钛金属引爆3D打印 千亿潜力市场迎关键节点丨黄金眼

时间: 2024-08-11 16:44:54 |   作者: 产品中心

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　　3D打印又称为增材制造（Additive Manufacturing，AM），是涵盖多学科的先进制造技术。3D打印是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，将三维实体变为若干个二维平面，运用粉末状金属、塑料、陶瓷、树脂等可粘合原材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

　　整体而言，3D打印是信息网络技术、先进材料技术与数字制造技术的结合，制造流程横跨多个学科，涵盖机械、材料、软件、电子、设计、计算机视觉等。3D打印通过二维逐层堆叠材料的方式，直接成形三维复杂结构的数字制造技术。对比传统制造方法，增材制造最适合小批量、复杂设计以及速度至关重要的应用。

　　相较于传统制造方式，3D打印的优势包括（1）缩短新产品研发及实现周期；（2）可高效成形更复杂的结构；（3）实现一体化、轻量化设计；（4）材料利用率较高，3D打印昂贵的金属材料可节约较大成本；（5）实现优良的力学性能。3D打印快速凝固成形后的制件内部冶金质量均匀致密，无其他冶金缺陷；同时快速凝固使得材料内部组织为细小亚结构，成形零件可在不损失塑性的情况下使强度得到较大提高。

　　现阶段我国3D打印仍旧以工程塑料、树脂和部分常见金属材料为主。3D打印所用的这些原材料都是专对于3D打印设备和工艺而研发的，与普通的塑料、石膏、树脂等有所区别，其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。就我国目前3D打印粉末材料使用情况去看，非金属与金属材料大致形成6：4的格局，非金属材料占材料市场大部分份额。

　　其中金属粉末主要是常见的主要有金属材料，钵合金、铝合金和不锈钢占比较大，非金属粉末是工程塑料、尼龙、树脂；以及不断开发的生物基可降解材料、复合材料等。当前金属3D打印技术在可加工材料、加工精度、表面粗糙度、加工效率等方面与传统的精密加工技术相比，还存在一定差距。

　　据Wohlers Associates，2022年全球3D打印产值180亿美元，前三大下游为航空航天（17%）、医疗（16%）和汽车（15%）；2021年我国3D打印产值265亿元，大多数都用在航空航天、军工等，均未形成大规模标准化生产。

　　由于钛合金的低热导率，传统CNC技术加工钛合金刀具损耗大，根据艾邦高分子，传统CNC加工钛合金良率仅30-40%。而3D打印技术避免了刀具切削环节，且激光器和金属粉末的降价，使得3D打印钛合金成本逐渐与CNC加工平价。

　　2023年7月，华为荣耀MagicV2折叠屏手机铰链宣告使用钛合金3D打印技术制造，实现首次3D打印在消费电子领域的规模化应用。据彭博社，Apple Watch Series9的表壳采取不锈钢粘结剂喷射（Binder Jetting）金属3D打印；Apple Watch Ultra的数字表冠、侧按钮和一些其他操作按钮使用钛合金粉末床激光熔融（L-PBF）金属3D打印生产。如果智能手表的测试成功，苹果或将寻求在未来几年内在更多产品上使用该技术。

　　2023年9月，苹果在秋季发布会上发布了全新的iPhone 15Pro手机和Apple Watch Ultra2手表，二者的边框均使用到了钛合金材料；今年10月，小米发布小米14系列手机，其中小米14Pro提供了钛金属特别版。在以上使用了钛材的3C产品中，荣耀折叠屏轴盖和AppleWatchUltra2表壳均为单一钛合金材质，而苹果和小米手机则使用了钛铝复合材料，即内部的底板为铝，外部的边框为钛，其中苹果手机使用了钛合金，小米手机使用了99%纯钛。相较于此前3C行业普遍的使用的铝合金和不锈钢，钛合金CNC加工难度明显增大，3D打印成为另一种颇具前景的可选加工方式。

　　头部厂家的示范效应之下，未来3D打印技术有望拓展至更多消费电子科技类产品，钛合金在3C行业中的应用已形成趋势。

　　3D打印分为金属3D打印和非金属3D打印，其中金属3D打印技术PBF已实现广泛工业应用，DED已形成工业化应用。增材制造工艺分为7类，不同技术通常在材料、能量源、成型方法上有差异，其中4种路线D打印，粉末床熔融PBF（包括SLS、SLM、EBM、MJF）和定向能量沉积DED（包括LSF、WAAM）均可制造达到锻件标准的金属零件，是已成熟应用的技术路线。

　　以最普遍的使用的金属3D打印技术路线SLM为例，其加工原理为铺粉系统在加工平台铺一层金属粉末，激光在金属粉末的颗粒之间一次一层地烧结成型。解决了复杂结构零件的加工制造问题，非常适合于制造具有复杂内腔结构的难加工钛合金、高温合金等零件。

　　SLM技术路线的主要设备厂商包括EOS、通快Trumpf、SLM Solutions、Concept Laser(GE)、铂力特、汉邦、先临/易加三维、华曙高科。国内设备厂商华曙高科、铂力特的成型尺寸、扫描速度等各项指标已达到国际先进水平。

　　当前原材料金属3D打印粉末价格持续下行。以铂力特为例，2020-2022年自制金属3D打印粉末销售价格由144.5万元/吨降至78.2万元/吨，降幅为46%。预计未来仍将保持下降趋势。

　　加上激光器国产化推进，零部件采购单价呈下降趋势，使得3D打印设备端单价呈下降趋势；以及像铂力特2023年发布的BLT-A400、BLT-S400、BLT-S450多激光配置方案，从设备激光器数量、粉末循环系统、配套软件等方面提升设备的生产效率和稳定能力，钛合金3D打印仍有很大降本空间。

　　专业机构对钛合金3D打印的成本进行拆解，在对未来3D打印粉末材料价格和3D打印设备价格的下降幅度和3D打印效率提升的幅度做出审慎的假设后，发现钛合金3D打印环节的价格有望从当前的7元/g下降到2027年的3.64元/g，降幅接近50%。降本驱动后，3D打印在3C钛合金产品制造中的渗透率有望持续提升。

　　首先就钛合金技术切入消费电子领域看3D市场空间，目前已存在3款运用钛合金的设备零部件，专业机构测算铰链到2027年3D打印钛合金铰链渗透率到50%时，市场空间将达到60亿元。手机中框与智能手表方面，通过对智能手机/手表出货量的预估，对渗透率、价值量占比、单个手机用量、钛合金价格、粉末利用率的合理假设后得出，2027年在3D打印渗透率在20%的情况下全球智能手机和智能手表的市场空间分别为486.35亿元和63.42亿元，中国市场为108.20亿元和31.80亿元。

　　部分机构则认为，在2027年3D打印折叠屏钛合金轴盖80%渗透率，3D打印AppleWatch钛合金表壳80%渗透率，3D打印iPhone钛合金中框25%的渗透率前提下，2023-2027年累计的钛合金3D打印产品、3D打印设备、3D打印粉末、3D打印激光器和3D打印振镜的市场规模分别为198.43亿元、164.40亿元、24.19亿元、9.41亿元和12.22亿元。

　　而随着3D打印技术的发展，应用领域越来越广，新产品的研发制造驱动下游不断拓展，慢慢的变多领域正转变成增材制造生产。

　　根据从事增材制造业研究的美国咨询机构WohlersAssociates.（沃勒斯）统计多个方面数据显示，2021年全球增材制造产值（包括产品和服务）152.44亿美元，同比增长19.50%。经过30多年发展，增材制造产业正从起步期迈入成长期，总的来看近年来呈现快速增长趋势。根据沃勒斯预测，到2025E年增材制造收入规模有望实现298亿美元，2021-2025E年CAGR为18.24%；到2030E年有望达到853亿美元，2025E-2030E年CAGR为23.41%。

　　当前全球3D打印头部企业大多分布在在美国，我国3D打印行业仍处于成长早期，2021年我国3D打印行业规模在全球占比约17%，国内多项专利通过申请但未投入具体应用，核心技术与尖端人才是制约我国当前3D打印产业高质量发展的关键因素。

　　我国格外的重视增材制造产业高质量发展，近年来，国内3D打印市场应用程度不断深化，在各行业均得到了愈来愈普遍的应用。2017-2020年，中国3D打印产业规模呈逐年增长趋势，2020年中国3D打印产业规模为208亿元，同比增长32.06%。根据前瞻产业研究院预测，预计2026E年我国3D打印市场规模将超过1000亿元，2021-2026E年复合增速20%以上。

　　3D打印产业链上游分为打印原材料、核心硬件和辅助运行软件三大板块。原材料是3D打印产业链基石，参与者以具备全产业链布局的头部企业和粉材供应商为主。目前行业内常用的打印材料包括金属、塑料、光敏树脂、陶瓷和复合材料等五类，金属材料和复合材料是未来发展的新趋势。核心硬件和辅助运行软件国内外差距明显，目前国内呈多元竞争态势，国产替代潜力大。

　　中游包括3D打印设备制造及技术服务，是整个产业链的核心主体。国内厂家以桌面级打印机供应商为主，工业级打印机技术难度大、工艺技术要求高，国内厂家数量虽少，但普遍具备全产业链供应能力。

　　下游应用方式大致上可以分为直接制造、设计验证和原型制造，目前已经广泛渗透至航空航天、汽车、医疗等领域，其中金属工业级3D打印是未来重要增长极。

　　当中铂力特是国内金属3D打印核心企业，布局金属3D打印全产业链。公司创始团队是国内最早的3D打印研发团队之一，深耕金属增材领域二十余载，现已形成覆盖3D打印上游原材料、中游设备、下游制造的完整产品服务体系。

　　公司依托自研设备积极开拓下游航空航天、医疗等领域客户，定制化产品已进入小批量生产阶段。作为国内少有的具备全产业链供货能力的3D打印综合方案解决供应商，公司技术能力国内领先，随着我们国家不断加大3D打印产业的投入和政策支持，公司有望充分受益。

　　华曙高科是我国工业级3D打印设备领先企业，同时具备材料及软件自主研发和生产能力。企业主要从事工业级增材制造设备的研发、生产与销售，并提供3D打印材料、工艺和服务，产品应用于航空航天、汽车、医疗、模具等领域。公司是国内少数具备自主开发增材制造工业软件、控制管理系统并实现SLM、SLS设备产业化量产销售的企业，受益全球3D打印行业快速发展。

　　先临三维是国内齿科3D数字化稀缺标的，3D扫描技术国内领先。公司深耕3D打印行业17年，自主研发拥有从3D数字化设计到3D打印制造的软硬件一体化完整技术链。公司齿科数字化产品丰富，包括3D口扫、3D桌扫、齿科DLP打印机（含材料）、CAD/CAM系统等，技术优点是前端的扫描，目前高毛利率的自研扫描仪慢慢的变成了公司的主要产品。

　　银邦股份则是高端金属复合材料领先企业，其子公司飞而康是国内最早从事金属3D打印应用服务的厂商之一，深耕航空航天业务十余载，建设工业化生产工厂，积极推动3D打印产业化应用。飞而康是国内首家通过金属3D打印适航认证、拥有金属粉末制备-金属3D打印部件制造-热等静压处理-性能检验测试完整生产的基本工艺的企业，制造的3D打印零件已被批量应用到C919飞机的生产中。

　　光韵达的全资子公司通宇航空有十年航空装备制造与管理经验，产品有多型号机加工及3D打印航空零部件，主要客户为成都飞机工业(集团)有限责任公司。通宇航空毗邻核心客户，是其航空零部件和3D打印供应商，在与成飞集团多年的合作中，公司已融入成飞供应链，成为重要供应商之一。

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