3D打印,，國之重器

來源：錦緞研究院 希言

中國的比較優(yōu)勢(shì)與核心利益是制造業(yè)，制造業(yè)是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與安全的基石,。

放之近200余年全球現(xiàn)代商業(yè)文明,，只在數(shù)個(gè)國家發(fā)生了有且只有一次的以制造業(yè)為內(nèi)核的“工業(yè)化起飛”，這些國家無一例外相繼成為世界強(qiáng)國,。以此200余年歷史為鏡,，除美國之外，尚無任何一個(gè)國家可以在失去制造業(yè)比較優(yōu)勢(shì)后,，能夠持續(xù)占據(jù)世界經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)中心。

當(dāng)時(shí)間來到2023年,，制造業(yè)的核心要素已發(fā)生巨大嬗變：

1.生產(chǎn)工具正從蒸汽,、電力機(jī)械，轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化設(shè)備,、智能機(jī)器人,。

2.生產(chǎn)資料正從傳統(tǒng)能源，轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)能源,、新能源與數(shù)據(jù)資料融合,。

3.生產(chǎn)力正從人，轉(zhuǎn)變?yōu)槿�,、機(jī)器人與AI共生,。

4.驅(qū)動(dòng)機(jī)制正從企業(yè)內(nèi)部、行會(huì)組織,，轉(zhuǎn)變?yōu)閲�家意志與風(fēng)險(xiǎn)資本,。

如是我們便不難理解這樣一個(gè)邏輯：當(dāng)通用人工智能火焰開始跳動(dòng)，制造業(yè)的底層技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)邏輯亦即開始重構(gòu),。率先掌握“新能源+新材料+AI+數(shù)據(jù)”這一融合性先進(jìn)制造業(yè)技術(shù)通關(guān)密碼的國家,，將在未來百年新周期內(nèi)，走上或繼續(xù)保留在世界經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)中心,。

恰好,，3D打印正是這樣一個(gè)融通了前述生產(chǎn)要素，并在理論上足夠顛覆既有制造業(yè)格局的前沿生產(chǎn)力平臺(tái)與工具性技術(shù),。在此我們僅取兩例,，即可深刻理解這一邏輯：

狹義上，在汽車行業(yè),，特斯拉領(lǐng)銜的鑄造一體化,，即是3D打印的雛形,，正推動(dòng)汽車制造業(yè)一日千里。

廣義上,，目前全球最風(fēng)頭正勁的科技公司,，“AI之王”英偉達(dá)，正在著力推進(jìn)“cuLitho計(jì)算光刻技術(shù)”,，則是以3D打印的變種,，期革命性地推動(dòng)“人類科技之巔”——光刻機(jī)核心技術(shù)的迭代與指數(shù)級(jí)效率提升。

市場(chǎng)中有兩類人：講故事的人與聽故事的人,。通常來說,，前者是鐮刀，后者是韭菜,。而那些盛行一時(shí)的故事,，大都以騙局告終。但就3D打印這則故事來說,，即使最終出現(xiàn)了最悲觀的結(jié)局,，但在結(jié)局未揭曉前，對(duì)于中國制造業(yè)而言,，唯有飽和式研發(fā)投入一條路可以走——在絕對(duì)核心利益面前,，不存在容錯(cuò)率可言。

一言以蔽之,，3D打印,，國之重器。

01,、我們?nèi)蕴幱?D打印“黑障期”

通往最前沿的技術(shù)領(lǐng)域,，注定顛沛流離。僅就3D打印而言,，已經(jīng)是數(shù)十年的技術(shù)概念,，而今距離產(chǎn)業(yè)化破局仍有漫長(zhǎng)的黑障期。

3D打印又稱增材制造（Additive Manufacturing,，AM）是指以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒?br />
傳統(tǒng)制造業(yè)是通過切、銑,、磨等機(jī)械加工方式去除多余材料從而成形所需零件的“減”材制造,，3D打印則恰恰相反，它通過3D打印設(shè)備對(duì)數(shù)字模型文件進(jìn)行分層處理,，將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚�(gè)二維平面,，然后將金屬粉末、熱塑性材料,、樹脂等特殊材料以自下而上逐層疊加的方式,，疊加成一個(gè)三維的整體,，大幅降低了制造的復(fù)雜度。



簡(jiǎn)單來說,，3D打印相比于傳統(tǒng)技術(shù)來說在小批量生產(chǎn)時(shí)的生產(chǎn)成本,，個(gè)性化，復(fù)雜設(shè)計(jì),，材料利用率,，加工便利性等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。但如果一些產(chǎn)品能夠大批量生產(chǎn),，不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)或用傳統(tǒng)工藝加工就很方便的情況下3D打印則不占優(yōu)勢(shì),。

不同于傳統(tǒng)制造企業(yè)通過批量生產(chǎn)單一產(chǎn)品形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，3D打印依靠同一臺(tái)設(shè)備生產(chǎn)多樣產(chǎn)品,。企業(yè)通過增加產(chǎn)品種類降低生產(chǎn)的單位成本,，從而達(dá)到范圍經(jīng)濟(jì)。生產(chǎn)的主要成本可分為物料成本,，機(jī)器折舊耗材成本和人工成本等幾個(gè)方面,。

目前的3D打印主要應(yīng)用于航天航空、汽車,、醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)的部分細(xì)分領(lǐng)域內(nèi),，多年以來應(yīng)用領(lǐng)域格局變化并不大,。而復(fù)雜構(gòu)件的的需求在各個(gè)領(lǐng)域都或多或少的存在,，未觸達(dá)的主要原因是受材料成本和設(shè)計(jì)成本的制約。

1,、材料受限

材料作為3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ),，其發(fā)展程度決定著3D打印未來是否能夠被廣泛運(yùn)用。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工不同,，當(dāng)前階段,，3D打印的原料使用的主要是塑料材料、金屬粉末,、陶瓷材料,，而國內(nèi)在3D打印原材料方面生產(chǎn)企業(yè)較少。

以金屬粉末來說,，其制造工藝主要是激光燒結(jié)成型,，對(duì)粉末的顆粒度，純度都有著較高的要求,，金屬粉末的質(zhì)量越好,，粒徑越小，打印出的零件機(jī)械性能就越好,。目前國內(nèi)的金屬材料性能和國外的相比仍然存在一些差距,，大部分原材料的的使用仍依賴于進(jìn)口,。

而高質(zhì)量的金屬粉末制備成本很高，性能達(dá)標(biāo)的成品金屬粉末價(jià)格一般是其所使用原材料的10—20倍,。制備方式也是影響其價(jià)格的重要因素,，就通常所用的制備方法來說，氣霧法生產(chǎn)金屬粉末的成本約為電解法的2-3倍,，機(jī)械法的成本約為氣霧法的2-5倍,。

目前主流的打印材料價(jià)格，鈦合金粉末的價(jià)格在1,500-1,800元/kg之間,，鋁合金粉末價(jià)格在300-500元/kg之間,，塑料ABS價(jià)格在19-23元/kg之間。




2,、設(shè)計(jì)受限

在技術(shù)極客領(lǐng)域,，設(shè)計(jì)一個(gè)模型單個(gè)設(shè)計(jì)師一天的費(fèi)用大約在800元左右，一個(gè)普通的模型設(shè)計(jì)周期大概一到兩周,，設(shè)計(jì)成本就在8000元左右,。

如果模型制作復(fù)雜，精細(xì)度要求高設(shè)計(jì)周期將達(dá)到一兩個(gè)月甚至更長(zhǎng)的時(shí)間,，那么高達(dá)幾萬甚至幾十萬的設(shè)計(jì)費(fèi)用就很難在小規(guī)模生產(chǎn)中攤薄,，這也就成了3D打印普及化的瓶頸。

02,、當(dāng)下我們?yōu)楹雾毟裢庵匾?D打印

1,、原材料從成本到工藝大幅累進(jìn)推動(dòng)價(jià)格下降

任何一種材料在早期制備工藝不夠成熟和完善的時(shí)候制備成本都是很高的。舉個(gè)例子,，古代初步掌握煉鋼工藝的時(shí)候使用塊煉鐵的手法煉鐵,，受限于耐火材料和鼓風(fēng)技術(shù)的不過關(guān)，制備成本極為高昂,，所以才有了“干將莫邪為楚王鑄劍,，三年乃成”等典故，只有軍隊(duì)才能大規(guī)模配備鐵質(zhì)武器,，百姓依然還是使用青銅器農(nóng)耕,。

但隨著金屬3D打印產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展，3D打印金屬粉末價(jià)格已經(jīng)在逐年下降,。

以某上市公司龍頭為例,，公司金屬3D打印粉末的價(jià)格從2020年144.48萬元/噸下降至2022年78.19萬元/噸（公司將2023年的募投項(xiàng)目中運(yùn)營(yíng)期首年金屬3D打印粉末銷售價(jià)格確定為61.95萬元/噸），同期由于降價(jià)進(jìn)一步開拓了市場(chǎng),，銷售量由2020年的2.94噸快速增長(zhǎng)至2022年的31.36噸,。同時(shí)隨著技術(shù)端的成熟以及規(guī)模效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，公司金屬3D打印粉末業(yè)務(wù)的毛利率從2020年的29.38%增長(zhǎng)至2022年的38.98%。

原本阻礙3D打印產(chǎn)業(yè)化的核心成本已經(jīng)大幅降低,，未來根據(jù)下游如消費(fèi)電子等應(yīng)用場(chǎng)景,，開付出新的適配性能需求的工藝，疊加產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷增大,，成本將會(huì)進(jìn)一步降低,。

另一方面，打印設(shè)備商的上游核心配件均呈現(xiàn)不同程度的價(jià)格下降趨勢(shì),，其中占比最大的光學(xué)熱學(xué)類元器件如3kW光纖激光器的價(jià)格從2018年的40萬元/臺(tái)下降至2021年的10萬元/臺(tái),，降幅達(dá)到了75%。




技術(shù)工藝方面的突破同樣會(huì)帶來效率的提升,，自2017年增材制造行業(yè)開發(fā)出多激光打印策略后,，每增加一個(gè)激光頭設(shè)備的打印效率就將提升20%-50%，最新的六激光頭設(shè)備與市面上同體量的四激光頭設(shè)備相比,，打印效率可提升約30%,。

除了3D打印設(shè)備的生產(chǎn)制造商，產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的配套服務(wù)廠商也在不斷發(fā)展壯大,。一般3D打印件的表面比較粗糙,，通常還需要傳統(tǒng)的加工手段來進(jìn)行表面處理，過去難以找到配合服務(wù)廠商做后處理環(huán)節(jié)現(xiàn)在都可以輕松解決,，產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同效應(yīng)使得各個(gè)環(huán)節(jié)的成本和效率大大優(yōu)化,。

2、AIGC的發(fā)展突破了設(shè)計(jì)的壁壘

大部分行業(yè)都存在著一些簡(jiǎn)單重復(fù)性的勞動(dòng),，設(shè)計(jì)領(lǐng)域同樣不例外,。就五年前的行業(yè)來說，還有大量的簡(jiǎn)單工作可以交由剛?cè)胄械男氯嘶驅(qū)嵙?xí)生來做,，如今隨著軟件效率的提升,，簡(jiǎn)單性重復(fù)勞動(dòng)的工作時(shí)間已經(jīng)大大壓縮,，設(shè)計(jì)周期變短,，相應(yīng)設(shè)計(jì)成本也在逐漸降低。

隨著AI大模型推開通用人工智能大門后,，AIGC技術(shù)的涌現(xiàn)與應(yīng)用開始威力初顯,，未來將為設(shè)計(jì)行業(yè)整體帶來更為顛覆性的變革——80%的趨同性設(shè)計(jì)可以由AI來完成，人類負(fù)責(zé)20%的創(chuàng)新性工作,，亦可降低設(shè)計(jì)參與者的門檻,，簡(jiǎn)單模型可由個(gè)人在較短時(shí)間內(nèi)制作完成。

目前行業(yè)內(nèi)公司均以已經(jīng)初步開始探索人工智能與3D打印的結(jié)合,，不久的將來3D打印設(shè)計(jì)也會(huì)由AI帶來新一輪的革新,。

03、制造業(yè)需要3D打印完成新一輪迭代升級(jí)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，工業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出從“有”向“優(yōu)”的升級(jí)趨勢(shì),。例如由鋼鋁構(gòu)件換成鈦合金可以在強(qiáng)度,，耐腐蝕，耐高溫和重量方面均實(shí)現(xiàn)大幅度改善,，是工業(yè)制造升級(jí)的必經(jīng)之路,。

但鈦合金硬度高彈性低的特點(diǎn)會(huì)在加工過程中導(dǎo)致刀具和刀片的磨損，縮短刀具的壽命,，使得傳統(tǒng)數(shù)控加工鈦合金的成本較高,。3D打印可以繞開傳統(tǒng)切削加工方式帶來的問題并減少材料浪費(fèi)，有助于制造業(yè)的進(jìn)一步迭代升級(jí),。

3D打印直接制造無需模具的特點(diǎn)亦能大幅減少制造環(huán)節(jié),，人員參與，材料損耗方面的成本投入,，在制造復(fù)雜部件上有著無可比擬的優(yōu)勢(shì),。相對(duì)于傳統(tǒng)制造，對(duì)復(fù)雜構(gòu)件制造的研發(fā)周期可縮短到1/3,，材料利用率有五到十倍的提升,，利用率達(dá)90%以上。



近期美國相對(duì)論空發(fā)射的人族一號(hào)運(yùn)載火箭占全箭質(zhì)量85%以上的零件就由3D打印制造,，包括火箭的整個(gè)箭體和幾乎所有的發(fā)動(dòng)機(jī)部件,。整箭制作成本大幅度降低。以火箭燃燒室的制造為例,，使用3D打印激光粉末床融技術(shù)（L-PBF),可以將工期從傳統(tǒng)制造的18個(gè)月縮短至5-8個(gè)月,，成本降低35%-60%。未來3D打印為火箭制造帶來的優(yōu)勢(shì)很可能發(fā)生連鎖反應(yīng),，重塑供應(yīng)鏈,。

3D打印的另一大特色是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，自重較低,。汽車行業(yè)設(shè)計(jì)所追求的節(jié)能,，降耗，增加續(xù)航里程等目標(biāo),，輕量化是是最為重要的技術(shù)路徑之一,。據(jù)《輕量化技術(shù)和材料在汽車工程中的應(yīng)用》中的數(shù)據(jù)，對(duì)于燃油車,，汽車質(zhì)量每減少10%,，汽車燃油效率將會(huì)增加6%-8%；而對(duì)于新能源汽車,，每減重10%,，續(xù)航里程可提升5-6%。

3D打印的大規(guī)模應(yīng)用可以使汽車領(lǐng)域的開發(fā)、設(shè)計(jì),、制造過程發(fā)生巨大變化,，實(shí)現(xiàn)更輕量化的設(shè)計(jì)，更安全的結(jié)構(gòu),，更短的研發(fā)周期,。

目前寶馬、戴姆勒,、通用,、大眾等眾多知名車企已將3D打印技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件的量產(chǎn)。MakerBot公司3D打印趨勢(shì)報(bào)告指出,，較2020年相比,，2021年有將近一倍的車企增加了對(duì)3D打印的應(yīng)用。



醫(yī)療領(lǐng)域?qū)τ趥�(gè)性化,、定制化的需求也使得3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用快速增長(zhǎng),，2019-2021年全球醫(yī)療行業(yè)增材制造市場(chǎng)規(guī)模自16.5億美元增至23.78億美元，CAGR達(dá)20.07%,。

3D打印在體外器官模型,、仿生模型制造，手術(shù)導(dǎo)板,，個(gè)性化植入體制造方面均可實(shí)現(xiàn)降本增效,。義齒金屬義內(nèi)冠使用3D打印技術(shù)可降低70%的人工成本，為義齒行業(yè)定制的3D打印設(shè)備FS121M-E6個(gè)小時(shí)可打印150顆義齒,，每年打印100萬顆以上,。

據(jù)Wohlers統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模為180億美元,，同比增長(zhǎng)18.3%,。中國3D打印市場(chǎng)規(guī)模雖不及美國但增速較快據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)，2022年中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)330億元,，同比增長(zhǎng)52%,。

目前全球3D打印市場(chǎng)主要集中在北美、歐洲和亞太地區(qū)三個(gè)地區(qū),，2021年美國,、中國增材制造設(shè)備安裝量占比達(dá)33%,、10.6%,。中國市場(chǎng)的主流設(shè)備品牌包括聯(lián)泰、EOS,、華曙,、鉑力特、3DSystems、GE,、Stratasys,、惠普等。聯(lián)泰在3D打印行業(yè)中市場(chǎng)占比最大達(dá)16.4%,，其次為Stratasys和EOS,，分別占比14.8%和13.1%。

回望國內(nèi),，中國3D打印產(chǎn)業(yè)鏈上的廠商主要由鉑力特,、金橙子、華曙高科,、 銳科激光,、有研粉材等：

鉑力特：3D 打印全產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋公司，背靠航空航天名校西工大,，公司發(fā)展迅速,。公司是一家專注于工業(yè)級(jí)金屬 3D 打印（3D 打�,。┑母咝录夹g(shù)企業(yè),，為客戶提供金屬3D 打印與再制造技術(shù)全套解決方案，業(yè)務(wù)涵蓋金屬 3D 打印設(shè)備的研發(fā)及生產(chǎn),、金屬 3D 打印定制化產(chǎn)品服務(wù),、金屬 3D 打印原材料的研發(fā)及生產(chǎn)、金屬 3D 打印結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)開發(fā)及工藝技術(shù)服務(wù)（含金屬 3D 打印定制化工程軟件的開發(fā)等）,，構(gòu)建了較為完整的金屬 3D 打印產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈,，整體實(shí)力在國內(nèi)外金屬 3D 打印領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。

華曙高科：3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈中游制造設(shè)備公司,。華曙高科十余年來專注于工業(yè)級(jí) 3D 打印設(shè)備的研發(fā),、生產(chǎn)與銷售，致力于為全球客戶提供金屬（SLM）3D 打印設(shè)備和高分子（SLS）3D 打印設(shè)備,，并提供 3D 打印材料,、工藝及服務(wù)。

公司已開發(fā) 20 余款設(shè)備,，并配套 40 余款專用材料及工藝,，正加速應(yīng)用于航空航天、汽車,、醫(yī)療,、模具等領(lǐng)域。公司是全球少數(shù)同時(shí)具備 3D 打印設(shè)備,、材料及軟件自主研發(fā)與生產(chǎn)能力的 3D 打印企業(yè),，銷售規(guī)模位居全球前列,，是我國工業(yè)級(jí) 3D 打印設(shè)備龍頭企業(yè)之一。

銳科激光：國內(nèi)光纖激光器龍頭企業(yè),。

銳科激光公司是一家專業(yè)從事光纖激光器及其關(guān)鍵器件與材料的研發(fā),、生產(chǎn)和銷售的國家火炬計(jì)劃重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，擁有高功率光纖激光器國家重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和光纖激光器技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,，是全球有影響力的具有從材料,、器件到整機(jī)垂直集成能力的光纖激光器研發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)供應(yīng)商,。

公司主營(yíng)業(yè)務(wù)包括為激光制造裝備集成商提供各類光纖激光器產(chǎn)品和應(yīng)用解決方案,。2021 年公司產(chǎn)品應(yīng)用于激光焊接、激光熔覆,、新能源,、3D 打印、船舶制造,、航空航天等高端應(yīng)用領(lǐng)域,。

金橙子：3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈中游制造設(shè)備金橙子。

金橙子激光系統(tǒng)集成硬件產(chǎn)品包括高精密振鏡,、激光器,、場(chǎng)鏡及其他硬件，金橙子重點(diǎn)投入振鏡硬件研發(fā),，不斷提高振鏡硬件單品的自主研發(fā)比例,，夯實(shí)差異化優(yōu)勢(shì)，降低生產(chǎn)成本,，金橙子軟硬配套比例有望保持快速提升的態(tài)勢(shì),，振鏡業(yè)務(wù)有望成為主要增長(zhǎng)點(diǎn)。此外,，金橙子發(fā)揮技術(shù)和渠道協(xié)同優(yōu)勢(shì),，橫向拓展激光伺服控制業(yè)務(wù)。

有研粉材：3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈上游金屬粉末材料公司,。有研通過多年霧化球形粉末制備技術(shù)的研究,，掌握成套球形金屬粉末制備關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了適用于球形金屬粉末的霧化裝備,，通過新型霧化器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、霧化系統(tǒng)的創(chuàng)新和霧化工藝參數(shù)的優(yōu)化，顯著的提高了成品粉末收得率,、進(jìn)一步提高了粉體的品質(zhì),。

以 3D 打印球形金屬粉末為例，通過霧化制備技術(shù)的創(chuàng)新和技術(shù)積累,，解決了 3D 打印粉末球形度差,、空心粉多,、粒度分布不集中的行業(yè)技術(shù)難題,，開發(fā)出鋁合金 3D 打印粉末材料具有流動(dòng)性好,，球形度高，松裝密度高,，粒度分布窄,，衛(wèi)星球少，打印件力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn),，有效的推動(dòng)了 3D 打印金屬粉末國產(chǎn)化替代的進(jìn)程,。

公司采用氣霧化為主要工藝生產(chǎn)的鋁、銅,、鈦,、高溫合金、模具鋼,、鈷鉻合金等粉末材料,。產(chǎn)品雜質(zhì)含量低，球形度好,，成分均勻,，主要應(yīng)用于用于航空航天、醫(yī)學(xué)修復(fù)等,。

未來隨著設(shè)備,、材料、服務(wù)供應(yīng)商技術(shù)的不斷突破,，3D打印將在更大規(guī)模上具有經(jīng)濟(jì)性,，制造業(yè)也將迎來“增材制造2.0時(shí)代”。



以上,，制造業(yè)對(duì)任何一個(gè)國家的重要性不言而喻,。在通往或證偽3D打印的前沿路徑里，作為投資者,，我們已經(jīng)到了長(zhǎng)周期追蹤這一技術(shù)的時(shí)刻,。