3D打印领域的市场预测

3D打印领域的突 破性发展逐渐让我们看到了希望。 3D 打印技术在经历了20 多年的发展之后，逐渐进入各个下游应 用领域，产业整体保持较高的增速 。金属 3D 打印技术虽然起步较 晚，但发展迅速。以其特有的复杂结构件加工能力，满足特定工业生 产领域的需求。我们判断，3D 打印技术在金属加工领域将成为一种 重要的制造手段，与其他传统技术相结合，提升制造业的工艺和整体 效率。与之对应的整个产业链，从金属打印材料、设备到打印制造本 身都有着广阔的发展前景。 一、3D 打印概述 所谓3D，就是说打印出的不是平面的图案，而是一个三维的物 体。 简单地说，3D 打印机是这样工作的：先在计算机里建立所需物 体的模型，然后把模型分成很多层的结构，用一个机器取一些原材料 ——现在来说一般是金属和塑料——机器把材料融化，再跟喷墨打印 机一样，将融化的材料用喷嘴喷出，打印出结构的第一层。然后是第 二层、第三层……每一层逐渐叠加，当所有层都打完时，你需要的物 体就出现了。 如果想制造一些物品，你只需要一个3D 打印机、原材料，和控 制打印机的软件。用软件画出模型，把原材料加入打印机，然后点下 打印，过一会儿就可以取出新鲜出炉的物品了。这就是3D 打印的惊 奇之处，它可能改变我们制造物体的方式。流水线通过改变生产制造 的方式把整个世界带入了现代化，同样的，3D 打印也有可能使我们 的生活进入一种新的状态。 二、3D 打印产业发展状况：有望步入高速成长期 1、3D 打印产业规模迅速扩张 1987 年3D system 公司使用立体平面印刷技术（SLA）成功研发 了第一台商用 3D 打印设备 SLA-1。二十多年以来，3D 打印产业的 市场规模一直保持着较高的增速。1993-2012 年，全球 3D 打印行业 产值复合增速为 17.16%。近 3 年以来，产业扩张似有加速迹象，复 合增速达到27.34%。继2011 年产值实现29.4%的高速增长之后，2012 年3D 打印产业市场规模依然保持较高的增速，同比增长 28.6%。实 现收入22 亿美元。根据国内外研究机构Wohlers Associates 的预测， 到2017 年全行业产值将突破60 亿美元。未来5 年复合增速仍将维持 在22%以上。 3D打印全球产值高速增长 2、3D 打印的三大技术特点，成就个性化制造与复杂结构加工 3D打印借助三维数字模型设计，使用激光烧结、材料喷射等各 种立体打印技术，实现原料层层沉积叠加，并最终形成成型物体。这 一制造工艺拥有三大明显技术特点：1）产品形状结构的设计自由度 大幅提高，并且形状复杂度的提高几乎不会带来额外制造成本；2） 制造流程简化，制造的数字化程度和设备的通用性水平进一步上升； 3）原材料利用率提高，生产废料减少。 产品结构设计自由度的提升使这种加工工艺对于复杂结构的零 部件制造拥有特殊的优势。剔除成本因素，设计人员可以尽可能的根 据产品性能的需求进行产品外形结构的设计。这一点在对产品性能要 求较为苛刻的高端制造领域显得较为匹配。 3D打印技术制造数字化程度的提升和工艺流程的简化减少了产 品制造过程中的人工参与，将原本非专业人员无法掌握制造技术纳入 后台处理的范围；大大降低了专业制造的门槛，使得生产者可以只关 注于前端设计，通过设置参数来实现最终制造。这相当于在虚拟化的 设计和现实的物质世界中建立了一个通用的转化平台。改变了之前受 制于专业加工技术的高壁垒而无法在物质世界中实现个人制造的窘 境。这种创新与实现在设计环节中分离，在制作环节中结合，使得产 品创新的主体有望逐渐从企业向个体过渡。制造实现的简化将使得个 性化产品层出不穷。 此外，3D 打印技术相对于传统生产流水线，通用化水平的提高 使得其在数量规模较小的制造领域有着较为明显的成本优势；顺应市 场需求的不断变化。 三、3D 打印的应用 3D打印将广泛应用于个人消费和工业生产两大市场。3D打印技 术的应用，包括可视化设计，原型，金属铸造，建筑，教育，地理， 医疗保健和娱乐/零售等等。 还有一些应用也比较重要，比如在古生物学中，用来重构古生物 化石；在考古学中，复制古代珍贵文物；在病理学中，重建骨骼和人 体器官；以及法医用来重构从犯罪现场调查获得的严重受损的证据 等。艺术家们现在也用3D打印技术来将自己的创意表现出来，取得 了很好的效果。 这些应用五花八门，可以说没有几处是相同的，但是它们都可以 通过3D打印取得非常好的效果。各种应用所需要创造物体的大小、 材料、甚至颜色需求、创造方法差异相当大，因此，3D打印的市场 发展会相当多元化。根据不同的消费和工业需求，很难出现一套适用 于各行业的通用系统，不同对象的市场需求差异将会非常明显。在这 个移动互联网影响越来越大的时代，细分的市场再加上不同的商业模 式，将创造出大量的商业机会。 基于 3D 打印技术自身的工艺特点，和现阶段的技术现状，3D 打印技术在制造生产过程中的优劣势相对明显。如表8 所示：这些优 势和劣势共同决定了这一技术所适用的工业制造范围和领域。值得关 注的，3D 打印技术的劣势有些是源于制造原理所造成的先天性局限， 如对于简单结构件而言，制造速度较慢；另外一些劣势是技术现状所 决定的，随着技术工艺的完善，势必会所有减少，从而进一步扩大技 术所适用的领域。 从现阶段3D打印的制造成本来看，大多数行业的直接制造环节 还无法承受。在一些个性化制造领域，如文化艺术用品，有较大的市 场潜能，本质上，以定制化的差异性价值来弥补高成本。这种商业模 式对产品设计本身的依赖度非常大，同时所谓可选消费，需求的弹性 会比较大。现阶段，受制于产品设计资源的相对缺乏和成型件表面质 量的原因，市场还未迎来爆发式增长。 在众多工业消费领域中，医疗和航天军工的成本承受能力最强， 在这两个领域，对于性能的追求一定程度上会超过经济性。因此，在 直接制造领域，3D打印技术最有可能在这两方面得到的广泛的应用 推广，率先形成较为成熟的盈利模式。从近十年3D打印产业下游的 应用分布变化来看，也初步印证了这一观点。医疗和航天军工类机构， 在3D打印技术应用中的占比逐渐提升。 此外，对于模具制造领域而言，3D 打印亦有很好的用武之地。 相对于规模化制造的终端产品，制造模具所需要的生产量级较小。这 为3D 打印使用的经济性创造了条件。同时，应对复杂工件的模具制 造，和产品更新速度的加快，这一技术也显得更得心应手。 1、医疗领域 在医疗行业，特别是修复性医学领域，个性化需求十分明显。用 于治疗个体的产品，基本上都是定制化的，不存在标准的量化生产。 而3D打印技术的引入，降低了定制化生产的成本。因此，近些年来， 这一技术在医疗领域的使用比例持续上升。 现阶段，3D打印技术在医疗领域的主要应用在于： 1）人体移植组织、器官制造，如人工肝单元，脂肪、皮肤组织 2）辅助治疗中使用的医疗装置，如齿形矫正器、助听器等。 3）手术和其他治疗过程中使用的辅助装置，如手术模板。 就相关医学领域未来发展趋势来看，3D打印的应用仍然会保持 较高增速。1）随着全球老龄化程度的提升，修复性医学中的结构性 移植器官的使用将会持续增长，特别是牙科领域，这一方面的发展已 相对成熟；2）微创手术，和针对不同身体条件个体的手术设计在近 些年来逐渐发展，对手术工具性能和复杂程度提出更高的要求。我们 认为，未来这一方面的发展仍然具备较大空间。 此外，在医疗领域未来发展中，最具有想象空间是3D生物打印 技术，可以“打印”出功能性的人体器官。它利用干细胞为材料，按3D 成型技术进行制造。一旦细胞正确着位，便可 以生长成组织和器官，“打印”的新生组织会形成自给的血管和内 部结构。在这一领域领军的Organovo公司，已经成功研发打印出心肌 组织，肺脏，动静脉血管等。 2、航天军工 现阶段，3D打印技术对航空业的贡献，相对于每年约5000亿美 元的行业产值而言显得微乎其微。主要应用包括：1）无人飞行器的 结构件加工；2）生产一些的特殊的加工、组装工具；3）涡轮叶片、 挡风窗体框架、旋流器等零部件的加工。 波音（Boeing）公司是率先将3D打印技术应用于飞机设计和制造 领域国际航空制造公司。2012年一季度，波音公司使用3D打印技术 制造的零部件约200件。由于商用飞机制造准入标准的严格性，3D打 印技术直接应用于飞机主体制造仍然需要一个过程，而波音公司与其 供应商的在这一领域积极的研发和拓展表明，这一技术已逐渐被主流 航空制造企业所认可，未来应用范围有望逐渐扩大。 我们判断，3D打印技术在未来航空领域的应用得益于该行业发 展的两个趋势特点：1）基于降低油耗的零部件设计：主要包括机体 结构的轻质化和基于部件设计对飞行性能的提高；2）私人飞行器的 设计发展和定制化需求的增长。 机体轻质化在很大程度上需要得益于部件设计结构的改变，如图 所示的飞机结构铰链，前面的是采用3D 技术制造的新型设计结构， 后面是传统设计。前者的材料用量明显低于后者，功能性质也更好。 图 24 是飞机机翼的内部设计结构，在不改变飞行性能的条件下，这 种结构部件更轻；也更适合用3D 打印技术进行生产。 同时，基于空气动力学的原理，机体的流线型设计和变形结构 （Morphing Structures）的使用将会提升飞机的飞行性能，以降低油 耗。而这些结构设计的实现，使用3D打印技术直接制造，或者利用 3D打印技术制造的模具进行加工，相比传统工艺，会更加简单有效。 此外，通用航空和无人机制造领域的定制化需求相对商用领域会 更多。小批量，复杂一体化的设计部件的生产会成为主流，而借助 3D 打印技术会更容易实现。现阶段，波音和一些通用航空制造商， 已经开始应用这一技术进行喷气机和直升机的设计和制造。 3、模具制造 如果说3D打印技术在直接制造方面的经济性暂时无法与传统制 造工艺竞争，那么在模具加工，特别是复杂模具加工方面的优势则相 对比较明显。3D打印现阶段在模具制造方面的应用主要分为：注塑 模具加工，铸造砂模，以及蜡模的制备。 注塑模具主要是用来冲压方式制造塑料制品。在这一领域最具发 展潜力的方向是随形冷却流道模具。为缓解冲压过程中给模具和塑料 制品本身带来的热膨胀效应，在模具内壁添加用于冷却的流道，在加 工过程中，注入冷却剂，通过流道使模具降温，以提高加工效率。 砂模在在金属铸造中的使用十分广泛，特别是一些复杂精密铸造 使用3D 打印的模具对性能的提高很有帮助。模具铸造的基本工艺是： 使用石英砂，外表包裹催化剂融合后作为打印材料，然后打印喷头喷 出粘合剂进行粘接成型。这类铸造模具被广泛引用于工程机械，汽车， 航空，液压系统等。 4、高端金属加工领域 相对于其他材料的3D打印工艺，金属3D打印技术起步相对较晚。 90年代末期，逐渐开始商业化，发展至今。基本采用激光烧结金属粉 末的成型工艺。由于金属是工业领域应用最为广泛基础材料之一，金 属3D打印技术的出现也为金属材料加工工艺和产品的拓展提供了新 的发展路径。 （1）金属3D 打印中的无偏析效应，能更好地构件部件的微观结构 就传统的金属加工而言，对于金属外形的加工工艺包括：挤压、 切屑、压延、熔铸定型等，对于金属内部结构的加工工艺基本上可分 为：铸造和锻造两种。金属部件的外部结构取决于部件特定用途的功 能性需要；而其内部结构很大程度上决定了金属的机械性能。在一些 对金属部件机械性能要求较高的领域，铸造本身无法达到要求。主要 原因是：在铸造冷却过程中，由于部件不同部位的冷却速度存在差异， 热胀冷缩效应导致部件内部结构存在不均匀的现象。通常会借助锻造 技术，反复热挤压定型。金属3D打印技术以金属粉末为单位进行逐 层烧结定型，可以很好的控制成型部件内部结构的均匀性。同时，可 以对部件的内部结构进行设计，已到达机械强度与材料使用效率最好 的结合。 （2）金属3D 打印制造成本高昂，现阶段主要用在高端制造领域 现阶段，无论是打印设备，还是金属打印材料本身价格都处于一 个较高的水平，一般领域的工业应用很难承受。以3D打印领域使用 最为广泛的钛、铝和不锈钢为例。普通金属材料与用于3D打印的金 属材料相比存在着8倍以上的价格差距。同时，就3D打印金属部件的 成本构成来看，以316L不锈钢粉末和主流的EOS金属激光成型系统为 例，设备折旧占据了大部分制造成本的比例。 在这种成本环境下，金属3D打印一般用于航空军工零部件的加 工制造，海洋及核电工程；医疗领域的修复性制造；以及一些特殊的 工艺品加工制造。 但值得注意的是：无论是打印设备和材料现阶段的毛利率都在一 个很高的水平，同时随着规模化量产，成本仍有一定的下降空间。这 意味着未来金属3D 打印的制造成本将会逐渐下降，经济适用性逐渐 增强。 （3）与传统加工工艺相结合，能够更好地发挥其相对优势 如果简单地将3D打印技术与传统的工艺相对立，进行横向比较 来决定其技术适用的制造领域，在一定程度上，会存在偏颇。对于一 些高端的零部件加工，完全可以将整个制造环节进行拆分和再造，将 3D打印融入部分制造环节，以提高整体的制造效率。 特别是在一些大型金属结构锻造加工领域。一般而言，锻造加工 需要经历铸锭、开坯、预锻、模锻四个过程。3D打印与传统锻造工 艺相结合思想的本质在于发挥3D打印柔性特征去完成模锻最困难的 开坯和预成形，大大提高模锻成形的柔性；模锻的终锻工步的必要性 在于高压强成形弥补3D打印的短处。粗略估算，使用这种方法，模 具成本可以减少75%，材料利用率可以从5-15%提高至85%-90%，生 产周期缩短约2/3。 现阶段，国外AeroMet 和POM 等公司，已经开始使用 3D 激光 成型技术进行大尺寸锻件的预加工处理。使用这一技术可以更多地采 用一体化设计，避免了多个零部件组装链接处强度不足的问题。同时 对于一些较难锻造加工的金属材料而言，会有效地提高加工速度。 四、行业标杆分析：银邦股份，传统、新兴制造并驾齐驱 公司致力于三部分业务的发展：铝合金钎焊材料、铝基多金属复 合材料和3D打印业务。就三部分业务的行业现状来看，发展的驱动 因素各有不同：1）铝合金钎焊材料市场相对成熟，市场规模主要随 交运、机械和空冷设备的增长而不断扩大。从国内外发展水平和进程 来看，国内供应仍存在少量缺口；尚未完全实现产业转移；本土技术 较好的企业存在扩展市场份额的空间。2）铝基多金属复合材料在国 内尚属于起步阶段。存在较大的潜在发展空间，但这种行业发展的基 础逻辑在于新性能材料对于传统材料的替代。因此，核心根植于新材 料本身的技术性能；此外，市场对于新产品也存在一个认知和接受的 过程。3）3D打印业务对全球而言，刚步入一个新的发展阶段，对于 工业领域的应用而言，发展的驱动因素在于技术工艺对于产品性能的 提高，以及工艺使用成本下降带来的经济性的提升。 下半年，预计公司三部分业务都会存在一些突破和进展： 下游汽车行业的复苏性增长，推动铝合金钎焊材料销量和业绩的 提升去年受汽车行业景气下滑的影响，公司三、四季度产能利用率明 显下降。铝合金钎焊材料，特别是铝合金复合材料的销量受到影响。 今年以来，汽车行业需求逐渐恢复，销量环比回升，同时产品结构也 存在一定优化，相对毛利水平较高的铝合金复合材料占比提升。我们 判断，这一趋势在今年二、三季度会延续；从而促进公司业绩的增长。 铝不锈钢、轴瓦材料陆续投产，多金属业务或将迎来新利润增长 点 公司 2010、2011 年的业绩增长很大程度上得益于铝钢复合材料 的研发成功。公司储备的研发项目：铝不锈钢复合材料和铝基轴瓦材 料预计于今年下半年陆续投产，成为公司多金属复合材料生产线的主 要产品。由于公司在国内该市场技术的领先性，有望享受较高的利润 空间。 随着市场的开拓和产能的投放，预将成为公司重要的利润增长 点。 3D打印市场定位清晰，中澳轻金属联合研究中心成为其坚实的 技术支撑 银邦股份依托子公司飞而康，作为其3D打印技术的产业化平台。 生产加工金属3D打印材料；同时利用3D打印技术加工生产医疗机械 零件，航空金属样件，注塑模具。从前述我们对金属3D打印技术的 产业化方向分析来看，公司的市场定位相对准确，在现阶段的技术成 本条件下，容易建立较好的盈利模式。 进入高端制造市场，技术能力和认证是必要条件。6月9日，中国 科技部国际合作司与澳大利亚驻华大使馆在银邦金属复合材料股份 有限公司参股公司飞而康快速制造科技有限责任公司共同为“中澳轻 金属联合研究中心（3D 打印）”揭牌，宣告中国— 澳大利亚轻金属 联合研究中心(3D 打印）的正式成立。 作为中澳轻金属联合研发中心，澳方的牵头单位，莫纳什大学以 及设立于其中的澳洲轻合金研发中心在金属材料研发领域拥有较强 的技术实力。澳洲轻合金研发中心主任吴鑫华教授作为英国材料协会 院士，长期致力于航空特种钛合金材料的研究，并重点研究3D打印 技术在这一领域的应用。同时曾担任国际著名航空发动机企业，罗尔 斯罗伊斯公司的高级顾问。就学术背景和工作经历来看都有利于企业 在这一领域的拓展。 公司计划于今年下半年开始逐渐试产，尽管收入和业绩贡献大小 较难准确预测，但长期的产业方向毋庸置疑。