金属3D打印原理、产业链、应用及市场规模如何？

行业规模高速增长，下游需求持续升级。

1.颠覆传统制造技术，解决设计生产难题

增材制造又称“3D 打印”，是制造业有代表性的颠覆性技术，集合了信息网络技术、先进 材料技术与数字制造技术，是先进制造业的重要组成部分。增材制造是基于三维模型数据， 采用与传统减材制造技术（对原材料去除、切削、组装的加工模式）完全相反的逐层叠加 材料的方式，直接制造与相应数字模型完全一致的三维物理实体模型的制造方法，其原理 是将复杂的三维几何体剖分为二维的截面形状来叠层制造。作为传统加工制造技术的重要 补充，3D 打印具备多方面优势，包括缩短新产品研发及实现周期、可高效成形更为复杂的 结构、实现一体化和轻量化设计、材料利用率较高、实现优良的力学性能等。

从概念模型到产业化生产，增材制造具备完整产业链。增材制造经过 30 余年的发展，其应 用已从简单的概念模型、功能型原型制作向功能部件直接制造方向发展，并且已经形成了 一条完整的产业链。3D 打印上游主要包括 3D 打印所需的原材料、3D 打印设备所需的软 硬件，相应聚集在产业链上游的企业包括三维软件开发商以及耗材生产商等；中游为 3D 打 印设备及服务，设备厂商由于掌握大多 3D 打印核心专利而在产业链中占据主导地位；下游 为打印产品的应用领域，包括航空航天、机械制造、消费电子、汽车行业、医疗行业等。

激光选区熔化技术（SLM）是金属 3D 打印的主流技术，占据了金属增材制造绝大部分市 场份额，代表公司包括德国 EOS 公司、美国 GE 增材制造、德国 SLM solutions、铂力特 等。SLM 技术原理是采用激光依据设定参数有选择地分层熔化烧结固体金属粉末，在制造 过程中，金属粉末加热到完全融化后成形。由于能够实现较高的打印精度、打印极端复杂 结构和足够的机械性能，SLM 技术可广泛应用于复杂形状的金属零件的批量生产，在航空 航天及医疗植入体等领域具有广阔的应用前景。

2.需求与技术适配，航空航天为 3D 打印主要应用领域之一

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。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，多品种小批量的特征使得 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?》，航空航天当前为 3D 打印渗透率最高的应用领域，且未来 最有可能成为规模较大的市场。

根据《金属材料增材制造技术在航天领域的应用前景分析》（陈济轮等，【电加工与模具】， 2014 年 1 月）激光直接制造技术能实现较大型复杂结构件的快速制造，可提高新型号研制 的快速响应能力，有利于实现"设计-工艺-制造"的有效协同，因此，在钛合金、高温合金等 难加工材料型面复杂的大型结构件的应用上，有着良好的应用背景需求。如控制舱、仪器 舱、端框等，一般采用铸造和锻造等方法制作坯料，然后进行后续的机械加工。由于大型 结构件铸造留下的加工余量较大，原材料利用率很低。而激光直接制造技术能实现数字化 制造，同时选用的激光器功率较高，生产效率很高，特别适合于航空航天型号复杂型面大 型结构件的近净制造，留下的后续加工余量很小，原材料利用率很高，可达 90%以上，也 能实现快速研制的要求。

航空方面，美国新型战机已有较多 3D 打印应用案例。根据《3D 打印技术及其在军事领域 的应用》（金大元，【新技术新工艺】，2015 年 4 月），洛克希德马丁公司在 F-35 战斗机副 翼翼梁上使用了西亚基（Sciaky）公司 3D 打印的钛合金零件，并进行了飞行测试验证。2 个公司还联合研制了 F-22 战斗机钛合金支座，并经过了全寿命光谱疲劳试验和负载试验。 波音公司利用 3D 打印技术制造了约 300 多种不同的飞机零部件，其中包括将冷空气导入 电子设备的复杂形状导管。英国皇家空军 1 架装配有 3D 打印金属部件的旋风战斗机试飞成 功，其装配的 3D 打印部件包括驾驶室的无线电防护罩、起落架防护装置及进气口支架。 量升质提需求共振，机身 3D 打印件渗透率有望提升。据《World Air Forces 2022》统计， 2021 年美国现役军机总数为 13246 架，在全球现役军机中占比为 25%，而我国现役军机 总数为 3285 架，在全球现役军机中占比仅为 6%。按各个细分机型来看，战斗机是我国军 机中的主力军，总数为 1571 架，但数量不到美国同期的 60%，且其他机型的数量都显著 落后于美国，我国未来军机总量提升需求显著。根据前瞻产业研究院，我国歼-20、歼-31、 歼 15、歼 16 等战机都已普遍使用增材制造技术。运-20 的机身/主起落架接头大型主承力 构件的快速制造也是由增材制造完成。

航发方面，后市场空间广阔，增材制造已具备较好应用基础。在华泰军工组 2022.9.15 发 布的报告《航空发动机：国之重器，万里鹏程》中，我们强调了航空发动机板块四大投资 逻辑，即：1）短期：“十四五”军机列装带动批产型号（WS-10）放量，航发动力大额预 收款锁定中短期订单；2）中期：我国四代发动机关键技术能力大幅提升，五代机预研技术 持续突破瓶颈，在研型号正加速转入批生产阶段；3）长期：航空发动机先军后民，CJ-1000、 CJ-2000 商用发动机加速研制推出，驱动远期行业持续高景气度；4）后市场：广阔后市场 铸造航空发动机坡长雪厚赛道，我国航发保有量达到高位后训练量加大带来替换、维修需 求提升。

3D 打印已经在航发用高温合金、钛合金中具备较好的应用基础。根据《不同材料在 3D 打 印中的应用》（房鑫卿，【新材料与新技术】，2019 年 5 月），2015 年美国 GE 航天增材中 心利用钴铬高温合金材料进行 3D 打印，生产出 T25 传感器壳体、燃油喷嘴等构件，并将 其应用到空客发动机制造中，有效实现对飞机发动机燃 料燃烧、动力的控制。我国在高温 合金零部件的 3D 打印方面，中航迈特等公司也开发出 Nickelalloy IN718（镍合金）、Si3N4、 Mg4Al3 等合金材料，用于航空航天零件的制造，且具有形态稳定、强度高、质量轻等优点。 基于金属直接增材制造技术的成形精度、效率和成本特点，这项技术非常适用于制造发动 机中具有轻量化要求的复杂构件，特别是带有内部油路、管路的构件，具有复杂凸缘或凸 台的构件，具有复杂翼型的构件，具有封闭或开孔蜂窝结构的构件和集成异形通路的构件。

航天方面，3D 打印使导弹武器装备损耗件、疲劳件快速修复变为现实。根据《增材制造技 术在航天制造领域的需求分析与发展趋势》（焦明等，【技术管理】，2017 年 7 月），通过激 光熔覆技术可很好地挽救大型贵重零件，大幅度缩短维修周期，显著降低备用件库存量， 延长航天产品及导弹武器装备使用寿命。激光熔覆技术在国外航空航天及导弹武器装备领 域的易损件、易耗件、疲劳件的快速修复上发挥了至关重要的作用，尤其在美军海湾战争 等实战中起到了非常重要 的保障作用，满足了军队行动快速性和携带设备便利性的需要， 被称之为“战地医院”。未来不论在发射场还是战场，激光熔覆技术在航天产品及导弹武器装 备损耗件、疲劳件快速修复方面，必将发挥不可替代的作用。

3.整体市场规模：市场前景广阔，技术迭代发展

全球金属 3D打印市场未来 3 年有望保持 20%以上复合增速。据《Wohlers Associates 2022》， 2021 年全球 3D 打印市场规模达到 152.44 亿美元，同比增长 19.49%，2015-2021 年复合 增长率达到 19.77%。根据 Wohlers 预测，2025 年 3D 打印收入规模将达到 298 亿美元， 2022-2025 年 CAGR 为 18.24%；2030 年 3D 打印收入规模将达到 853 亿美元，2026-2030 年 CAGR 为 23.41%。

中国 3D 打印市场具有较大潜力。据中国增材制造产业联盟统计，在 2015-2017 年的 3 年 间，我国增材制造产业规模年均增速超过 30%。2017 年，我国增材制造产业规模已超过 100 亿元。2021 年国内增材市场规模达到 262 亿元，同比增长 34.1%。据中商产业研究院 预测，我国增材市场规模到达 2024 年将达到 500 亿元，2022-2024 年年均复合增速为 24.12%。

在华泰军工组 2023.2.22 发布报告《金属增材制造：从“0-1”迈向“1-N”》中，我们对我 国航空/航天/航发增材制造件市场进行了预测：1）航空方面军机量升质提需求共振，在悲 观/中性/乐观假设下，我们预计 2021-2030 年我国军机增材市场空间为 152/228/304 亿元； 2）航发方面，后市场空间广阔，增材制造已具备较好应用基础。悲观/中性/乐观假设下， 预计 2021-2030 年我国航发增材市场分别为 153/254/509 亿元；3）导弹方面，耗材属性与 工艺特性适配，增材零件理论渗透率较高，悲观/中性/乐观假设下，预计 2021-2030 年我国 导弹增材市场为 1031/1140/1249 亿元。