EBS:3D打印行业报告：颠覆性技术，有望从1到100撬动千亿产业链_REA

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报告出品方：信达证券

以下为报告原文节选

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1增材制造：颠覆性制造技术，传统工艺的重要补充

1.1增材制造的原理与发展历程增材制造又称“3D打印”，是制造业有代表性的颠覆性技术：它基于三维模型数据，采用逐层叠加材料的方式，直接制造与相应数字模型完全一致的三维物理实体模型；我们认为，增材制造或将对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响。增材制造将复杂的零部件结构离散为简单的二维平面加工，有望解决同类型零部件难以加工的难题：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形系统，将三维实体变为若干个二维平面，利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末、树脂等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成形，制造出实体产品。增材制造相对于传统的减材制造和成形制造，简化了生产流程，避免了生产周期长、成本高、难以生产复杂零件等缺点，已经广泛应用到航空航天、船舶制造、石油化工、生物医疗等领域，促进了制造业的发展。

增材制造技术起源于美国，并在21世纪逐步成熟：随着工艺、材料和装备的日益成熟，增材制造技术的应用范围由模型和原型制造进入产品快速制造阶段，在航空航天等高端制造领域得到规模应用。根据华经产业研究院资料，增材制造行业发展历程大体可以分为四个阶段：

思想萌芽阶段：1940年，Perera提出了切割硬纸板并逐层粘结成三维地形图的方法，直到20世纪80年代末，3D打印制造技术实现了根本性发展。技术诞生阶段：光固化技术、分层实体制造技术、粉末激光烧结技术、熔融沉积制造技术、喷头打印技术等技术先后面世。装备推出阶段：1988年美国3DSystems公司生产出了第一台增材制造装备SLA250，开创了增材制造技术发展新纪元；1996年3DSystems制造出第一台3DP装备Actua2100，同年美国Zcorp公司发布了Z402型3DP装备。大规模应用阶段：2002年德国成功研制了选择性激光熔化增材制造装备，同时电子束熔化、激光工程净成形等一系列新技术与装备纷纷涌现。

1.2增材制造：高效率、低成本的颠覆性技术，让复杂结构制造更简单

增材制造加工在多种应用场景具备使用优势：增材制造技术与传统精密加工技术均是制造业的重要组成部分，目前增材制造加工与传统加工相比还存在加工精度、表面粗糙度和可加工材料等方面的差距，但增材制造因其全新的技术原理和特点，在多种应用场景有使用优势：n贴合“设计引导制造”的创意驱动，快速加工成形结构复杂的零件：增材制造的原理是将三维工件切片以获得二维的轮廓信息，通过叠层的方式实现产品成形。这种加工方式基本不受零件形状的限制，特别是在制造内部结构复杂的、传统加工无法完成一体制造的产品方面，具备突出优势。缩短产品研发周期：增材制造无需传统工具夹具和多重处理，可在单个设备上快速制造出所需零件，加速产品研发迭代。材料利用率高，有利于降低制造成本：1）增材制造材料利用率远超航空锻造：根据铂力特公司公告数据，金属3D打印技术的材料利用率可超过95%；而根据李蓬川《大型航空模锻件的生产现状及发展趋势》一文数据，我国航空锻件的材料利用率约为15-25%。2）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；而增材制造根据二维轮廓信息逐层添加材料，按需耗材，因此材料利用率高于传统加工模式。制造模式优化：免去了提前制造模具等工艺，无需雇佣众多生产人员、使用庞大机床和复杂的锻造工艺，可直接从计算机图形数据中生成复杂结构的产品，具有“去模具、减废料、降库存”的特点；在生产上能够优化结构、有望节省材料和能源，提高生产效率并可降低生产成本，助力实现无人化工厂。

1.3增材制造主流技术路线

增材制造技术自诞生至今近40年，正处于多技术路线并存的状态：1）根据我国《增材制造术语》，增材制造可以根据成形原理分为7种基本工艺。2）金属增材制造工艺原理主要为粉末床熔融和定向能量沉积两大类别，采用这两类工艺原理的金属3D打印技术都可以制造达到锻件标准的金属零件。

粉末床熔融技术是当今最广泛应用的增材制造技术之一：1）PBF技术比较适合航空航天小批量、定制化的生产特点：能够解决其轻量化设计制、功能化设计要求，且随着技术发展与成本控制，未来或将能够实现大规模工业化生产。2）PBF技术的主要代表性工艺有选择性激光烧结、选择性激光熔化成形、直接金属激光烧结和电子束熔化成形。

定向能量沉积技术推广应用不及粉末床熔融技术，但能实现修复功能：1）DED技术的成熟度和设备自动化程度不及PBF技术，在同传统制造技术的竞争中尚未形成显著的不可替代性。2）常用的DED技术工艺主要有激光近净成形、激光立体成形、电子束熔丝沉积、电弧增材制造。

张朝瑞、钱波、张立浩、茅健、樊红日《金属增材制造工艺、材料及结构研究进展》一文介绍了三类常用的金属增材制造工艺：

①激光选区熔化技术：当前最常用的一种加工工艺。1）其原理是利用高强度激光能量源对金属粉末层按照路径规划逐层快速扫描熔化，然后经工作缸、送粉缸和刮刀通过程序联动完成铺粉工作。2）SLM技术生产效率高，可以在短时间内制造出致密度极高的金属零件，缩短生产周期。

②电子束选区熔化：1）原理：在真空条件下，以高能量的电子束选择性地快速熔化金属粉末或金属丝，经过层层熔化堆积直至加工完成。2）优点：EBSM技术相比传统制造技术，制造产品周期短、材料利用率高、节省能源、无污染，其独特的真空加工环境更容易加工难熔的材料。3）缺点：需要专门的真空环境，维护费用昂贵，打印的零件不能太大；由于电子束加工容易产生射线影响人身安全，需要有专门的保护设备。③电弧增材制造：1）原理：以电弧为能量源熔化金属材料，按照路径规划进行层层堆积直至成形。2）优点：具有高效生产、节约成本、安全可靠的特点；相比于SLM和EBSM技术，在大尺寸结构件制造中有一定的优势，通过一体化成形复杂结构件的加工方式，简化了传统制造的准备过程，缩短了研发周期。3）缺点：表面质量较差，需经过表面加工过后才能使用。

2增材制造应用多领域开花，“从1到100”或迎“黄金发展期”

2.1我国增材制造产业正在迈向规模化、自主化、集聚化发展新阶段

根据工信部装备工业发展中心总工程师左世全在增材制造产业发展暨2023年增材制造产业年会上的报告《增材制造十年发展及展望》，我国增材制造产业发展呈现以下趋势：

①我国增材制造产业整体实现从研发创新向产业规模化发展蜕变：1）2012-2022年，我国增材制造产业规模自10亿元增至320亿元，CAGR为41.42%。2）预计2023年我国增材制造产业规模有望超过400亿元。3）按照25%的复合增长率保守估算，我国增材制造产业规模有望在2027年左右突破千亿元。

企业数量持续增加：我国增材制造全产业链相关企业数量超过1000余家，以增材制造为主营业务的上市公司数量从2012年的1家增长至2022年的22家，规模以上企业数量由2016年的20余家增至2022年的近200家，其中规模过亿的企业数量由2012年的3家增至2022年的42家。装备营收占比超过一半：2022年我国增材制造专用材料、零部件、装备、服务等各个环节营收占比分别约为12.4%、5.9%、53.2%和26%。

②我国增材制造装备实现从进口为主到自主生产转变：1）我国高精度桌面级光固化增材制造装备、多材料熔融沉积增材制造装备持续保持领跑并畅销海外；米级多激光器激光选区熔化装备、多电子电子束熔化装备、大幅面砂型增材制造装备等自主开发装备相关核心指标达到国际先进水平；超高速激光熔覆头、电子等十多类关键部件取得攻关突破和自主生产，其稳定性、可靠性得到不断改善。2）我国增材制造装备海外认可度不断提高：2022年，我国增材制造装备出口228.7万台，较2019年增长59.7%，出口金额36.6亿元，较2019年增长近1倍。③增材制造技术应用实现从原型制造向直接制造发展：由快速制造原型样件逐步向直接制造最终产品质变，已应用于航空航天、医药、汽车等国民经济39个行业大类、89个中类，覆盖产品结构设计、原型制造、批量生产、工装制作、保障修复等全寿命周期。航空航天领域：新一代战机、国产大飞机、新型火箭发动机、火星探测器等重点装备的关键零部件逐步应用增材制造技术，解决了诸多过去难以制造的复杂结构零件成形问题，实现产品结构轻量化。医疗领域：增材制造被应用于医疗植入定制、修复体制作、诊疗辅助器具制作、个性化矫正器具打印、细胞/组织/器官打印等；髋臼杯、脊柱椎间融合器等增材制造医疗植入物已获得NMPA认证，实现临床应用，拓展疾病治疗解决方案；增材制造技术实现口腔正畸牙模批量定制生产，解决传统机加工制造复杂的问题，满足患者个性化需求。汽车领域：增材制造被应用于概念车、零部件创新、定制化夹具制造、内饰创新等研发试制方面，达到缩短研发周期，以及减轻重量、减少材料损失、自由定制配件、轻松更换备件等目的。铸造领域：将增材制造技术应用于砂型铸造、熔模铸造等铸造工艺中，大大减少铸造加工流程，提升产品制造效率，实现对传统铸造的替代。其他领域：增材制造被应用于建筑设施整体制造、文物复刻展示、高级手办、轻量化鞋品制造等。④产业布局实现从零散分布到集聚发展演变：从零散状、碎片化到成链条、集群化发展演变。2013年，全国首个3D打印产业园在陕西渭南建成，随后，广州3D打印技术产业园、安徽春谷3D打印智能装备产业园等20余个增材制造全产业链及相关配套服务的产业聚集地、产业园区在各地陆续涌现，初步形成珠三角地区、长三角地区为核心，京津冀地区和陕西、安徽等中、西部地区为纽带的产业空间发展布局。

2.2增材制造应用场景广泛，在航空航天、汽车、医疗等领域大有可为

金属增材制造下游应用领域众多，航空航天应用最多：1）增材制造技术在航空航天领域率先得到验证和应用：航空航天企业对价格敏感度低，同时对复杂精密、大型构件制造的要求高。2）随着材料的多样化和增材制造设备的发展，增材制造技术广泛应用于多个行业的产品开发。3）根据铂力特公司公告援引的《WohlersReport2022》内容显示，在2021年全球增材制造服务规模中，航空航天占比最大，达到16.8%，医疗、汽车占比紧随其后，分别为15.6%和14.6%。

场景①：航空航天领域

徐明、吴凡《金属粉末增材在飞行器发动机的应用及挑战》介绍了增材制造在航空发动机中的应用：

航空发动机不断追求更好的性能和燃油经济性，因此对发动机材料、结构及功能的一体化、轻量化设计制造的要求越来越高，在飞行器发动机发展历程中，零部件的设计制造呈现以下特征：n结构复杂且一体化程度高：飞行器采用的零件通常具有较为复杂的结构，使得其加工难度和装配难度较高，为了避免装配带来的失效风险，结构复杂的部组件向着一体化发展。轻量化要求：对于飞行器发动机而言，轻量化的设计对于提高性能和降低油耗均具有重要意义。服役环境恶劣：随着飞行器发动机性能的不断提升，涡轮前温度提高，相应零部件服役过程中承受的温度和压力越来越高，对构件的要求也越来越高。铸造或锻造+机加等传统技术在很大程度上已经无法满足零部件快速迭代的研发、设计及验证需求。与传统制造技术相比，增材制造技术凭借其快速响应的特点，非常适用于零件的验证制造；同时对具有复杂结构的零件，在设计迭代优化中也具有明显的优势：

制造自由度高：其分层成形的特性决定了在成形过程中不受零件复杂结构的影响，可以直接制备复杂结构零件。设计自由度高：这决定了可以对传统结构进行优化，在满足服役要求的基础上实现轻量化设计制造。大幅提高材料利用率，显著降低买飞比：相比传统加工技术，增材制造技术将买飞比控制在BTF<3:1。现代航空发动机由成千上万个零部件组成，通常具有复杂的结构，其中静态构件对服役性能的要求相对较低，符合现阶段增材制造的发展水平，已有相当数量的静态构件采用增材制造技术制造并应用。GE公司采用SLM技术制备了LEAP系列发动机的高温合金燃油喷嘴，2015年开始生产，2016年通过了FAA认证，装机应用于LEAP系列航空发动机，截至2018年共生产30000多个燃油喷嘴，并已进入稳定批产阶段。GE公司新的GE9X系列发动机中，共使用了304个增材制造部件：包括燃油喷嘴、低压涡轮叶片、T25传感器壳体、燃烧混合器和热交换器，该发动机于2020年1月在新型波音777X上首次试飞，是迄今最强大的商用喷气发动机，增材制造的应用层级由零件级应用向部件级应用发展。

普惠公司采用SLM技术制备了航空发动机整流叶片，与传统的叶片制造工艺相比，实现了50%的减重并缩短了制造周期。金属增材制造的点阵结构在发动机涡轮部件也得到应用，起到减重和改善性能的作用。研究表明，在压缩机叶轮内部采用点阵结构可以减小其惯性矩并降低零件重量。

增材制造技术较为适合于航空发动机转动件复杂叶身结构的加工。作为一款新型高涵道比涡轮风扇发动机，GE9X将大量增材制造部件直接集成到发动机的核心结构中，该发动机采用EBM技术制备了228个TiAl合金低压涡轮叶片，达到了显著的减重效果。中国航空制造技术研究院高能束流加工实验室采用EBM技术制备出TiAl合金低压涡轮叶片，并已进入性能考核验证阶段。

金属增材修复技术已广泛应用于修复服役过程中的受损部件。通过原位修复，减少了原有零件的更换或报废，在缩短生产周期的同时实现了降本。

以整体叶盘及整体叶环零件为例，其制造成本可能高达数十万美元，采用修复技术可以避免整个零件的报废，具有显著的经济效益。发动机的高压压气机在工作过程中，压气叶片会与封严结构接触导致叶片叶尖磨损，叶片故障检查结果表明，叶尖磨损损伤率为80%，报废率近50%。传统焊接修复方法难以满足服役要求，采用激光直接能量沉积技术，可以利用激光能量集中、光束轨迹自动可编辑、光束移动速度快且运行控制稳定等特点，解决该类叶片修复难题。

左蔚、宋梦华、杨欢庆、陈新红《增材制造技术在液体火箭发动机应用述评》介绍了增材制造在运载火箭中的应用：

空间技术的飞速发展对运载火箭提出了更高的要求：1）液体火箭发动机中金属构件朝着复杂、薄壁、整体化和轻量化、高可靠的方向发展；2）传统的航天研究机构和新兴的商业航天公司为争夺国际发射市场，特别重视新型号发动机研制周期和成本的降低。金属材料的增材制造技术采用模型降维、积分加工的理念，具备诸多优势：1）可一次、快速地近净成形出一体化构件，无需焊接等装配环节；2）其快速/近快速凝固组织亚结构细小，产品力学性能优异；3）一些先进结构，如周期性点阵结构，借助增材制造技术可大规模制备，在发动机中应用可实现轻量化、隔热保温、减震降噪、防冲击、发汗冷却、催化反应等功能，从而发动机材料-结构-功能一体化设计。美国最早将增材制造技术应用于液体火箭发动机中：除了传统的政府机构NASA和火箭发动机普惠洛克之外，近年来新兴的商业航天公司如太空探索技术公司、蓝色起源也将研发重点投入到金属材料的增材制造研究和发动机工程化应用之中。

场景②：汽车制造领域

据易加三维官网介绍：随着增材制造技术的不断成熟和汽车制造业对整车节能减重要求的日趋严苛，应用增材制造技术打印生产出来的汽车配件，不仅结构强度增高，自重还大幅降低，这一关键优势，使增材制造技术在汽车行业的应用越来越广泛。轻量化是汽车节能、降耗、增加续航里程的重要技术路径之一：据赵显蒙、李长青、张庆霞、刘坤、孙淑伟《轻量化技术和材料在汽车工程中的应用》数据，对于燃油车，汽车质量每减少10%，汽车燃油效率将会增加6%-8%；而对于新能源汽车，每减重10%，续航里程可提升5-6%。汽车领域对增材制造技术的应用稳定增长：根据铂力特公司公告援引的《WohlersReport2022》数据，2019-2021年汽车领域增材制造市场规模自19.46亿美元增至22.26亿美元，CAGR达6.94%。增材制造使汽车领域的开发、设计、制造过程发生了巨大变化：实现更安全的轻量化设计、更低成本、更短的研发周期。

全球著名车企将3D打印技术应用于汽车制造，并取得了良好的成效：宝马、戴姆勒、通用、大众等众多知名车企已将增材制造技术应用于汽车零部件的量产，减少部件重量、增强承重能力，提高零部件性能。汽车制造行业对3D打印的接受程度快速上升：MakerBot公司3D打印趋势报告指出，较2020年相比，2021年有将近一倍的车企增加了对3D打印的应用。

场景③：医疗领域

医疗领域对增材制造技术的应用快速增长，2019-2021年全球医疗行业增材制造市场规模自16.5亿美元增至23.78亿美元，CAGR达20.07%。增材制造在医疗领域的应用不仅局限于假肢、植入物的制造，而且也可以利用此类技术制作微型工具，进行精确和复杂的手术，降低风险，还可以用于打印出人体内部器官3D模型，帮助制定手术计划或辅助手术教学，并让医务人员反复练手。增材制造技术在齿科领域应用广泛，用于制备复杂且高度定制化的高价值小型产品。金属粉材是齿科3D打印中的重要材料，主要用于制造金属牙冠、口腔支架等。据“武汉必盈生物科技有限公司”微信公众号介绍，增材制造技术在医疗领域的应用越来越多，例如：

体外器官模型、仿生模型制造：用于术前诊断、手术策划和预演，为诊断和治疗提供立体直观、可触摸的信息，便于医、工、患之间沟通，缩短手术时间、降低手术费用，有效提高诊疗水平。手术导板、假肢设：根据采集的个体数据，为患者量身订制手术导板和个性化假肢等器具，可提高手术效率和精确度；提升假肢设计和制作水平。个性化植入体制造：患者受损组织器官有大量个性定制需求，如颅骨、颌骨、鼻骨、下肢骨、脊椎、髋骨等，特别是整容塑形领域。3D打印可实现精确复制受损部位形状并恢复其功能。活性组织及器官打印：通过细胞三维控制组装及后期的处理和培养，实现对于微环境、微结构和功能的模拟，逐渐融入全身循环系统并具备感知功能，最终实现组织与器官的原位打印和构建完整的生命体。药物筛选生物模型和药物打印：药物筛选需要对不同化合物的生理活性、药物性做大规模横向比较，生物打印技术制造药物病理模型、人造器官、以及人体器官芯片可避免大规模动物实验和人体实验带来的伦理、时间和费用问题，在短时间内大规模、高通量筛选新型高效药物。通过3D打印技术实现多种材料精确成型和局部微细结构，从而实现一种或多种药物同时精确控制释放。3D打印外固定支具：3D打印外固定支具带来的真正价值不仅仅是实现精准的定制化，更主要体现在让精准、高效的数字化制造技术代替手工制作方式，缩短生产周期。

3产业链梳理及受益标的

3.1增材制造产业链梳理

增材制造经过近40年的发展，已经形成了一条完整的产业链：据铂力特公司公告、左世全在增材制造产业发展暨2023年增材制造产业年会上的报告《增材制造十年发展及展望》介绍，1）上游：主要包括增材制造装备零部件、三维扫描设备、增材制造软件系统、专用材料生产工艺及设备等；2）中游：以3D打印设备生产厂商为主，大多亦提供打印服务业务及原材料供应，在整个产业链中占据主导地位；3）下游：行业应用已覆盖航空航天、汽车工业、船舶制造、能源动力、轨道交通、电子工业、模具制造、医疗健康、文化创意、建筑等各领域。