3D打印材料、设备及软件梳理

3D 打印材料主要分为金属材料、有机高分子材料、无机非金属材料三大类。

1.3D 打印材料

金属粉末：金属粉末在工业领域应用较多，市场空间广阔。金属粉末有钛合金、高温合 金、镍铬合金、铜铝合金等，可以生产形状复杂，个性化的零部件，并且可以显著缩短工 件的生产周期，提高材料的利用率，产品附加值高，增长潜力大，所以被广泛应用于航 空航天，医疗器械等场景。

有机材料：种类多，用量大，高端应用场景有待开发。3D 打印用有机材料主要包括光敏 树脂和热塑性塑料，其具有价格低廉、易于加工的特点，是 3D 打印相对比较成熟的材 料，目前广泛应用于文创用品，模型手板加工等领域。

无机非金属材料：3D 打印工艺中常用的有砂型材料和陶瓷材料。由于国内粘结剂喷射和 陶瓷光固化等工艺起步较晚，因此大多数的砂型材料和部分陶瓷材料的研究主要围绕工 艺性验证开展。现阶段，对应工艺的大多数材料还处于攻关状态，而 SiC 陶瓷以及磷酸 三钙陶瓷等材料的研究已进入复合强化阶段。

2021 年全球 3D 打印材料产业规模达到 25.98 亿美元。根据 Wohlers Associates，2012-2021 年，全球 3D 打印专用原材料销售金额从 4.17 亿美元增长至 25.98 亿美元，复合增长率 为 22.54%。2021 年，金属 3D 打印原材料销售金额达到 4.74 亿美元，同比增长 23.5%， 金属 3D 打印专用材料的研发日趋活跃。

2.核心零部件：3D 打印设备的重要器件。

激光器：激光 3D 打印的能量源

激光器是产生激光的核心部件，输出的激光功率大小、稳定性、光束质量等直接影响下 游加工设备的品质，整个产业链也是围绕激光器的生产及应用展开的。激光器是激光的 发生装置，主要由泵浦源、增益介质、谐振腔等组成。泵浦源为激光器的激发源，增益 介质指可将光放大的工作物质，谐振腔为泵浦光源与增益介质之间的回路。在工作状态 下增益介质通过吸收泵浦源提供的能量，经谐振腔振荡选模输出激光。

激光器可按照增益介质、输出波长、运转方式、泵浦方式、输出功率、调制技术分类： （1）按增益介质分类：可分为固体、气体、液体激光器等。（2）按输出波长分类：可分 为红外、紫外、深紫外激光器等。（3）按运转方式分类：主要可以分为连续激光器和脉 冲激光器，连续激光器可在较长一段时间内连续输出激光，脉冲激光器根据脉宽可分为 长脉冲（毫秒、微秒）、短脉冲（纳秒）、超短脉冲（皮秒、飞秒）激光器。（4）按泵浦 方式分类：主要可以分为光泵浦、电泵浦、化学泵浦激光器等。（5）按输出功率分类： 主要可以分为大（3-6KW）、中（1-3KW）、小（0-1KW）功率激光器等。（6）按调制技术 分类：主要可以分为调 Q 技术、缩膜技术、主震荡功率放大技术（MOPA）等。

产业链下游主要应用激光的三大特征：激光能量、激光信息、激光显示。其中激光焊接、 激光切割、激光打标等应用激光能量特征，激光 3D 打印主要应用这一特征；激光测量、 激光雷达等应用激光信息特征；激光投影、激光电视等应用激光显示特征。 2021 年全球激光器市场规模超 180 亿美元。激光器是激光加工装备的核心部件，激光器 技术水平成为影响激光加工装备的技术水平的关键因素。根据《2022 中国激光产业发展 报告》，全球激光器市场规模从 2017 年的 130.7 亿美元增长至 2021 年的 184.8 亿美元， CAGR 为 9.05%。

3D 打印采用的激光器种类包括紫外激光器、光纤激光器以及 CO2 激光器等，其中光纤 激光器应用最广泛。CO2 激光器的本身输出波长很长，金属材料的吸收率较低，因此早期金属打印用的 CO2 激光器功率动辄几千瓦，体积也较大。SLA 3D 打印机采用紫外激 光器进行固化，激光器所发射的激光束照射下快速固化形成所需要的产品。光纤激光器 拥有结构简单、转换效率高、光束质量好、维护成本低、散热性能好等优点，使得近年来 其在工业激光器市场中占比逐渐提升。

国内光纤激光器竞争比较激烈，中低功率激光器基本已实现国产替代。根据凯普林招股 说明书，在国内市场从功率角度来看，中低功率激光器已基本实现国产替代，近些年竞 争也较为激烈，而高功率激光器国产化相对不高，叠加客户对激光器品质提出更高要求， 因而对价格敏感性相对更低。

扫描振镜：3D 打印设备的核心元器件之一

扫描振镜主要由反射镜片、驱动电机、聚焦系统以及控制系统组成。激光束被扩束以后， 需要在工作面上将其聚焦成细小的高能量光斑，并以一定的轨迹和速度均匀移动，使一 定平面图形的粉末熔化，完成二维加工过程，这个过程通过扫描振镜来实现。

我国扫描振镜市场规模较小，高端振镜依赖进口，高精密、定制化成未来发展方向。据 华经产业研究院统计，2014-2022 年，我国振镜生产企业数量由 10 家以内增长至超过 20 家。其中，头部厂商包括大族激光、世纪桑尼、金海创、智博泰克等企业，但产品主要集 中在中低端，高端市场由美国 CTI、德国 Scanlab 和 Raylase 等国外企业占据。在高精度 标刻、划线、钻孔领域，国产振镜与国外厂商仍有较大差距。未来国产振镜企业将有望 逐步增强高精密、定制化振镜生产能力，提升高端市场占比，进一步增强盈利能力。

高端振镜控制系统依然由国外厂商主导。激光加工控制系统按照主流技术路线可划分为 激光振镜控制系统及伺服控制系统等。伺服电机控制主要应用于大幅面金属切割，强调 切割厚度及速度，重点应用于金属板材或管材切割领域。激光振镜控制系统适用精密加 工处理、小幅面加工领域，围绕高速、高精特点发展，已覆盖激光标刻、激光打孔、激光 切割和激光焊接等激光加工应用场景；目前，在中低端控制系统领域已经基本实现国产 化；在高端应用领域，目前主要由德国 Scaps、德国 Scanlab 等国际厂商主导。

3D 扫描仪：3D 打印应用的重要辅助设备之一

3D 扫描可以利用物体的三维数据建立三维建模程序，进而得到三维物体。高精度三维扫 描与 3D 打印并不是相互独立、界限清晰的技术门类，两种技术的相互融合也正在加速， 助力 3D 打印实现良好的终端应用。比如高精度三维扫描在激光熔覆中的作用有：一是， 为修复提供数据支持，通过高精度三维扫描仪获取缺损特征的三维数据，进行逆向设计， 规划修复方案，修复路径及工艺参数等；二是，进行全尺寸检测，激光熔覆后，通过非接 触式三维扫描快速获得合格性检测结果。

我国 3D 扫描仪市场蓬勃发展，市场需求稳定增长。根据共研网数据，我国 3D 扫描仪需 求量明显大于产量，需求缺口主要来源于进口，庞大的市场需求，促使我国 3D 扫描仪市 场规模不断扩大；2016-2021 年，我国 3D 扫描仪市场规模从 2.51 亿元增长至 8.39 亿元， 复合增长率为 27.29%，预计 2022 年我国市场规模达 9.81 亿元。

3.软件系统：3D 打印设备核心中枢

3D 打印相关软件包括模型设计软件、数据处理软件以及设备控制软件。3D 打印技术的 生产过程为：首先，通过 Pro/E、SolidWorks 等模型设计软件，三维建模生成具有一定尺 寸、形状的三维模型，完成后将此三维模型保存为能被切片软件所识别的文件类型；然 后，利用切片软件对模型作进一步调整，调整完成后用切片软件进行切片，此过程将三 维立体模型转化为极多个二维平面模型；最后，再对每个二维模型进行分析并进行打印 头的运动路径规划，打印头完成的这些路径将铺成一个完整的二维平面。目前，行业内 大部分 3D 打印设备厂商的工业软件系统系需向第三方采购，软件性能提升依赖并受制 于软件服务商，限制了设备性能和材料性能的应用，难以快速响应客户软件方面的需求。 因此，拥有完全自主知识产权 3D 打印设备工业软件系统将有助于设备制造企业提升行 业竞争力。