激光设备系列专题报告（二）：3D打印：新赛道璀璨璀璨夺目

3D打印技术引发市场关注，新赛道璀璨夺目。3D打印，又称作增材制造（AdditiveManufacturing，AM），是指以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。3D打印在小批量多批次的生产成本控制、个性化和复杂设计成形成功率、材料利用率、加工便利性等方面，相较传统减材制造技术都具备明显优势。3D打印并不是新的概念，在航空航天等领域已有稳定应用，近几年的市场规模增速也保持在15-20%左右，但3D打印仍然属于新技术，有诸多潜在的应用场景，近期华为、苹果两大消费电子巨头表示部分零部件将采用3D打印技术，有望加速3D打印在消费电子领域的大规模产业化。 “1到N”产业化痛点是什么？驱动力来自何处？简单理解，只有在需要小批量、复杂结构或新材料等传统减材工艺难以大规模加工领域3D打印才具备优势，否则3D打印是不经济的，基于全球产业现状符合条件的应用场景还比较少，因此3D打印的大规模产业化驱动力来自终端产业升级和自身降本，也可理解为需求端和供给端的驱动。 需求端--终端产业升级驱动3D打印技术应用场景持续拓宽。航空航天和消费电子等科技领域技术日新月异，3D打印技术的应用场景在不断拓宽。钛合金应用于消费电子上有诸多优势，但尚未真正达到产业化的原因就在于钛合金加工难度大、良率低，而3D打印的应用则能够克服现有难题。 供给端--3D打印的降本路径清晰，材料、设备、辅助加工降本和工艺持续优化。高品质的金属3D打印粉末，尤其是在航空和医用级别的市场，最初均由国外厂商所垄断，进口粉末的单价也较高，随行业快速发展我国金属3D打印粉末市场价格持续下降，以铂力特为例，公司金属3D打印粉末的价格从2020年144.48万元/吨下降至2022年78.19万元/吨。3D打印设备价格随产业链成熟化和关键零部件的国产化将有效降低。3D打印技术不断迭代优化，可以实现更加高效率的加工，精度方面也有突破。我们认为，国内3D打印产业链日趋完善，材料、设备和辅助加工成本有望持续降低，工艺迭代带动加工成本下降，助力3D打印“1到N”产业化加速。 产业链重点关注公司：有研粉材、锐科激光、华曙高科、金橙子、铂力特。 风险提示： 3D打印技术新领域应用不达预期，政策变动风险等。 重点公司盈利预测与投资评级 13D打印技术引发市场关注，新赛道璀璨夺目 1.1消费电子领域两大巨头布局3D打印引发市场关注 3D打印并不是新的概念，在航空航天等领域已有稳定应用，但3D打印仍然属于新技术，有诸多潜在的应用场景，近期华为、苹果两大消费电子巨头表示部分零部件将采用3D打印技术，有望加速3D打印在消费电子领域的大规模产业化。荣耀最新发布的折叠屏手机MagicV2，在折叠屏中的关键零件铰链的轴盖，成功地应用了采用3D打印工艺制造的钛合金零件，这也是行业内首次大规模使用钛合金3D打印。通过对于3D打印技术的应用，在降低厚度的同时提高了强度，使轴盖变得更轻更薄，从而带动折叠屏整体厚度和重量的下降，且进一步提升了150%的材料强度。 苹果公司此前就有以钛合金材料替换目前使用的铝基金属来制造手机的想法，因为钛合金既有着比铝合金更轻便的优势，又具备比不锈钢更强的硬度，但囿于传统工艺加工难度大、成本高、良率低，所以一直没能付诸实践。这次华为荣耀抢先一步适用了3D打印工艺有效解决钛合金材料的成型问题，解决了量产的痛点。苹果预计将在2023年秋季发布升级版Apple Watch Ultra，根据国外科技媒体的报道，在Apple Watch Ultra中的钛金属部件，包括数字表冠（Digital Crown）、侧按钮（Side Button）和操作按钮（Action Button）都可以进行3D打印，而这些零件目前采用传统的CNC工艺制造。 图表1：荣耀发布会上介绍Magic V2使用了3D打印的工艺 1.23D打印技术相较传统工艺优势明显，市场规模快速增长 3D打印，又叫做增材制造（AdditiveManufacturing，AM），是指以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。传统制造业是利用工具，通过切、铣、磨等机械加工方式去除多余材料从而成形所需零件的“减”材制造，3D打印则恰恰相反，它通过3D打印设备对数字模型文件进行分层处理，将三维实体变为若干个二维平面，然后将金属粉末、热塑性材料、树脂等特殊材料以自下而上逐层叠加的方式，叠加成一个三维的整体，大幅降低了制造的复杂度。增材制造改变了产品的设计制造过程，对传统制造业起到巨大推动和颠覆性变革，在航空航天、国防、汽车、生物医疗等诸多领域有所应用。 图表2：2012-2022年全球3D打印市场规模及年增长率 3D打印在小批量多批次的生产成本控制、个性化和复杂设计成形成功率、材料利用率、加工便利性等方面，相较传统技术都具备明显优势，换句话讲，如果现在一些产品能够大批量生产，或者不需要过于复杂设计，或者加工材料用传统工艺就方便加工，那3D打印就没有优势。生产成本方面，不同于传统制造企业通过批量生产单一产品形成规模经济，3D打印依靠同一台设备生产多样产品。 企业通过增加产品种类降低生产的单位成本，从而达到范围经济。生产的主要成本可分为物料成本，机器折旧耗材成本和人工成本等几个方面。3D打印无需模具和机械加工，减少开模次数，简化了生产过程，降低了生产装配成本和耗材成本。 同时，增材制造被视为无人值守的制造过程，需要的人力成本较少，并且一次成型，减少废料，提高材料利用率，也有助于减少用料成本；可预测性及成功率方面，3D打印时间、成形变形量、成形精度等可通过3D打印技术及辅助技术进行预测，并可以通过调整模型使得零件构型可测、可控。3D打印技术的出现，使得几何形式高度复杂，且使从微纳到宏观多个几何尺度结构的制备成为可能，它颠覆了传统制造技术的局限，从传统制造的“制造引导设计”转向为“设计引导制造”；材料利用率方面，传统加工切割的过程会产生大量废料，存在不完整的余料价值折损，材料利用率低，增材制造根据二维轮廓信息逐层添加材料，按需耗材，材料利用率显著高于传统加工模式，是一种新型环保的绿色制造方式。同时材料可以实现融合，传统的制造机器在切割或模具成型过程中不能轻易地将多种原材料融合在一起，随着3D打印技术的发展，已经有能力实现不同原材料的融合。 图表3：金属3D打印技术与传统精密加工技术的比较 材料是3D打印最重要的物质基础，其发展在很大程度上决定了3D打印是否能够被广泛运用。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，且国内在3D打印原材料方面的生产企业较少，特别是金属材料方面，仍依赖进口。金属和复合材料凭借其比传统材料更优异的机械特性(刚性、抗冲击性、轻便性等)和其他力学性能，或将推动金属材料3D打印技术不再局限于航空航天、高精尖工业制造等领域，而是服务更多普及化的应用场景，实现3D打印产业化制造创新。 图表4：3D打印材料对比 3D打印主流技术主要根据其原理特点配合材料，金属材料的加工应用烧结/粘结成型技术为主。使用非金属(工程塑料、树脂)的技术在制作过程中需要支撑结构辅佐，其中PoyJet、SLA、DLP成型速率快由于使用树脂或光敏材料，成品精度高表面质量优，适合生产精细零件，但制品的耐热度和强度受限。而FDM虽打印速率慢，成品精度一般，但现阶段凭成本低，易操作优点被广泛使用。使用金属材料为主的SLM、EBM、SLS成品强度和密度更高、制作周期短等特点，广泛应用于工业制造、航空航天和汽车制造领域。 图表5：烧结\粘结成型技术对比 SLS技术：操作过程中首先用辐筒将一层粉末材料平铺在已成型零件的上表面,并加热至合适温度由 CO2 激光器发出的激光束在计算机的控制下，根据几何形体各层横截面的CAD数据，有选择地对粉末层进行扫描，使粉末的温度升到熔化点,进行烧结并与下面已成型的部分实现粘结。一层完成后,工作台下降一层厚度,铺料辊在上面铺上一层均匀密实粉末,进行新一截面的烧结,直至完成，全部烧结完成后除去未被烧结的多余粉末，得到整个成品。整个过程工艺简单且不需要支撑结构，但整个过程由于需要烧结会产生异味且制作时间久。 SLM技术：首先利用刀片将金属粉末以薄层分布在积层板上，聚焦的激光在扫描振镜的控制下进行参数扫描，金属粉末在高能量激光的照射下发生熔化，快速凝固，形成治金结合层。当一层打印任务结束后，基板下降一个切片层厚高度，刮刀继续进行粉末铺平，激光扫描加工，重复这样的过程直至整个零件打印结束。 SLM技术采用分层铺粉的方式进行打印，打印精度较高。 EBM技术：利用软件将制品的三维立体模型数据导入EBM设备中并确定位置摆放。然后在工作舱内平铺层微细金属粉未薄层，利用高能电子束经偏转聚焦后在焦点所产生的高密度能量使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒熔融，电子束连续扫描将使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，连接形成线状和面状金属层。 23D打印产业化--驱动力来自终端产业升级和自身降本 2.1终端产业升级驱动3D打印技术应用场景持续拓宽 如前所述，3D打印只有在一些产品需要复杂结构个性化加工，或者新材料应用导致传统工艺加工难度大导致不经济的情况下，才具备替代优势，航空航天和电子等科技领域技术日新月异，3D打印技术的应用场景在不断拓宽。电子产品随着数字化、智能化发展趋势不断迭代升级，由“有”向“优”的消费升级潜力旺盛。顺应新一轮科技革命和产业变革的趋势，消费电子产品被赋予的功能越来越多，尤其是在现阶段5G网络渗透率持续攀升、人工智能技术促进产品智能化增强交互性，新一代的虚拟现实、超高清视频等信息技术在不断丰富着产品的应用场景。由“有”向“优”的过渡，促使了消费电子产品在需求与技术实现两方面，对于材料及制造工艺提出新的要求。例如智能手机等移动终端领域，就出现了使用钛合金替代原本主流的铝合金或不锈钢的产品方案。钛合金的比强度（强度/密度）远大于其他金属结构材料，能够制作出单位强度高、刚性好、质量轻的零部件；热强度高，使用温度比铝合金高几百度，在中等温度下仍能保持所要求的强度,可在450～500℃的温度下长期工作；抗蚀性强，在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；且具备低温性能好、导热系数小等性能优势。 钛合金材料优势较多，消费电子产品的钛合金使用率有望持续提升。从苹果的专利储备和已经发布的Apple watch Ultra配备上看，根据PatentlyApple统计，截至2022年底，苹果公司已累计获得钛合金材料相关专利8项。2022年9月，苹果发布的Apple Watch Ultra使用钛合金表壳，而不久的将来要推出的苹果iPhone15高端系列，命名为Ultra与Apple Watch钛合金系列相同，存在沿用钛合金技术积累的可能性。此外，钛合金材料还在可穿戴设备上多次应用，此前亚马逊、XLOONG、Rokid Air等厂商都推出了使用钛合金的AR设备，未来苹果推出头戴设备Vision Pro的下一代也存在使用钛合金的可能。 图表6：Rokid Air采用高强度钛合金转轴设计 图表7：枭龙XLOONG X300 AR智能眼镜采用钛合金眼镜架 钛合金应用于消费电子上有诸多优势，但尚未真正达到产业化的原因在于钛合金加工难度大、良率低，而3D打印的应用则能够克服现有难题。一方面，由于强度高、导热系数低和化学活性高等特点，传统数控加工钛合金的成本较高，主要体现在加工过程中会缩短刀具的寿命，破坏零件的完整性，同时其硬度高、弹性低等特点，会导致刀具和刀片的沟槽磨损。因此，如使用切削、磨削技术，在同等工件数量及工时要求下，钛合金设备需求比铝合金更大。另一方面，因钛的单价较高，采用传统减材制造方式下对原材料的利用率低，成本较高。而采用3D打印生产钛金属件更节省成本，钛是3D打印生产中最常被用到的金属，应用范围广泛，如航空航天、医疗等。3D打印是通过堆积材料，不涉及机械加工的消耗，且同一台3D打印设备可以生产各式各样的零部件，替