鈦金屬引爆3D打印 千億潛力市場迎關鍵節點丨黃金眼
來源:全景財經作者:全小景2024-01-09 20:21

鈦金屬加入疊加技術升級,3D打印迎來爆發近在眼前?

01、一早就出現的3D打印

至今仍未大規模標準化生產

3D打印又稱為增材制造(Additive Manufacturing,AM),是涵蓋多學科的先進制造技術。3D打印是以計算機三維設計模型為藍本,通過軟件分層離散和數控成型系統,將三維實體變為若干個二維平面,運用粉末狀金屬、塑料、陶瓷、樹脂等可粘合原材料,通過逐層打印的方式來構造物體的技術。

整體而言,3D打印是信息網絡技術、先進材料技術與數字制造技術的結合,制造流程橫跨多個學科,涵蓋機械、材料、軟件、電子、設計、計算機視覺等。3D打印通過二維逐層堆疊材料的方式,直接成形三維復雜結構的數字制造技術。對比傳統制造方法,增材制造最適合小批量、復雜設計以及速度至關重要的應用。

資料來源:Hubs

相較于傳統制造方式,3D打印的優勢包括(1)縮短新產品研發及實現周期;(2)可高效成形更為復雜的結構;(3)實現一體化、輕量化設計;(4)材料利用率較高,3D打印昂貴的金屬材料可節約較大成本;(5)實現優良的力學性能。3D打印快速凝固成形后的制件內部冶金質量均勻致密,無其他冶金缺陷;同時快速凝固使得材料內部組織為細小亞結構,成形零件可在不損失塑性的情況下使強度得到較大提高。

現階段我國3D打印仍舊以工程塑料、樹脂和部分常見金屬材料為主。3D打印所用的這些原材料都是專門針對3D打印設備和工藝而研發的,與普通的塑料、石膏、樹脂等有所區別,其形態一般有粉末狀、絲狀、層片狀、液體狀等。就我國目前3D打印粉末材料使用情況來看,非金屬與金屬材料大致形成6:4的格局,非金屬材料占材料市場大部分份額。

其中金屬粉末主要是常見的主要有金屬材料,缽合金、鋁合金和不銹鋼占比較大,非金屬粉末是工程塑料、尼龍、樹脂;以及不斷開發的生物基可降解材料、復合材料等。當前金屬3D打印技術在可加工材料、加工精度、表面粗糙度、加工效率等方面與傳統的精密加工技術相比,還存在一定差距。

據Wohlers Associates,2022年全球3D打印產值180億美元,前三大下游為航空航天(17%)、醫療(16%)和汽車(15%);2021年我國3D打印產值265億元,主要用于航空航天、軍工等,均未形成大規模標準化生產。

02、為何當前節點提起3D打???

消費電子鈦合金趨勢+國內技術成熟,3D打印將迎大規模產業化應用。

由于鈦合金的低熱導率,傳統CNC技術加工鈦合金刀具損耗大,根據艾邦高分子,傳統CNC加工鈦合金良率僅30-40%。而3D打印技術避免了刀具切削環節,且激光器和金屬粉末的降價,使得3D打印鈦合金成本逐漸與CNC加工平價。

根據Counterpoint,Apple Watchseries6表殼的機加成本約為132元,3D打印的Ultra鈦合金成本約為109元,成本端具備競爭優勢。

來源:IT之家、新浪科技、華為官網、OPPO官網

3D打印鈦合金開始不斷在蘋果、榮耀等產品中有應用。

2023年7月,華為榮耀MagicV2折疊屏手機鉸鏈宣告使用鈦合金3D打印技術制造,實現首次3D打印在消費電子領域的規?;瘧?。據彭博社,Apple Watch Series9的表殼采用不銹鋼粘結劑噴射(Binder Jetting)金屬3D打??;Apple Watch Ultra的數字表冠、側按鈕和一些其他操作按鈕使用鈦合金粉末床激光熔融(L-PBF)金屬3D打印生產。如果智能手表的測試成功,蘋果或將尋求在未來幾年內在更多產品上使用該技術。

2023年9月,蘋果在秋季發布會上發布了全新的iPhone 15Pro手機和Apple Watch Ultra2手表,二者的邊框均使用到了鈦合金材料;今年10月,小米發布小米14系列手機,其中小米14Pro提供了鈦金屬特別版。在以上使用了鈦材的3C產品中,榮耀折疊屏軸蓋和AppleWatchUltra2表殼均為單一鈦合金材質,而蘋果和小米手機則使用了鈦鋁復合材料,即內部的底板為鋁,外部的邊框為鈦,其中蘋果手機使用了鈦合金,小米手機使用了99%純鈦。相較于此前3C行業廣泛使用的鋁合金和不銹鋼,鈦合金CNC加工難度明顯增大,3D打印成為另一種頗具前景的可選加工方式。

頭部廠家的示范效應之下,未來3D打印技術有望拓展至更多消費電子產品,鈦合金在3C行業中的應用已經形成趨勢。

同時國內廠商技術的成熟,也讓國內產業爆發具備基礎。

3D打印分為金屬3D打印和非金屬3D打印,其中金屬3D打印技術PBF已實現廣泛工業應用,DED已形成工業化應用。增材制造工藝分為7類,不同技術通常在材料、能量源、成型方法上有差異,其中4種路線涉及金屬3D打印,粉末床熔融PBF(包括SLS、SLM、EBM、MJF)和定向能量沉積DED(包括LSF、WAAM)均可制造達到鍛件標準的金屬零件,是已成熟應用的技術路線。

據Wohlers 2022年Senvol數據庫統計,全球1026件金屬增材制造產品中,94%均采用PBF(902件)和DED(61件)技術制造。

以最廣泛使用的金屬3D打印技術路線SLM為例,其加工原理為鋪粉系統在加工平臺鋪一層金屬粉末,激光在金屬粉末的顆粒之間一次一層地燒結成型。解決了復雜結構零件的加工制造問題,特別適用于制造具有復雜內腔結構的難加工鈦合金、高溫合金等零件。

SLM技術路線的主要設備廠商包括EOS、通快Trumpf、SLM Solutions、Concept Laser(GE)、鉑力特、漢邦、先臨/易加三維、華曙高科。國內設備廠商華曙高科、鉑力特的成型尺寸、掃描速度等各項指標已經達到國際先進水平。

資料來源:SLMSOLUTION,Apple,3D Printing Industry,Facfox

此外,3D打印的成本還將不斷下降。

當前原材料金屬3D打印粉末價格持續下行。以鉑力特為例,2020-2022年自制金屬3D打印粉末銷售價格由144.5萬元/噸降至78.2萬元/噸,降幅為46%。預計未來仍將保持下降趨勢。

加上激光器國產化推進,零部件采購單價呈下降趨勢,使得3D打印設備端單價呈下降趨勢;以及像鉑力特2023年發布的BLT-A400、BLT-S400、BLT-S450多激光配置方案,從設備激光器數量、粉末循環系統、配套軟件等方面提升設備的生產效率和穩定性,鈦合金3D打印仍有很大降本空間。

專業機構對鈦合金3D打印的成本進行拆解,在對未來3D打印粉末材料價格和3D打印設備價格的下降幅度以及3D打印效率提升的幅度做出審慎的假設后,發現鈦合金3D打印環節的價格有望從當前的7元/g下降到2027年的3.64元/g,降幅接近50%。降本驅動后,3D打印在3C鈦合金產品制造中的滲透率有望持續提升。

03、市場有多大?

首先就鈦合金技術切入消費電子領域看3D市場空間,目前已存在3款運用鈦合金的設備零部件,專業機構測算鉸鏈到2027年3D打印鈦合金鉸鏈滲透率到50%時,市場空間將達到60億元。手機中框與智能手表方面,通過對智能手機/手表出貨量的預估,對滲透率、價值量占比、單個手機用量、鈦合金價格、粉末利用率的合理假設后得出,2027年在3D打印滲透率在20%的情況下全球智能手機和智能手表的市場空間分別為486.35億元和63.42億元,中國市場為108.20億元和31.80億元。

部分機構則認為,在2027年3D打印折疊屏鈦合金軸蓋80%滲透率,3D打印AppleWatch鈦合金表殼80%滲透率,3D打印iPhone鈦合金中框25%的滲透率前提下,2023-2027年累計的鈦合金3D打印產品、3D打印設備、3D打印粉末、3D打印激光器和3D打印振鏡的市場規模分別為198.43億元、164.40億元、24.19億元、9.41億元和12.22億元。

而隨著3D打印技術的發展,應用領域越來越廣,新產品的研發制造驅動下游不斷拓展,越來越多領域正轉變成增材制造生產。

根據從事增材制造行業研究的美國咨詢機構WohlersAssociates.(沃勒斯)統計數據顯示,2021年全球增材制造產值(包括產品和服務)152.44億美元,同比增長19.50%。經過30多年發展,增材制造產業正從起步期邁入成長期,整體來看近年來呈現快速增長趨勢。根據沃勒斯預測,到2025E年增材制造收入規模有望實現298億美元,2021-2025E年CAGR為18.24%;到2030E年有望達到853億美元,2025E-2030E年CAGR為23.41%。

全球增材制造市場規模資料來源:華曙高科招股說明書

當前全球3D打印頭部企業主要集中在美國,我國3D打印行業仍處于成長早期,2021年我國3D打印行業規模在全球占比約17%,國內多項專利通過申請但未投入具體應用,核心技術與尖端人才是制約我國當前3D打印產業發展的關鍵因素。

我國高度重視增材制造產業發展,近年來,國內3D打印市場應用程度不斷深化,在各行業均得到了越來越廣泛的應用。2017-2020年,中國3D打印產業規模呈逐年增長趨勢,2020年中國3D打印產業規模為208億元,同比增長32.06%。根據前瞻產業研究院預測,預計2026E年我國3D打印市場規模將超過1000億元,2021-2026E年復合增速20%以上。

中國增材制造產業規模資料來源:華曙高科招股書、億渡數據

04、相關企業有哪些?

3D打印產業鏈上游分為打印原材料、核心硬件和輔助運行軟件三大板塊。原材料是3D打印產業鏈基石,參與者以具備全產業鏈布局的頭部企業和粉材供應商為主。目前行業內常用的打印材料包括金屬、塑料、光敏樹脂、陶瓷和復合材料等五類,金屬材料和復合材料是未來發展趨勢。核心硬件和輔助運行軟件國內外差距明顯,目前國內呈多元競爭態勢,國產替代潛力大。

中游包括3D打印設備制造及技術服務,是整個產業鏈的核心主體。國內廠家以桌面級打印機供應商為主,工業級打印機技術難度大、工藝要求高,國內廠家數量雖少,但普遍具備全產業鏈供應能力。

下游應用方式主要分為直接制造、設計驗證和原型制造,目前已經廣泛滲透至航空航天、汽車、醫療等領域,其中金屬工業級3D打印是未來重要增長極。

3D打印產業鏈數據來源:華曙高科招股說明書,鉑力特招股說明書

當中鉑力特是國內金屬3D打印核心企業,布局金屬3D打印全產業鏈。公司創始團隊是國內最早的3D打印研發團隊之一,深耕金屬增材領域二十余載,現已形成覆蓋3D打印上游原材料、中游設備、下游制造的完整產品服務體系。

公司依托自研設備積極開拓下游航空航天、醫療等領域客戶,定制化產品已進入小批量生產階段。作為國內少有的具備全產業鏈供貨能力的3D打印綜合方案解決供應商,公司技術能力國內領先,隨著我國不斷加大3D打印產業的投入和政策支持,公司有望充分受益。

華曙高科是我國工業級3D打印設備領先企業,同時具備材料及軟件自主研發和生產能力。公司主要從事工業級增材制造設備的研發、生產與銷售,并提供3D打印材料、工藝和服務,產品應用于航空航天、汽車、醫療、模具等領域。公司是國內少數具備自主開發增材制造工業軟件、控制系統并實現SLM、SLS設備產業化量產銷售的企業,受益全球3D打印行業快速發展。

先臨三維是國內齒科3D數字化稀缺標的,3D掃描技術國內領先。公司深耕3D打印行業17年,自主研發擁有從3D數字化設計到3D打印制造的軟硬件一體化完整技術鏈。公司齒科數字化產品豐富,包括3D口掃、3D桌掃、齒科DLP打印機(含材料)、CAD/CAM系統等,技術優勢在于前端的掃描,目前高毛利率的自研掃描儀已經成為公司的主要產品。

銀邦股份則是高端金屬復合材料領先企業,其子公司飛而康是國內最早從事金屬3D打印應用服務的廠商之一,深耕航空航天業務十余載,建設工業化生產工廠,積極推動3D打印產業化應用。飛而康是國內首家通過金屬3D打印適航認證、擁有金屬粉末制備-金屬3D打印部件制造-熱等靜壓處理-性能檢測完整生產工藝的企業,制造的3D打印零件已被批量應用到C919飛機的生產中。

光韻達的全資子公司通宇航空有十年航空裝備制造與管理經驗,產品包括多型號機加工及3D打印航空零部件,主要客戶為成都飛機工業(集團)有限責任公司。通宇航空毗鄰核心客戶,是其航空零部件和3D打印供應商,在與成飛集團多年的合作中,公司已經融入成飛供應鏈,成為重要供應商之一。

責任編輯: 高蕊琦
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