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增材制造(3D打印)业发展历程及发展现状:限制因素有所改善,产业化有望加速

发布时间:2023-05-24  来源:立鼎产业研究网  点击量: 858 

增材制造,通常俗称为3D打印,定义为以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,利用软件进行设计和优化,通过专用的打印设备按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的制造技术。增材制造核心设备为3D打印机,目前增材制造在工业中常被用于航空航天、医疗、模具、汽车等领域的特殊零部件制造。

增材制造基本流程与原理


资料来源:公开资料

增材制造并不是一个全新概念,早在19世纪末期美国和法国就有了关于使用层合方法生成地图模型的方法,但都停留在图纸层面。19863DSystems成立,标志着3D打印进入产业化。1995年德国Fraunhofer激光技术研究所(ILT)推出SLM技术,激光技术开始被应用于增材制造并逐步普及。整体来看我国增材制造产业化相对短暂,但随着美欧的3D打印底层技术专利在2009-2015年陆续到期,我国增材制造市场开始进入发展快车道。根据中国增材制造产业联盟,2022年我国3D打印市场规模有望达到330亿元,实现十年30倍涨幅。

增材制造发展历程


资料来源:中国增材制造产业联盟等

增材制造使用材料逐步累加形成需要产品,和传统制造拥有本质区别。增材制造与传统制造的最大差别在于传统制造使用车、铣、刨、磨、钻等工具依靠机械外力实现多余材料去除,或者直接使用铸造和锻造工艺实现产品制造与加工,而增材制造则是使材料逐层累加形成需要的形状。原理上的本质差异使得增材制造和传统制造在原料使用、技术设备、应用领域方面均有一定差异。

增材制造原理与传统制造原理对比


资料来源:公开资料

增材制造与传统制造模式对比


资料来源:铂力特招股书

3D打印在特定条件下可实现降本提效,优势显著。增材制造和传统制造的本质区别决定了增材制造在部分领域拥有一定优势。整体来看,增材制造软件建模、快速成形、逐层堆积等特点决定了增材制造拥有以下优势:

1)生产结构复杂的高性能产品,依托轻量化降低全生命周期成本。增材制造可以实现复杂零部件一次成型,同时也能够优化零部件结构,实现轻量化,进而实现降本。以波音公司生产的787梦想客机为例,由于波音787采用了金属纤维机身和机翼,因此需要较多的合金。每架约花费2.65亿美元的波音787中,钛合金部件的成本大概在1700万美元,而通过NorskTitanium3D金属打印技术,这一部分的成本将有所降低。据Norsk Titanium 估计,3D 打印钛合金部件可以为每架飞机节省 200-300 万美元制造成本,以及后续轻量化带来的油耗降低。

波音公司采用3D打印技术可有效优化零件结构


资料来源:Boeing 官网

2)高原材料利用率,降低核心零部件制造成本。不同原材料价格差异较大。某些应用领域的原材料价格昂贵。比如钛合金,传统钛基材料达到了9.8万元/吨,价格已是高昂;而根据Wohlers20213D打印的钛基材料达到了36.3万元/吨,同比增长200%以上。3D打印逐层堆叠的特点可以减少原材料的浪费,较大程度提升了原料利用率,从而降低核心零部件的制造成本。

不同制造方式的原材料利用率(克,%


资料来源:Safran 集团

3)增材制造可以缩短“设计-验证-生产”全流程周期,提高产品制造效率。传统制造模式中产品设计验证需要经历大量的定型前产品试制,不断对产品进行改进,最终实现定型。增材制造技术能够使用建模软件进行产品的优化设计,并且可以实现产品的快速制造,以钛排气装置为例,根据3DSystems,增材制造可以实现装置的整合式设计与制作,产品设计时间从6周缩短到6天,零部件数量从20个降低到1个,此外生产时间也仅为之前的1/4,大大缩短了流程周期,提高制造效率。

钛排气装置传统制造与增材制造效率分析


资料来源:3D SYSTEMS 官网

多种限制因素,阻碍增材产业化发展。虽然技术在发展历程中不断迭代,但增材制造的本质仍是对材料进行不同方式的熔融后逐层堆积形成产品,这个过程实际上对原材料、设备都提出了不同于传统制造的各种要求,包括:

1)增材制造方案整体成本较高,目前以低价格敏感度领域为主。增材制造作为新兴行业,市场化历程短暂,设备相对传统设备结构复杂,原材料、生产工艺等相对传统制造也要求更高,所以增材制造方案整体成本相对较高,下游客户也主要集中在各应用领域实力雄厚的头部厂商。故目前仍以低价格敏感度的航空航天、医疗等领域为主。

EOS 产品单价(万元/台)


资料来源:Wohlers Associates Wohlers Report2022

3D System 下游客户主要是行业头部企业


资料来源:3D Systems 官网

2)原材料种类有限,约束产品生产范围。为了保证原材料能够完成较好的熔融烧结并逐层堆积,3D 打印使用的粉末有特殊性质要求,粉末的含氧量、流动性、粒度等都有不同要求,使得新材料的研发成本较高,原材料范围有限。整体来看,在产业化发展起步时期增材制造的新型材料应用周期较长,限制了 3D 打印技术在部分细分领域/场景的应用。

3D 打印金属粉末参考指标


资料来源:广州 3D 打印中心官网

3)打印尺寸受技术限制,微型/大型零件制造难度较高。通常3D打印最大一次性成型尺寸取决于打印机的打印空间大小,而最小尺寸则取决于可打印的最小壁厚。当前3D打印设备的尺寸通常处于毫米级到米级,尺寸局限相对传统制造较大。

3D打印技术对应最小壁厚


资料来源:公开资料

国内外增材制造设备龙头厂商可打印最大尺寸设备一览


资料来源:Wohlers AssociatesWohlers Report2022

前期抑制因素有所改善,产业化有望加速。受制于上述因素,前期3D打印的可应用领域相对较窄,下游客户需求较低,通用化进程较慢。但随着技术持续突破和产业政策引导,前期因素得到改善,3D打印产业化有望加速。

1)研发投入叠加下游需求催生规模化,产业链全环节持续降本。随着美欧的3D打印底层技术专利在2009-2015年陆续到期,我国增材制造产业在研发领域障碍消除,研发投入得以提升。叠加部分领域对零件制造的工艺精度、技术难度和全流程成本要求的提高,增材制造快速成型、提升生产效率的特点不断被发掘,增材制造产业化深入,中下游厂商开始向上拓展。GEHP等下游应用公司纷纷布局3D打印产业,巴斯夫、杜邦等企业进入原材料领域,研发投入和市场规模效应显现使得产业链各环节降本显著。

2)原材料持续丰富,助力设备端发展。随着增材制造产业化的推进,原材料和中下游的紧密联系使得中游设备制造厂商和下游应用厂商均开始布局原材料领域。增材制造原料供应商逐年增长,2017年到2021年从98家增长到230家,4CAGR29%。而随着供应商增加和研发投入增长,原材料种类也愈发丰富。2021年全球增材制造原材料种类超过2800种,四年CAGR38%

增材制造原料供应商数量(个)


资料来源:Senvol

增材制造原材料种类(个)


资料来源:Senvol

3)最大尺寸持续突破,应用范围有效扩宽。随着工业技术的不断进步和在增材制造技术产业化领域的不断投入,3D打印的设备性能不断提升,打印尺寸也在不断增大。SLMSolution2022年推出3x1.2x1.2米的超大尺寸粉末床激光熔融金属3D打印机,可生产直径1.8m、高1.6m的圆柱形零件或是3m*1.2m*1.2m的长形零件。

SLM Solutions 推出的 3D 打印机,生产直径达 1.8


资料来源:SLM Solutions 官网


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