方正证券:金属3D打印行业深度研究

作者: 测试12 CNPIM 2020年02月01日

1、 3D 打印为传统制造业的补充,技术特点契合航空航天
1.1 3D 打印可成形定制化复杂结构,是传统制造业的重要补充
        3D 打印,又称增材制造(Additive Manufacturing,AM),是对 于传统工业生产的一种变革性方法。传统的减材制造工艺是指利 用已有的几何模型工件,用工具将材料逐步切削、打磨、雕刻,最终 成为所需的零件。而 3D 打印恰恰相反,通过借助于 3D 打印设备, 对数字三维模型进行分层处理,将金属粉末、热塑性材料、树脂等特 殊材料一层一层地不断堆积黏结,最终叠加形成一个三维整体。3D 打印是一种跨学科的交叉技术,涵盖机械、材料、计算机视觉、软件、 电子等多个学科,而其中核心的技术在于 3D 打印机的制造,对于材 料、软件、设计等也有特殊要求。




     与传统制造工艺相比,3D 打印具有可成形复杂结构、缩短产品 实现周期、产品强度高重量轻、材料利用率高等特点,但其成本也比 较高。3D 打印技术的特点具体如下:(1)可制造复杂几何结构的部 件,实现一体化生产,结构的复杂性不会带来额外的成本。设计师不 再受到传统制造工艺的约束,可以更自由地创造零件。(2)缩短新产 品研发和实现周期。传统工艺在研发新产品时,需要设计生产新模具, 建立装配流程,而 3D 打印无需模具,工艺流程短。(3)产品具有强 度高、重量轻的特点。3D 打印部件可以实现传统工艺难以加工的蜂窝点阵结构,在保证性能的前提下,大幅减轻重量。基于 3D 打印快 速凝固的工艺特点,可以实现良好的力学性能,从而保证强度有所提 高。(4)材料利用率大幅提高。由于材料是逐层叠加的,在生产过程 中几乎不会产生材料的浪费,材料利用率达到 90%以上。(5)设备成 本和材料成本较高。工业级 3D 打印设备价格昂贵,少则一两百万元, 多则上千万元。此外,由于工艺比较特殊,3D 打印对材料有特殊的 要求,普通材料需要经过调整。而材料的研发难度大,成本较高,在 一定程度上限制了 3D 打印的发展。




1.2 30 余年发展技术逐步完善,多材料、大型化、批量化为改进方向

经过 30 多年的发展,3D 打印技术不断完善,目前已形成了 3D 生物打印、有机材料打印、金属打印等多种打印模式,鉴于国内大型 3D 打印企业如铂力特等主营金属打印,本文重点论述该打印模式的特征。金属 3D 打印一般利用激光、电子束能量源熔化金属粉末,使 得金属粉末熔结,堆积形成一个整体结构。在整个工艺中金属粉末的 输入方式有两种,铺粉和送粉。根据不同送粉方式,金属 3D 打印工 艺原理分为定向能量沉积(也称为送粉)和粉末床选区熔化(也叫为 铺粉)。铺粉指把金属粉末铺到基板上,形成一个薄层,然后通过激 光熔化薄层上的特定区域进而熔结在一起。与铺粉相比,送粉未形成 薄层,通过粉末喷嘴直接把粉末输送到激光在基体上形成的熔池中, 熔结形成一个整体。主流的金属 3D 打印技术根据原理可以大致分为 激光选区熔化技术(SLM)、电子束熔化成形(EBM)、激光净成形技 术(LENS)电子束熔丝沉积技术(EBF)。

金属 3D 打印工艺中金属粉末质量是影响最终打印部件结构及性 能的关键因素之一,目前国内制粉水平接近国外但仍有差距。金属粉 末质量越好,粒径越小,其打印出的产品致密性、机械性能越好。 2013 年国外公司3D Systems制出的粉末粒径为6-9μm,国内钢研高纳2019 年生产粉末粒径为 10μm。铂力特公司建成的粉末生产线,可用于其 自制的 3D 打印设备,提高打印产品质量。根据铂力特招股书,其研 制粉末粒径最低为 20μm 左右,与国内外先进公司有一定差距。

对于金属 3D 打印(增材制造)而言,其特性决定了它的应用将 是传统制造工艺的重要补充而非完全替代,且体现在不同行业的不同 环节上应用均有所差异。据德勤咨询发布的《2019 科技、传媒和电 信 行 业 预 测 》与《Additive manufacturing methods – state of development, market prospects for industrial use and ICT-specific challenges in research and development》,与使用数控机床相比,增材 制造的每个零件成本更加高昂,且每个零件制造时间为数小时而非数 分钟(同样不包含精加工和各类后期加工时间)。相对于传统制造业 擅长的批量化、规模化生产领域,3D 打印效率较低、成本较高。此 外,3D 打印机目前功能比较单一,对于不同的材料,可能需要不同 型号、工艺的打印机,这就需要制造企业购置多台不同型号打印机, 增加了生产成本。尽管如此,某些零件只可能通过 3D 打印制作,如 上文所述的部件内几何蜂窝结构。另外,当零件量过低时,如原型制 作以及模具应用环节,传统制造方法和减材制造工艺不适用或者成本 过高、时间过长时,则也只可采用 3D 打印方法。基于 3D 打印 自身的特点,从环节上来看,3D 打印更偏向于设计端,更适用于部 分小批量、个性化、定制化高端产品的设计与生产,在铸模、铸件、 工具、模具和夹具上亦有更广泛的应用。



金属增材制造技术发展中有三个重要的因素,设备、材料和工艺, 目前在这三方面还有提高的空间。为了扩大 3D 打印技术的应用规模, 金属增材制造技术正在朝着低成本、大尺寸、多材料、高精度、高效 率方向发展。 (1)金属增材设备朝着大型化、专业化方向发展。随着 对打印大尺寸结构和特定领域的需求不断增加,金属 3D 打印设备朝 着大型化、专业化发展已经成为趋势。 (2)可打印原材料不断增加, 复合材料打印开始出现。目前应用于金属 3D 打印的原材料种类偏少、 材料质量不高,随着增材制造在工业领域的不断渗透,市场对于金属3D 打印可实现多材料混合打印的需求也逐步上升。此外,多种复合 材料同时打印开始出现,可结合不同材料的优点。 (3)开发新的金属 增材制造技术。传统的金属增材制造技术存在高成本、效率低等问题, 其中效率低也是限制增材制造在许多领域替代传统减材制造的关键 因素之一。预计随着未来该技术的逐渐成熟,如激光功率的提高、打 印路径的优化等,增材制造生产速率或有所改进。

1.3 增材制造可打印复杂件,减重、周期短的特点契合航空航天需求

金属增材制造工艺能够契合航天航空产业的苛刻条件。例如,飞 行器要求高速、续航时间长、安全高效低成本等条件,对结构设计、 材料和制造提出了更高要求。对于增材制造这一改进工艺流程,其较 多技术优势能够很好的契合航空航天的多项要求。例如,结合上文, (1)增材制造可实现传统减材工艺无法实现的复杂几何结构件,实 现传统工艺无法加工的蜂窝点阵结构,能够在保证性能的前提下大幅 减轻部件质量,达到提升航空航天装备机动性、速度及节省高昂的航 空燃油费的目的;(2)同时 3D 打印技术能够缩短高性能部件的制造 流程,无需研发制造部件使用的模具,大大缩短了研发周期,降低时 间成本,利于加快项目进程;(3)因航空航天装备服役环境恶劣,尤 以航空发动机为典型,使用环境为高温、高压,传统材料难以承受, 适配于此类环境的材料的研制难度大、价格高昂。增材制造工艺可大幅提高材料利用率的特点可较好契合这特征,可节省装备研制经费。

3D 打印技术在航天航空领域也存在一定的缺陷,还需要技术稳 定性验证积累。增材制造技术由于本身各向异性的特点决定了机械性 能,在不同方向的波动相对较大。例如,据《激光增材制造在航空航 天领域中的应用》一文,由于内应力问题和内部质量难控多变等因素, 控制增材制造成形零件的变形开裂是一个永恒的问题。此外,在增材 制造技术制造的零件机械性能稳定性达到航空航天部门的要求之前, 还需要做进一步的工作。随着技术的改进和科技水平的提高,3D 打 印有望在航空航天领域或有更大的作为。

2、 商业模式:具有范围经济优势,掌握设备制造居产业主导

2.1 3D 打印产品偏小批量居多、定制化直销,范围经济或降成本

3D 打印产业链覆盖多种服务与应用领域,打印设备厂商占产业 链主导地位。3D 打印行业上游包括原材料、核心硬件及建模工具(软 件)。中游涵盖各类打印技术,以打印设备生产厂商为主,由于设备 的匹配性要求,此类厂商往往同时涉及上游。3D 打印的下游除了跟 踪服务平台,3D 打印出的产品应用领域广泛,以航空航天、汽车工 业等领域为主,在生物、食品及建筑领域也有特殊应用。由于 3D 打 印的成本较高,真正掌握打印生产能力或设备制造能力的中游厂商在 行业中占主导地位。在国际竞争中领先的 3D Systems、GE 增材、SLM Solutions Group 等,以及国内主要厂商铂力特、鑫精合、先临三维等 均具备 3D 打印设备制造的相关业务。




基于增材制造工艺特性下目前多为定制化生产,需较早介入甚至 参与客户产品设计,这决定了其定制化产品多为直接销售。以铂力特 为例,其下游主要是航天航空领域客户。增材制造对微观组织结构的 控制能力,能较好满足功能集成性零件、拓扑优化异性零件等需求。 而为了更好地完成产品定制化需求,相关公司会进行定制化原材料选 择、定制化生产以及设计定制化工艺等。但 3D 打印产品的定制化直 销,有时或导致公司销售额易受下游大客户需求波动所影响。例如, 铂力特在 2016-2018 年航空航天领域客户收入占主营业务收入分别为 62.35%、54.32%、62.21%,前五大客户也主要集中该领域。

增材制造对原材料利用率明显高于减材制造,但设备成本高,目 前多为小批量生产。相较于传统建材制造中材料去除、切削、组装等 流程,增材制造按分层制造、逐层叠加的工艺顺序,减免了打磨、拼 接等过程中材料的浪费,据铂力特招股书,金属 3D 打印技术材料利 用率可高达 95%。尽管根据美国国家标准与技术研究院(NIST),增 材制造总体成本与传统制造业相比并不存在明显劣势,但增材制造初 始精密设备成本占总成本 45%-74%。根据国际成本估算和分析协会 (International Cost Estimation and Analysis Association)于 2015 年发 布的研究,按重量计算,增材制造材料的成本比传统制造材料高 8 倍, 设备、材料成本降低依托技术且周期长,边际成本随销量增加几乎不变,难从规模经济受益,导致目前 3D 打印产品主要是小批量模式。

依托增材制造缩短产品研发周期、降低产品生命周期成本,中短 期降成本或依靠范围经济而不是规模经济。相对于规模经济,3D 打印 行业依托专一核心技术,可以覆盖多种完全不同的产品领域,且只要 产品设计合理,几乎不存在设备上的转换成本,可以通过打印模型有 效缩短研发周期、产品上市时间,帮助制造企业迅速争取或维持市场 份额。例如,据《Analyzing Product Lifecycle Costs for a Better Understanding of Cost Drivers in Additive Manufacturing》, 数字齿帽 (invisalign)从模拟全球牙科生产到数字本地生产的转换节省了 85%的物流步骤,将生产以及生产活动的能耗降低了 80%。



批量生产并不能进一步降低边际成本,这限制了 3D 打印产品大 批量制造形成规模效应。为更好的分析 AM 制造过程中的成本变化情 况,《Analyzing Product Lifecycle Costs for a Better Understanding of Cost Drivers in Additive Manufacturing》一文中采用 Augsburg 的一个 汽车部件样本生产案例进行分析,对机器利用率、折旧、投资、维护 费用、构建速率、材料价格等关键因素进行限定,证实机器成本占比 高达 70%以上。后续论证发现,增加生产数量后,单位成本出现断崖 式下降后基本不再受数量增加影响,这是由于建造室利用率对扩大产 能不再敏感,而单位产品所需材料固定,即批量生产并不能进一步降 低边际成本,这限制了 3D 打印产品大批量制造形成规模效应。而在 之后的论证中发现,改变构建速率、材料成本对成本结构影响较大,而改变利用率、机器投资对成本结构影响较小,这说明 3D 打印成本 降低主要环节集中在设备、材料技术升级。



2.2 增材设备直销的客户依赖性低于产品,代理经销多用于培育市场

基于前文论述,主要厂商多进行设备销售,但由于设备定制化程 度比产品低,且应用领域较广,下游客户对其依赖程度较低。与铂力 特所含的定制化产品制造业务不同,先临三维主要 3D 打印业务涵盖 3D 打印设备及材料、3D 打印服务,其在 2016-2018 年前五大直销客 户变化较大,且营收占比只有 10%-30%,对下游客户的依赖程度明显 低于铂力特对航空航天客户的依赖。

设备的定制化程度低的同时,易使公司可通过代理经销模式培育 及拓宽市场,代理商及供应商对渠道依赖程度高于直销。对于国际巨 头如 EOS 等,以及主要集中于打印设备制造的厂商如先临三维等,3D 打印设备及技术的推广需要依靠经销商,设备经销是拓宽国际市场的 重要渠道。而对于铂力特等提供全套服务的厂商,尽管代理业务毛利 低于直销,但代理国际知名厂商 EOS 业务有助于其绑定部分重要客 户,即通过介绍客户使用代理产品拓展客户群,后推进自产设备进行 低成本替代,进而促进长期合作。就渠道依赖程度而言,由于供应商 需要对经销商进行设备配套服务的专业培训,经销代理渠道较直销依 赖程度略高,如先临三维与 UFP Deutschland GmbH、南京威布三维科 技乐盈彩票注册等存在两年或以上的合作关系,公司海外经销客户促进了 海外业务拓展;铂力特主要代理德国 EOS 的几种设备,代理销售设备 及配件营收占比在 2016-2018 年分别达 29.08%、36.51%、27.64%。

3、 竞争格局:美欧发达国家主导,工业级竞争格局良好

3.1 全球竞争格局:美、欧发达国家主导,亚洲国家正后起直追

全球 3D 打印市场主要集中在北美、欧洲和亚太三个地区,行业 内部设备厂商之间竞争激烈。据 Wohlers Associates 发布的报告,如今 美、欧、亚三个地区的 3D 打印设备累计装机量占到了全球的 95%, 其中北美占据四成,欧洲和亚太地区各占近三成,美国、中国、日本 和德国装机量位列前四。3D 打印内部竞争集中于设备厂商之间,2017年从市场份额看,Stratasys 的市场份额为 27.2%,虽不及 16 年,但仍 连续 16 年占据市占率榜首,累计装机量超过五万台。2017 年 3D systems 的市场份额为 9.8%,位列全球第二。

金属 3D 打印新老企业并存,老牌龙头地位稳固,小型企业发展 迅速,中低端市场竞争激烈。3D 打印材料可分为金属和非金属两大 分类,不同材料需要不同的打印原理和设备。美国企业以非金属材料 为主,欧洲企业更偏向于金属材料领域。EOS、SLM solution、3D Systems、Concept Laser/ Arcam(GE 收购)等老牌金属 3D 打印巨头 在早期引领了产业的发展,凭借技术优势和企业的深厚底蕴,已经拥 有较高的市场份额和客户认知度,并且老牌龙头企业大多与客户高度 绑定,地位相对稳固,2017 年 Stratasys 的市场份额为 27.2%,市占率 连续 16 年居全球第一。Desktop l、Digital Alloys 等新创企业大多 成立于 2010 年以后,相关专利到期后技术壁垒降低,新创企业通过 不断改进工艺技术、创新业务模式、提升成本控制,部分企业发展迅 速。但是由于老牌企业通过长期市场开拓维持着较高的客户稳定性, 而且金属 3D 打印领域对技术和资金的要求很高,大多数小规模 3D 打印企业处于亏损状态,加之在政府激励政策下涌现了大批企业。据 前瞻产业研究院数据统计,2016 年中国 3D 打印市场 66.7%的企业营 收规模不到 500 万,整体中低端市场竞争尤为激烈。

金属 3D 打印总体技术路线趋于稳定,不同企业技术路线相似, 新型技术应用空间有限,较难形成竞争优势。金属 3D 打印经过多年 发展,总体技术路线已基本定型,大多数企业选择使用粉末床选区熔 化(铺粉)和定向能量沉积(送粉)两大技术,这两种技术占据 了全球 72%企业的技术路线(据 Wohlers2018 年统计)。但是在具体实 现工艺上仍有较多分支路线。根据 DigitalAlloys 的统计,在两大总体 技术路线中,激光烧结是主要的工艺实现方式,采用该技术的企业数 量占比过半,产值更是占据主导地位。但新的工艺实现方式依然不断 涌现,不过中短期内市场拓展难度较大,主要为一些面向特定市场的 新型企业等。

3.2 国内:铂力特、鑫精合等企业着力培育市场以加大增材制造渗透

国内龙头产品的关键技术指标能够达到国外巨头同类产品水平, 产品整体性能相当。由于 3D 打印设备关键零部件仍然依赖进口(如 激光器、振镜等),国内企业技术研发主要集中于基于进口零部件之 上的设备制造与软件优化,因此短期内产品性能可迅速赶上国际领先 水准。国内企业拥有金属 3D 打印工程化应用的丰富经验,针对下游 客户使用过程中的难点和痛点,进行相关技术的优化和改进,产品性 能得到了提升,部分产品指标如成形尺寸、预热温度、氧含量控制以 及铺粉效率等方面甚至超过了国外老牌企业。相较于国外公司近 30 年的发展历史,国内增材制造设备起步较晚,虽然在短时间内取得较 快进步,但在设备运行的稳定性、产品质量等方面需要进一步提升。

国内金属 3D 打印企业主要客户集中于航空航天高端装备领域, 盈利能力和稳定性较高,有利于营收规模的稳步增长。海外金属 3D 打印龙头 3D Systems 主要客户领域较为分散,汽车、航天、医药、材 料以及各类消费级市场皆有所涉猎,尽管 2018 年毛利率为 47.17%, 但期间费用率高达约 53.45%,其中销售及一般行政费用率较高,一定 程度上反映消费级及工业级市场的竞争较大且推广应用的难度。国内 企业在品牌效应、渠道、技术等方面有所劣势的情形下,多个领域多 管齐下难度较大且难以稳定快速发展。航空航天领域客户粘性较大, 销售费用率相对较低,盈利能力的绝对值以及稳定性往往能够得到可 靠保证,因此大多数国内优质企业主要依托于航空航天领域发展并逐 渐拓宽市场。铂力特在航空航天领域的主要客户比例高达 68.94%,为 盈利质量和成长稳定性提供了重要保障。

国内企业发展时间较短,整体营收规模和市占率水平较低。国内优质企业领衔开展市场培育与国产替代进程,由代理逐步走向自产, 基于成本和需求端的一定优势,发展前景良好。多数国内 3D 打印企 业于 2010 年后进入高速发展期,目前整体市占率依然较低。随着自 有技术和产品的不断进步,国内龙头企业成长较快,已具备一定的市 场规模。据 3D 科学谷统计,目前中国市场份额前八的企业中,国外 品牌占 37.6%,国内联泰(树脂)、华曙(尼龙及金属)、铂力特(金属)分 别占 16.4%、6.6%和 4.9%。但相比海外老牌企业,国内企业的整体营 收规模相对较小,仍有较大的成长空间。由于国内产品相比国外同类 产品价格较低,而整体毛利水平较为一致,都接近 50%,反映出在成 本端具有一定优势。例如铂力特主推 3D 打印设备 S300 平均单价 255.16 万,同类产品 EOS-M290 平均单价 354.63 万,在产品性能相当 的前提下,国内产品具有一定价格竞争优势。目前国内企业如铂力特 等,正逐步开展市场培育与国产替代进程。以国内金属 3D 打印领先 企业铂力特为例,其商业模式包括以销售代理 EOS 设备产品为先获取 稳定客户群体,之后向客户推荐性能相当但价格更低的自产产品进行 国产替代,由此从代理逐步走向自产。近年来铂力特自产比重逐步提 高,在航空航天领域逐步加大使用。

4 、金属增材制造市场规模稳步上升,航空航天或为主要增量

4.1 全球增材制造市场规模稳步增长,航空航天及汽车应用提升

全球增材制造市场规模持续上升,下游应用领域多元。据 Wohlers Associates 数据,2018 年全球增材制造市场规模达到 96.8 亿美元,同 比增长 32%,参考其 2015 年的预测,2020 年市场规模或达到 212 亿 美元。2017 年增材制造五大应用领域分别为航空航天、汽车、工业机 械、消费电子和医疗,合计占比接近 80%。3D 打印在航空航天和汽 车领域应用规模稳步提升。2017 年度,3D 打印在航空航天和汽车领 域应用规模占比分别 18.9%和 16%,市场规模为 13.87 亿美元和 11.74 亿美元,相较 2015 年分别提升了 2.3%和 2.2%。此外,增材制造在消 费电子、医疗器械等方向也有一定拓展。



3D 打印技术满足航空航天零部件制造和研发的主要目标,增长 潜力较大。3D 打印在航空航天领域主要应用于飞机、飞船等精密零 部件的设计与制造等方向。它能够缩短设计和测试航空发动机的时 间,减轻零部件重量,提高燃料效率等。与其他应用领域相比,航空 航天领域注重安全与性能,价格敏感度较低,使得 3D 打印在该领域 率先发展。据 EY2016 年发布的《If 3D printing has changed the industries of tomorrow, how can your organization get ready today?》, EY称航空航天当前为 3D 打印渗透率最高的应用,且未来最有可能 成为规模较大的市场。3D 打印性能的提升与成本的降低使其应用规模逐渐扩大。从 1993 到 2012 年 3D 打印市场一直发展低迷,由于性能不高,应用领 域狭窄。2012 年之后,3D 打印快速发展,得益于新的打印机、耗材 和商业模式的推出,不断提升 3D 打印机性能以及探索应用边界。行 业巨头加快收购,扩张全球化销售网络,亚太市场从无到有,欧洲经 济回暖等多重因素促使近年来 3D 打印行业获得快速发展。欧美市场 占比较大,中国市场有增长潜力。据 Wohlers Associates 预测,2019 年-2024 年全球 3D 打印行业将保持年均 24%的复合增速。统计数据显 示,2017 年中国 3D 打印市场规模为 17.5 亿元,同比增长 47.4%,高 于平均水平。从 2018 年地区增材制造设备装机量分布格局看,据铂 力特招股说明书,北美、亚太、欧洲为全球最主要市场,其中分国家 看中国装机量占比达 10.6%位于全球第二,略高于日本的 9.3%,但较 大幅低于美国的 35.9%。中国地区 3D 打印市场是价值洼地,目前国 内产业化不足,高端金属材料紧缺。但随着政策扶持、技术瓶颈攻克 和企业间合作加深,中国市场 3D 打印将取得快速发展。工信部等部 门印发的《增材制造产业发展行动计划(2017-2020 年)》明确提出, 我国增材制造年销售收入超过 200 亿元,年增速在 30%以上。



4.2 以 SLM 技术为代表的金属增材制造正逐步加大在航空航天应用

金属增材制造 SLM、EBM、LENS 技术正逐步加大在航空航天 领域的应用。应用到航空航天制造领域的金属增材制造技术,按工艺 类型主要可分为: 激光选区熔化(SLM),电子束选区熔化(EBM),激光 近净成形(LENS)等,这三项技术在航空航天制造中都有很多应用。其 中,SLM 技术是近年快速发展的新型金属增材制造技术,在整体化 航空航天复杂零件等领域具有广泛应用前景。目前,欧美发达国家尤 其是美国在 SLM 的设备研发、软件开发、粉末原材料制备、工艺优 化及质量监测等方面处于领先地位。此外,3D 打印市场近几年最大 的转变是市场从塑料打印转向金属打印。据德勤《2019 科技、传媒和 电信行业预测》报告,2017 至 2018 年间,一项 3D 打印行业调查显 示,尽管塑料仍然是最常见的物料,但塑料打印在 3D 打印领域的占 比仅一年已从 88%下滑至 65%,而金属打印的占比从 28%增至 36%, 按该比率计算,金属似乎有可能取代塑料,且最快于 2020 或 2021 年 占据过半 3D 打印市场。

航空航天领域正逐步加大对增材制造的应用,以 GE 布局及收购 进程尤为典型。GE 公司从 2010 年开始布局增材制造技术,通过不断 并购实现从增材制造的用户方到服务提供方的转变。如上文所述,金 属增材制造的工艺特点使其可打印内部结构轻量化的复杂部组件,减 重特性下亦吸引国际航空巨头 GE 公司进入该市场。据铂力特招股书, 以燃油喷嘴为例,采用 3D 打印技术比传统生产将零部件数量从 20 个 降为 3 个,重量减少 25%,使用寿命延长到 5 倍,燃油效率也大大提 升。GE 于 2015 年 4 月获得了其首个增材制造零件的联邦航空管理局 (FAA)认证,其喷气发动机 LEAP-1C 被誉为革命性推进系统。 2016 年,GE 公司成功收购瑞典 Arcam 公司和德国 Concept Laser 公司,成为金属增材制造领域的巨头,在航空发动机领域实现了增材制 造零部件的规模化应用。据 GE2016 年年报,这两次收购使得 GE 在 增材制造设备市场占据了 20%的份额,我们相信增材制造的长期市 场潜力是巨大的,大约有 750 亿美元,我们计划到 2020 年在附加设 备和服务方面,从现在 3 亿美元发展到 10 亿美元收入…在未来十年, 增材制造可以使通用电气的产品成本减少 30 亿至 50 亿美元,并创造 新的性能…我们Advanced Turboprop是第一个充分利用增材工具的航 空产品,减少了 30%的零件并将其‘cycle time’缩短 50%。据 GE2018 年年报,GE 已经为 CFM LEAP 发动机(也是我国 C919 飞机选用的 发动机)使用增材制造技术生产了超过 30000 个燃料喷嘴头,仅在 2018 年一年中就交付了 1100 多个,未来 3D 打印技术还将在 GE9X、 Catalyst 涡轮螺旋桨发动机和 T901 等型号上实现更大规模的应用。

3D 打印技术在民用航空领域同样备受关注。波音、空客、GE 将 其作为战略性技术之一进行攻克,并已开展布局建设。我国 3D 打印 技术虽然起步较晚,但也取得了辉煌的成就。中国商飞设计制造的国 产大飞机 C919 在设计过程中也大量采用了 3D 打印技术制造的钛合 金技术部件。3D 打印在民用航空航天市场的应用不仅体现在制造领 域,也体现在机务维修方面。3D 打印发动机零部件的出现解决了发 动机维修所需备件的采购难题。利用 3D 打印技术可以方便快捷地制 造出所需的零备件,解决了航空发动机维修企业采用传统方法短时间 内无法满足设备、工艺等基础条件的难题,大大缩短了维修周期。在 机务维修领域,会接触到很多外形结构复杂的异形零件,在高空的极 端环境下,可能发生结构的形变,这时候可以利用 3D 打印制造出同 样零件进行对比、测量判定磨损或者腐蚀情况,从而确定该零部件是 否需要更换。

4.3 汽车及医疗领域也是主要方向,短期受成本及规模限制拓展有限

汽车、医疗等领域的3D打印技术也正在应用。汽车工业是 3D 打 印技术最早的应用领域之一,其在模型设计、复杂零件制造、整车模 型制作等方面相比传统工艺具有高精度、低成本、重量轻的特点,可 满足汽车零部件定制化需求。而医疗行业一直是 3D 打印技术主流应 用领域,3D 打印技术可应用于齿科、骨科甚至活体器官制作。在模 具行业,3D 打印可替代 CNC 加工技术,具有周期短、成本低的优势。 3D 打印开辟了多元化应用,但由于 3D 打印技术目前受体积、成本、 规模化限制,目前拓展有限。随着技术进步,3D 打印机大型化、打 印速度加快,3D 打印未来有一定的增长空间。

细致看,增材制造有望在长期成为汽车领域内重要的工艺补充。汽车行业使用增材制造工艺,可有效减轻重量,改善汽车的性能并提 高燃油经济性。此外,增材制造可以通过直接制造用于注模的工具来 提高制造效率,还可通过将内部冷却通道应用于注塑方法,可以缩短 生产周期,提高工具质量并降低维护成本。此外,汽车原始设备制造 商使用该技术来经济高效地快速生产制造辅助设备,夹具和固定装 置。据 Frost & Sullivan's Global 360° Research Team 2016 年 5 月发布的 《Global Additive Manufacturing Market, Forecast to 2025》, Toyota Central R&D Labs Inc.和Materialize开发了3D打印的汽车座椅设计以 及生产过程。仿生结构和较软的芯材(不包括传统座椅中使用的泡沫) 更轻巧,更舒适。此外,由于坐在阳光下的表面材料吸收的能量不到 一半,因此改善了加热功能。

此外,长期看,医疗领域有望也是长期内增材制造主要应用市场 之一。据《Global Additive Manufacturing Market, Forecast to 2025》, 美国助听器生产在不到 500 天的时间内就转换为 100% 3D 打印。这 种转变的关键是 3D 打印机使人工劳动密集型行业转变为自动化行 业。降低成本,提高质量并以患者为中心,其他子行业也在研究增材 制造技术。该技术通过提供义肢和牙科的定制功能,以及通过生物打 印(科学家可以在其中打印人类大小的骨骼,软骨和肌肉)实现了以 患者为中心的方法,医疗植入体领域的定制化特征使其更适合用增材 制造技术。

5、 海外复盘:全行业覆盖的双刃剑,聚焦专业领域以求突破

5.1 3D 系统:短期并购推动营收,盈利能力受限于多领域渗透不足

多年布局下,3D 系统已实现多领域 3D 打印应用全流程覆盖。3D 系统公司(股票代码:DDD.N)于 1993 年成立于美国特拉华州,向 全球客户提供全面的 3D 打印解决方案,包括塑料和金属 3D 打印机、 材料、数字设计工具、定制服务等。公司的 3D 打印机类型多样,包 括立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属打印机(DMP)、 多点喷射打印机(MJP)和彩色喷射打印机(CJP),满足医疗保健、 航空航天、汽车和耐用品等应用场景的不同需求。公司的打印机大多 使用自主开发且销售的专有材料,包括塑料、尼龙、金属、聚合物牙 科材料等,同时通过第三方的研发和购买补充材料组合。为了实现价 值链全流程覆盖,公司还提供设计工具、扫描仪、模拟器等产品和维 修培训服务。多环节覆盖下,公司营业收入位于同业前列。在全球主 要上市 3D 打印公司中(AM3D.DF、VJET.N、DDD.N、SSYS.O、688333.SH), 2018 年以美元结算下,公司营收位居第一达 6.88 亿美 元。截至 2019 年 11 月 22 日交易日,3D 系统市值位于上述可比公司 第一,达 10.36 亿美元。

公司下游应用广泛易受宏观因素影响,阶段性营收增长的主要推 力为并购扩张。自 1990 年以来,公司营收规模持续增长,但增长率 波动较大。一方面,公司消费级品类多样,营收增速受宏观经济影响, 如 2008-2009 年全球经济衰退造成公司营收下降 28%,2010 年经济复 苏拉动营收增长率超过 40%。另一方面,增长率受公司自身因素影响, 如 1994 年公司推出新的产品和服务使得营收增长率从 19%跃升至 39%,2006 年销售渠道受阻导致营业收入转增为减。总体来看,公司 2010-2014 年销售额增加的绝对值最为明显,但主要来源于企业并购, 自身原有的经营业绩增长较为平缓。不完全统计,2009 年至 2014 年 初,公司累计发生 40 余次并购交易,累计贡献超过 40%的营收。

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5.2 3D 打印渗透低限制前期营收规模扩大,先发专利奠定发展基础

5.3 大举并购忽视行业需求埋隐患,部分专利到期竞争加剧恶化盈利

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6、 投资建议

推荐关注国内航空航天金属增材制造领域领先企业铂力特等。 

(1)金属增材制造空间广阔,航空航天领域业绩持续稳定性强。历 史看,海外同业公司曾经历市值戴维斯双杀,系家庭及消费级桌面级 打印机预期可实现高速增长的泡沫破裂。但主营专用金属增材制 造设备的德国 SLM 在此阶段市值平稳,工业级增材制造需求相对稳 定。同时,增材制造技术特点及研制契合航空航天市场需求,国际航 空制造巨头 GE 公司在 2016 年并购两家主营金属增材制造设备企业、 截至 2018 年 GE 年报公布日已实现三万余只 C919 选用发动机型号的 燃油喷嘴头的量产,表明中短期看航空航天市场有望成为增材制造最 先大规模应用的领域之一。 

(2)客户优势稳定性突出,高端装备放量 有望催化业绩较快增长。航空航天领域装备需求的稳定性优于民航, 研制批产周期较长且供应商更换难度更大,具有显著高于海外同业的 抗周期性特征。良好赛道上的铂力特等企业,凭借与航空航天高端客 户的较稳定合作,未来业绩稳定性及增长的持续性较高。

(3)海内外 技术差距小,高端装备领域先发及卡位优势突出。以铂力特为例,其 目前覆盖行业三种商业模式,具备粉末自制、设备自研、服务定制的 全产业链布局优势。该公司是国内铺粉路线领先企业,并已拓展 至送粉路线,因与德国金属增材制造设备老牌企业 EOS 技术差距 较小,公司自研铺粉设备已逐步或客户认可并已实现德国出口。尤其 是对于高端装备客户,采用新技术所制造的产品若进入批产且性能突 出,公司有望继续参与后续其他部件的替换及新装备研制。且若在后 期实现自制金属打印粉末的规模应用及量产,客户粘性更大,先发地 位及卡位优势突出,并有望拓展至其他工业领域。

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