首页一、增材制造行业介绍
1.1工艺原理及技术路线分类
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增材制造工作原理：又称3D打，是一种快速成型技术，以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分离离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织进行逐层堆积粘结，最终叠加成型，制造出实体产品。因此，3d打印可以简单的理解为多层二维打印，3D打印一般使用特制的材料，基于坐标系，按照三维的图纸，将其一层层喷涂或熔结到三维空间，从而制造出传统工艺难以制造的高复杂度产品。
传统打印的区别：与传统打印机类似，增材制造都是由数据驱动完成打印，且集合了软件、机械和电子等多个学科，但两者在打印材料和原理上有较多区别，例如传统打印主要是二维打印，数据输入主要以图片、文字等为主，而3D打印机输入源主要是以特定的三维模型等为主，因此较传统打印相比需要切片等步骤。目前3D打印技术主要包括金属和非金属两大类，金属类近年来发展较快，因此后面将着重针对金属增材制造进行介绍。
增材制造技术路线：技术路线的不同直接影响到加工的方式和最终成型零部件的尺寸、精度和强度等。目前增材制造的主要技术路线大致可以按照材料及形态、热源、送料方式等进行分类:
材料：目前主流的材料包括金属材料和非金属材料，两者产值比约为4：6。截至2021年，可用于3D打印的材料种类达到了2486种，其中包含988种金属、1222种聚合物以及219种复合材料。材料是根据需求选择的，同时，热源的选择也这制了材料的熔点。由于增材制造率先在航空航天等领域得到应用，近年来金属材料增速较快，2009-2020年全球金属原材料营收年复合增速达37.0%。金属材料中应用较多的包括钢材、铝合金、高温合金和钛合金等，同时有部分材料存在活性较强的问题，比如镁合金，在粉末状态下容易引起粉尘爆炸等风险，虽然可以通过全程气氛保护的方式实现加工，但由于成本过高和风险太大的原因，一直以来都停留在实验室阶段。非金属材料包括聚醚醚酮、陶瓷材料等，还包括细胞组织等；
材料形态：粉末材料是目前最常用的金属材料形态，此外，还有丝材、片材和液体等多种材料形态。增材制造对材料的要求与传统的加工工艺有所不同。以粉末为例，一般用于粉末冶金行业，粉末冶金工艺是将粉末预成型后使用高温高压的条件进行最终定型的工艺，整个过程中粉末发生的物理冶金变化较为缓慢，材料有充分的时间融合反应。而增材制造工艺在热源的作用下的冶金变化是极快的，
热源和粉体材料直接接触，粉体材料没有模具和外部压力的作用。因此对于粉体材料的球形度、空心度以及粉径要求较传统的粉末冶金有所不同；热源：综合考虑气氛、成本、材料熔点以及技术难度等因素，目前大部分企业采用激光作为增材制造的热源，此外，高能电子束、等离子和电弧等也由于各自不同的特点在不同场景下得到应用。电子束和激光的工作原理不同，电子束是高能电子穿过靶材的表面进入一定深度后，通过振动靶材的分子实现将电子的动能转化为热能，而激光的加热方式则是直接使用光子加热靶材表面，激光并未穿透靶材，由于烧结材料的熔点和最终成型零部件的区别，不同的热源会形成不同的结构，在气氛保护上，高能电子束往往要求真空环境，而激光需要惰性气体保护；相比之下，等离子和电弧等热源主要依靠焊接热源将原材料融化，按照成形路径层层堆叠形成金属件，因此无需气氛保护。此外，还有部分热源是使用基板/基材加热的，目前国内使用的较少；
1.2工艺优缺点
由于增材制造的加工过程具有由二维到三维的堆叠特征，因此具有较为鲜明的优缺点：
优点：(1)可快速加工成型结构复杂的零部件。3D打印是将三维切片以得到二维的轮廓信息，通过叠层的方式实现零部件成型。因此这种方式不受零部件形状和内部复杂度的影响，尤其是制造一些结构复杂、使用传统工艺较难或者成本较高的产品时，具有突出优势。同时，定制化的特点使得3D打印可以根据消费者需求自由定制形状，真正实现按需生产；
(2）缩短产品研发周期。使用增材制造技术制造零部件直接由模型驱动，无需模具、夹具等辅助工具，凭借增材制造快速成型快速迭代的特点，可以有效的加快新产品的研发周期，节约昂贵的模具费用，提高产品迭代速度；
(3）材料利用率高。传统加工工艺会产生大量废料，存在相当的余料价值损耗，增材制造技术根据二维轮廓添加材料，按需制造，加工材料可回收二次利用，因此材料利用率显著高于传统加工模式。尤其是对于较为昂贵的金属材料如钛合金、高温合金等，可节约大量成本；
（4）实现一体化、轻量化设计。3D打印的应用可以在保证零部件性能的前提下，通过拓扑优化、结构设计等方法将复杂结构经过变换重新设计成简单结构，从而减轻重量，同时3D打印一体成型的加工方式也较大的节省了铆接和焊接的部位，从而进一步提升产品的可靠性；
(5）提高供应链柔性。3D打印省去了雇佣较多产业工人、使用大型产线的建设点火试车环节，根据需求及时调整产能，具有“去模具、减废料、降库存”等优点，缩短产业链、提高供应链可靠性以及减少库存风险方面具有较大优势，在供应链安全受到挑战以及需求不确定的当下具有现实意义。
缺点：金属增材制造技术在加工材料、加工精度、表面粗糙度、加工效率上较精密加工仍有较大差距，而小批量的情况下实现了力学性能上，金属增材制造技术已经满足铸造的水平，部分零部件经过热处理后接近锻造水平，因此目前增材制造技术主要的竞争技术是小批量的精密铸造，在部分领域对锻造构成挑战。
1.3金属增材制造处于技术成熟度曲线第四阶段
技术成熟度曲线(the Hype Cycle)：技术成熟度曲线又称Gartner炒作曲线，X轴为时间，Y轴为期望值，曲线描述了新技术的发展过程，从诞生到过热，到低谷，最后为人们理解和接受的完整阶段。技术成熟度曲线一共分为五个部分，目前我们判断金属增材制造在航空航天领域的应用处于第四阶段：
上升期：一项新的技术突破、样品成功试制等重大事件，标志着某项技术进入了人们的视野，该阶段是新技术最容易凋敝的阶段，大部分的技术路线在这一过程中都无法得到足够的应用而被抛弃。而行业巨头应用、国家政策支持或者资本的介入都会快速的提升人们对于新技术的预期，大量的初创企业出现。一般这个阶段，新的技术会在各大高校和科研院所诞生，但仅有少数技术能够得到产业界的认可，走出实验室；
过热期：随着技术走出实验室逐渐为人们了解，预期出现顶峰，大家对创新技术报以厚望，甚至高于其实际能力，该阶段最容易形成投资泡沫，大量的资本进入也推高了人们的期待，企业遍地开花。但此时的国产化率仍处于较低水平，核心的设备和工艺尚未掌握，因此大多情况下呈现出“两头在外”的代工模式。大量的资本进入催生出众多初创企业，但是大部分企业产品仍然属于低价值的初级阶段，不能满足实际需求；
低谷期：随着应用的落地，人们发现结果并不如预期，低于预期的财务受益和价值增值使得资本开始离开。伴随而来的是原先并没有自我造血能力的产能进行出清。顶峰期大量收购企业行业巨头账面上累计的商誉陆续减值，行业内外的资本退潮和补贴的退坡加速了产能的出清，随之而来的质疑让从业者的迷茫加深；
成长期：一些早期的企业克服了一些困难，解决了一些缺陷，并开始获得收益，可以继续努力前行。一些有潜力的技术路线和应用开始慢慢进入到试验阶段，进而产生正向的循环，与此同时，有较强预见性的产业资本开始进入行业，推动行业进入了第二轮发展期，此时的国产化设备渗透率伴随着产业规模的提高而扩大，内生性需求开始产生，产能的投资也开始进入了理性的爬坡期。随着技术成熟和需求的产生，赚钱效应开始出现，大量资本开支和一级融资项目的活跃标志着行业进入到快速发展期；
成熟期：技术的实际效应得到了产业内的客户的认可，越来越多的企业开始接受并使用该技术，产业进入成熟期。这个阶段，虽然利润在增长，但是技术路线和产业竞争格局开始稳定，于是资本开支开始放缓，产业进入到下一个技术的更新迭代中。
历史沿革：
早期阶段（1984年以前）：3D打印技术最早可以追溯到19世纪，摄影技术发明后，人们就开始讨论如何在三维空间中记录我们的影像。1859年，法国雕塑家佛朗索瓦首次设计出多角度成像获取物品三维图像的方法，是今天3D扫描技术的鼻祖。1981年5月，名古屋工业研究所的Hideo Kodama博士发表了快速原型的详细信息，该研究是逐层打印的第一篇文献。1982年Joseph Blanther发明了用蜡板层叠的方法制作等高线地形图的技术。1984年，三名法国工程师申请了立体光刻工业的专利，随后因为受限于计算机数字化建模、激光、材料等多方面因素，增材制造技术不具备商业前景而放弃了该项专利。而具有商业头脑的商查尔斯胡尔（Charles W.Hull)获得了这项专利，并规定了STL的文件格式和数字切片的方法，使用紫外线固化光敏聚合物成型，通过这项专利，查尔斯成立了3Dsystem公司，这是3D打印产业的萌芽期。
发展阶段（1984-2006年）：3D打印技术在1984-1996年得到了商业化，SLA(1984)、FDM(1988)、SLS(1992)、3DP(1993)、EBM(1994)以及SLM(1995)等目前主流的增材制造技术相继出现，而由于当时激光器功率较小，光纤激光器无法完全熔化金属，因此前期的3D打印技术主要围绕树脂等非金属材料，或者类似于SLS技术在金属表面附着一层非金属材料实现粘结，在性能上有所欠缺；
成长阶段（2006年至今）：2006年以来，行业进入了快速上升期，行业内有名的开源项目RepRap和Fab@home的出现以及FDM等专利技术的到期将消费级3D打印推上快车道。老牌增材制造企业如3Dsystem开始了大量的并购，账目上积累的商誉成为日后的隐患。金融危机之下，增材制造被寄予厚望，奥巴马国情咨文的演讲将3D打印行业推上新的高潮。国内对于增材制造技术的关注也源于海外的一片火热，2012年《十二生肖》中快速成型的技术引起人们的关注，随后2014年桌面级3D打印的热潮席卷国内，短短一年内涌现出上百家企业，国内增材制造进入过热期。在此之前仅有北京太尔时代和杭州铭展等少数企业，大部分企业从事的是两头在外的销售模式，核心技术和需求均依赖海外，因此在需求证伪的情况下进入了寒冬，短短两年内大量企业倒闭。在顶峰期大量收购企业的打印设备巨头3D system账面上累计的商誉陆续减值，行业内外的资本退潮和补贴的退坡加速了产能的出清，随之而来的质疑让从业者的迷茫加深，行业进入低谷期；
1.4产业政策助力行业健康发展
背景介绍：自3D打印技术诞生以来，一直面临与传统工艺的对比，因此产业的发展以及政策扶植一般来源于现实的危机。1998年，受到东南亚经济危机的冲击，需求变得不稳定，同时供应链的安全被各国政府愈加重视。以美国为代表的发达国家制定了一系列3D打印相关的技术发展路线图催化相关产业的成熟。当时由美国国家制造科学中心领导的增材制造技术路线图开发得到了美国工业界、政府界以及学术组织的支持，形成的路线图将快速成型技术分为三个子类别，包括设计验证系统、过渡技术系统以及直接制造系统，它预测了行业的演进，虽然相关术语时至今日已经改变，但大体框架却保留了下来；
1.5新形势下，全球供应链重塑带来增材制造的快速发展
二十世纪二十年代以来，全球主要面临三大矛盾：原材料价格高位滞涨、供应链 安全遭遇挑战和国际冲突日益尖锐——物流成本抬高、生产效率降低，逆全球化的思 潮冲击了人们本就脆弱的信任，供应链安全遭受挑战，地缘政治和局部冲突加剧了地 区的不安全感，提高了对于快速响应和武装军队能力的要求，三大矛盾相互影响，构 成了当今全球供应和需求双双不稳定的新局面； 增材制造的出现让各国发现了新形势下缓解原材料价格高位、供应链不稳定以 及装备产能瓶颈的新方法——增材制造的材料回收率相较于传统工艺高、短流程的生 产模式适合产业工人短缺以及基础工业薄弱的国家，而在国际地缘政治中受到威胁的 国家，快速成型技术可以使其短期内具备较强的武装力量，因此近期各个国家都在积 极使用增材制造技术解决其面对的问题； 以沙特为例，2022年12月中国代表团访华期间，沙特各企业与中国签署了一系 列企业合作协议，涵盖了运输、物流、医疗、建筑和制造业等等领域，协议价值高达 300亿美元，其中代表团中出现了中国的3D打印企业西帝摩，沙特使用增材制造技 术解决其油井钻头的更换，其无模具短流程短周期的特点，使其实现了钻头的快速更 换。而沙特独特的地理条件和薄弱的工业基础也使其无法实现大规模的铸造，因此增 材制造将成为其解决自身供应链安全、减少库存备货和仓储物流成本的重要方法。
1.6小结
作为新兴工艺，通过降维成二维烧结逐层堆叠的加工模式，增材制造具有传统的变 材制造和减材制造不具备的优势，对于超复杂结构、短周期高柔性需求以及高性能要求 部件，其适应能力更强，制造成本更低。经历了上升期、过热期、低谷期，在2016年军队体制改革完成后新的武器装备定型以及2020年供应链不稳定性加大的背景下，增材制 造逐渐被人们重视，各国纷纷出台产业政策扶持，行业进入了快速发展期，我们认为增 材制造技术已经步入技术成熟度曲线的第四阶段。
二、增材制造行业竞争格局
2.1产业链情况
3D打印行业大致可以分为上中下游三个环节。其中上游环节为原材料及零件， 包括3D打印原材料、核心硬件和软件等，中游为3D打印设备和服务，其中在产业发 展初期国产化率尚不高的情况下还存在3D打印设备代理商，下游主要为航空航天、 汽车、医疗、消费及电子产品等领域：
上游——增材制造行业上游主要包括3D打印原材料、核心硬件和软件服务： 3D打印原材料：是影响产品质量的重要因素，目前使用的金属粉末要求纯净 度高、球形度、粒径分布窄、氧含量低。目前国内的金属3D打印材料已经基 本满足国产设备及下游需求，设备厂商一般与第三方材料厂商合作开发各类 金属材料及熔融工艺，少量3D打印设备及打印服务厂商会自主生产金属3D 打印材料。目前国内比较知名的3D打印粉末提供商包括有研粉材、中航迈 特、威拉里、宁波众远、西安赛隆等； 核心硬件：增材制造使用的核心硬件包括振镜和激光器，目前国内大部分企 业主要采购自美国和德国，存在依赖进口的情况（以华曙高科为例，2022年 上半年振镜国产化率为0.9%，激光器国产化率为30.1%）。
随着国产振镜和 激光器的研制成功及性能提升，目前已实现部分进口替代。比较有名的激光 器或振镜提供商包括锐科激光、创鑫激光、大族斯特、正时精控、金橙子等； 公司间业务种类犬牙交错：经过多年的发展，产业链中分化出多种增材制造企业类 型，他们业务相互交错，形成了独特的业态分布： 纯粹的增材制造企业：以铂力特、华曙高科、飞而康、鑫精合为代表的企业，为了扩 充体量、争取足够多政策和融资的支持，大多向产业链上下游进行延伸，在多个领域 进行布局，形成了增材制造的产业生态。同时，近年来，在军民融合和武器定型放量 的大背景下，军工的订单呈现出“小核心，大协作”，即以主机厂为核心，在国内军 民企业中寻找配套厂商，民营企业深度参与武器装备的研发、试制和量产。
在这一背 景下，增材制造企业也深度参与了航空航天领域零部件的试样，得益于军品订单的快 速释放，行业内的部分头部公司纷纷拓展了从粉末到设备到服务的全产业链生态； 传统业务转型的巨头：以天工国际、有研粉材、抚顺东工、敬业增材和钢研集团为代 表的传统行业巨头纷纷入局，该部分企业凭借自身资本、产业、技术以及客户渠道等 资源优势，在产业中取得了一定的优势； 下游客户研发部门：此外还有一些行业参与者，他们属于各企业的科研单位，他们既 是下游的终端客户，同时也参与到产业链的各个环节，是产业内不可忽视的力量。例 如各大主机厂的科研单位，他们也会采购和招标金属增材制造设备，建设打印服务中 心，以满足自身科研和批产的需求。
2.2竞争壁垒
技术传承：目前主流的增材制造技术主要分为选区熔化和直接能量沉积两条，下 面将讲述两条技术路线的技术传承： 选区熔化：选区熔化技术主要包括激光选区烧结（SLS）、激光选区熔化(SLM) 以及电子束熔融成型(EBM)等。选区激光烧结（SLS)技术最早由美国德克萨 斯大学奥斯汀分校的CarlDeckard学者在其硕士论文中首次提出，此后由DTM 公司将其商业化,即SinterStation 2000,随后的DTM为3D System公司收购, 而最早广义的SLS包括了非金属和金属两种加工工艺——区别在于非金属烧结对 温度场和气氛控制的要求较高，而金属烧结则对激光能量密度和控制精度有较高 要求。
由于SLS技术在烧结金属的过程中，金属并未完全熔融，因此成型后的零 部件在性能上有所缺陷，因此诞生了SLM技术，与SLS的区别性于金属粉末在 加工过程中被快速熔化。SLMSolution是选区激光熔融（SLM）路线的先行者， 此后涌现出3D system、EOS、雷尼绍以及GE等公司，技术路线得到了快速发 展。早期在激光器功率不够的情况下，烧结金属的温度不达标，因此主要采用粉末外层包覆复合粘结剂的方式烧结，随着近年来高功率激光器的出现，直接烧结 金属的工艺也愈发成熟。国内高校最早于上世纪90年代引入SLM技术，西北工 业大学、华中科技大学以及北航等学校研究较多。2010年以后，铂力特经过市场 调研，瞄准了SLM技术作为主要的攻关方向，随后逐步形成了EOS代理加工、 自研设备和打印服务的收入结构。DTM的创始人许小曙从3D system离开后， 回国创办了华曙高科，由SLS技术向SLM路线延伸，并逐步发展出非金属和金 属两大技术路线。
此外，EBM(电子束熔融成型)由瑞典的Arcam最早商用化， 随后在国内的清华大学、西北有色研究院等研究机构有所应用，目前国内主要是 清研智束、西安赛隆等企业； 直接能量沉积：能量沉积包括电弧增材制造（WAAM)、激光立体成型（LSF)、 电子束能量沉积（EBFF)等。电弧增材制造技术主要是起源于英国的克兰菲尔德 大学，随后挪威钛等公司将其商业化落地，国内的南京理工大学、华中科技大学 以及西安交通大学凭借焊接领域的积累，研究成果先后在英尼格玛、武汉天昱以 及西安增材创新研究院落地转化。激光立体成型最早由美国各高校的国家实验室 发明，其中技术水平较为领先的是美国能源部下属的AreoMet,此后国内如西工 大、北航等高校也开始了研究，并在中科煜宸、鑫精合、北京煜鼎、铂力特等企 业进行了成果转化。而电子束能量沉积技术由于应用较少目前国内没有知名的企 业。
2.3设备大型化、打印中心出现以及国产替代趋势明显
行业趋势：虽然国内整体的增材制造水平较国外有较大的差距，但国内头部的金 属增材制造企业经过多年的发展和积累，在产业化应用和规模生产方面已经处于国际 领先水平。尽管在其他行业的研究中，投资者普遍性的将国内的上市公司与海外的公 司进行对比，但我们需要指出——海外上市的增材制造企业主要为民用领域为主，技 术也主要是粘结剂喷射、光固化等成本低、精度低的路线为主，而国内已上市和待上 市的增材制造企业则是高精度、高成本的SLM等技术路线。除了由于海外高精度、高 价值量的增材制造企业大多是某巨头的业务部门(如GE additive)或家族企业(如EOS）暂未上市计划，国内近年来航空航天大量的业务需求也使得行业内公司营收规 模达到了上市条件，因此国内外上市的增材制造企业并不能简单的横向对比。
而下游 客户的需求牵动了产业链的发展升级方向：1）航空航天领域集中式的需求爆发，带 动上下游军民企业加工中心的出现，2)主战装备大型零部件的需求提高，带来了对 于增材制造设备大型化的需求，3）航空航天自主可控的要求促使国产核心零部件的 替代进程加快： 设备大型化：增材制造在大型钛合金件上的应用已逐渐成熟，针对下游客户的需 求，增材制造企业不断提高装备的尺寸，以铂力特为例，其开发的S系列设备从 S210的100mm尺寸到S1000的1000mm尺寸，在尺寸变大的同时，激光头的 数量也随之增多，成型效率从15立方厘米每小时上升到最高300立方厘米每小 时，提高了20倍。根据产业调研信息，每多一个激光头，成型效率提升在20-50% 左右不等，目前尚未见到瓶颈。此外，由于打印舱体的空间有限，目前激光头和 振镜的数量是效率提升的瓶颈，因此利用振镜对激光进行分光的技术将是未来增 材制造成倍提升效率的重要技术；
国产化替代加速：国产化替代既是下游客户为了自身供应的安全性和多元化的必 然要求，同时也是设备制造商自身出于降本增效，提高产品竞争力的考虑，市场 竞争的结果。与十年前国内大量采用海外进口设备相比，近年来国产增材制造设 备的市占率逐步提升，以铂力特为例，上市前，铂力特的海外设备制造商代理收 入占比高达27.5%，近年来公司加大自研设备研发投入，代理业务逐渐减少，2022 年公司实现了设备的全部自研。同时，设备制造商也在积极探索核心零部件的国 产化。对于激光选取熔化路线（SLM）来说，目前主要的核心零部件包括振镜、 激光器、花键、电机，其中振镜和激光器国产化率仍然处于较低水平，也是设备 中价值量较高的核心零部件。
根据华曙高科答复函，2022年上半年，国产激光器 如创鑫激光已经实现部分供货，单价为2.75万元，相较于公司整体采购价4.55 万元下降较多——一方面是由于公司采购较多的进口IPG激光器具有效率高、能 耗低、精度高等优点，同时运行时功率衰减少，具有良好的稳定性，因此相较于 其他激光器价格较高；另一方面是由于国产激光器生产成本、议价能力相较于海 外激光器低。因此综合来看，近年来随着国产激光器厂商的加入，激光器的平均 采购价格逐年降低。 除了目前较为清晰的三大趋势以外，拓扑优化也愈发成为近年来人们关注的重要 话题，站在当下时间点来看，虽然目前第三方的拓扑优化团队尚未形成规模，但随着 下游需求的多元化以及客户群体的分散化，我们认为，针对特定客户和特定场景的拓 扑优化将成为主流。增材制造与拓扑优化彼此需要、相互促进，甚至带来新的需求：
1)拓扑优化与增材制造彼此需要:拓扑优化是一种根据给定负载情况、约束条件和 性能指标，在给定区域内对材料分布进行优化的数学方法，因此拓扑优化主要是基 于有限元网络而非几何的。目前连续体拓扑优化的研究已经较为成熟，比较知名的 工业软件包括美国Altair公司的Hyperworks系列软件中的OptiStruct和德国 的Fe-design公司的Tosca（目前已经被达索收购，集成到Abaqus中）。拓扑优 化和增材制造的集成能够充分发挥两者的优势和潜力。区别于传统的经验式的设 计模式和面向设计的性能评估，拓扑优化实现了根据性能要求建立模型，并针对需 求进行优化。而经过拓扑优化的方案存在的大问题是结构形式复杂、可制造性差， 而拓扑优化是通过有限元分析和计算机仿真模拟计算的结构，因此只有在不考虑 结构工艺约束的情况下才能发挥最好的效果。
早年间工程师尽管通过拓扑优化设 计了很多结构独特、高性能的产品，但是往往囿于工艺限制不得不进行妥协，遵循 “实现性优先”，舍弃原有的优势。增材制造的出现解决了这一问题，通过堆叠的 方式将三维的实体转化为二维的加工过程几乎对复杂度不敏感，从而实现了自由 化的设计。因此企业可以根据自身需求设计并打印复杂的产品，不再受到工艺和制 造资源的束缚的工程师也能够真正实现“设计即生产”，因此增材制造让拓扑优化 的价值得以完全发挥。同时，另一方面看，增材制造离不开拓扑优化，由于增材 制造的原材料价格较传统工艺高，因此要实现平价甚至经济上的优势，拓扑优化是 重要的方法。通过拓扑优化确定和去除不影响零部件刚性的材料，在满足功能和性 能要求的基础上实现轻量化，不仅美观独特，而且节省了大量材料，尤其是昂贵的 原材料。因此从这个角度来看，拓扑优化与增材制造相辅相成、互相成就，拓扑 优化技术是增材制造工业软件的核心技术之一；
2)设计评估与自反馈闭环：增材制造的零部件在打印前、中、后期均需要进行评估， 典型的评估方法包括性能仿真和点阵仿真。在打印过程中往往会碰到过度变形、部件 开裂、刮板碰撞、支撑断裂等等问题，这与打印前的仿真模拟息息相关。与传统方式 不同，增材制造的成本很高，无法承担多次打印失败的风险，因此仿真环境尤为重要， 而全数字化的设计及加工方式也为数字孪生提供了可能。由于增材制造涉及到材料 的快速熔化和凝固，因此对于熔池的动力学控制以及晶体结构的生长要求更高。一款 设计方案诞生后，需要进行数字仿真模拟，然后根据仿真模拟结果优化设计和支撑方 案，接着进入下一轮的模拟，直至通过模拟测试。随后，在设备中进行线程试验，试 验过程中，软件进行实时模拟仿真，预判可能出现的问题并及时调整。打印结束后， 根据部件后续的性能测试进一步优化设计方案，形成闭环；
3）创新设计拓展新的需求：在目前的增材制造应用中，下游往往会希望增材制 造能够替代已有的零部件的制造工艺，诚然，这是目前下游客户最容易接受的路径但我们同时需要指出，尽管目前大部分的需求仍来自于已有的工艺替代的需求，但新 的需求将诞生于创新的设计——例如文创产品，通过拓扑优化和点阵设计的文创产品 将引发消费者的购物欲望，从而催生出新的需求。因此，从供给端的角度来看，将来 随着增材制造的特性与创新性的设计结合，将在更多的领域催生出新的需求。
2.4增材制造成本下降曲线分析
增材制造成本拆分：为了分析增材制造的成本下降的可能性，我们将增材制造加 工过程分为八个过程，分别为气体消耗成本、设备调整成本、冷却分离和表面处理成 本、设备维护成本、粉末成本、电能消耗成本和折旧成本，此外，还有预先设计与研 发的支出成本。在这些成本中，气体消耗成本、设备调整成本、冷却分离和表面处理 成本、设备维护成本等均属于历史统计即可得出的数据，由于技术进步较慢等原因在 短期内不会发生太大变化，而粉末成本、电能消耗成本以及折旧成本，由于与零部件 的情况相关，因此需要具体分析； 我们将历史相关的成本参数进行了估计，并以一个具体的零部件为例分析相关成 本结构以及敏感度。
我们假设了一个零件大小935mm*526mm*1463mm的钛合金零 部件，由于粉末烧结过程需要附加额外的支撑结构以维持零部件的形状，此处假设支 撑部分占零部件的比例约为10%，模型复杂度方面，设定单层层高为20um，模型复 杂度为0.06(即零部件实际成形速度相对于打印机堆积效率的比，越小说明越复杂）， 以铂力特S1000打印机为参考，得出最终的成本大约为119万元，其中折旧费用和 粉末成本最高分别占比48.3%和36.6%；
根据我们对柏灵激光、飞而康、威拉里、西安赛隆等企业的调研，2012年以来， 设备端成本下降了4/5、材料下降了3/4、效率提升四倍、所需支撑下降了33%，良 品率提升了10个百分点，分析成本下降的主要原因是加工效率提升带来的单缸机时 的下降、规模生产粉末的价格下降、支撑优化后粉末用量的下降。根据我们的模型计 算，2012年以来总成本下降了84.2%，预计未来到2025年设备成本下降50%，材 料价格下降20%，沉积效率提升3倍，支撑比例不变，良品率提升3个百分点，总 成本下降一半。由于增材制造计算成本是按照机时折旧与粉末消耗为主，因此与注塑 成形和粉末冶金相比，在零部件数量满足一定条件的情况下，将具有优势；
2.5小结
增材制造的产业链大致分为上游的原材料、核心零部件以及软件服务，中游的打 印设备和打印服务以及下游的具体应用等。经过多年的发展，产业链衍生出不同类型 的企业，包括了纯粹的增材制造企业，为了争取足够的资源，他们大多依靠自身优势 向产业上下游延申，形成自身生态；也包括了传统业务转型的巨头，凭借自身积累在 产业内取得了一定优势；还有一些下游客户自身的研发部门，由于对自身行业有较多 了解，因此通过与设备厂合作参与到打印加工环节，拥有一定的议价能力。从技术传 承来看，增材制造大致分为选区熔化路线和直接能量沉积路线，相似路线可以延伸和 拓展。同时，增材制造具有一定的竞争门槛，包括技术壁垒、认证资质壁垒、人才壁 垒以及先入壁垒。从行业发展趋势来看，国内和海外上市企业出现了一定的分化，国 内的增材制造企业朝着设备大型化、打印服务规模扩大化以及国产化替代的方向发展。
同时，未来随着增材制造下游应用越来越多，第三方的拓扑优化企业将会越来越多， 通过将增材制造的工艺和行业知识结合，传统的设计方法将会被面向需求的拓扑设计 方法替代，并衍生出更多新的需求。最后我们根据产业调研和历史数据拆解了当前增 材制造的成本结构，得出了在一定的生产数量内增材制造的成本低于注塑成型和粉末冶金，随着增材制造各环节成本的降低，将其临界数量将逐渐右移，带来更多的需求 应用。
三、增材制造行业需求情况
全球3D打印市场进入快速发展期，我国增速突出：经过多年发展，增材制造产 业进入了快速发展发展期，根据《Wohlers Report2022》报告显示，2021年全球增 材制造市场规模达到152亿美元，同比增长19.5%，其中产品市场规模为62.29亿美 元，同比增长17.5%，服务收入为90.15亿美元，同比增长20.9%，2017-2021年年 复合增速20.1%。
根据报告预测，到2025年增材制造收入规模较2021年将增长近 2倍，达到298亿美元，到2031年增材制造收入规模将较2021年增长5.6倍，达 到853亿美元。而我国的增材制造产业近年来增速明显快于全球，根据中国增材制造 产业联盟估算，2021年我国增材制造企业营收约265亿元，近四年平均增长率约为 30%，较全球平均增速高出近10个百分点，2021年，50家规模以上企业总营收达到 91.2亿元，比2020年的65.5亿元增加近30亿元，同比增长39.2%。
根据赛迪顾问 预测，未来三年我国3D打印产业复合增长率为24.1%，2024年产业规模增长至500 亿元； 下游应用领域多元化，应用深度不断拓展：增材制造已经被广泛应用于航空航天、 汽车、医疗等领域，并逐步被尝试应用于更多领域。如航空航天领域，具有成本不敏 感、性能要求高、减重需求大等特点，因此增材制造的先天优势较大，成为了近年来 应用领域最多，价值量占比最高的领域。医疗/牙科领域定制化需求较多、消费者价格 承受力强，同时时间周期较短，也非常适合使用增材制造产品。此外，在汽车、消费 电子、科研等领域，增材制造均发挥着重要作用，此在各个领域均具有较大的增长 潜力。根据Wohlers Report 2022报告显示，2021年增材制造主要应用于航空航 天、汽车、消费与电子品、医疗/牙科、学术科研等领域。
3.1航空航天
根据Wohlers Report 2022的统计,2021年全球航空航天需求占比16.8%,根 据AMpower预测，航空航天领域使用增材制造技术制造的最终产品而非模具的比例 将大大提高。站在目前的时间点来看，航空航天领域的应用也印证了这一趋势，其应 用范围已经从零部件级（飞机、卫星、高超飞行器、载人飞船零部件打印）发展至整 机级（发动机、无人机、微/纳卫星整机打印）。
<1>增材制造实现卫星结构减重：2019年8月17日，千乘一号01星作为主星 搭载捷龙一号遥一火箭升空，卫星发射入轨圆满成功。千乘一号是目前国际上尺寸最 大的增材制造整星结构，使用轻量化的三维点阵结构完成设计，通过铝合金增材制造 技术一体化制备，整星历时14个月完成研制，重量65公斤。与传统卫星相比，传统 卫星结构承载比20%左右，整星频率70Hz,千乘一号01星结构承载比15%,整星 频率110Hz。该卫星采用铂力特的BLT-S600设备打印，内部采用点阵化结构，零件最小特征仅0.5mm，由于整体轮廓尺寸较大，因此整星内有超过100万个点阵结构 特征。通过宏细观一体化优化方法设计的千乘一号考虑了整体工艺约束和整星装配约 束，实现了点阵材料细观构型和连接结构的创新设计。目前该设计方法已经用于卫星 整星结构、相变储能热控结构与有效载荷支架结构，相较于传统的制造工艺，实现了 结构减重30-60%；
<2>国内外积极使用3D打印提升导弹性能：早在数年前，雷神公司已经用增材 制造技术制造出80%以上的导弹部件；ATK公司成功试验了3D打印的高超声速发动 机燃烧室；美国海军在2016年首次测试了采用3D打印的导弹部件。与此同时国内在 3D打印导弹部件的试验也同样不落后于美方。中国日报海外版发布了一篇题为《3D 打印加速中国导弹生产》的文章，文中介绍了航天科工集团利用3D打印技术加速巡 航导弹设计和生产的事例。三院的技术人员表示，采用传统的方法制造一个燃气方向 舵往往需要数十名技术人员和工人，花费一到两个月才能完成，涉及铸造和焊接等一 系列工序。而燃气方向舵用于改变发动机燃气流，用于改变导弹的侧向控制力，仅仅 是导弹上的一个小部件，而整个导弹中涉及许许多多的零部件，使用传统工艺步骤长、 生产时间长，同时考虑到多数导弹属于小批量生产，因此综合成本也不低；
<3>空间站与太空修复：随着我国的航天事业迈向深空，零部件的应急修复成为 了重要的课题，考虑到太空的失重环境以及其他星球表面不同的大气和重力环境，使 用特殊的材料可以实现在失重条件下微重力环境下的太空制造技术；
<4>火箭部件需要增材制造：近年来，随着星链计划的推出以及行业内对航天的 重视度提高，火箭发射将朝着高频次方向发展，因此加工的速度成为近年来商业航天 关注的重点。传统火箭制造由载荷、制导、推进和结构四个主要系统构成，多年来一 直依靠大型工厂、固定工具、复杂供应链以及大量成熟的产业工人，在2年或者更长 的时间内完成制造，而商业航天的公司囿于投资久期、发展历史、风险承担能力等因 素，不可能采用传统的火箭制造体系，而3D打印无库存、柔性生产、快速制造、性 能优异等优点完美的符合他们的诉求，在小批量的情况下，成本甚至较重新培育传统 供应链更少。因此3D打印几乎成为商业航天必选的技术路线；
<5>太空旅行将成为旅游业的重要环节：我们认为，航天产业的快速扩大必须依 靠太空旅游等新兴产业，尽管目前未来前景尚不明确，但随着深空技术的成熟，未来 太空旅游将成长为旅游业的重要一极。我们认为，太空旅行的发展与国际旅游业有相 似之处，1950年以后，随着世界经济的复苏以及人口的增长，旅行人次及旅行人口比 例持续提高，从1950年的1.0%上升至2018年的18.7%。
同时国际旅行的比例提高 与跨洋旅行的技术提升有关，1950年以后大型的邮轮、宽体客机技术的成熟拉低了整 体出行的成本。因此我们判断，随着深空推进技术的成熟以及大型载人工具的出现， 几十年后，太空旅行也将成为重要的旅行方式和目的地； 民航减重是直接效益：对于航空航天飞行器而言，减重是永恒的主题，增材制造 在点阵结构制造方面具有天然的优势，因此，目前已经在“锱铢必较”的国际民航客 机制造领域获得了实际的工程应用，如空客的商业飞机机舱隔板就是典型的代表，使 用点阵结构隔离乘客和乘务员区域，同时在紧急状态下还可以充当担架和安全座椅， 最终的成形部件由112个部件组装而成，相较于原先的蜂窝复合材料隔板减重45% （30kg），每年可以为空客节省46.5万吨二氧化碳排放量，并有望批量运用于A320 客机上；
3.2骨科医疗
根据Evaluate Medtec,2017年全球骨科器械市场规模为365亿美元，全球医 疗器械市场规模为4050亿美元，骨科器械占比9.01%。根据World Preview预测， 到2024年全球骨科市场规模将增长至471亿美元。2018年我国的骨科植入物市场销 售规模约为262亿元，同比增速16.4%，2010-2018年复合增速为17.5%。随着我国 进入老龄化社会，人均GDP的提高以及人们对于高水平生活需求的提高，国内骨科 植入物的市场有望维持15%以上的增速； 3D打印定制化方案为医疗带来更多可能：3D打印可以为医疗行业带来全定制 化的个性解决方案，并能在最短的时间进行加工制造。骨科植入物是理想的应用领域， 传统的金属加工方法需要首先制造出模具，对于只需要少量的植入物来说，生产成本 过于昂贵，因此大部分患者倾向于选择标准化的植入物，因此术后愈合和适配度并不 高。而使用增材制造技术，不仅解决了小批量定制化成本高的问题，同时缩短了制造 时间，也可以制造出更多轻量化、结构复杂的植入物，为患者预后带去更多方便：
3.3模具
模具是万业之母，主要应用于电子、汽车、电机、电气、仪器、家电和通讯领域， 其中，根据中国工业模具协会的数据，2020年汽车模具需求量34%、电子行业需求占 比28%、IT需求占比12%、家电需求占比9%，自动化需求占比4%，半导体需求占 比4%，其他行业需求占比9%。目前中、日、德、韩、意为主要的注塑模具和冲压模 具生产国，其中中国值最大。根据国家统计局数据显示，我国模具行业工业产值已 从2010年的1367.3亿元上升至2020年的3043亿元。 模具行业中使用增材制造的下游客户种类包括汽车、鞋等众多行业： 轮胎模具：采用3D打印技术设计的轮胎基模形状多样，与传统工艺相比减少了 基模生产步骤、提升精度、缩短了生产时间，3D打印可以解决复杂、异形轮胎基膜在 加工时出现的难题，更为轮胎基膜形状的多样性提供了更自由的设计空间。目前米其 林已经感受到增材制造的潜力，通过3D打印技术制造的雕塑系列轮胎Michelin Cross Climate+已经得到安全认证，这使得米其林的轮胎在市场更具竞争力；
3.4热交换器
散热器和换热器对设备的稳定运行起到重要作用，而增材制造技术为热交换器 的制造提供了更加紧凑、高效、模块化以及多元化的解决方案，尤其是对于异形件、 薄壁件、一体化件、点阵结构等复杂件的加工，3D打印技术拥有传统工艺不具备的 优势：
一体化结构：3D打印技术可以将几个零部件以整体的方式制造出来，这种高 效的设计方案使得热交换器不容易发生泄露，而且能够更好的处理高压应用， 而使用传统工艺制造的热交换器最大的风险之一就是泄露风险；薄壁结构：3D打印可以实现热交换器200微米的厚度，从而使得热交换过 程更加高效，而且即使这些薄壁结构很薄，但是仍然可以承受高温高压，同 时薄壁件对于材料的节省也是巨大的，尤其是较为昂贵的材料； 更换零部件：在热交换器的使用寿命中，腐蚀是不可忽视的重要问题，使用 增材制造技术可以对存在潜在风险的零部件进行更换，由于增材制造无需开 模，因此在修复及更换场景下就显得更加合适；
复杂设计：与传统加工方式不同，3D打印自由设计的理念可以用来制造各种 异形管道或者形状各异的翅片，不再需要钎焊来构建微通道板，这种几何自 由度可以使得3D打印的结构设计更容易，内部复杂度提升一个数量级； 定制化：由于热交换器是定制化，但是他们的定制化程度始终受到目前制造 技术的限制，3D打印突破了这些限制，使得目前的设计和制造可以应用于任 何应用的热交换器上；
轻量化：3D打印的交换器相较于传统工艺制作的交换器更轻更高效，在某县 案例中，3D打印生产的热交换器相较于之前轻约20%，效率高约20%。 热交换器市场前景广阔：随着现代工业的迅速发展，以能源为中心的各项问题和 矛盾日益突出，在寻找新能源的同时，人们也在寻找节能的方式。使用更高效的热交 换技术可以很有效的提高能量的转化效率。2019年我国的热交换器市场规模约为 1168亿元，2020年我国热交换器市场规模为1296亿元左右。 薄壁热交换器：3DMedlab使用EOS设备制造的薄壁热交换器翅片厚度达到 0.2mm,弯管厚度达0.5mm,整体尺寸为100*120*25mm。
通过达索的Solidworks 以及西门子的PLM软件进行仿真优化，热交换器的结构进一步得到了优化，经过重 新设计的新型热交换器不仅实现了轻量化，还避免了焊接带来的泄露风险； 多材料热交换器：德马吉森精机通过混合增材制造设备将铜与不锈钢粉末结合打 印出一体化的热交换器部件，将需要热交换效率高的部分用铜金属制造，从而在提高 热交换效率的同时节约了成本。此外，德马吉森使用SLM技术制造散热结构，然后用 另一台设备进行内部蜂窝结构的加工，使得整个零部件兼具了复杂的结构和较低的成 本，一体化成型的结构也避免了焊接的需求，提高了加工效率。
3.5小结
增材制造技术以其轻量化、复杂度高、制造周期短以及库存低等优势逐渐为航空 航天、骨科医疗、模具制造以及热交换器等领域认可，尤其是航空航天领域，目前已 经摆脱了简单的试验样品制造领域，进入到批量化零部件生产等领域。根据铂力特近 期的定增回复函中描述，目前锻造、铸造等传统制造市场已有超过千亿元市场规模， 金属3D打印作为其有效补充，预计可实现其中20-30%的技术替代，伴随着航空航 天、民用领域蕴含的巨大潜力，金属3D打印行业将迎来持续性的发展。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
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