3D打印產業洞察和投資邏輯：變革傳統工藝，市場藍海可期
時間：2023-08-21 15:17 來源：南極熊 作者：馮驛 閱讀：次
增材制造是一種快速成型技術，更容易實現復雜零件的一次成型，精度較高且設計制造周期更短。增材制造的技術路線幾十種，各類技術路線在材料、成型精度、尺寸、復雜度、制造速度上各有擅長，適用于不同應用場景。未來隨著激光器效率提升和面向增材制造的設計能力逐漸提升，產業應用將持續在更多場景落地。
基于和行業內上百位從業者的交流，我們形成了系統化的增材制造投資邏輯。對于增材制造行業的投資布局主要關注三方面：公司層面，關注產業鏈定位、是否為行業頭部以及創始團隊的能力。技術層面，關注公司所選技術路線的壁壘強弱、技術成熟度、技術所切入場景的唯一性。商業化層面，關注切入場景的市場容量以及下游行業的需求和起量勢能（見文尾）。除此之外的研究結論包括：
一、增材制造定義
增材制造是一種快速成型技術，通過創建數字模型將材料逐漸累加的方法來制造實體零件。增材制造的基本流程和原理如下：
區別于減材制造通過切割材料毛坯來創建最終產品，增材制造通過添加零件來形成最終產品。
從原材料角度，增材制造需要采用特定原材料，材料成本往往更高，且可利用的原材料種類較少，但是原材料利用率更高；從制造工藝角度，增材制造更容易實現復雜零件的一次成型，且精度較高；從制造周期角度，增材制造設計驗證的周期更短，效率更高；從制造成本角度，增材制造從低價格敏感度的航空航天和醫療領域逐漸向其他領域滲透。
二、行業發展
20世紀60年代和70年代，增材技術技術處于起步階段，幾乎完全沒有商業市場，對研發的投入也很少。研究工作驗證了第一批現代AM工藝，包括20世紀60年代末的光聚合技術，1972年的粉末熔融工藝，以及1979年的薄片疊層技術。
20世紀80年代和90年代初，出現了很多創新的AM技術，同時一部分增材技術被成功商業化。創新型的技術包括1989年麻省理工學院的3D打印技術，與90年代的激光束熔化工藝。成功商業化的增材制造技術包括光固化（SLA）技術、固體熔融沉積技術（FDM），以及激光燒結技術（SLS）等。增材制造相關專利和學術出版物的數量明顯增多，但是受限于高成本和有限的材料選擇，尺寸限制以及有限的精度，增材制造技術在工業上的發展比較緩慢，只能用于小量快速原型件或模型的制作。1986年全球第一家3D打印企業3D systems成立標志著3D打印進入產業化。
20世紀90年代和2000年代是增材制造行業的增長期。現有技術逐步得到提升和改進，同時新技術逐漸實現了商業化。產業逐漸開始開發專門應用于增材制造行業的軟件。出現了AM的專用文件格式，AM的專用軟件，如Materialise的Magics開發完成。設備的改進和工藝的開發使3D增材制造產品的質量得到了很大提高，開始被用于工具甚至最終零件。
2009年之后，隨著歐美3D打印的底層專利在2009-2015年陸續到期，我國的增材制造開始進入發展的快車道。
2011年到2020年，增材制造的產業化進程不斷推進，行業市場規模保持高速增長，海內外3D systems、stratasys、鉑力特等公司不斷上市，同時GE、佳能、東芝等企業紛紛涉足增材制造市場，在航空航天等多個領域持續落地增材制造應用。
未來，隨著產業化的進程不斷推進，行業技術的成熟度也將逐漸提高，值得關注的未來技術包括激光器、DfAM等。
激光器發展有助于顯著提升打印效率
激光器效率的提升受到業界普遍關注。目前全球各家公司均在嘗試不同的激光器效率突破技術路線，其中VulcanForms Inc. 發明了 100 千瓦激光 PBF 技術并將其商業化并集成到專有的數字制作系統中。Seurat Technologies 發明了一種激光 PBF 技術，該技術使用燼一種光學可尋址光閥技術來支持該公司所謂的區域印刷。該公司聲稱該過程比傳統激光 PBF 技術快 10 倍。另一個發展是激光束熱分布的優化。這樣可以更精確地控制熱沉積，從而最大限度地提高構建速度，提高材料質量，并最大限度地減少飛濺和煙霧。此外，初創公司 SunMetalon 也在籌集資金通過層而不是點或線的方式來加熱金屬，從而進一步提高金屬 AM 的速度。
DfAM方法可以有效提升產品性能
DfAM指的是面向增材制造的設計，即結構設計工程師利用增材獨特的工藝優勢去構建產品的設計過程。在產品設計制造之初同時考慮到設計、增材工藝、增材產品認證方法、增材制造生產模式與產能等眾多因素。
通過DfAM 技術對設計環節能力的提升，可以優化打印過程中和打印后處理的工藝水平，DfAM 的方法可以提高產品性能并減少材料和重量，降低制造和組裝的復雜性。目前Conflux 和 GKNAdditive 等公司正在使用 DfAM 的方法開發的高效熱交換器。下圖顯示了DfAM對于增材制造不同環節的影響：
增材制造可以大致分成金屬類增材制造和非金屬類增材制造。整體分類概覽如下圖：
1、金屬增材制造
金屬增材制造可以分為熔化成型和未熔化成型兩類，相關的工藝有鋪粉、送粉、送絲等，能量源分為激光、電子束、電弧等。其中未熔化成型不做重點介紹，該技術按照材料狀態分片材、板材、粉末；按照工藝超聲波焊接、攪拌摩擦焊、冷噴涂等。
熔化成型主要包括粉末床熔化（PBF）和直接能量沉積（DED）兩大類。在市場份額層面，根據 AMPOWER，以營收計算，2021 年 PBF、DED 各占據 83.8%和 9.1%的市場份額。且預計到 2026 年，PBF、DED 將各占據 74%和 8.6%的市場份額。
1.1粉末床熔化（PBF）
PBF是一種鋪粉工藝的增材制造技術，PBF按照不同的能量源可以分為激光熔化和電子束熔化。
其中選擇性激光燒結 (SLS）、選擇性激光熔化 (SLM)能量源都是激光。SLM的成型原理與SLS極為相似，不同點在于SLM的激光溫度較高，會在成型過程中完全熔化所有金屬粉末。因此SLM整個打印過程需要在惰性氣體保護的腔體中進行，以避免金屬發生氧化。這給SLM帶來了更好的成型性能，相比SLS制造的金屬零件的致密度更高，力學性能更好，尺寸精度更高、表面粗糙度也更高。但是SLM工藝參數復雜、制造速度偏低，尤其是面對需要大量支撐結構的復雜零件，SLM的打印成本、時長會明顯提高。
適合應用于載人飛船引擎的冷卻道、噴射頭、節流閥等結構復雜程度非常高的結構上面。（注：SLS技術既可以應用于金屬，也可以用于非金屬）
電子束熔煉 (EBM)的能量源為電子束。相比于激光路線，EBM 精度略低但速度高：SLM 沉積速率通常在 0.1kg/h， 而 EBM 速度可達數倍。EBM相比于SLM在幾乎所有步驟里都存在很明顯的成本優勢：特別是在設備運行、熱處理與支撐拆除方面。此外，相比于 SLM，EBM 無需后加工處理殘余應力。且EBM 的支撐能夠很輕易的移除，因此其拆除成本很低。
1.2直接能量沉積（DED）
DED整體的打印效率高于PBF，但是精度遜于 PBF。按照材料狀態分送粉式和送絲式，能量源包括激光、電子束、電弧等。
此外，金屬增材制造技術中經歷高能量輸入的增材制造工藝需要后處理，后處理操作通常包括粉末清理、支撐去除、構建板分離、機加工、清潔、拋光或表面增強以及焊接等連接方式。將零件和構建板分離之前，通常需要消除應力，確保殘余應力不會導致零件變形。不同工藝的去支撐、去應力、熱處理等需求匯總如下：
2.1還原聚合
聚合還原是一種樹脂3d打印技術，工藝過程為光線精確地指向液體塑料的特定點或區域以使其硬化。第一層固化后，構建平臺將向上或向下移動（取決于打印機）少量（通常在 0.01 和 0.05 毫米之間），下一層固化并與前一層連接。聚合還原按照不同光源可以分為SLA、DLP、LCD等。
立體光刻 (SLA)使用固態激光來固化部件，是目前世界上研究最為深入、技術最為成熟、應用最為廣泛的一種3D打印技術。該技術的優點是尺寸精度高、表面質量優良、系統分辨率較高，可以制作結構比較復雜的模型或零件。缺點包括零件較易彎曲和變形、設備運轉及維護成本較高、材料不利于長時間保存等。
數字光處理 (DLP)使用數字光投射器（而不是激光）在一層或樹脂上同時閃爍每一層的單個圖像（或為較大的部件多次曝光）。每一層曝光都需要完全相同的時間，比SLA 中的點激光方法效率更高。用于生產更大的零件或更大體積的零件。
液晶顯示器 (LCD)使用 LCD 屏幕而不是數字微鏡設備 (DMD)，也就是使用數百個單獨發射器的陣列，而不是像激光二極管或 DLP 燈泡那樣的單點發射光源。LCD 單元成本低，這項技術已成為低價桌面樹脂打印機領域的首選技術。常見應用包括注塑模狀聚合物原型和最終用途部件、珠寶鑄造、牙科應用、消費品。
2.2材料擠出
熔融沉積建模 (FDM、FFF)是典型的材料擠出工藝，該工藝過程為將線軸上的一根（或一次幾根）燈絲裝入 3D 打印機，然后送入擠出頭中的打印機噴嘴。打印機噴嘴或多個噴嘴被加熱到所需溫度，使燈絲軟化，從而使連續的層連接起來形成一個堅固的部件。材料擠出是成本較低的 3D 打印方法，無需激光器等貴重原件，成本低、速度快。且該工藝干凈、簡單、易于操作且不產生垃圾。對使用環境沒有限制，可以放在辦公室或者家庭環境使用，維護簡單、體積小無污染 。但是材料擠出的成型精度相對SLA工藝較低，成型表面光潔度不如SLA工藝。
3、其他增材制造技術
其他增材制造技術包括材料噴射、粘結劑噴射、片材層壓等，這些技術既可以應用于金屬，也可以應用于非金屬。
3.1粘結劑噴射
粘結劑噴射的工藝過程是用重涂刀片在構建平臺上涂抹一層薄薄的粉末。然后，帶有噴墨噴嘴的打印頭在床上方經過，選擇性地沉積粘合劑液滴以將粉末顆粒粘合在一起。層完成后，構建平臺向下移動，刀片重新涂覆表面。然后重復該過程，直到整個部分完成。該技術的獨特之處在于打印過程中沒有熱量。粘合劑噴射速度快且生產率高。但是聚合物粘合劑噴射的材料選擇有限，并且生產的部件結構性能較低。
3.2片材層壓
片材層壓的工藝過程為將非常薄的材料片堆疊和層壓在一起以產生 3D 物體或堆疊，然后通過機械或激光切割以形成最終形狀。材料層可以使用多種方法融合在一起，包括加熱和聲音，具體取決于材料，材料范圍從紙張、聚合物到金屬。具體包括層壓物體制造 (LOM)、超聲波固結 (UC)等，相關材料有紙張、聚合物和片狀金屬等。該技術的優點是可以快速生產，復合打印。缺點為精度低，浪費多，部分零件需要后期制作。抗拉強度和彈性差，不能制造中空件；受制于材料影響，利用 LOM 技術打印的零件易吸濕膨脹，表面有臺階紋。
3.3材料噴射
材料噴射將材料沉積到構建表面上，然后使用紫外光固化或硬化該層。逐層重復，直到對象完成。由于材料以液滴形式沉積，因此材料僅限于光敏聚合物、金屬或蠟，它們在暴露于紫外線或高溫時會固化或硬化。材料噴射過程需要支撐結構，通常也是在構建過程中同時使用可溶解材料來進行3D打印，然后在后處理步驟中去除支撐材料。該技術可以提供出色的細節、高精度和光滑的表面。使用材料噴射技術進行打印的主要缺點是成本高，并且紫外線活化的光敏聚合物會隨著時間的推移失去力學性能并且會變脆。
不同增材制造技術的在成型尺寸、粘結性能、工作環境等方面各有差異，詳細的技術比較如下圖：
同時，各類技術路線的產業化進程也有所不同，具體進展如下：
全球增材制造市場空間廣闊，未來仍保持高速增長：根據Wohlers Associates數據，2022年全球增材制造全球市場規模180.27億美金，過去34年的復合增長率達到25.6%，預計2030年市場規模達到853億美金（近6000億人民幣）。
中國增材制造市場短期有望突破500億，滲透率仍有較大提升空間：根據中國增材制造產業聯盟，2022年我國3D打印市場規模330億，2018-2022年的復合增長率為28%。根據賽迪咨詢數據，2024年中國的3D打印市場規模有望進一步提升，突破500億元。目前增材制造在制造業滲透率不足0.1%，處于產業化的前期，長期制造業滲透率3-5%。
中國增材制造市場規模在全球領先：Wohlers Associates 的研究表明，我國工業級增材制造設備安裝量全球領先。在全球安裝的所有工業增材制造 (AM) 系統中有 34.9%在北美，28.4% 安裝在亞太地區，30.7% 在歐洲。按照國家來看，美國、中國、德國是工業級增材制造設備安裝量最多的三個國家。
增材制造行業集中度不高，市場競爭逐漸激烈：根據Wohlers Associates 研究，2022 年前 10 家最大的系統制造商貢獻了整個增材制造行業約 27.21 億美金的產值，占比15.1%。非品牌廠商的市占率呈現逐年提升趨勢：服務供應商以前基本從 3D Systems、EOS 和 Stratasys 等成熟的 AM 制造商處購買系統。然而，2022 年服務供應商購買的 290 臺機器中，包括了156 臺非成熟制造供應商的 AM 系統（占比53.8%），連續第三年從非成熟公司購買設備呈現增長趨勢。
五、產業鏈
3D打印上游包括材料類、核心硬件、輔助設備等。其中材料包括金屬材料和非金屬材料。核心硬件類涵蓋激光器、振鏡系統和引擎，輔助設備包括3D建模軟件、掃描儀等。3D打印的中游包括3D打印設備制造商和服務商，按照材料性能分為金屬類和非金屬類。下游面向的應用領域包括航空航天、醫療、模具等。
上游：激光器、振鏡
激光器是增材制造產業鏈上游的核心硬件，可以分為光纖激光器、CO2激光器等。
激光器的國產化比例不斷提升：根據 Laser Focus World 數據，2020 年中國光纖激光器市場規模約為 13.8 億美元，其中國產比例約 56%，達 7.73 億美元。美國的光纖激光器制造商 IPG 占據了中國光纖激光器市場的最大份額（2019年42%），但是總體市場銷售份額明顯下降。國產品牌占比顯著上升，包括來自中國的銳科激光、創鑫激光和杰普特等企業。增材制造所使用的激光器功率普遍較低，此類中低功率的光纖激光器基本完成了國產化進程。
振鏡類也是增材制造上游的零部件，據《2021年中國激光產業發展報告》，2021年中國激光振鏡行業市場規模約8.4億元。目前國內振鏡廠家在中低端的激光應用上占了大部分份額，但在高端應用領域，外國振鏡品牌仍然牢牢的占據了主要份額。市場的參與者主要包括美國CTI、德國SCANLAB、Raylase等國外企業及大族思特、金海創、智博泰克、世紀桑尼、菲鐳泰克等國內企業。國產掃描振鏡在我國增材制造設備廠商中已經占據了一定的市場份額，未來有望實現國產化替代。
上游：原材料
全球和國內增材制造原材料處于快速增長階段：根據Wohlers Associates數據，2022年全球增材制造材料產值 32.6 億美元，同比增長了 25.5%（2021 年產值 25.98 億美元）。其中聚合物粉末、絲材、光敏樹脂、金屬粉末分別占比37.9%、21%、21%、18.2%。根據中國增材制造產業聯盟，2021年我國3D打印原材料產值14.7億元，其中非金屬占比63%，金屬占比37%，金屬原材料的產值高于世界平均水平。
增材制造原材料可以大致分為光敏樹脂、高分子粉末、絲材、金屬粉末等，其中光敏樹脂和絲材主要用在消費級3D打印，高分子和金屬主要用在工業級。金屬材料包括鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鋁合金材料等，其中鈦合金具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高的特征，可以廣泛應用于飛機發動機冷端壓氣機部件以及火箭、導彈和飛機的各種結構件制作。光敏樹脂材料則主要用于制作高強度、耐高溫、防水材料，應用于汽車、家電、電子消費品等領域。
3D打印的原材料種類有限，限制了部分場景的技術應用：區別于傳統制造工藝的材料，3D打印使用的材料粉末有特殊性質要求，材料的含氧量、流動性、粒度等都有不同的要求。整體來看，由于材料的發展應用周期較長，在產業發展階段一定程度限制了細分場景的落地和應用。
典型的增材制造廠商包括金屬材料類：有研粉材（2021年產能500噸）、中航邁特（2021年產能800噸）、威拉里（2021年產能300噸）、寧波眾遠等，非金屬材料類廠商：華曙高科（2022年產能500噸）、Polymaker（2022年產能數千噸-含消費級）、巴斯夫等。
上游：軟件和掃描儀
2023年全球3D掃描儀的市場規模接近30億美元，CAGR5=15%。海外廠商有先發優勢，蔡司1970年之后就開始布局，目前齒科掃描等細分領域逐漸產生了國產替代的廠商：先臨三維、思看科技等。
3D打印的軟件功能涵蓋拓撲優化、衍生式設計和算法建模、模型修復、模擬、切片和打印準備、打印管理和監督、MES 工具跟蹤等，部分設備廠自研符合工藝流程的軟件提升產品制造過程的各種性能。
中游：3D打印設備商
2021年全球工業級3D打印設備銷量超過2.6萬臺，CAGR10=14%。其中裝機量最多的國家依次為：美國、中國、日本。銷量最多的公司分別為stratasys、Formlabs、3D Systems等。最主流的技術路線依次為：SLM/SLS(32%)、非金屬中的FDM(15%)、SLA(15%)、DLP(14%)，這幾大技術路線共占據市場76%。2022年增材制造商的數量持續增加，相比于2021年一共增加20家（7.5%）。
對于國內設備廠商，2021年按照企業收入規模營收超過10億的有面向消費級的創想三維、深圳眾維等，營收2-10億元的企業包括華曙高科、鉑力特等16家企業，營收5000萬-2個億的約有60家企業，剩余還有100多家企業收入5000萬以下。
中游：3D打印服務商
3D打印服務商提供預處理（即模型修復、構建方向、零件嵌套、構建準備等）、打印和后處理加工（即支撐材料去除、清潔、表面處理等）等功能，各個環節在整個打印服務中的成本占比如下：
過去十年，增材制造服務商的營收保持較高增速的增長，大部分年段服務商收入增速15%以上。
基于和行業內上百位從業者的交流，我們形成了系統化的增材制造投資邏輯。對于增材制造行業的投資布局主要關注三方面：公司層面，關注產業鏈定位、是否為行業頭部以及創始團隊的能力。技術層面，關注公司所選技術路線的壁壘強弱、技術成熟度、技術所切入場景的唯一性。商業化層面，關注切入場景的市場容量以及下游行業的需求和起量勢能（見文尾）。除此之外的研究結論包括：
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全球增材制造市場預計2030年達到近6000億人民幣，其中美國、中國、德國是主要的市場。中國增材制造市場2年內有望突破500億，未來滲透率仍有較大提升空間。目前增材制造已經在航空航天、醫療、消費等領域得到客戶的認可，未來在能源、工業模具制造等領域仍有較大發展空間，同時航空航天領域未來幾年需求將保持旺盛。
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產業鏈上游激光器、振鏡等壁壘較高，國產化率逐步提升。原材料產值近幾年處于快速增長階段，同時材料的種類持續豐富和完善。中游設備類廠商持續迭代工藝技術，新的技術路線不斷探索產業化能力和適用場景。打印服務商過去10年也保持了較高營收增速。
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全球增材制造行業集中度不高，市場競爭逐漸激烈。領先的增材制造公司一直積極參與并購來擴張規模，其中既有單一設備制造商通過產業鏈整合，向系統解決方案提供商轉變，也有大型用戶企業直接布局增材制造領域。從海內外公司的發展情況來看，海外增材制造類上市公司2022年由于經濟形勢、零部件短缺、需求疲軟等因素，市值普遍大幅下跌。2023年呈現明顯回升趨勢。國內增材制造類上市公司則最近幾年營收均持續保持高速增長，市值也持續上升。
一、增材制造定義
增材制造是一種快速成型技術，通過創建數字模型將材料逐漸累加的方法來制造實體零件。增材制造的基本流程和原理如下：
圖：增材制造基本流程
區別于減材制造通過切割材料毛坯來創建最終產品，增材制造通過添加零件來形成最終產品。
從原材料角度，增材制造需要采用特定原材料，材料成本往往更高，且可利用的原材料種類較少，但是原材料利用率更高；從制造工藝角度，增材制造更容易實現復雜零件的一次成型，且精度較高；從制造周期角度，增材制造設計驗證的周期更短，效率更高；從制造成本角度，增材制造從低價格敏感度的航空航天和醫療領域逐漸向其他領域滲透。
表：增材制造和傳統制造模式的比較（來源：鉑力特招股說明書、中信證券）
二、行業發展
20世紀60年代和70年代，增材技術技術處于起步階段，幾乎完全沒有商業市場，對研發的投入也很少。研究工作驗證了第一批現代AM工藝，包括20世紀60年代末的光聚合技術，1972年的粉末熔融工藝，以及1979年的薄片疊層技術。
20世紀80年代和90年代初，出現了很多創新的AM技術，同時一部分增材技術被成功商業化。創新型的技術包括1989年麻省理工學院的3D打印技術，與90年代的激光束熔化工藝。成功商業化的增材制造技術包括光固化（SLA）技術、固體熔融沉積技術（FDM），以及激光燒結技術（SLS）等。增材制造相關專利和學術出版物的數量明顯增多，但是受限于高成本和有限的材料選擇，尺寸限制以及有限的精度，增材制造技術在工業上的發展比較緩慢，只能用于小量快速原型件或模型的制作。1986年全球第一家3D打印企業3D systems成立標志著3D打印進入產業化。
20世紀90年代和2000年代是增材制造行業的增長期。現有技術逐步得到提升和改進，同時新技術逐漸實現了商業化。產業逐漸開始開發專門應用于增材制造行業的軟件。出現了AM的專用文件格式，AM的專用軟件，如Materialise的Magics開發完成。設備的改進和工藝的開發使3D增材制造產品的質量得到了很大提高，開始被用于工具甚至最終零件。
2009年之后，隨著歐美3D打印的底層專利在2009-2015年陸續到期，我國的增材制造開始進入發展的快車道。
2011年到2020年，增材制造的產業化進程不斷推進，行業市場規模保持高速增長，海內外3D systems、stratasys、鉑力特等公司不斷上市，同時GE、佳能、東芝等企業紛紛涉足增材制造市場，在航空航天等多個領域持續落地增材制造應用。
圖：增材制造產業發展
未來，隨著產業化的進程不斷推進，行業技術的成熟度也將逐漸提高，值得關注的未來技術包括激光器、DfAM等。
激光器發展有助于顯著提升打印效率
激光器效率的提升受到業界普遍關注。目前全球各家公司均在嘗試不同的激光器效率突破技術路線，其中VulcanForms Inc. 發明了 100 千瓦激光 PBF 技術并將其商業化并集成到專有的數字制作系統中。Seurat Technologies 發明了一種激光 PBF 技術，該技術使用燼一種光學可尋址光閥技術來支持該公司所謂的區域印刷。該公司聲稱該過程比傳統激光 PBF 技術快 10 倍。另一個發展是激光束熱分布的優化。這樣可以更精確地控制熱沉積，從而最大限度地提高構建速度，提高材料質量，并最大限度地減少飛濺和煙霧。此外，初創公司 SunMetalon 也在籌集資金通過層而不是點或線的方式來加熱金屬，從而進一步提高金屬 AM 的速度。
DfAM方法可以有效提升產品性能
DfAM指的是面向增材制造的設計，即結構設計工程師利用增材獨特的工藝優勢去構建產品的設計過程。在產品設計制造之初同時考慮到設計、增材工藝、增材產品認證方法、增材制造生產模式與產能等眾多因素。
通過DfAM 技術對設計環節能力的提升，可以優化打印過程中和打印后處理的工藝水平，DfAM 的方法可以提高產品性能并減少材料和重量，降低制造和組裝的復雜性。目前Conflux 和 GKNAdditive 等公司正在使用 DfAM 的方法開發的高效熱交換器。下圖顯示了DfAM對于增材制造不同環節的影響：
表：增材制造智能設計對不同環節的成本影響
三、技術路線增材制造可以大致分成金屬類增材制造和非金屬類增材制造。整體分類概覽如下圖：
圖：增材制造不同技術路線分類
1、金屬增材制造
金屬增材制造可以分為熔化成型和未熔化成型兩類，相關的工藝有鋪粉、送粉、送絲等，能量源分為激光、電子束、電弧等。其中未熔化成型不做重點介紹，該技術按照材料狀態分片材、板材、粉末；按照工藝超聲波焊接、攪拌摩擦焊、冷噴涂等。
熔化成型主要包括粉末床熔化（PBF）和直接能量沉積（DED）兩大類。在市場份額層面，根據 AMPOWER，以營收計算，2021 年 PBF、DED 各占據 83.8%和 9.1%的市場份額。且預計到 2026 年，PBF、DED 將各占據 74%和 8.6%的市場份額。
1.1粉末床熔化（PBF）
PBF是一種鋪粉工藝的增材制造技術，PBF按照不同的能量源可以分為激光熔化和電子束熔化。
其中選擇性激光燒結 (SLS）、選擇性激光熔化 (SLM)能量源都是激光。SLM的成型原理與SLS極為相似，不同點在于SLM的激光溫度較高，會在成型過程中完全熔化所有金屬粉末。因此SLM整個打印過程需要在惰性氣體保護的腔體中進行，以避免金屬發生氧化。這給SLM帶來了更好的成型性能，相比SLS制造的金屬零件的致密度更高，力學性能更好，尺寸精度更高、表面粗糙度也更高。但是SLM工藝參數復雜、制造速度偏低，尤其是面對需要大量支撐結構的復雜零件，SLM的打印成本、時長會明顯提高。
適合應用于載人飛船引擎的冷卻道、噴射頭、節流閥等結構復雜程度非常高的結構上面。（注：SLS技術既可以應用于金屬，也可以用于非金屬）
電子束熔煉 (EBM)的能量源為電子束。相比于激光路線，EBM 精度略低但速度高：SLM 沉積速率通常在 0.1kg/h， 而 EBM 速度可達數倍。EBM相比于SLM在幾乎所有步驟里都存在很明顯的成本優勢：特別是在設備運行、熱處理與支撐拆除方面。此外，相比于 SLM，EBM 無需后加工處理殘余應力。且EBM 的支撐能夠很輕易的移除，因此其拆除成本很低。
1.2直接能量沉積（DED）
DED整體的打印效率高于PBF，但是精度遜于 PBF。按照材料狀態分送粉式和送絲式，能量源包括激光、電子束、電弧等。
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激光同步送粉技術 （LENS/LMD/LSF）：DED 中研究和應用最廣泛的技術，能夠實現梯度材料、復雜曲面修復，在大型器件的修復上正不斷地發揮作用。
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電子束熔絲沉積成形（EBDM/EBAM/EBF)：在沉積速率方面擁有絕對優勢：EBAM 沉積速率達到了 18.2kg/h，比基于激光的 DED 技術路線高出了 1 個數量級，超過 PBF 技術路線 2 個數量級
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電弧熔絲增材制造（
WAAM）：WAAM技術主打大尺寸高效率，每小時沉積效率可達數十公斤，極大降低制造成本。由于不需要氣氛保護箱和真空箱等設備，工件尺寸不受其空間尺寸的限制，也大幅減少對設備的投資成本。此外，WAAM可成形的材料種類廣泛，適合成形對激光反射率高的材質（如鋁合金、銅合金）。WAAM本質上與工藝焊接非常接近，因此會出現裂紋、孔隙、飛濺等情況。此外零件表面精度較低，需后加工以控制精度。應用領域包括：需要進一步后加工的零件成型（近凈成型）、在已有結構件上自由打印特定結構；生產拓撲優化構件；高價值零部件維修等。
此外，金屬增材制造技術中經歷高能量輸入的增材制造工藝需要后處理，后處理操作通常包括粉末清理、支撐去除、構建板分離、機加工、清潔、拋光或表面增強以及焊接等連接方式。將零件和構建板分離之前，通常需要消除應力，確保殘余應力不會導致零件變形。不同工藝的去支撐、去應力、熱處理等需求匯總如下：
圖：不同增材制造工業的后處理（來源：3D打印技術參考）
2、非金屬增材制造2.1還原聚合
聚合還原是一種樹脂3d打印技術，工藝過程為光線精確地指向液體塑料的特定點或區域以使其硬化。第一層固化后，構建平臺將向上或向下移動（取決于打印機）少量（通常在 0.01 和 0.05 毫米之間），下一層固化并與前一層連接。聚合還原按照不同光源可以分為SLA、DLP、LCD等。
立體光刻 (SLA)使用固態激光來固化部件，是目前世界上研究最為深入、技術最為成熟、應用最為廣泛的一種3D打印技術。該技術的優點是尺寸精度高、表面質量優良、系統分辨率較高，可以制作結構比較復雜的模型或零件。缺點包括零件較易彎曲和變形、設備運轉及維護成本較高、材料不利于長時間保存等。
數字光處理 (DLP)使用數字光投射器（而不是激光）在一層或樹脂上同時閃爍每一層的單個圖像（或為較大的部件多次曝光）。每一層曝光都需要完全相同的時間，比SLA 中的點激光方法效率更高。用于生產更大的零件或更大體積的零件。
液晶顯示器 (LCD)使用 LCD 屏幕而不是數字微鏡設備 (DMD)，也就是使用數百個單獨發射器的陣列，而不是像激光二極管或 DLP 燈泡那樣的單點發射光源。LCD 單元成本低，這項技術已成為低價桌面樹脂打印機領域的首選技術。常見應用包括注塑模狀聚合物原型和最終用途部件、珠寶鑄造、牙科應用、消費品。
2.2材料擠出
熔融沉積建模 (FDM、FFF)是典型的材料擠出工藝，該工藝過程為將線軸上的一根（或一次幾根）燈絲裝入 3D 打印機，然后送入擠出頭中的打印機噴嘴。打印機噴嘴或多個噴嘴被加熱到所需溫度，使燈絲軟化，從而使連續的層連接起來形成一個堅固的部件。材料擠出是成本較低的 3D 打印方法，無需激光器等貴重原件，成本低、速度快。且該工藝干凈、簡單、易于操作且不產生垃圾。對使用環境沒有限制，可以放在辦公室或者家庭環境使用，維護簡單、體積小無污染 。但是材料擠出的成型精度相對SLA工藝較低，成型表面光潔度不如SLA工藝。
3、其他增材制造技術
其他增材制造技術包括材料噴射、粘結劑噴射、片材層壓等，這些技術既可以應用于金屬，也可以應用于非金屬。
3.1粘結劑噴射
粘結劑噴射的工藝過程是用重涂刀片在構建平臺上涂抹一層薄薄的粉末。然后，帶有噴墨噴嘴的打印頭在床上方經過，選擇性地沉積粘合劑液滴以將粉末顆粒粘合在一起。層完成后，構建平臺向下移動，刀片重新涂覆表面。然后重復該過程，直到整個部分完成。該技術的獨特之處在于打印過程中沒有熱量。粘合劑噴射速度快且生產率高。但是聚合物粘合劑噴射的材料選擇有限，并且生產的部件結構性能較低。
3.2片材層壓
片材層壓的工藝過程為將非常薄的材料片堆疊和層壓在一起以產生 3D 物體或堆疊，然后通過機械或激光切割以形成最終形狀。材料層可以使用多種方法融合在一起，包括加熱和聲音，具體取決于材料，材料范圍從紙張、聚合物到金屬。具體包括層壓物體制造 (LOM)、超聲波固結 (UC)等，相關材料有紙張、聚合物和片狀金屬等。該技術的優點是可以快速生產，復合打印。缺點為精度低，浪費多，部分零件需要后期制作。抗拉強度和彈性差，不能制造中空件；受制于材料影響，利用 LOM 技術打印的零件易吸濕膨脹，表面有臺階紋。
3.3材料噴射
材料噴射將材料沉積到構建表面上，然后使用紫外光固化或硬化該層。逐層重復，直到對象完成。由于材料以液滴形式沉積，因此材料僅限于光敏聚合物、金屬或蠟，它們在暴露于紫外線或高溫時會固化或硬化。材料噴射過程需要支撐結構，通常也是在構建過程中同時使用可溶解材料來進行3D打印，然后在后處理步驟中去除支撐材料。該技術可以提供出色的細節、高精度和光滑的表面。使用材料噴射技術進行打印的主要缺點是成本高，并且紫外線活化的光敏聚合物會隨著時間的推移失去力學性能并且會變脆。
不同增材制造技術的在成型尺寸、粘結性能、工作環境等方面各有差異，詳細的技術比較如下圖：
圖：各類增材制造技術的性能比較
同時，各類技術路線的產業化進程也有所不同，具體進展如下：
圖：不同增材制造技術的成熟度（來源：AMpower）
四、市場規模和集中度全球增材制造市場空間廣闊，未來仍保持高速增長：根據Wohlers Associates數據，2022年全球增材制造全球市場規模180.27億美金，過去34年的復合增長率達到25.6%，預計2030年市場規模達到853億美金（近6000億人民幣）。
中國增材制造市場短期有望突破500億，滲透率仍有較大提升空間：根據中國增材制造產業聯盟，2022年我國3D打印市場規模330億，2018-2022年的復合增長率為28%。根據賽迪咨詢數據，2024年中國的3D打印市場規模有望進一步提升，突破500億元。目前增材制造在制造業滲透率不足0.1%，處于產業化的前期，長期制造業滲透率3-5%。
圖：全球增材制造市場規模 單位：美金（來源：Wohlers Associates）
中國增材制造市場規模在全球領先：Wohlers Associates 的研究表明，我國工業級增材制造設備安裝量全球領先。在全球安裝的所有工業增材制造 (AM) 系統中有 34.9%在北美，28.4% 安裝在亞太地區，30.7% 在歐洲。按照國家來看，美國、中國、德國是工業級增材制造設備安裝量最多的三個國家。
圖：增材制造工業設備出貨量情況
圖：知名和非知名品牌的出貨占比
增材制造行業集中度不高，市場競爭逐漸激烈：根據Wohlers Associates 研究，2022 年前 10 家最大的系統制造商貢獻了整個增材制造行業約 27.21 億美金的產值，占比15.1%。非品牌廠商的市占率呈現逐年提升趨勢：服務供應商以前基本從 3D Systems、EOS 和 Stratasys 等成熟的 AM 制造商處購買系統。然而，2022 年服務供應商購買的 290 臺機器中，包括了156 臺非成熟制造供應商的 AM 系統（占比53.8%），連續第三年從非成熟公司購買設備呈現增長趨勢。
五、產業鏈
3D打印上游包括材料類、核心硬件、輔助設備等。其中材料包括金屬材料和非金屬材料。核心硬件類涵蓋激光器、振鏡系統和引擎，輔助設備包括3D建模軟件、掃描儀等。3D打印的中游包括3D打印設備制造商和服務商，按照材料性能分為金屬類和非金屬類。下游面向的應用領域包括航空航天、醫療、模具等。
圖：增材制造產業鏈及相關公司（來源：中信證券）
上游：激光器、振鏡
激光器是增材制造產業鏈上游的核心硬件，可以分為光纖激光器、CO2激光器等。
激光器的國產化比例不斷提升：根據 Laser Focus World 數據，2020 年中國光纖激光器市場規模約為 13.8 億美元，其中國產比例約 56%，達 7.73 億美元。美國的光纖激光器制造商 IPG 占據了中國光纖激光器市場的最大份額（2019年42%），但是總體市場銷售份額明顯下降。國產品牌占比顯著上升，包括來自中國的銳科激光、創鑫激光和杰普特等企業。增材制造所使用的激光器功率普遍較低，此類中低功率的光纖激光器基本完成了國產化進程。
振鏡類也是增材制造上游的零部件，據《2021年中國激光產業發展報告》，2021年中國激光振鏡行業市場規模約8.4億元。目前國內振鏡廠家在中低端的激光應用上占了大部分份額，但在高端應用領域，外國振鏡品牌仍然牢牢的占據了主要份額。市場的參與者主要包括美國CTI、德國SCANLAB、Raylase等國外企業及大族思特、金海創、智博泰克、世紀桑尼、菲鐳泰克等國內企業。國產掃描振鏡在我國增材制造設備廠商中已經占據了一定的市場份額，未來有望實現國產化替代。
圖：中國光纖激光器國產化率
（來源：2020年中國激光產業發展報告）
圖：中國激光振鏡市場規模（來源：華經產業研究院）
上游：原材料
全球和國內增材制造原材料處于快速增長階段：根據Wohlers Associates數據，2022年全球增材制造材料產值 32.6 億美元，同比增長了 25.5%（2021 年產值 25.98 億美元）。其中聚合物粉末、絲材、光敏樹脂、金屬粉末分別占比37.9%、21%、21%、18.2%。根據中國增材制造產業聯盟，2021年我國3D打印原材料產值14.7億元，其中非金屬占比63%，金屬占比37%，金屬原材料的產值高于世界平均水平。
圖：全球增材制造原材料產值（來源：Wohlers Associates）
增材制造原材料可以大致分為光敏樹脂、高分子粉末、絲材、金屬粉末等，其中光敏樹脂和絲材主要用在消費級3D打印，高分子和金屬主要用在工業級。金屬材料包括鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鋁合金材料等，其中鈦合金具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高的特征，可以廣泛應用于飛機發動機冷端壓氣機部件以及火箭、導彈和飛機的各種結構件制作。光敏樹脂材料則主要用于制作高強度、耐高溫、防水材料，應用于汽車、家電、電子消費品等領域。
3D打印的原材料種類有限，限制了部分場景的技術應用：區別于傳統制造工藝的材料，3D打印使用的材料粉末有特殊性質要求，材料的含氧量、流動性、粒度等都有不同的要求。整體來看，由于材料的發展應用周期較長，在產業發展階段一定程度限制了細分場景的落地和應用。
典型的增材制造廠商包括金屬材料類：有研粉材（2021年產能500噸）、中航邁特（2021年產能800噸）、威拉里（2021年產能300噸）、寧波眾遠等，非金屬材料類廠商：華曙高科（2022年產能500噸）、Polymaker（2022年產能數千噸-含消費級）、巴斯夫等。
上游：軟件和掃描儀
2023年全球3D掃描儀的市場規模接近30億美元，CAGR5=15%。海外廠商有先發優勢，蔡司1970年之后就開始布局，目前齒科掃描等細分領域逐漸產生了國產替代的廠商：先臨三維、思看科技等。
3D打印的軟件功能涵蓋拓撲優化、衍生式設計和算法建模、模型修復、模擬、切片和打印準備、打印管理和監督、MES 工具跟蹤等，部分設備廠自研符合工藝流程的軟件提升產品制造過程的各種性能。
圖：AM軟件流程和功能（來源：Wohlers Associates）
中游：3D打印設備商
2021年全球工業級3D打印設備銷量超過2.6萬臺，CAGR10=14%。其中裝機量最多的國家依次為：美國、中國、日本。銷量最多的公司分別為stratasys、Formlabs、3D Systems等。最主流的技術路線依次為：SLM/SLS(32%)、非金屬中的FDM(15%)、SLA(15%)、DLP(14%)，這幾大技術路線共占據市場76%。2022年增材制造商的數量持續增加，相比于2021年一共增加20家（7.5%）。
圖：全球工業級增材制造商數量（來源：Wohlers Associates）
對于國內設備廠商，2021年按照企業收入規模營收超過10億的有面向消費級的創想三維、深圳眾維等，營收2-10億元的企業包括華曙高科、鉑力特等16家企業，營收5000萬-2個億的約有60家企業，剩余還有100多家企業收入5000萬以下。
圖：中國3D打印廠商收入情況（來源：南極熊）
中游：3D打印服務商
3D打印服務商提供預處理（即模型修復、構建方向、零件嵌套、構建準備等）、打印和后處理加工（即支撐材料去除、清潔、表面處理等）等功能，各個環節在整個打印服務中的成本占比如下：
圖：不同環節在整個打印服務中的成本占比（來源：Wohlers Associates）
過去十年，增材制造服務商的營收保持較高增速的增長，大部分年段服務商收入增速15%以上。
圖：3D打印服務商收入增速（來源：Wohlers Associates）
(責任編輯：admin)
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