印設(shè)備提供給下游客戶使用，并且根據(jù)客戶反饋不斷更新迭代，向上游傳遞市場需求，推動產(chǎn)業(yè)鏈水平提升。工業(yè)級打印機技術(shù)壁壘高，資本投入大，一直以來發(fā)展較為緩慢，但當前工業(yè)級增材制造產(chǎn)業(yè)受到國家政策大力支持，整個市場目前已開始呈現(xiàn)快速增長形勢。金屬增材制造設(shè)備制造主要廠商有EOS、SLM Solutions、鉑力特、華曙高科、易加三維等。

增材制造設(shè)備制造是整個產(chǎn)業(yè)鏈的核心主體。增材制造設(shè)備制造商研發(fā)、生產(chǎn)打印設(shè)備提供給下游客戶使用。其中工業(yè)級打印機技術(shù)壁壘高，資本投入大，發(fā)展較為緩慢，但當前工業(yè)級增材制造產(chǎn)業(yè)受到國家政策大力支持，整個市場目前已開始呈現(xiàn)快速增長形勢，從2017年開始，金屬工業(yè)級增材制造設(shè)備銷售量出現(xiàn)井噴式增長，從2016年的983臺增長到2017年的1768臺，18A/19A/20A/21A的銷售量分別為2297/2327/2169/2390臺，均保持了每年2000臺的銷售量。

3D打印服務主要通過3D打印設(shè)備為客戶提供打印服務及各類衍生的技術(shù)服務。全球增材制造產(chǎn)業(yè)鏈中服務收入占比接近六成，3D打印服務仍然是增材制造中游中增長最迅速，最穩(wěn)定的。2021 年全球增材制造市場規(guī)模（包括產(chǎn)品和服務）達到 152.44 億美元，同比增長19.5%，2017-2021 年的年復合增長率為 20.06%。其中，產(chǎn)品收入為 62.29 億美元，同比增長 17.5%，服務收入為 90.15 億美元，同比增長 20.9%。

下游：工業(yè)級廣泛應用，航空航天系最大應用行業(yè)
增材制造下游主要系工業(yè)級應用需求，已處產(chǎn)業(yè)化階段，航空航天、醫(yī)療、汽車應用最廣泛。航空航天/醫(yī)療/汽車系全球增材制造的前三大下游客戶群體，市場占比分別從17A的18.9%/11.3%/16.0%變化到21A的16.8%/15.6%/14.6%，整體占比變化不大，航空航天與醫(yī)療有小幅度的增長。主要變化來自于17A下游的工業(yè)領(lǐng)域占比最廣泛達到20%，而到21A，增材制造在該下游的占比下降嚴重。

增材制造在航空裝備領(lǐng)域應用前景廣。預計未來十年中國航空制造業(yè)將為增材制造帶來近千億的市場價值。2019 年中國航空制造業(yè)市場價值約 698 億美元（約合 4,886 億元人民幣），預測未來十年（2020 年~2029 年）中國航空制造業(yè)的價值年均復合增速為 10%，則未來十年中國航空制造業(yè)市場價值約 9.05 萬億元，年均 9,054.33 億元，假設(shè)未來十年增材制造在航空制造業(yè)占據(jù)的份額提升至 1%，據(jù)此可計算出未來十年中國航空制造業(yè)為 3D 打印帶來的市場價值約 905.43 億元，年均約 90.54 億元。

航空航天領(lǐng)域廣泛使用增材制造在于其具有的多種優(yōu)勢。1）輕量化對于航空航天領(lǐng)域意義重大；2）金屬增材制造可通過拓撲設(shè)計，在保證性能的前提下最大化降低零件質(zhì)量；3）增材制造能夠大幅降低材料損耗率，節(jié)約材料成本；4）金屬增材制造能夠大幅縮短零件交付周期；5）增材制造設(shè)計靈活，所需零部件少，能夠大幅降低產(chǎn)品交付周期；5）金屬增材制造在輕量化制造、零件整合、縮短交付周期方面具有傳統(tǒng)制造工藝無可比擬的優(yōu)勢。
醫(yī)學領(lǐng)域已廣泛應用增材制造技術(shù)，醫(yī)用植入物和醫(yī)療器械制造已在臨床上大規(guī)模應用，前景廣闊。增材制造技術(shù)可被用于生產(chǎn)特制的醫(yī)療器械，從而可以為患者量身定制最終產(chǎn)品，并以非常低的成本實現(xiàn)。如今設(shè)計和打印個性化的醫(yī)用植入物和假肢已成為標準方法。增材制造技術(shù)已被廣泛用于制造牙科零件、創(chuàng)傷醫(yī)用植入物和整形外科醫(yī)療器械。全球3D打印醫(yī)療器械市場預計將從2021年的22.9億美元增長到2022年的27.6億美元，復合年增長率(CAGR)為20.4%。預計到2026年，該市場將以13.0%的CAGR，增長到44.9億美元。

增材制造技術(shù)在汽車行業(yè)應用廣泛，預計未來3D打印零件能接近百億規(guī)模。金屬增材制造在汽車行業(yè)的應用經(jīng)歷了從概念模型打印，到功能模型打印，到功能部件制造，最后向打造整車方向的方向發(fā)展的過程。目前汽車行業(yè)增材制造已覆蓋汽車設(shè)計、零部件開發(fā)、內(nèi)外飾應用等場景。預計2029年汽車市場僅通過3D打印成品零件就可產(chǎn)生90億美元的收入，較2019年增長8倍，CAGR達到20.64%。

增材制造技術(shù)在模具領(lǐng)域的運用廣泛，前景廣闊。3D 打印已廣泛應用于復雜模具、嫁接模具以及隨形冷卻模具等領(lǐng)域，CNC 加工是在制造模具時最常用的技術(shù)。雖然它能夠提供高度可靠的結(jié)果，但同時也非常昂貴和費時。所以很多模具制造企業(yè)也開始尋找更加有效的替代方式，3D 打印技術(shù)就是一個很好的替代方式。3D 打印模具涵蓋了多個優(yōu)點，包括：1）模具生產(chǎn)周期縮短；2）制造成本降低；3） 模具設(shè)計的改進為終端產(chǎn)品增加了更多的功能性如隨型水冷等；4）優(yōu)化工具更符合人體工學和提升最低性能；5）定制模具幫助實現(xiàn)最終產(chǎn)品的定制化，提升注塑模具的生產(chǎn)效率以及模具壽命。

風險提示：軍工訂單不及預期。國內(nèi)金屬增材打印行業(yè)下游客戶集中于軍工行業(yè)，收入最終主要來源于國家的國防裝備支出。軍工行業(yè)屬于特殊的經(jīng)濟領(lǐng)域，主要受國際環(huán)境、國家安全形勢、地緣政治、國防發(fā)展水平等多種因素影響。若未來國際形勢出現(xiàn)重大變化，導致國家削減國防開支若軍工訂單不及預期則可能影響到行業(yè)企業(yè)的營收。

產(chǎn)業(yè)政策風險。增材制造行業(yè)系國家重點扶持的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，國家產(chǎn)業(yè)政策對該行業(yè)的發(fā)展起到了積極的引導作用。如果未來政府對行業(yè)支持政策發(fā)生變化導致財政稅收優(yōu)惠、政府補助及科技扶持等政策縮減甚至取消，將會對行業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營造成不利影響。

技術(shù)迭代風險。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，應用領(lǐng)域的擴大，技術(shù)的升級迭代加快，不同技術(shù)之間的競爭加劇，技術(shù)創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)仍是行業(yè)競爭的關(guān)鍵。若企業(yè)無法保持技術(shù)先進性則可能導致競爭力下降。
供應鏈風險。國內(nèi)增材制造領(lǐng)域振鏡、激光器等核心零部件進口依賴嚴重，若因地緣政治導致進口受限，且短期內(nèi)無法國產(chǎn)化替代，則可能影響到企業(yè)產(chǎn)品的交付。