(报告出品方/作者:国联证券,张晓春、赵闻恺)
1.3D打印—推动新一轮工业革命的重要科技
1.1个性化、复杂化需求催生3D打印
3D打印又称为增材制造(AdditiveManufacturing,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。当前世界多国将3D打印作为未来产业发展的新增长点。美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”,英国《经济学人》杂志认为增材制造是推动新一轮工业革命的重要科技,中国在《“十四五”智能制造发展规划》、《中国制造》等多项政策文件中提及增材制造。
类比平面打印工序,3D打印可根据三维信息生产具有功能性的产品。3D打印可简单理解为将传统打印中的电子文档替换为3D数字模型,通过专用材料进行逐层打印,形成三维立体的产品。传统平面打印的文件仅起到信息传输、保存作用,不具备功能性,而通过3D打印出的产品可实现预设功能,作为零部件直接应用于航天军工、医疗器械、汽车等行业。
类比传统的减材制造技术,3D打印具备定制化、低损耗、精密制造等优势。传统减材制造工艺指通过设备对原材料进行车、铣、刨、钻等加工流程。相比传统减材制造,3D打印在设计过程中可实现定制化非标生产,生产中不需要提前准备模具,且废料相比传统制造有所减少。此外,部分应用于精密制造领域的零件,在生产过程中可能遇到模具无法生产、人工制造精度不足、内部构造过于复杂等因素掣肘,仅能通过3D打印生产。
基于上述3D打印特点,未来发展方向主要为定制化和复杂结构件的生产。3D打印成本端对规模经济敏感程度低,并不像传统制造工艺,随着产量的提升而实现降本增效。因此,3D打印在盈亏平衡点之前具有较大的竞争优势,通常这类产品至少具备定制化或复杂程度高这两个特点中的一个。定制化产品通常生产批量较少,无法通过传统工艺实现规模化,应用领域多为航天军工、医疗、文创教育等。复杂结构件方面,往往通过人工或传统工艺在量产后单价仍高于3D打印,亦或是难以通过传统方式生产,很难甚至无法实现生产,如部分特殊镂空件、混合金属件、具备生物相容性可降解的人造器官等,应用领域多为航天军工、汽车、医疗等。
1.23D打印海外历史由来已久,国内追赶脚步渐近
纵观全球3D打印行业发展历史,大致可分为技术研发、量产应用、业务盈利三个阶段。3D打印诞生于20世纪80年代初期,至今已经历了近40年的发展历程,主要可归纳为三个阶段。年至年为第一阶段,期间3D打印专利、技术、原型机先后诞生。年CharlesHull首次提出将光学技术应用于快速成型领域,并于次年发明了世界上第一台立体光固化成型(SLA)3D打印原型机,被誉为3D打印之父,此后各类3D打印技术及其原型机不断涌现。
至年为第二阶段,欧美逐渐形成具有影响力的3D打印公司,由技术和理论的雏形过渡至3D打印机及产品的生产。3DSystems、Stratasys、EOS等世界龙头企业在这一阶段先后推出3D打印设备,涵盖当前主流的熔融沉积成型(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、金属激光烧结(SLM)等技术。此外,这一阶段通过3D打印所生产的产品类别也不断扩大,下游应用场景随之增加。
年至今为第三阶段,3D打印行业迎来快速发展,龙头企业不断兼并收购。年Stratasys与Object合并,为3D打印业内最大规模合并,3DSystem于-年先后完成对PhenixSystems、MedicalModeling、BotObject等公司的收购,美国GE于年收购3D打印巨头ConceptLaser和Arcam,各龙头企业在兼并重组下业务规模迎来快速发展。
我国3D打印行业起步滞后于欧美十年左右,但近年来差距逐步缩小。我国3D打印行业起步于20世纪90年代初期,上世纪90年代由清华大学、西安交通大学、华中科技大学等多所高校在政府资金支持下启动增材制造技术研究,年西安交大成功研发3D打印样机,-年间各高校先后实现SLA、SLS、FDM、SLM等主流3D打印技术零的突破。-年间处于技术追赶阶段,3D打印行业相关专利数量由年的5个迅速攀升至年的个,技术水平逼近欧美国家。年后我国涉及3D打印业务公司的数量激增,年国内3D打印第一股铂力特于科创板上市,标志着我国3D打印行业逐步完成从技术积累到商业化的过渡。
1.3多种工艺技术类型,适配不同下游应用
当前主流3D打印分类维度中,依照所使用的材料不同,分为金属3D打印与非金属打印,并通过不同的技术特点进一步区分。金属3D打印由于其壁垒高、价值量高、未来应用空间大等特点,