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金属级增材制造行业研究分析报告

以下文章来源于九鼎投资 ,作者余继伟、王勇

block 行业概览

增材制造,又叫做3D(Three Dimensions)打印,是以计算机三维数字模型为基础,通过软件分层离散和数控成形系统,用激光、电子束、热熔喷嘴等方式将粉末、树脂、热塑等材料在二维平面上进行逐层堆积黏结,从而快速制造出与数模设计一致的实物产品。

与传统减材加工制造技术不同,增材制造大幅节约了原材料在去除、切削、再加工过程中的消耗,同时不受传统加工工艺的限制,可以在产品设计环节进行优化或自由重塑,极大降低了后续工艺流程的工作难度和时间损耗。增材制造融合了IT、先进材料、智能制造等多种技术,被认为是制造业最具颠覆性和代表性的新兴技术之一,代表着高端制造的发展方向。

block 行业驱动

金属级增材装备是产业发展的核心。金属级增材制造设备的核心零部件主要为光学设备,包括高功率光纤激光器和激光扫描振镜,一般占设备成本结构比重的20-40%。以上关键元器件技术壁垒较高,国产化率较低,绝大多数需要进口,是目前制约我国增材设备发展的最大瓶颈。

原材料是金属级增材制造行业发展的基础,随着适用金属原材料的增加,增材制造将创造出更多种类的产品,未来应用范围也会越来越广泛。常用的金属增材材料包括不锈钢、高温合金、钛合金、模具钢、铝镁合金等。我国金属增材原材料已基本摆脱依赖进口的局面,供应量和质量较为稳定。

自主软件研发是金属级增材制造的重要保障。软件成本占金属级增材制造设备成本结构的比重接近20%,目前软件是整个我国增材制造生态产业链的短板之一,软件开发仍集中在学术科研上。

下游金属级增材制造服务涵盖了产品的设计研发、激光成形、后处理和检验交付等多个环节,其产成品性能指标的优劣直接反映了整个增材制造产业链条配合的成熟度。增材制造服务领域的拓展推动着整个产业链条技术的更新,航天军工将优先受益。预计未来2-5年内增材制造的军工订单将实现爆发式增长,且持续性较强,航天军工有望成为带动金属级增材制造快速崛起的第一推动力。

虽然金属级增材制造可以创造出传统加工工艺无法实现的微观结构,客户对增材设备和服务的需求增长迅猛,但增材技术仍非主流路线。造成这一现象的原因之一是当前金属级增材设备的产品成型尺寸有限,难以满足大多数工业制造的需求。因此,大尺寸高效成型是未来趋势。

block 竞争态势

随着增材制造行业竞争的不断加剧,企业为了增强自身竞争力,开始布局行业整合。行业整合方式包括:向上下游并购或扩张,以及其他行业跨界并购或参与增材制造。

德国EOS属于典型的上下游扩张,目前EOS已经不仅仅是全球最大的金属级增材设备厂商,还是粉末原材料、制造工艺、服务咨询等多板块的解决方案提供商,打造出完整的产业链条。美国GE作为工业企业的代表,从2010年开始参与增材制造,2016年承购并购瑞典Arcam和德国Concept Laser公司,目前已成功在航空发动机领域实现了金属增材制造的规模化应用。其他案例还包括阿迪达斯、强生等跨界投资增材制造商Carbon,宝马集团先后投资了Carbon和金属增材制造公司Desktop Metal,并于2018年5月打造慕尼黑增材制造工厂,2020年投产。

目录

1、行业概况

1.1 行业定义

1.2 金属级增材产业链分析

1.3 增材产业发展历程

1.4 金属级增材产业发展现状

1.5 主流金属级增材技术和基本原理

2、需求端

2.1 全球金属级增材制造行业规模和未来预测

2.2 中国金属级增材制造行业现状和未来预测

3、供应端

3.1 增材行业世界竞争格局

3.2 金属级增材企业竞争格局

4、行业趋势和观点

4.1 金属级增材装备关键零部件

4.2 上游原材料是行业发展的基础

4.3 软件研发是金属级增材制造的重要保障

4.4 增材制造服务领域的拓展推动着整个产业链条技术的更新,航天军工将优先受益

4.5 金属级增材装备需求激增,大尺寸高效成型是未来趋势

4.6 行业整合加剧,行业巨头加速布局增材制造产业

block 01 行业概况

1.1 行业定义

增材制造,又叫做3D(Three Dimensions)打印,是以计算机三维数字模型为基础,通过软件分层离散和数控成形系统,用激光、电子束、热熔喷嘴等方式将粉末、树脂、热塑等材料在二维平面上进行逐层堆积黏结,从而快速制造出与数模设计一致的实物产品。与传统减材加工制造技术不同,增材制造大幅节约了原材料在去除、切削、再加工过程中的消耗,同时不受传统加工工艺的限制,可以在产品设计环节进行优化或自由重塑,极大降低了后续工艺流程的工作难度和时间损耗。增材制造融合了IT、先进材料、智能制造等多种技术,被认为是制造业最具颠覆性和代表性的新兴技术之一,代表着高端制造的发展方向。

增材设备可分为桌面级和工业级两种,其中桌面级打印设备发展较为成熟,技术难度较低,以非金属为主要原材料,目前生产厂商众多,市场竞争激烈。工业级增材设备包含工业金属级和非金属级两种,其中金属级技术门槛及销售价格均较高,国外相关专利技术仍处于保护期限内,因此企业自我投入研发资金较大,同时由于技术仍处于不断迭代更新和打磨之中,设备生产厂家数量较少,目前大部分工业级增材设备厂商以细分领域市场应用或专用原材料设备研究为目标,进行差异化竞争。根据Wohlers Associates的分类,增材装备以售价5000美元/台为标准线,5000美元及以上属于工业级增材装备,5000美元以下属于桌面级增材装备。由于增材制造技术在诞生初期就是以工业服务为主要目标,因此工业级增材装备的研究起步时间基本与增材制造技术诞生时间一致,而桌面级真正起步于2007年,比工业级晚了21年。

相较于传统加工制造业,金属级增材制造的核心优势主要表现在对复杂零部件的结构重塑和工艺再设计方面。传统制造业以产品制造为出发点,更多的是基于现有制造水平进行设计,往往会出现模具难制作、铸造锻造出的产品过于笨重、零部件组装复杂、后续机加工难度高、时间长等问题,甚至会出现超复杂异构件难以制造的情况。而增材制造可以做到完全以产品性能为导向对复杂结构件进行结构重塑,设计更加自由,一体成型,同时保证产品尺寸精度、成型参数、力学性能等不低于客户要求。通过点阵结构、蜂窝结构、复杂流道设计等不断优化产品制造方案,实现产品轻量化、节约材料损耗,通过变形控制、余量添加设计等方案减轻后处理环节的工作难度,减少加工时间。金属级增材制造更贴近设计本源,注重一体化成型,减少不必要的链接装置如螺丝螺母,使得产品可靠性更加优异。以GE公司生产的发动机燃油喷嘴为例,传统设计将喷嘴切割成20多个零件分别加工制造,然后通过焊接组装,而GE改用增材制造方法后,将零件从20多个减少到3个,重量降低25%,产品强度增加3倍,使用寿命提高5倍,从而使每架飞机成本节约近300万美元。据统计,增材制造普遍可以实现零部件15%-60%的减重,减少多达80%的加工损耗,产品设计及研发周期也大大缩短,因此增材制造具备一定的成本和时间优势。

1.2 金属级增材产业链分析

按照金属级增材制造的整个产业链条划分,其上游是金属原材料厂商。目前,主流金属粉末原材料已经由市场供不应求转为供需稳定,粉末单价受金属材料价格影响大,产品可以根据下游增材服务厂商的需求做金属粉末的定制化研发和生产,竞争较为激烈,传统的金属材料厂商是潜在进入者,金属粉末厂议价能力偏弱。

中游是金属级增材设备的生产制造,处于产业链的主导地位。从成本结构构成分析,软件占整台设备比重约为20%,硬件为80%,其中机加和光学零部件占比最大,分别占比30%和25%。我国工业级增材制造装备的核心光学部件严重依赖进口,如大功率激光器被Trumpf、IPG等少数几家企业垄断,扫描振镜主要由Scanlab供应,目前我国高功率激光器和扫描振镜处于研发攻关阶段,未来有可能实现国产化替代。

图1:金属级增材设备成本结构分析

analysis_jiuding_1资料来源:九鼎投资

下游是金属级增材服务与应用,服务商打印出合格产品以满足客户需求,同时为装备制造厂商和原材料供应商不断提供反馈建议。随着增材装备和技术的不断成熟,下游服务商将肩负起增材制造应用领域推广和发展的重任。独立的专业服务商已经出现,如毅速激光等,服务商与增材设备供应商深度配合。我们判断未来增材制造服务的新进入者将逐渐增多,但掌握多品类加工工艺的厂商将逐步成为金属级增材产业链的核心。

图2:金属级增材制造产业链

analysis_jiuding_2资料来源:九鼎投资

金属级增材制造服务主要围绕着设计、建模、加工制造、后处理、检验检测等关键环节进行,其制造出来的终端产品性能好坏与整个制造工艺息息相关。金属级增材制造是激光热沉积和极冷极热的过程,产成品不仅需要在定型规格上达到客户需求,更需要性能、热应力控制等也达到甚至超过铸锻造水平,因此从原材料的选择、设备的匹配,再到工艺参数的调整,金属级增材制造的技术难度要远高于非金属增材制造。一般而言,金属级增材制造服务的基本生产流程如下图所示:

图3:金属级增材制造服务的基本流程

analysis_jiuding_3资料来源:九鼎投资

1.3 增材产业发展历程

增材制造启蒙于1940年,美国人Perera提出将硬纸板进行切割并逐层粘结,最终打造出模拟三维地形图的方案。20世纪80年代,以美国人Hull发明光固化技术(SLA)并成立了全球首家增材制造公司3D Systems为标志,增材制造技术逐步从理想走进现实,并相继开创出粉末激光烧结(SLS)、熔融沉积(FDM)和喷射打印(3DP)等多种增材制造技术路线,增材制造装备层出不穷,不断优化完善,该阶段增材制造主要以模型、原型制造为主。2000年以后,金属增材制造如激光选区融化(SLM)、激光近净成形(LENS)等技术的出现,近乎完美地解决了传统制造无法实现超复杂加工的痛点,成功地带动了增材制造进入到大规模产业化试制和应用阶段。目前,随着增材制造的原材料、装备零部件和加工工艺的日趋稳定,增材制造的应用范围将进一步拓宽。

图4:世界增材制造技术发展历程

analysis_jiuding_4资料来源:西安交通大学先进制造技术研究所,九鼎投资整理

我国增材行业在萌芽期立足于学院派,主要依靠高等院校和科研院所推动技术发展,起步时间仅仅比美国晚2年。1988年10月,清华大学激光快速成形中心的成立,标志着我国增材制造研究正式开始。1993年我国首台工业级增材制造设备样机–粉末激光烧结(SLS)增材设备研制成功,比3D Systems研制的世界第一台增材制造设备约晚5年时间。

我国政府高度重视增材制造技术的产业化应用,目前产业发展已由科研院所单核驱动转向为“实体企业和科研机构双轮驱动”,行业整体发展水平已可比肩欧美发达国家。2015年2月,我国增材制造产业发展推进计划正式发布,行业发展上升到国家层面,通过政策引导,推动产业实现快速发展。2016年4月,我国增材制造标准化技术委员会成立,标志着行业由百花齐放百家争鸣阶段过渡到国家级标准规范建设阶段。2017年12月,工信部、发改委、财政部等国家部委相继发布《增材制造产业发展行动计划2017-2020年》、《增材制造业核心竞争力三年行动计划2018-2020年》等文件,明确到2020年增材制造产业销售收入超过200亿元,年均增速在30%以上,且研制的工业级铸造3D打印设备足以满足航空航天、大型发动机等领域大型复杂零部件的需求。

图5:中国增材制造技术发展历程

analysis_jiuding_5来源:公开资料,九鼎投资整理

1.4 金属级增材产业发展现状

增材技术从诞生到现在刚刚经历30年的发展征程,处于产业发展的成长期阶段,属于新兴产业,其工艺流程、设备、生产线、工厂模式和上下游产业链相较于传统制造业仍处于不断更新和完善之中,其在降低加工复杂度、解决结构性支撑和减重、节约制造时间、材料和后续处理成本等方面已得到航空航天、军工、汽车、医疗等多行业的实践验证和认可。

金属级增材制造技术快速迭代更新,但其成熟度还达不到传统机械加工的车、铣、铇、磨、钳和热加工的铸、锻、焊、粉末冶金等制造技术。按照航空航天产品的5级成熟度分析,1级:初步概念机诞生,2级:摸清产品的基本原理和基本规律,3级:用上述原理进行研制,并且不断优化,4级:设计最终定型,图纸不再更改,5级:工艺路线彻底定型,并且确保90%以上的成品率。目前金属级增材制造行业正处于从3级向4级跨越阶段。

Wohlers Associates也侧面印证了以上观点,根据其报告,2019年增材制造的终端产品应用占比达到30.9%,首次超越了原型制造(占比24.6%),成为下游第一大应用方向。这标志着增材制造产业开始走向成熟,从之前的原型制造转向了快速终端应用制造,增材技术不再是简单用于科研/教育或者原型展示的辅助型制造技术。

图6:增材制造各应用方向占比

analysis_jiuding_6资料来源:Wind,Wohlers Associates:Wohlers Report 2020,九鼎投资整理

目前,增材制造技术路线逐渐定型,产业标准化和规则逐渐清晰,工艺参数通过试验不断校准,工艺流程持续优化创新,使得增材制造产成品越来越成熟,其性能指标已接近甚至超越铸造、锻造产成品。增材制造产成品逐渐被更多行业所接受,规模化的推广应用带动了成本的逐步降低,随着产品性价比和效率的进一步释放,增材制造必将呈现爆发式增长并且产生鲶鱼效应,颠覆传统制造业的上百年来固有的加工模式,未来世界产业结构有望进一步优化调整。

1.5 主流金属级增材技术和基本原理

从1986年光固化成型技术(SLA)诞生到现在,世界范围内已出现多达十几种不同的增材制造技术路线。按照选用的原材料不同,增材制造技术可分为金属级和非金属级两大类。根据《国家增材制造产业发展推进计划2015-2016年》,金属级增材制造包括:SLM技术、EBSM技术、LENS技术、EBDM技术等。非金属级增材制造包括:SLA技术、SLS技术、3DP技术、FDM技术、PJ技术等。

图7:激光选区熔化(铺粉)和激光近净成型(送粉)的工作原理
analysis_jiuding_7资料来源:公开资料

block 02 需求端

2.1 全球金属级增材制造行业规模和未来预测

2.1.1 全球增材行业探底回升,近十年保持高速增长

世界增材制造行业从诞生到现在,仅仅经历34年的发展时间,但行业快速增长,尤其是近10年来,行业产值加速提升,显示出非常强的生命力。Wohlers Associates是美国专门从事增材制造和3D打印研究的咨询机构,也是世界范围内公认的最具权威的增材制造行研机构,其关于增材制造行业的年度研究报告已经出版到第25个年头了,是增材制造行业健康发展的晴雨表。根据其年度报告Wohlers Report 2020,全球增材制造行业产值(包含设备、原材料、零部件、服务等)从2003年的仅5.29亿美元,增长到2019年的118.67亿美元,16年来行业增长超过22.43倍。增材行业在2008-2009年增速明显下滑,主要系当年世界经济危机影响,但是2010年之后便出现强劲反弹,近十年行业复合增速超过27.23%,显著高于全球GDP增长。

图8:2003-2019年全球增材制造产值及增速
analysis_jiuding_8资料来源:Wind,Wohlers Associates:Wohlers Report 2020,九鼎投资整理

当前增材制造上游和中游(包括增材原材料、核心零部件、软件、设备销售等)约占行业总产值的40%,下游服务(包括产品设计、打印、培训、设备修复、咨询等)约占60%。从发展趋势看,增材服务产值的占比在持续提升。这表明增材制造在下游市场已经越来越得到客户的认可,且增材制造服务的增速高于上游原材料和中游设备的增速。

2.1.2 全球金属级增材产值激增,增速远超非金属级

根据九鼎投资的调研和测算,2019年全球金属级增材行业总产值达到58.45亿美元,同比增长30.15%。本文将金属级增材按照上游、中游和下游分别进行拆解,详细分析每年各板块的产值规模和增速。

图9:2015-2019年全球金属级增材行业产值及占比
analysis_jiuding_9资料来源:九鼎投资

上游:增材原材料产值在整个增材产业链中占比最低,但全球用于增材制造的金属原材料和非金属原材料均在快速增长,2009年金属原材料销售额仅为1200万美元,2019年实现了3.09亿美元,年复合增长率达38.39%。从销售单价分析,原材料价格呈现出两极分化严重,但单价逐年下降的趋势,其主要原因是前期测试用粉和小批量用粉居多,市场供应商较少,造成价格较高。预计未来随着大批量生产制件和应用,金属粉末的价格将进一步下调。从材料市场结构分析,非金属原材料产值略高于金属材料,二者比例约为6:4。

图10:2009-2019年全球金属原材料产值(亿美元)
analysis_jiuding_10资料来源:九鼎投资

中游:增材装备中附加值最高的板块当属金属级增材设备,金属级增材设备技术复杂度在各类增材设备中最高,售价远高于其他种类增材设备,近年来其打印出的产成品性能指标已接近甚至高于铸造、锻造水平,受到市场的追捧。根据Wohlers Associates研究报告,2000年金属级增材设备年度销量仅为16台,到了2019年该数字达到2327台。

图11:2000-2019年全球金属级增材设备销售量及增速
analysis_jiuding_11资料来源:Wohlers Associates:Wohlers Report 2020,九鼎投资整理

从全球金属级增材设备销售平均单价来看,2015年全球金属级增材设备的销售额约为4.85亿美元,占全球增材设备产值的比重为22.64%,平均单台售价为60.02万美元。2019年全球金属级增材设备的销售额提升到10.88亿美元,近4年复合增速达22.39%,占全球增材设备产值的比重也提升到30.95%,而平均销售单价则下降到46.76万美元,与2015年相比,降幅达22.09%,平均售价的降低主要得益于经济型金属增材设备的普及。而近3年平均售价则从40.78万美元提升到46.76万美元,价格稳中有升,主要系设备升级和新功能的叠加,使得打印成品质量更加符合制造的需求。

图12:2015-2019年全球金属级增材设备销售总额及占比
analysis_jiuding_12资料来源:Wohlers Associates:Wohlers Report 2020,九鼎投资整理

下游:随着增材制造技术的成熟,客户也由初期的试用走向规模化生产与应用,目前航空航天、消费电子、工业机械、汽车制造等是金属级增材制造的主要应用领域。2015年金属级增材服务产值为15.71亿美元,2019年该数据增长到44.48亿美元,近4年复合增速为29.71%。预计未来下游客户对金属级增材制造将继续保持旺盛需求。

图13:2015-2019年全球金属级增材服务产值及增速
analysis_jiuding_13资料来源:九鼎投资

2.1.3 预计未来三年全球金属级增材行业仍将保持快速发展

考虑到2020年新冠疫情给全球经济增速带来巨大的负面影响,我们将2020年全年增材制造产值增速调整为负,并且进一步调低2021和2022年该行业的成长预期。

上游金属原材料:根据调研,九鼎投资预测2020年增材制造原材料产值将下降到7亿美元左右,其中金属原材料产值约3亿美元。2021年开始逐渐恢复,到2022年预计全球增材原材料销售规模将接近10亿美元,其中金属原材料产值约为4亿美元。

图14:2020-2022年金属原材料销售规模预测(亿美元)
analysis_jiuding_14资料来源:九鼎投资

中游金属级增材设备:根据调研,九鼎投资认为2020年预计金属级增材设备销售量将下降到2094台,销售额降至9.3亿美元,量价齐降。2022年销量将接近3000台,销售额将达到11.08亿美元。由于金属级增材设备相较于桌面级增材设备,体型庞大,投资金额高,且现场调教及培训时间长,因此新冠疫情对金属级增材设备销售的影响要超过非金属级。

图15:2020-2022年金属级增材设备销售规模预测
analysis_jiuding_15资料来源:九鼎投资

下游金属级增材服务:依据应用领域不同及各领域的增速不同进行测算。金属级增材技术在汽车制造、航空航天、工业机械、国防军工等领域发展迅猛,根据调研,九鼎投资认为2020年预计金属级增材服务产值规模将达到47.46亿美元,相比2019年略有增长,主要系航空航天及国防军工订单持续性较强,有效填补了其他应用领域的产值下滑。2022年,预计金属级增材服务产值将达到73.32亿美元。在细分领域中,汽车制造、航空航天和工业机械将成为未来金属级增材技术应用的主战场,2022年上述3个领域对金属级增材服务产值的贡献度超过了90%。

图16:2020-2022年金属级增材服务产值预测及占比变化
analysis_jiuding_16资料来源:九鼎投资

根据以上计算,九鼎投资预计2020年全球金属级增材行业总产值规模将达到59.7亿美元,占全球增材行业总产值的比重约为52.69%,2022年产值将超过88.46亿美元,占比超过57.22%。总的来说,金属级增材行业产值规模在不断增长,占整个增材行业产值的比重也在逐年提升。

图17:2020-2022年金属级增材行业产值预测
analysis_jiuding_17资料来源:九鼎投资

2.2 中国金属级增材制造行业现状和未来预测

2.2.1 中国增材产业发展迅猛,部分技术全球领先

我国增材制造产业日趋成熟,越来越多的企业和机构加入到增材制造的生态圈内,除少量核心零部件仍需进口外,整条产业链基本可以做到自力更生。随着我国加大对增材制造行业的投资力度和政策导向,我国增材制造自主研发能力不断提升,并且在熔融沉积成形、光固化成形、激光选区烧结/熔化等技术路线中达到国际先进水平。尤其在金属级增材制造领域,我国发展迅猛,市场呈现高速成长态势。目前,我国近净成形技术路线从增材设备到服务工艺均处于全球领先水平,是目前全球少有的几个国家掌握制造2米及以上规格产成品的国家。而我国SLM技术在装备上稍稍落后于德国企业,但是在成型工艺上的摸索研发丝毫不逊于外企。另外,我国增材制造用金属原材料已经基本实现了国产化替代,行业标准正在逐步建立。

根据中国增材制造产业联盟统计,2013-2019年,我国增材制造产业规模保持了40%以上的增长速度,远高于每年GDP增速。2012年产业规模仅为1.6亿美元,2019年达到31.8亿美元。据公开资料显示,2014-2019年,中国市场对SLS和SLM设备需求的复合增长率为23%。

图18:2012-2019年中国增材制造产业规模
analysis_jiuding_18资料来源:中国增材制造产业联盟,九鼎投资整理

2.2.2 未来3年中国增材行业增速高于全球,金属级将占据核心地位

九鼎投资对国内增材行业的规模测算,也按照上、中、下游进行拆解。2019年国内增材原材料市场产值为2.26亿美元,其中金属原材料销售达到1亿美元,占比44%。根据调研,九鼎投资认为2020年国内增材原材料销售将出现轻微的下滑,主要系疫情影响,2022年预计国内该项产值将达到2.97亿美元,其中金属原材料产值为1.48亿美元。

图19:2020-2022年中国金属级增材原材料产值预测(亿美元)

analysis_jiuding_19资料来源:九鼎投资

2016-2019年,国内中游增材设备产值从5.96亿美元增长到13.81亿美元,增长2.32倍。根据行业访谈,国内金属级设备和服务的贡献度约为60%。我们预计在疫情的影响下,2020年国内增材设备销售将出现下滑,2021年重新恢复增长,到2022年中游增材设备的产值将达到16.4亿美元,其中金属级增材设备产值为9.84亿美元。

图20:2020-2022年中国金属级增材设备产值预测(亿美元)

analysis_jiuding_20资料来源:九鼎投资

中国增材服务市场主要集中在工业机械、航空航天、汽车、消费电子和医疗领域,受疫情影响,九鼎投资认为2020年大部分应用领域将不可避免出现短期产值下滑。2022年,预计中国增材服务行业规模将达到28.05亿美元,其中金属级增材服务产值为16.83亿美元。

图21:2020-2022年中国金属级增材服务产值预测(亿美元)

analysis_jiuding_21资料来源:九鼎投资

根据以上测算,九鼎投资预计2020年中国金属级增材行业规模将达到18.9亿美元,2022年将达到28.15亿美元,九鼎投资对增速预期相对保守谨慎。

图22:2020-2022年中国金属级增材规模-预测(亿美元)

analysis_jiuding_22资料来源:九鼎投资

block 03 供应端

3.1 增材行业世界竞争格局

增材制造技术起步于发达国家,从设备研发到产业化应用,发达国家一直引领该新兴产业不断向前。目前,全球增材制造的市场包括:北美、东亚、和欧洲,增材设备在这3个地区的累计装机量达到了95.3%,其中以北美最大,占全球装机量的比重超过36.1%,亚洲次之,达到30.4%,欧洲排名第三,占比28.8%,其他区域占比较小。增材制造在这些地区的发展各有特色,美国高度重视增材制造产业,最先将其上升到国家战略层面,关注增材制造设计、原材料、工艺、增材制造基因组等领域,推动产业升级和技术创新;欧洲以德国为首,大力发展金属级增材制造技术,尤其是激光选区融化技术走在世界的最前沿,推动飞机、汽车、医疗等优势领域的进步;东亚的增材制造行业整体发展慢于前两者,但目前以中国大陆和日本为首不断进行增材技术创新,政府也加大扶持力度,确立增材制造产业发展的国家行动计划,因此东亚有望短期内赶超欧美发达国家。

与2018年各国装机量占比相比,美国和德国等老牌增材强国装机量占比有所下滑,主要系以中国大陆、韩国、意大利为首的增材技术新兴国家新增装机量增速较快。就具体国家而言,美国仍然是世界上增材设备装机量最大的国家,占比达34.4%,远远领先于排名第二的中国,中国装机量占比为10.8%,日本紧随其后,占比9.3%,德国第四,占比达到8.2%,以上四国的累计装机量占比已经超过了世界的60%。除了以上四国之外,没有其他任何一个国家的装机量占比超过5%。美、中、日、德四个国家在不同增材制造技术路线上各有千秋,但基本代表了各条技术路线的世界最高水准。

图23:增材设备累计装机量-各国占比
analysis_jiuding_23资料来源:Wohlers Associates:Wohlers Report 2020,九鼎投资整理

3.2 金属级增材企业竞争格局

随着金属级增材行业的成熟和参与者的增多,不同金属级增材技术路线的应用领域开始出现重合,竞争的加剧导致了行业内部出现技术路线优胜劣汰和整合,高性价比和具备独特性的增材技术得到进一步发展,反之则被淘汰。根据公开资料显示,全球主要金属级增材制造设备厂包括:EOSGE增材制造旗下的Concept Laser与Arcam、SLM Solutions、Phenix Systems(被3DSystems收购,在中国与GF加工方案合作)、雷尼绍-Renishaw、德马吉森精机-DMGMORI、通快铂力特安世亚太增材制造旗下的德迪、鑫精合、华曙高科、北京隆源、中科煜宸等。

根据收入规模分析,海外企业已经具备了较大的体量,但是大多数企业仍然处于亏损边缘,少有微利。国内设备销售收入最高的是铂力特,2019年销售额为3.22亿元,净利润7426.9万元,先临三维2019年营业收入为4.56亿元,但亏损9074.92万元,目前正在进行部分资产剥离。与国际巨头相比,国内企业的收入体量仍然偏小。目前,行业整体毛利率较高,但是绝大多数企业仍处于盈亏边缘,其主要原因是高额的研发投入了吞噬了企业的净利润。

block 04 行业趋势和观点

4.1 金属级增材装备关键零部件情况

金属级增材制造设备主要由软件、扫描仪、基板等零部件组合而成,增材制造的核心专利主要来源于中游的设备厂商,同时中游设备厂商不断向上下游扩张,通过产业整合或并购,掌握适合增材制造的原材料和先进的增材服务工艺技术方法,从而更好地为设备更新迭代做准备。金属级增材制造设备的核心零部件主要为光学设备,包括高功率光纤激光器和激光扫描振镜,一般占设备成本结构比重的20-40%。以上关键元器件技术壁垒较高,国产化率较低,绝大多数需要进口,是目前制约我国增材设备发展的最大瓶颈。国内高质量金属级增材制造设备选用的光纤激光器基本以IPG和Trumpf为主,激光扫描振镜市场则主要被德国Scanlab公司占有。我国光纤激光器近年来发展速度加快,随着锐科激光、创鑫激光的出现,正逐步迎头赶上,但从目前国产化水平来看,与国外激光器尤其是高功率激光器仍存在显性和隐性的差距,如速光斑大小、定制化、稳定性和一致性等方面。随着国内不断加大对以上卡脖子技术的研发投入,关键零部件的国产化替代趋势将在未来愈加明显。

4.2 上游原材料是行业发展的基础

增材制造业是一种新兴产业,增材材料也创造性地经历了从无到有,从有到优的发展过程,研发更多品类的增材材料可以更好地拓展应用范围,因此原材料是金属级增材制造行业发展的基础。随着适用金属原材料的增加,增材制造将创造出更多种类的产品,未来应用范围也会越来越广泛。目前常用的金属增材材料包括有色金属材料和黑色金属材料两大类,其中有色金属材料包含钛合金、钨合金、铝镁合金等,黑色金属材料包含不锈钢、模具钢、高温合金等。我国金属增材原材料已基本摆脱依赖进口的局面,供应量和质量较为稳定,国内代表厂商包括:瑞熙钛业、铂力特、飞而康、西安欧中、宇光飞力、海宝、华曙高科、赛隆金属、敬业增材等。增材材料与增材设备、增材服务相辅相成,相同技术路线的不同型号的金属级增材设备也会对同类金属材料提出不同的性能指标要求,材料的发展决定了设备的普及和加工工艺的定型。

根据3D科学谷的市场调研,国内增材制造市场对金属材料的需求占比已经接近一半,其中金属材料中需求量最大的是钛合金,占比达到38%,其在航空航天等高端领域应用较为广泛,铝合金、不锈钢和钴铬合金占比也超过了10%,分别占比为19%、17%和11%,位居主流金属材料需求量占比的前四位。

图24:主流金属材料在国内需求占比
analysis_jiuding_24资料来源:九鼎投资

4.3 软件研发是金属级增材制造的重要保障

软件开发投入较大,并且每年需要不断更新维护,属于资金和技术密集型行业。金属级增材制造软件主要包括:系统软件、切片软件、三维绘图软件、生成G代码软件(用于指导伺服运转)等。软件成本占金属级增材制造设备成本结构的比重接近20%,目前软件是整个我国增材制造生态产业链的短板之一,软件开发仍集中在学术科研上。系统软件主要依靠国外成熟的操作系统装机运行,如西门子系统等。国内增材制造设备厂是软件研发的主力军,以自有知识产权的软件匹配自主研发设备,一方面可以降低增材设备的生产成本,另一方面设备销售收入也为软件开发提供了资金保障。国内企业的软件研发发力点主要集中在三维绘图、切片软件,和生成G代码方面。

4.4 增材制造服务领域的拓展推动着整个产业链条技术的更新,航天军工将优先受益

下游金属级增材制造服务涵盖了产品的设计研发、激光成形、后处理和检验交付等多个环节,其产成品性能指标的优劣直接反映了整个增材制造产业链条配合的成熟度。通过对终端产品的结果把控,不断调整优化和升级前序产业链条,形成正反馈。在当前阶段,由于技术更新换代快,研发成本高,产量小等原因,目前可接受的行业领域主要集中在航空航天、国防军工等。行业属性决定了造价成本并非第一敏感要素,而是更加注重产品整体可靠性的提升,结构的优化升级,重量的明显降低,大尺寸规格的突破等。

随着增材制造的逐渐成熟,金属级增材制造企业近年来连续开展军工多型号零部件的研发设计、试验和试制,铂力特甚至已经实现了批产供货,说明增材技术应用已经得到航天军工专家的认可。根据铂力特的招股说明书,公司的增材制造零部件已经批产应用于7个飞机型号,4个无人机型号,7个航空发动机型号,2个火箭型号,3个卫星型号,5个导弹型蛤,1个空间站型号,2个燃机型号,C919等军民用大飞机项目。中国航天科技集团五院529厂的增材制造技术已在载人航天、深空探测、遥感、通信等多个领域的正样、初样产品研制中得到广泛应用,涉及型号近20个、零件产品300余件。随着近年来科研合作军品的逐渐定型,预计未来2-5年内增材制造的军工订单将实现爆发式增长,且持续性较强,航天军工有望成为带动金属级增材制造快速崛起的第一推动力。

4.5 金属级增材装备需求激增,大尺寸高效成型是未来趋势

虽然金属级增材制造可以创造出传统加工工艺无法实现的微观结构,客户对增材设备和服务的需求增长迅猛,但增材技术仍非主流应用。造成这一现象的原因之一是当前金属级增材设备的产品成型尺寸有限,难以满足大多数工业制造的需求。较小成型尺寸额增材设备更多是用于科研教育,因此,为满足客户从“概念探索”到“样品试制”,再到“规模化生产”不同阶段的需求,不论是选区熔化技术路线还是近净成形技术路线的设备制造商均在更大成型尺寸设备的研发上持续探索。金属级增材制造产业正处于从“以科研为主”到“以生产制造为核心”的转变,大尺寸、多激光器、数字化、高稳定性、智能化、定制化、用户友好性的增材设备代表着增材制造的未来竞争力,其可以降低设备使用难度,及时发现生产中的问题减少损耗,提高打印速度和打印质量,满足更大规格零部件的制造需求。

4.6 行业整合加剧,行业巨头加速布局增材制造产业

随着增材制造行业竞争的不断加剧,企业为了增强自身竞争力,开始布局行业整合。行业整合方式包括:向上下游并购或扩张,以及其他行业跨界并购或参与增材制造。德国EOS属于典型的上下游扩张,目前EOS已经不仅仅是全球最大的金属级增材设备厂商,还是粉末原材料、制造工艺、服务咨询等多板块的解决方案提供商,打造出完整的产业链条。美国GE作为工业企业的代表,从2010年开始参与增材制造,2016年成功并购瑞典Arcam和德国Concept Laser公司,目前已成功在航空发动机领域实现了增材制造的规模化应用。

其他案例还包括阿迪达斯、强生等跨界投资增材制造商Carbon,阿迪达斯借助Carbon的3D打印技术已大规模生产了一款3D鞋。宝马集团先后投资了Carbon和金属增材制造公司Desktop Metal,并于2018年5月斥资1,000万欧元打造增材制造工业园区。

增材制造行业整合的加剧,不但加速了行业内上中下游产业链条的快速融合,而且随着跨界巨头对行业的深度参与,增材制造将加速大规模产业化的应用。

(责任编辑:中国3D打印网)