手機(jī)站首頁(yè)散文詩(shī)歌雜文隨筆日記小小說(shuō)

散文網(wǎng) » 筆記 »全部筆記 » 機(jī)械行業(yè)報(bào)告：蘋(píng)果榮耀入局3D打印，有望啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)新引擎

機(jī)械行業(yè)報(bào)告：蘋(píng)果榮耀入局3D打印，有望啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)新引擎

2023-07-24 10:20 作者:報(bào)告派 0人讀過(guò) | 我要投稿

報(bào)告出品方：民生證券

以下為報(bào)告原文節(jié)選

------

1 增材制造優(yōu)勢(shì)獨(dú)特，下游應(yīng)用廣泛

1.1 增材制造共分七種工藝

所謂 3D 打印是快速成型技術(shù)的一種，又稱增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。
增材制造主要有七種工藝，分別為粉末床熔融、定向能量沉積、立體光固化、粘結(jié)劑噴射、材料擠出、材料噴射和薄材疊層。由于不同技術(shù)在不同的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中具備獨(dú)特的技術(shù)價(jià)值和發(fā)展空間，目前增值制造呈現(xiàn)多種路線共存的局面。其中，粉末床熔融工藝加工而成的終端零件具備良好的力學(xué)性能和尺寸精度，成為工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中主流的增材制造技術(shù)。

SLM 技術(shù)是采用激光有選擇地分層熔化燒結(jié)固體粉末，在制造過(guò)程中，金屬粉末加熱到完全融化后成形。其工作原理為：被打印零部件提前在專(zhuān)業(yè)軟件中添加工藝支撐與位置擺放，并被工藝軟件離散成相同厚度的切片，工藝軟件根據(jù)設(shè)定工藝參數(shù)進(jìn)行打印路徑規(guī)劃。實(shí)際打印過(guò)程中，在基板上用刮刀鋪上設(shè)定層厚的金屬粉末，聚焦的激光在掃描振鏡的控制下按照事先規(guī)劃好的路徑與工藝參數(shù)進(jìn)行掃描，金屬粉末在高能量激光的照射下其發(fā)生熔化，快速凝固，形成冶金結(jié)合層。當(dāng)一層打印任務(wù)結(jié)束后，基板下降一個(gè)切片層厚高度，刮刀繼續(xù)進(jìn)行粉末鋪平，激光掃描加工，重復(fù)這樣的過(guò)程直至整個(gè)零件打印結(jié)束。

粉末材料選擇性激光燒結(jié)（SLS，Selective Laser Sintering）技術(shù)是先將一層粉末材料平鋪在已成型零件的表面上，并加熱至恰好低于該粉末的燒結(jié)點(diǎn)溫度。
然后，通過(guò)控制系統(tǒng)控制激光束按照該層的截面輪廓在粉層上掃描，使粉末的溫度升到熔化點(diǎn)，進(jìn)行燒結(jié)，并與下面已成型的部分實(shí)現(xiàn)粘結(jié)。完成一層后，工作臺(tái)下降一層厚度，再鋪上一層均勻密實(shí)的粉末，進(jìn)行新一層截面的燒結(jié)，直至完成整個(gè)模型的制造過(guò)程。上一層粉末，進(jìn)行下一層燒結(jié)，如此循環(huán)，逐漸形成三維原型零件。

電子束熔化技術(shù)（EBM）其工藝過(guò)程與 SLM 非常相似，但兩者有一些區(qū)別。
不同之處在于 EBM 采用電子束作為能量源，而 SLM 使用激光。EBM 的電子束輸出能量通常比 SLM 的激光輸出功率大一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且掃描速度也比 SLM 快得多。由于這種高能量輸出，EBM 在構(gòu)建過(guò)程中需要對(duì)造型臺(tái)整體進(jìn)行預(yù)熱，以防止成型過(guò)程中溫度過(guò)高，產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。
電子束選區(qū)熔化技術(shù)（EBSM）是一種高能高速的快速制造技術(shù)，類(lèi)似于激光選區(qū)燒結(jié)和激光選區(qū)熔化工藝。將所設(shè)計(jì)零件的三維圖形按一定的厚度切片分層，得到三維零件的所有二維信息；在真空箱內(nèi)以電子束為能量源，電子束在電磁偏轉(zhuǎn)線圈的作用下由計(jì)算機(jī)控制，根據(jù)零件各層截面的 CAD 數(shù)據(jù)有選擇地對(duì)預(yù)先鋪好在工作臺(tái)上的粉末層進(jìn)行掃描熔化，未被熔化的粉末仍呈松散狀，可作為支撐；一層加工完成后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚的高度，再進(jìn)行下一層鋪粉和熔化，同時(shí)新熔化層與前一層熔合為一體；重復(fù)上述過(guò)程直到零件加工完后從真空箱中取出，用高壓空氣吹出松散粉末，得到三維零件。這種以電子束為能量源的粉床增材制造技術(shù)，具有能量利用率高、無(wú)反射、功率密度高、掃描速度快、真空環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)活性金屬材料的直接潔凈快速制造。

近凈成形技術(shù)是一種成形技術(shù)，指的是零件經(jīng)過(guò)成形后，僅需少量或不再需要加工，就可以直接用作機(jī)械構(gòu)件。首先，高功率激光通過(guò)聚焦后形成一個(gè)較小的光斑作用于基體并在基體上形成一個(gè)較小的熔池。然后，粉末運(yùn)輸系統(tǒng)將金屬粉未通過(guò)噴嘴匯集后輸送到熔池中，粉末經(jīng)熔化，凝固后形成一個(gè)致密的金屬點(diǎn)。最后，隨激光在零件上的移動(dòng)，逐漸形成線和面最后通過(guò)面的累加形成三維金屬零件。

光固化立體成型技術(shù)（SLA）是一種早期實(shí)用的快速成形技術(shù)，使用特定波長(zhǎng)和強(qiáng)度的激光聚焦在光固化材料表面，逐層固化構(gòu)建三維實(shí)體。SLA 將所設(shè)計(jì)零件的三維計(jì)算圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列很薄的模型截面數(shù)據(jù)，然后在快速成型機(jī)上，用可控制的紫外線激光束，按計(jì)算機(jī)切片軟件所得到的每層薄片的二維圖形輪廓軌跡，對(duì)液態(tài)光敏樹(shù)脂進(jìn)行掃描固化，形成連續(xù)的固化點(diǎn)，從而構(gòu)成模型的一個(gè)薄截面輪廓。下一層以同樣的方法制造。該工藝從零件的底薄層截面開(kāi)始，一次一層連續(xù)進(jìn)行，直到三維立體模型制成。一般每層厚度為 0.076~0.381mm，最后將制品從樹(shù)脂液中取出進(jìn)行最終的硬化處理，再打光、電鍍、噴涂或著色。

三維印刷（3DP）工藝類(lèi)似于 SLS 工藝，使用粉末材料（如陶瓷粉末、金屬粉末）進(jìn)行成型。不同之處在于，3DP 工藝不是通過(guò)燒結(jié)連接材料粉末，而是通過(guò)噴頭使用粘結(jié)劑（如硅膠）在材料粉末上“印刷”零件的截面。然而，由于使用粘結(jié)劑進(jìn)行連接，零件強(qiáng)度較低，因此需要進(jìn)行后處理。具體的工藝過(guò)程如下：首先，上一層的粘結(jié)完成后，成型缸下降一個(gè)距離（等于層厚的 0.013～0.1mm）。然后，供粉缸上升一定高度，推出一定量的粉末，并通過(guò)鋪粉輥將其推到成型缸，然后將其鋪平并壓實(shí)。接著，噴頭在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)下一組建造截面的成型數(shù)據(jù)，有選擇地噴射粘結(jié)劑來(lái)建造層面。在鋪粉時(shí)，多余的粉末會(huì)被集粉裝置收集起來(lái)。
這樣反復(fù)進(jìn)行送粉、鋪粉和噴射粘結(jié)劑的過(guò)程，最終完成一個(gè)三維粉體的粘結(jié)。沒(méi)有被噴射粘結(jié)劑的地方仍為干粉，在成型過(guò)程中起到支撐作用，且在成型結(jié)束后相對(duì)容易去除。

FDM（熔積法）是一種快速成形技術(shù)，通常使用高溫將材料熔化成液體，通過(guò)壓印頭的擠壓固化，從而形成三維物體。FDM 機(jī)械裝置主要由噴頭和送絲器、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、加熱工作室、工作臺(tái)等五個(gè)部分組成。材料分為模制材料和支撐材料。
熱塑料絲通過(guò)擠出頭被擠出，并沉積成正確的實(shí)際零件薄層，逐層堆積到最終的實(shí)體模型和零件。噴嘴根據(jù)預(yù)輸入的數(shù)據(jù)移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)絲杠運(yùn)行，控制噴嘴按照預(yù)定軌跡移動(dòng)。成形平臺(tái)上的熱熔流體凝固成形，完成整個(gè)打印過(guò)程。例如，線材通過(guò)傳動(dòng)裝置被送入加熱管，熱熔的流體在 190℃-210℃的加熱管中熔化，然后從噴嘴擠出，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的控制在成形平臺(tái)上逐層凝固成形。

PolyJet 即聚合物噴射技術(shù)，其成型原理類(lèi)似 3DP 技術(shù)，但噴射的不是粘合劑而是光固化樹(shù)脂，噴射完成后通過(guò)紫外光照射固化成型。PolyJet 采用陣列式噴頭，甚至可以同時(shí)噴射不同材料，實(shí)現(xiàn)多種材料、多色材料同時(shí)打印。其具體打印過(guò)程是：1）噴頭沿 X/Y 軸方向運(yùn)動(dòng)，光敏樹(shù)脂噴射在工作臺(tái)上，同時(shí) UV 紫外光燈沿著噴頭運(yùn)動(dòng)方向發(fā)射紫外光對(duì)工作臺(tái)上的光敏樹(shù)脂進(jìn)行固化，完成一層打印。
2）之后工作臺(tái)沿 Z 軸下降一個(gè)層厚，裝置重復(fù)上述過(guò)程，完成下一層的打印。3）重復(fù)前述過(guò)程，直至工件打印完成。4）去除支撐結(jié)構(gòu)。

LOM（層疊制造，Laminated Object Manufacturing）工藝使用薄片料如紙、塑料薄膜等，將熱熔膠涂覆在片材表面。在加工過(guò)程中，熱壓將片材與下面已成型的工件粘結(jié)在一起。然后，使用 CO2 激光器在新粘結(jié)層上切割出零件截面輪廓和外框，并在截面輪廓與外框之間切割出上下對(duì)齊的網(wǎng)格。完成激光切割后，工作臺(tái)帶動(dòng)已成型的工件下降，與帶狀片材（料帶）分離。供料機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)收料軸和供料軸，使新層移到加工區(qū)域，然后工作臺(tái)上升到加工平面。再使用熱壓棍熱壓，使工件的層數(shù)增加一層，高度增加一個(gè)料厚。然后在新層上切割截面輪廓。如此重復(fù)直至零件的所有截面都粘結(jié)、切割完成，得到分層制造的實(shí)體零件。在這種快速成型機(jī)上，截面輪廓被切割和疊合形成制品。所需的工件被廢料小方格包圍，去除這些小方格后即可得到三維工件。
1.2 輕量化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)明顯，增材制造市場(chǎng)快速增長(zhǎng)

3D 打印能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)及輕量化設(shè)計(jì)，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。相較于傳統(tǒng)精密加工，金屬 3D 打印通過(guò)分層制造、逐層疊加的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)部的復(fù)雜構(gòu)件成形，提升材料利用率。同時(shí)，金屬 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化復(fù)雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)經(jīng)變換重新設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果，3D 打印技術(shù)也可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件一體化成形，從而提升產(chǎn)品的可靠性。

全球 3D 打印市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì) 2030 年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 853 億美元。受益于 3D 制造在高端制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型過(guò)程中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，隨著 3D 制造的工藝的逐漸成熟和成本的逐漸下降，3D 制造市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高速發(fā)展。根據(jù) Wohlers Associates 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021 年全球增材制造產(chǎn)值為 152.44 億美元，同比增長(zhǎng) 19.5%，十年復(fù)合增長(zhǎng)率為 23.5%。其中，2021 年增材制造設(shè)備銷(xiāo)售收入 31.74 億美元。根據(jù) Wohlers 預(yù)測(cè)，到 2025 年增材制造收入規(guī)模較 2020 年將增長(zhǎng) 2 倍，達(dá)到298 億美元（2021-2025 年 CAGR=18.2%），到 2030 年將增長(zhǎng) 5.6 倍，達(dá)到853 億美元（2025-2030 年 CAGR=23.4%）。全球工業(yè)級(jí)增材制造設(shè)備銷(xiāo)量從2012 年的 6 千余臺(tái)增長(zhǎng)至 2021 年的 2.6 萬(wàn)余臺(tái)，年復(fù)合增長(zhǎng)率 14.45%。從設(shè)備種類(lèi)來(lái)看，高分子 3D 打印設(shè)備由于具有成本優(yōu)勢(shì)目前仍占據(jù)主要份額，2021年金屬 3D 打印設(shè)備銷(xiāo)量為 2100 余臺(tái)，而高分子 3D 打印設(shè)備則達(dá)到 2.38 萬(wàn)臺(tái)。

中國(guó)工業(yè)增材制造設(shè)備全球第二大市場(chǎng)，研發(fā)持續(xù)投入。根據(jù) Wohlers Associates，截至 2021 年末中國(guó)工業(yè)增材制造設(shè)備安裝量市場(chǎng)占比 10.6%，僅次于美國(guó)。2017-2020 年，中國(guó) 3D 打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，2020 年中國(guó) 3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模為 208 億元，同比增長(zhǎng) 32.06%。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)，到 2025年我國(guó) 3D 打印市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò) 630 億元，2021-2025 年復(fù)合年均增速 20%以上。從專(zhuān)利授權(quán)數(shù)量看，2013 年起我過(guò) 3D 打印行業(yè)專(zhuān)利數(shù)量快速提升，2020 年專(zhuān)利授權(quán)量達(dá)到 12199 個(gè)。

歐美仍為 3D 打印主要市場(chǎng)，增材設(shè)備廠商 CR4 為 36.6%。截至 2021 年，美國(guó)仍為增材制造設(shè)備的最大市場(chǎng)，占當(dāng)年安裝量 33.1%。從增材制造設(shè)備廠商的市場(chǎng)份額來(lái)看，目前增材設(shè)備行業(yè)仍主要以歐美廠商為主，Stratasys 仍維持最高的市場(chǎng)份額，達(dá)到 12%；Stratasys、Formlabs、3D Systems 市場(chǎng)份額超 30%。

2 設(shè)備是核心競(jìng)爭(zhēng)力，激光器振鏡對(duì)外依賴

2.1 制造費(fèi)用占成本約 60%，原材料占比約 20%

增材制造（Additive Manufacturing）即 3D 打印，是指以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に?。不同于傳統(tǒng)制造業(yè)通過(guò)切削等機(jī)械加工方式對(duì)材料去除從而成形的“減”材制造，3D 打印通過(guò)對(duì)材料自下而上逐層疊加的方式，將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)二維平面，相較于傳統(tǒng)的切削加工等方式制造復(fù)雜度更低。此外，3D 打印基本不受零件形狀的限制，特別在制造內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的、傳統(tǒng)加工無(wú)法完成一體制造的產(chǎn)品方面，具備突出優(yōu)勢(shì)。增材制造的上游包括原材料、硬件及軟件。其中，3D 打印原材料可分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、有機(jī)高分子材料以及生物材料等幾類(lèi)，是影響 3D 打印產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素之一。

我們以鉑力特的金屬 3D 打印定制化產(chǎn)品為例，其生產(chǎn)成本中，制造費(fèi)用占成本約 60%，20%以上為原材料成本，剩下為直接人工。其中，制造費(fèi)用主要為生產(chǎn)設(shè)備的折舊費(fèi)用、非核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)的外協(xié)加工費(fèi)用及生產(chǎn)過(guò)程中使用的惰性氣體的費(fèi)用；直接材料主要包括金屬/非金屬粉末，電子電器元器件、激光器、鈑金件等。

2.2 設(shè)備性能決定 3D 打印企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力

3D 打印設(shè)備性能是 3D 打印企業(yè)的核心技術(shù)，其核心功能模塊包括工業(yè)軟件、控制系統(tǒng)，以及光學(xué)能量系統(tǒng)、機(jī)械及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、風(fēng)場(chǎng)系統(tǒng)等。全球金屬 3D 打印設(shè)備主要參與企業(yè)包括華曙高科、EOS、SLM Solutions、鉑力特，高分子 3D印設(shè)備主要參與者包括華曙高科、EOS、HP、3D Systems。關(guān)于設(shè)備核心關(guān)注指標(biāo)包括最大成形尺寸、振鏡最大掃描速度、光學(xué)定焦技術(shù)、運(yùn)控軟件能力等。