什麼是 3D 打印:增材製造技術又稱為 3D 打印技術,是以數字模型為基 礎,將材料逐層堆積製造出實體物品的新興製造技術,體現了信息網絡技 術與先進材料技術、數字製造技術的密切結合,是智能製造的重要組成部 分。與傳統的減材製造方式相比,增材製造擁有製造複雜的物品而不增加 成本、產品多樣化而不增加成本、無需組裝、零時間交付等眾多優點,尤 其適合製造形狀複雜的、定制化的、追求輕量化的零部件。3D 打印技術 將持續促進並受益於定制化經濟的快速發展。

根據所使用的原材料不同,可大致將 3D 打印技術分為金屬材料的 3D 打印和非金屬材料的 3D 打印。

按照打印技術的特點,3D 打印又可分為選擇性激光熔化成型(SLM)、選擇性激光燒結成型(SLS)、 激光直接燒結技術(DMLS)、電子束熔化技術(EBM)、熔融沈積式成型(FDM)、選擇性熱燒結(SHS)、 立體平板印刷(SLA)、數字光處理(DLP)、三維打印技術(3DP)、及細胞繪圖打印(CBP)等。

3D打的分類

1986 年,美國科學家 Charles Hull 利用液態光敏樹脂被一定波長的紫外光照射後即變成固體的特性, 發明出世界上第一台 3D 打印機。它的基本原理是將液態光敏樹脂倒進一個容器,液面上方有一台 激光器,當電腦發出指令,激光器發射紫外光,紫外光照射液面特定位置,該位置的光敏樹脂即發 生固化。液態光敏樹脂的液面在打印的過程中隨固化的速度上升,使得紫外光照射的地方始終是液 態樹脂,最終經過層層累積,形成一定形狀。這種技術也被稱為立體平板印刷技術(SLA),這也是目 前最成熟的 3D 打印技術之一。

除 SLA 技術外,FDM 技術應用也比較廣泛,其基本原理是加熱噴頭在計算機的控制下,根據產品 零件的截面輪廓信息,作 X-Y 平面運動,熱塑性絲狀材料由供絲機構送至熱熔噴頭,並在噴頭中加 熱和熔化成半液態,然後被擠壓出來,有選擇性的塗覆在工作台上,快速冷卻後形成一層大薄片輪 廓。一層截面成型完成後工作台下降一定高度,再進行下一層的熔覆,如此循環,最終形成三維產品零件。這種技術可以用於大體積物品的製造,成本也較低,設備技術難度較低;缺點是所生產的 物品常常縱向的力學性能原小於橫向的力學強度,且打印速度緩慢,產品表面質量也有待進一步提高。

由以色列 Objet 公司開發的聚合物噴射技術(PolyJet)打印技術與傳統的噴墨打印機類似,由噴頭 將微滴光敏樹脂噴在打印底部上,再用紫外光層層固化。噴頭沿 X/Y 軸方向運動,光敏樹脂噴射 在工作台上,同時 UV 紫外光燈沿著噴頭運動方向發射紫外光對工作台上的光敏樹脂進行固化,完 成一層打印;之後工作台沿 Z 軸下降一個層厚,裝置重復上述過程,完成下一層的打印, 重復前述 過程,直至工件打印完成。PolyJet 3D 打印技術具有快速加工和原型製造等諸多優勢,甚至能快速、 高精度地生成具有卓越的精緻細節、表面平滑的最終用途零件。因此 PolyJet 技術應用廣泛,在航 空航天、汽車、建築、軍工、商業品、消費品、醫療等行業具有很好的應用前景。PolyJet 3D 打印 技術使用的光敏聚合物多達數百種,從橡膠到剛性材料,從透明材料到不透明材料,從無色材料到 彩色材料,從標準等級材料到生物相容性材料,以及用於在牙科和醫學行業進行 3D 打印的專用光 敏樹脂,都能使用 PolyJet 技術進行打印。

選擇性激光熔化成型技術(SLM)和選擇性激光燒結成型技術(SLS)是發展最早、也是目前使用 最廣泛的金屬 3D 打印技術。SLM 技術所使用的材料多為單一組分金屬粉末,包括奧氏體不鏽鋼、 鎳基合金、鈦基合金、鋁合金、鈷-鉻合金和貴重金屬等。理論上講只要激光束的功率足夠大,可以 使用任何材料進行打印。SLM 技術的基本原理是激光束快速熔化金屬粉末,形成特定形狀的熔道後 自然凝固。其優點包括表面質量好、具有完全冶金結合、高精度、所使用的材料廣泛。主要缺點是打印速度慢、零件尺寸受到限制、後處理過程比較複雜。目前該技術已較廣泛的應用到了航空航天、 微電子、工業機械、醫療、珠寶首飾等行業。

SLS 技術的原理是預先在工作台上鋪一層粉末材料(金屬粉末或非金屬粉末),激光在計算機控制下, 按照界面輪廓信息,對實心部分粉末進行燒結,然後不斷循環,層層堆積成型。與 SLM 技術不同, 在打印金屬粉末時 SLS 技術在實施過程中不會將溫度加熱到使金屬熔化。

電子束熔化技術(EBM)是一種較新的可以打印金屬材料的 3D 打印技術,它與 SLS 或 SLM 技術 最大的區別在於使用的熱源不同:SLS 或 SLM 技術以激光作為熱源,而 EBM 技術則以電子束為熱 源。EBM 技術在打印速度方面具有顯著優勢,所得工件殘餘應力也較小,但設備比較昂貴,耗能較多。

除了上述介紹的較成熟的技術路線外,一些新的技術路線也在不斷出現。2016 年 7 月 22 日,張海 鷗團隊經過十多年潛心攻關,研制出微鑄鍛 3D 打印一體化設備,創造性地將金屬鑄造、鍛壓技術 合二為一,大幅降低了 3D 打印工件的缺陷率,提高了制件強度、韌性、和疲勞壽命。該技術不僅 能打印薄壁金屬零件,而且能打印出大壁厚差的金屬零件,省去了傳統巨型鍛壓機的成本。該技術 以金屬絲材為原料,材料利用率達到 80%以上,絲材價格成本為目前普遍使用的粉材的 1/10 左右; 在熱源方面,使用高效廉價的電弧為熱源。

2018 年 9 月,惠普公司推出了名為 Metal Jet 的新型 3D 打印機,該技術專為大批量生產工業級金 屬零件而研發。它的基本原理是使用噴嘴選擇性地將粘合劑按照設定的圖形噴射到打印層中,使金 屬粉末粘結在一起,下降指定層厚度後,添加新的粉末層,並重復以上流程,直到創建完成整個零 件;之後將零件放入燒結爐中進行高溫燒結的致密化處理,使金屬顆粒熔融在一起,同時去除噴砂。這種新的 3D 打印技術在成本上較此前的金屬 3D 打印工藝相比,不僅效率大大提高,成本也顯著降低。

3D打印行業正在逐步由導入期進入成長期

近年來 3D 打印行業規模保持高速增長,2018 年全球和中國的 3D 打印產業規模分別達到了 96.8 億美元、23.6 億美元,5 年間的復合增速分別達 26.1%、49.1%,預計未來幾年仍將快速增長。

經過30多年的發展,3D打 印行業已經形成一條比較完成的產業鏈,包括上游的各類原材料、中游的 3D 打印設備及服務,及航空航天、汽車、醫療、教育等眾多下游應用領 域。我們認為,3D 打印 行業逐漸從行業導入期步入了成長期,中國也出現了鉑力特這樣選對了賽道和模式,盈利能力較強的公司。

上游原材料,低端充足,高端短缺,中國技術正在不斷突破

原材料是決定 3D 打印零部件最終質量、價格的基礎因素,中國國內中低端的原材料供應 能力已比較充足,高端原材料供應仍受到一定限制。2017 年中國 3D 打印 材料市場規模達到 29.92 億元,同比增長了約 40%,佔當年整個 3D 打印行業市場規模 27.6%,預計到 2024 年將達到 164 億元。隨著國內技術的不斷突破,各類原材料的價格正在快速下降,不少原材料的價格大約只有 2 年前的一半。

中游設備,工業級佔主流,進口替代大幕已開啓

設備是中國國內 3D 打印產業中產值最大的環節,目前大約佔整個行業總產值的 40%-50%;從中國國內 的 3D 打印市場來看,設備環節的進口替代大幕已經開啓,在存量市場上, 聯泰、鉑力特、華曙等 3 家企業的合計佔有率已達到 27.9%(主要是工業級 3D 打印機);從全球來看,美國仍是最大的設備和應用的市場,中國市場正在快速增長。預計隨著技術的成熟,工業級 3D 打印機的價格仍有較大下降空間,性價比的逐步提高有利於下游應用的拓展。桌面打印機目前 競爭已比較激烈,市場集中度在短期內難以提升。

下游應用,航空航天、醫療、汽車、機械多點開花

3D 打印技術已經在 軍事、航空航天、醫療、汽車、機械設備製造及消費領域得到了一定的應 用。2017 年中國國內 3D 打印各下游應用中,工業產品佔比 55%,軍用產品佔比 16%,民用產品 29%,工業級 3D 打印的應用規模遠遠超過消費級 3D 打印。我們認為,目前 3D 打印技術成本雖然在逐步下降,但仍處於較高水平,因此判斷未來一個時期內,3D 打印仍將首先在高附加值的行業內得到發展。

未來展望

未來3D打印將有望深刻改變當前的商業模式,目前3D打印處於快速成長階段,但在整個製造業當中的佔比仍非常小。我們認為,3D 打印更大範圍的推廣和應用,有賴於原材料和設備價 格的進一步的下降,並結合商業模式的創新和開拓。目前中國國內市場中,3D 打印原材料和設備都處於進口替代的過程中,出現了一批技術領先的企業。未來在 3D 打印這個賽道中,持續的、高質量的、 有效的研發將成為從行業競爭中脫穎而出的關鍵。看好 3D 打印技術在附加價值高的航空航天、醫療、 汽車、核電等領域的應用。

風險提示

(1)原材料發展不及預期,限制3D打印下游應用的進一步拓展:原材料的品種和質量, 是 3D 打印產品最終質量的基礎條件,目前中國高端原材料的供應仍對國外有較大依賴。此外,原材料的豐富程度,也決定了 3D 打印的應用空間,若原材料和裝備的研發進展不及預期,將阻礙 3D 打 印技術的推廣。

(2)競爭格局惡化的風險:目前在桌面打印機等一些技術含量比較低的環節,競爭已比較激烈,且短期內難以看到競爭格局好轉的跡象,處於這些環節的企業面臨著被市場淘汰的風 險。

(3)進口替代不及預期的風險:海外龍頭 3D SYSTEM、EOS、STRATASYS 等在技術方面仍有 一定的領先優勢,若國內企業未能進行有效的研發,或研發進展不及預期,有可能會出現市場份額 被海外龍頭搶佔的情況。