机器人下一个重要方向：轻量化

机械设备 机器人下一个重要方向：轻量化 机器人轻量化可以更持久、更灵活、更耐用，是未来迭代的大方向。特斯拉人形机器人始于2021年，三年来进步明显，呈现出轻量化趋势。2023 年12月特斯拉发布OptimusGen-2的视频，相比于第一代Optimus人形机器人，第二代Optimus进步明显，速度快30%、整体重量从73kg减少 证券研究报告|行业深度 2024年12月11日 增持（维持） 行业走势 到63kg，重量减轻10kg。机器人轻量化有三大优势：第一，更持久；也机械设备沪深300 就是节能，延长续航时间。第二，更灵活；轻量化可以降低运动惯性，对 电机转矩密度要求也会降低，相同的电机，更轻的本体重量，也就更容易被驱动和控制，也能够发挥出更大的承载力，使机器人在执行复杂动作时更加流畅和精准。第三，更耐用；轻量化设计可以降低机器人部件之间的摩擦和磨损，从而延长机器人的整体寿命。 “以塑代钢”和铝镁合金是两种可行方案。 30% 18% 6% -6% -18% -30% 2023-122024-042024-082024-12 （1）以塑代钢：“以塑代钢”的核心材料为PPS&PEEK。PPS较便宜、 性价比高，机器人躯体的外壳面积大、材料耗量高、同时也有减重需求， 因此适合选用更便宜、同时性能也够用的PPS作为轻量化材料。PEEK有自润滑性，但是成本较高，适合用于不能反复添加润滑油、但又需要润滑的地方，同时用量还不能太多，对于机器人而言，“关节、肌肉、骨骼”更适配，也就是执行器和传动件外壳的轻量化，PEEK材料有优势。 （2）铝镁合金：铝镁合金是以铝为主要原材料，并掺入少量的镁以及其他金属制成的金属材料，具有密度小、强度高、抗震力强、散热性好、抗 电磁干扰性好、绿色环保等特点。铝镁合金作为新材料领域的创新合金，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。因为其优异的性能和高性价比，铝镁合金是机器人轻量化的一种可行方案。 投资建议：机器人轻量化为大势所趋，而铝镁合金和“以塑代钢”是两种可行方案，因此，在“以塑代钢”方面，我们建议关注PPS优质供应商普利特】、国内PEEK材料龙头企业中研股份】、同时具备PEEK和PPS产能的沃特股份】，以及PEEK上游关键原材料氟酮供应商新翰新材】。在铝镁合金方面，我们建议关注旭升集团】、嵘泰股份】。 风险提示：机器人量产进度不及预期、新材料导入不达预期、被其他产品替代风险、数据滞后性风险。 作者 分析师张一鸣 执业证书编号：S0680522070009邮箱：zhangyiming@gszq.com 分析师杨义韬 执业证书编号：S0680522080002邮箱：yangyitao@gszq.com 分析师邓宇亮 执业证书编号：S0680523090001邮箱：dengyuliang@gszq.com 相关研究 1、《机械设备：华为、宁德、长安等巨头入局机器人中美共振产业趋势加速》2024-11-17 2、《机械设备：赛力斯&重庆加快布局机器人，产业中美共振有望开启》2024-11-03 3、《工程机械：中报总结：国内下滑收窄，海外维持正增长，盈利能力提升明显》2024-09-09 请仔细阅读本报告末页声明 内容目录 1、机器人轻量化是大势所趋3 2、“以塑代钢”和铝镁合金是两种可行方案5 2.1、“以塑代钢”核心材料：PPS&PEEK5 2.1.1、PEEK&PPS材料的优势8 2.1.2、PEEK&PPS产业链拆分11 2.1.3、PEEK&PPS主要企业14 2.2、铝镁合金性能优秀，也是一种轻量化的可行方案17 3投资建议19 风险提示21 图表目录 图表1：2021年8月特斯拉展示了人形机器人TeslaBot概念3 图表2：2022年9月-2023年9月特斯拉发布OptimusGen-1并相继发布相关视频4 图表3：2023年12月特斯拉发布OptimusGen-24 图表4：聚苯硫醚（PPS）结构式5 图表5：PEEK分子结构5 图表6：常用普通塑料、工程塑料及特种工程塑料示意图6 图表7：PEEK材料特性表7 图表8：PEEK与主要工程塑料、特种工程塑料性能对比情况8 图表9：PEEK与传统金属对比9 图表10：特种工程塑料价格9 图表11：PEEK生产流程10 图表12：PEEK工艺流程以及对应核心技术10 图表13：PPS产业链11 图表14：PEEK产业链12 图表15：PEEK应用领域及性能特点13 图表16：PPS材料产业链企业14 图表17：2021全球PPS行业市场份额14 图表18：2022年PEEK全球竞争格局15 图表19：英国威格斯在亚太地区的销量与中研股份销量对比及中国市场需求量16 图表20：主要的铝镁合金铝板介绍17 图表21：PEEK、铝镁合金、钕铁硼永磁材料应用、单机用量、价格18 图表22：2021年主要铝镁合金细分类型产销状况18 图表23：2019-2021年铝镁合金铸件在汽车领域销量和市场规模18 图表24：人形机器人核心标的估值表（亿元）20 图表25：PEEK与PPS材料应用于人形机器人的领域20 1、机器人轻量化是大势所趋 特斯拉人形机器人始于2021年，三年来进步明显，呈现出轻量化趋势。 在2021年8月特斯拉AIDAY，马斯克先是公布了FSD模型、D1芯片、Dojo超算 中心，之后，马斯克展示了人形机器人TeslaBot概念。 一年后，在2022年9月特斯拉AIDAY，马斯克正式发布了人形机器人OptimusGen-1的原型机（擎天柱），其重73公斤、身高172cm，当时现场展示还电线外露、没有外壳、走路需要人扶；视频展示中呈现了行走、下蹲、抓取物体、浇花等动作。 2023年3月-9月，特斯拉相继发布了OptimusGen-1的相关视频，其可以实现直立行走，手指关节抓取电动工具、螺丝，单腿站立做瑜伽，颜色分拣等任务。 2023年12月特斯拉发布OptimusGen-2的视频，相比于第一代Optimus人形机器人，第二代Optimus进步明显，速度快30%、整体重量从73kg减少到63kg，重量减轻10kg。 机器人轻量化的三点优势： 1)更持久：轻量化设计可以减少人形机器人在运动过程中的能耗，提高能量利用效率。 更轻的机器人需要更少的能量来移动，从而延长电池寿命，使机器人能够持续工作 更长时间。 2)更灵活：机器人轻量化能够有效降低运动惯性，有助于提升人形机器人的灵活性。较轻的部件更容易被驱动和控制，轻量化后，电机转矩密度要求也会降低，相同的 电机，更轻的本体重量，能够发挥出更大的承载力，使机器人在执行复杂动作时更加流畅和精准。 3)更耐用：轻量化设计可以降低机器人部件之间的摩擦和磨损，从而延长机器人的整 体寿命。减少重量还可以降低对驱动系统和结构的压力，减少故障发生的可能性。 图表1：2021年8月特斯拉展示了人形机器人TeslaBot概念 资料来源：特斯拉，youtube，国盛证券研究所 图表2：2022年9月-2023年9月特斯拉发布OptimusGen-1并相继发布相关视频 资料来源：特斯拉，youtube，国盛证券研究所 图表3：2023年12月特斯拉发布OptimusGen-2 资料来源：特斯拉，youtube，国盛证券研究所 2、“以塑代钢”和铝镁合金是两种可行方案 2.1、“以塑代钢”核心材料：PPS&PEEK 聚苯硫醚（PolyphenyleneSulfide，PPS）是一种具有优良的电绝缘性、耐热性、阻燃性、抗腐蚀性和耐辐射性等优异性能的高分子聚合物。聚苯硫醚属于聚芳硫醚的一种， 分子主链由硫和芳基结构交替连接形成结构，全称为聚亚芳基硫醚（PPS），又称聚苯撑醚，是一种具有潜力和应用价值的特种工程塑料，俗称“塑料黄金”。 图表4：聚苯硫醚（PPS）结构式 资料来源：知网论文《激光表面改性惰性高分子材料聚苯硫醚的研究》.陈婷、国盛证券研究所 PEEK（poly-ether-ether-ketone，聚醚醚酮，简称PEEK，是在主链结构中含有一个酮键和两个醚键的重复单元所构成的高聚物，属于半结晶的特种工程塑料）是一种特种工程塑料，具有耐腐蚀、机械特性好、耐热等级高等特点。最早于1978年由英国帝国化学公司（ICI）研发出来，在之后的很长一段时间内都被列为重要的战略国防军工材料。欧 美各大公司先后投入了大量人力、物力、财力对其进行研发，在性能、商业价值上都处于工程塑料的顶端。为了满足我国国防和民用科技发展的要，我国将PEEK的研发列入“七🖂”、“八🖂”、“九🖂”、“十🖂”国家重点科技攻关计划“863”，开始自主研发PEEK材料。 图表5：PEEK分子结构 资料来源：聚泰新材料官网、国盛证券研究所 图表6：常用普通塑料、工程塑料及特种工程塑料示意图 资料来源：中研股份招股说明书、国盛证券研究所 图表7：PEEK材料特性表 主要特性特性说明代表性指标 机械特性 PEEK兼具优异的刚性和较好的韧性，对交变应力下的抗疲劳性非常突出，可与合金材料相媲美。 1、拉伸模量 2、缺口冲击强度 3、比强度 耐热特性 PEEK具有较高的玻璃化转变温度和熔点，其负载热变形温度和瞬时使用温度也较高。 1、长期使用温度2、导热系数 阻燃性 PEEK具有自身阻燃性，不加任何阻燃剂即可达到最高阻燃等级（UL94V-0）。 阻燃等级 耐磨性 PEEK可在250℃的高温条件下保持较高的耐磨性。 摩擦系数 耐腐蚀性 PEEK具有优异的耐化学药品性，在通常的化学药品中，能溶解或者破坏它的只有浓硫酸，其耐腐蚀性与镍钢相近。 耐化学性能 耐水解 PEEK吸水率很小，23℃的饱和吸水率只有0.4%，且耐热水性好，可在200℃的高压热水和蒸汽中长期使用。 吸水率 耐剥离性PEEK与各种金属的粘附力与耐剥离性很好，因此可做成包覆很薄的电线、电缆和电磁线，并可在苛刻的条件下使用。 剥离强度 PEEK具有优异的生物相容性，可作为医疗器械植入人体。此外，PEEK可被 X射线穿透，具有良好的可视性，能够避免在X光片上造成伪影，同时可以 生物相容性实现在CT扫描或核磁共振成像辅助下进行手术，帮助医生在手术过程中调整植入体的位置，术后轻松跟踪愈合过程，从而能对骨生长和愈合实现良好 的监控。同时，PEEK的弹性模量与骨骼更接近，可以有效缓解应力遮蔽效应，使骨骼更健康、更长久。 资料来源：中研股份招股说明书、国盛证券研究所 2.1.1、PEEK&PPS材料的优势 PPS具有良好的尺寸稳定性和加工性能，是热塑性树脂中热稳定性较好的树脂。其热稳定性与聚酰亚胺（PI）和聚四氟乙烯（PTFE）相当，被广泛应用于纺织、电子和航空航 天等行业。对于盐、碱和无机酸具有较好的抗性，200℃以下不溶于任何溶剂。PPS树脂可以使用如挤出、压制等一般加工方式，同时使用熔融方法可以纺制高性能PPS纤维。基于这些优良性能，PPS被应用于工程塑料、纤维、薄膜、涂料等。 PEEK材料与主要工程塑料、特种工程塑料相比，性能更全面。在刚性方面要比绝大多数特种工程塑料表现更好，同时也能兼具韧性，体现出其机械性能的全面发展，并且PEEK 材料在耐热、耐磨、耐腐蚀等方面均表现优异。因此，PEEK是公认的全球性能最好的热塑性材料之一。 PEEK材料具有自润滑性，自润滑原理主要源于其分子结构和摩擦学特性。PEEK材料的自润滑特性主要源自其独特的分子结构，该结构中富含羰基（C=O）官能团。这些羰基 能够在分子链之间形成氢键，赋予PEEK一定的亲水能力。当PEEK材料在摩擦环境中使用时，它能够吸收环境中的水分，在表面形成一层保护性的水膜。这层水膜有效地降低了接触面之间的摩擦系数，并增强了材料的耐磨性和化学稳定性。因此，凭借这些优异的性能，PEEK成为了制造需具备自润滑特性的机械组件和零件的理想选择。 图表8：PEEK与主要工程塑料、特种工程塑料性能对比情况 单 特种工程塑料