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增材製造(Additive manufacturing)是快速成型技術的一種，又稱增材製造(3DP)，屬於高端製造行業。它的基本原理是離散- 堆積原理，以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可 粘合材料，通過逐層列印的方式來構造物體。增材製造工作過程 主要包括三維設計和逐層列印兩個過程。先通過計算機建模軟體 建模，再將建成的三維模型分區成為逐層的截面，指導印表機逐 層進行列印。
相比於傳統的減材製造方式具備很多優勢:1、縮短生產製造的 時間，提高效率;2、提高原材料的利用效率;3、完成複雜結構 的實現以提升產品性能。
技術工藝主要由應用材料決定
增材製造產業鏈:設備研製是核心環節
市場規模持續提升，航空航天、汽車應用前景廣闊
1.1增材製造技術介紹
增材製造(Additive manufacturing)是快速成型技術的一種，又稱增材製造(3DP)，屬於高端製造行業。 它的基本原理是離散-堆積原理，以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層列印 的方式來構造物體。
增材製造技術起源於 20 世紀 80 年代。當時，美國的科研人員正在研究照相雕塑及地貌成型技術，但在20世紀 80 年代以前，增材製造機的數量非常少，主要功能是用來列印珠寶、玩具、廚房用品等。在 20 世紀 80 年 代以後，隨著在下游應用領域的不斷滲透，增材製造技術才得以真正的發展和推廣。
1.2增材製造的基本原理
增材製造工作過程主要包括三維設計和逐層列印兩個過程。先通過計算機建模軟體建模，再將建成的三維模型分區成為逐層的截面，指導印表機逐層進行列印。
增材製造機與普通印表機工作原理基本相同，但列印材料差別較大。普通印表機的列印材料是墨水和紙張， 而增材製造機內裝有金屬、陶瓷、塑料、砂等不同的「列印材料」。印表機與電腦連接後，通過電腦控制可以把材料逐層疊加起來(分層加工的過程與噴墨列印十分相似)，最終把計算機上的藍圖變成實物。增材製造機 是可以「列印」出真實的3D物體的一種設備。
相比於傳統的減材製造方式(通過刀具去除材料的加工方式)，增材製造(增材製造)具備很多優勢:
增材製造存在著許多不同的技術，不同之處在於可用的材料的方式及不同層構建部件。在目前已有的技術 中，增材製造的常用材料有尼龍玻纖、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不鏽鋼、鍍銀、鍍金、 橡膠等。
增材製造材料一般是由具體工藝技術決定的。選擇不同的材料，也就決定了所使用的工藝，也就決定了工 藝技術所帶來的缺點，如尺寸精度、最小細節、壁厚的限制。反之，如果知道目標成品必須要達到的尺寸精度、 最小細節和壁厚，也可以據此選擇合適的增材製造材料。
目前，增材製造產業主要主流技術主要包括 SLA、LOM、SLS 和 FDM 四種技術。根據數據顯示，增材製造 的發展嚴重依賴於技術的進步和突破，目前全球增材製造應用最受歡迎的技術為 FDM 技術，占平台總收入的 63.9%;SLA+DLP 技術以 18.1%的平台總收入排名第二，排名第三的是SLS技術，平台收入占比為 11.1%。
2.1熔融沉積技術 FDM
FDM熔融層積成型技術是將絲狀的熱熔性材料加熱融化，同時三維噴頭在計算機的控制下，根據截面輪廓 信息，將材料選擇性地塗敷在工作檯上，快速冷卻後形成一層截面。一層成型完成後，機器工作檯下降一個高 度(即分層厚度)再成型下一層，直至形成整個實體造型。
FDM 的優點在於:操作環境乾淨、安全，材料無毒，可以在辦公室、家庭環境下進行，沒有產生毒氣和化 學污染的危險;無需雷射器等貴重元器件，因此價格便宜;原材料為捲軸絲形式，節省空間，易於搬運和替換; 材料利用率高，可備選材料很多，價格也相對便宜。
2.2光固化快速成型 SLA
SLA是用雷射聚焦到光固化材料表面，使之由點到線、由線到面順序凝固，層層疊加構成一個三維實體。SLA技術可使用的列印材料為光敏樹脂，多應用於製造多種模具和模型當中，也可以在原料中通過加入其它成 分，用 SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟模。SLA 工藝的製作過程分為三步:
2.3箔材疊層實體製造 LOM
箔材疊層實體製作是根據三維 CAD 模型中每個截面的輪廓線，由計算機控制發出控制雷射切割系統的指令，使切割頭作 X 和 Y 方向的移動，進而生產三維產品的方法。
由於 LOM 技術在製作中多使用紙材，其成本低而且製造出來的木質原型具有特殊質感，所以該技術在產品 概念設計可視化、造型設計評估、裝配檢驗、熔模鑄造型芯、砂型鑄造木模、快速制模母模以及直接制模等方 面得到廣泛的應用。
2.4粉末材料選擇性燒結
SLS分層製造技術於 1989 年研製成功。目前德國 EOS 公司推出了自己的 SLS 工藝成形機 EOSINT，分為適用 於金屬、聚合物和砂型三種機型，我國的北京隆源自動成形系統有限公司和華中科技大學也相繼開發出了商品 化的設備。
SLS技術的基本工作原理:在開始加工前，需要把充有氮氣的工作室升溫，並保持在粉末的熔點以下。成型 時，送料桶上升，鋪粉滾筒移動，先在工作平台上鋪一層粉末材料，然後雷射束在計算機的控制下按照截面輪 廓對實心部分所在的粉末進行燒結，使粉末融化繼而形成一層固體輪廓。第一層燒結完成後，工作檯下降一截 面層的高度，在鋪上一層粉末，進行下一層燒結，依次循環，從而形成所列印的模型。該技術可以使用的材料 是可以使用的列印耗材有尼龍粉末、PS 粉末、PP 粉末、金屬粉末、陶瓷粉末、樹脂砂和覆膜砂。
2.1增材製造產業鏈
增材製造產業鏈主要由 5 個環節構成，其中上游為原材料、核心硬體和輔助運行設備，產業鏈中游為增材 製造設備的研製和生產，下游需求涉及航空航天、汽車、醫療等多個具體應用領域。整體來看，位於產業鏈中 游的設備研製和製造商處於核心地位，在製造技術的研發應用和提供產品服務方面起到決定性作用。
增材製造行業產業鏈上游為塑料、金屬、蠟、石膏、砂等其他各種材料。材料技術是增材製造技術的核心 之一，決定了增材製造的發展進程。從增材製造技術的發展歷程可以看出，一種新的列印技術出現，必須依賴 材料的固有特性。由於材料在物理形態，化學性能等方面的千差萬別，才形成了增材製造材料的多品種和增材 製造的不同成型方法。
增材製造產業中游主要為設備及製造服務，參與者包括增材製造機設備商和增材製造製造服務商，這個階 段主要任務是將增材製造產品生產出來。增材製造設備是整個產業中最重要的一環。首先，設備商是增材製造 技術的推動者，要實現增材製造，首先要完成設備的製造，每一種新的增材製造設備出現，都意味著一種新的 增材製造技術出現;其次，每一台增材製造設備就是一個加工製造中心，設備商掌握整個增材製造過程的核心 技術，因此，在增材製造領域，設備商往往同時扮演者增材製造加工製造服務的角色;同時，設備商是增材制 造技術應用的推廣者，可以直接為終端用戶提供綜合解決方案。
下游領域主要是增材製造服務延伸到各個細分的實際應用方向。增材製造的應用領域廣泛，主要包括製造、 醫療、軍事、建築等領域。隨著增材製造行業的快速發展，增材製造技術應用場景將不斷拓展。
2.2 增材製造設備分類介紹
增材製造設備主要分為兩大類型:工業級設備和桌面級設備。
工業級設備是生產價格在數萬美元到數十萬美元之間的設備，價格昂貴，主要用於加工大尺寸的產品。一 般使用 SLS/SLM、SLA、FDM 等技術，應用領域主要有汽車、國防航空航天、機械設備、消費品、家電等工業領 域。工業級的增材製造機主要分為快速原型製造和直接產品製造兩種。國際上工業級印表機巨頭3D systems、 Stratasys、EOS 等在近30年里不斷推出適用於不同領域的新產品，將增材製造植入工業化製造中，使增材製造 成功成為推動國際工業化的重要力量。
另一類是主要針對個人消費者的設備，這類設備價格低廉，售價通常在數千美元甚至是數百美元，通常稱 其為桌面級設備。桌面級是增材製造技術的初級階段和入門階段，能夠很直觀地表現出增材製造技術的工藝原 理。這類設備價格低廉，售價通常在數千美元甚至是數百美元，在市面上種類繁多，但其基本的工作原理相似。 桌面級增材製造設備最初由 Stratasys公司於 2002 年推出，2008 年，第一款開源的桌面級增材製造機RepRap發 布，此後湧現出各類桌面增材製造設備商。
隨著競爭加劇，桌面印表機價格逐步下降，國外眾籌創業平台已經出現了 3000 元人民幣左右的增材製造機。 性能指標及外觀方面，桌面機也在不斷完善，甚至部分桌面增材製造設備開始向工業級印表機看齊，大型工業 級印表機生產公司也逐步涉入桌面領域。
工業級設備與桌面級設備在列印精度、速度、尺寸等各方面都有不同，其中，列印支撐和列印實體可分參數列印的設計是區分工業機和桌面機的最重要標誌。
增材製造機組成結構主要分為機身框架和控制系統。以FDM技術個人桌面級增材製造機CR-2020 為例。打 印機整機採用全鋼雷射航焊接框架，剛性好、精度高，特殊行走機構架構設計採用十字軸滑動型的運動機構， 能夠使印表機速度得到很大的提升。機械框架部分，現在大部分採用步進電機帶動同步帶的方式，而有的列印 機則使用滑台組成XYZ 軸，具體需要的部件有電機、支架、同步輪、同步帶等。
增材製造過程主要是由電路來控制的，控制系統部分主要由主板、驅動器、步進電機、限位開關、風扇、 加熱器、熱電偶組成。增材製造機所使用的是一塊專門定製而成的電路主板，它將所需的電子元器件、驅動器 以及控制器等都整合在主控制器上，能夠實現與印表機的即插即用，並且兼容性和課擴展性較強。主板作為增 材製造機的心臟，控制著印表機的一切工作過程，進行數據文件的傳輸以及對主板的固件升級等工作。步進電 機驅動器、步進電機、限位器、加熱器、熱電偶及風扇都可以直接與主板相連，主板由外界電源直接供電。
3.3全球增材製造產業格局
增材製造產業是一個生態圈體系，增材製造推動分布式製造業的發展是設備硬體、設計軟體、列印材料、後處理、質量控制技術綜合發展的結果。
國際上增材製造企業大致可分為硬體製造商(塑料增材製造機、專業級桌面機、金屬增材製造機、陶瓷增 材製造機及電子增材製造機)、軟體供應商(設計和CAD，仿真軟體、工作流程軟體和安全類軟體)、材料供 應商(塑料與復合材料、金屬)、質量控制與檢測(過程中質量控制軟體、質量檢測)、其他(增材製造服務 企業)等類別。
3.3.1硬體製造商
隨著將增材製造技術集成到生產中的製造企業的數量不斷增加，增材製造硬體製造商正在持續研發更快、 更準確的工業級增材製造設備。這些企業不僅僅包括了在業內具有獨角獸地位的公司，也包括一些有意願布局 增材製造技術的傳統製造公司。
目前，硬體製造商企業都具有各自擅長的領域，據此可大致分為三類:(1)塑料增材製造設備，如德國工 業級增材製造設備製造商 voxeljet-維捷，推出了 HSS-高速燒結設備VX200，這一設備目前可用於尼龍 12 或TPU材料的高速製造，其速度實 SLS 雷射燒結的 100 倍;(2)面向專業的桌面增材製造機，滿足需要小型增材製造 設備、但性能不低於工業級系統，成本低於同類型工業級增材製造設備的專業用戶或企業的需求，例如Formlabs提供的立體光固化(SLA)增材製造設備Form 2 價格為 3350 美元，而同類型的大型 SLA 設備售價通常要高一個 量級;(3)金屬增材製造，2017 年金屬增材製造系統的銷售額增長 80%，驅動增長的力量主要來自於兩個方面， 一方面是像 Concept Laser 和 Arcam 這樣的老牌品牌，而另一方面來自於金屬增材製造的新的參與者，包括 Desktop Metal、Digital Alloys 等初創公司。
3.3.2軟體供應商
隨著增材製造技術走向工業生產，除了設計軟體和仿真軟體之外，與增材製造相關的軟體中出現了兩個關 鍵的類別，即工作流程和安全軟體。設計和仿真軟體對於增材製造至關重要，增材製造技術提供了傳統製造方 法無法實現的複雜幾何形狀的可能，同時這也為拓撲優化、創成式設計等先進設計優化工具增加了需求。目前， 設計和 CAD軟體、仿真軟體仍由市場上主流 CAD 軟體公司主導。
作為一種數字製造技術，增材製造引發了有關智慧財產權保護和數據安全的關鍵問題，安全類軟體的出現則 有效地解決了此類問題。目前，三家公司正在領導增材製造數據安全的軟體解決方案。LEO Lane 提供安全和 IP 加密解決方案，GROW 提供「安全分布式製造」，以實現安全的增材製造工作流程，保護設計文件的智慧財產權。 雖然保護數據安全類的軟體目前仍是一個非常小的細分領域，隨著增材製造技術在生產中應用的增加，對數據 安全解決方案的需求也在增加。
3.3.3材料供應商
增材製造材料通常對耐熱性、靈活性、穩定性及敏感性有著極高的要求，均需要針對增材製造工藝和設備 而研發，目前大約有 200餘種。作為增材製造的「墨水」，增材製造專用材料開發難度大、成本高，因此在供應 方面需要供應商有針對性地進行研發和生產。
目前全球排名前列的增材製造材料供應商有:(1)位於瑞典的Arcam公司，該公司提供一系列的增材製造 技術和 增材製造解決方案，並擁有金屬增材製造技術EBM的專利，公司目前主要銷售 EBM 硬體、EBM 構建材 料、金屬粉末和粉末處理設備;(2)總部設在德國的EOS公司，主要提供金屬製造(材料、系統和設備)等， 其 M290 和 M100 金屬增材製造解決方案都是很受歡迎的 DMLS 機器，除此之外該公司也提供鋁、鈷/鉻合金和 鋼等增材製造材料;(3)瑞典的 Hoganas 公司是世界領先的鐵和金屬粉末製造商;(4)位於瑞典的Sandvik公 司，主要使用的材料是特殊合金和先進的不鏽鋼，其旗下的 Sandvik Materials Technology 主要從事增材製造業務， 並在 2015 年初成立了 Sandvik 增材製造中心。另外，該公司還為醫學、航天以及快速模具部門生產用於增材制 造應用的氣體霧化金屬粉末。同時，材料市場也以發生了多起收購。例如，2018 年 7 月，巴斯夫新業務有限公 司(BNB)收購了德國公司Advanc3D，將公司整合到其增材製造部門;Carpenter 收購了金屬材料的領先供應商 LPW。
3.3.4後處理
增材製造工作原理是通過逐層疊加成型，那麼分層製造就會存在台階效應。雖然每層都分解的非常薄，但 在微觀尺寸下仍會存在一定厚度的多級台階。模型列印表面質量與列印材料、機器精度、列印速度、溫度、三 維數據模型質量、切片參數等都有關係。
後處理通常是勞動密集型，走向自動化也是大勢所趨。PostPro3D 提供「自動化表面處理技術」，據稱可以使 列印增材製造零件的表面質量與注塑成型件相媲美。德國 DyeManison針對塑料粉末增材製造零件提供粉末清潔、 表面處理和染色解決方案。
3.3.5檢測與過程監測
工業成像可以通過不破壞產品的方式，細微地展現產品內部是否有裂紋、夾渣等缺陷。它不僅可以在生產 階段檢測出不合格的產品，還可以在產品的設計研發階段分析判斷並預測隱患的發生、識別設計缺陷，以確保 最終產品的高可靠性。當要將增材製造複雜零部件加擴展到規模化生產的時候，是否能夠保障產品的高質量成 為關鍵之處。這決定了 X射線、CT 技術與增材製造技術密不可分。在科技部增材製造重點專項 2017 年度項目申報指南中，將開發金屬增材製造缺陷和變形的射線檢測技術與裝備作為重大共性關鍵技術。
4.1全球及國內市場處於快速增長期
無論是在全球範圍內還是我國市場內，增材製造的行業規模都呈現快速上漲的趨勢。根據 MarketsandMarket對外發布的研究報告顯示，全球工業增材製造市場將從 2018 年的 17.3 億美元增長到2023年的 56.6 億美元，年 復合增長率達到 27.21%。增長因素主要有從開發原型到最終用途零件生產的增材製造演變、開發定製產品的復 雜程度增加、工業增材製造材料市場的發展、政府對增材製造項目的投資以及製造效率的提高等。
2018年，我國增材製造行業總收入超過 110 億元。隨著國家規劃的出台，各地紛紛將增材製造作為未來發 展新的增長點重點培育，並加速與信息網絡技術、新材料技術、新設計理念加速融合，力爭搶占未來科技和產 業的制高點。預計到 2020年，中國增材製造產業規模將達到 240 億元，年均增速在 30%以上。
4.2增材製造下游應用市場
目前在中國增材製造行業應用領域結構情況中，工業機械占比最高，占比為 20%。其次為航天航空領域， 占比為 17%。排名第三的是汽車領域，占比為 14%。其後分別為消費品/電子、醫療、科研、政府/軍用以及建 築領域，占比分布為 13%、12%、11%、6%和 3%。伴隨著中國增材製造技術的相應成熟，在航天航空，汽車等 行業需求將持續增加。
4.2.1航天航空領域
增材製造技術在航空航天領域中的應用主要在於關鍵零部件的生產。航空航天裝備的關鍵零部件通常具有 複雜的外形和內部結構，且工作環境特殊，而增材製造的加工過程不受複雜成型的限制，因此能夠完成傳統制 造工藝難以承擔的任務。2018年，全球增材製造在航空航天領域的應用市場規模達到9.3 億美元。
增材製造技術在航空工業中主要應用在鈦合金、鋁鋰合金、超高強度鋼，高溫合金等材料領域。這些材料 基本都是強度高，化學性質穩定，不易成型加工，傳統加工工藝成本高昂的類型。例如在飛機零部件製造方面， 由於零件的形狀複雜，用傳統方式製造成本很高，而 3D 技術有效地降低了飛機零部件的製造費用。波音公司已 經廣泛地利用增材製造技術，在 2014 年製造了超過 2 萬 2 千種零部件，波音 787 夢幻飛機上有 30 個由增材制 造技術製造的零件。
增材製造技術在航空航天製造行業的一個突破在於它在渦輪螺旋槳發動機領域的應用。2018 年，GE 公司 試飛的ATP飛機發動機為通過增材製造製作可以實現的可能性打開了新的空間。GE 公司先進的 ATP 發動機中， 有三分之一以上的部件是由增材製造來完成的。
根據增材製造技術的特點，設計師將八百多個獨立部件減少到12 個。此外，增材製造用降低發動機重量的 方式來減少成本。輕5%的發動機可以節約20%的燃油消耗，並且其功力比傳統加工方式製造的發動機多10%。 而在發動機的內部，增材製造技術完成燃燒室和許多結構元件的製造，這使得發動機更簡潔、更輕和更緊湊，具有16:1 的工業級總壓力比。與其競爭對手比較起來，這使其僅僅通過設計提高燃料燃燒效率帶來的節約15% 的燃料，同時提高10%的巡航功率。
4.2.2工業汽車領域
增材製造技術在汽車領域中的應用主要包括汽車零部件列印、汽車個性化定製和電池電極列印三個方面。
在汽車零部件設計方面，增材製造技術使得更具設計性且顛覆傳統的零部件設計得以實現。增材製造的快速成 型可以快速將設計圖轉換為實物，減少了複雜零件開發的開模環節，並且精度比傳統製造更高;其次，增材制 造允許多種材料的選擇，有助於汽車兼具輕量化、安全性和舒適性。在汽車個性化定製方面，使用增材製造技 術列印汽車，能夠根據客戶的偏好和需求製造出獨一無二的車型，實現整車個性化定製。2015 年，全球增材制 造汽車行業總規模達到4.8 億美元，預計到2020 年將達到15 億美元。
在電池電極列印方面，增材製造技術能夠列印出一種有受控氣孔的微觀金屬結構，這種結構允許鋰離子大 量進入電池的電極區，從而達到更高的電極利用率和蓄電能力。用作鋰離子電池電極的微觀金屬結構能夠將比 容量提升四倍，而且與傳統固體電池相比區域容量增加了兩倍。
4.2.3醫療領域
醫藥生物行業是目前增材製造技術擴張最為迅猛的行業。增材製造技術能夠為醫療生物行業提供更完整的 個性化解決方案，典型應用有 3D手術預規劃模型、手術導板、增材製造植入物，以及假肢、助聽器等康復醫療 器械。同時，生物增材製造技術將促進再生醫學領域在人造活體組織與器官的研究，研究人員已經在利用生物 增材製造技術培養人造器官方面取得了很大的進展。
近年來醫療行業越來越多地採用金屬增材製造技術(直接金屬雷射燒結或電子束熔融)設計和製造醫療植 入物。澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)、墨爾本醫療植入物公司Anatomics和英國醫生聯手，為一 名 61 歲的英國患者實施了增材製造鈦-聚合物胸骨植入手術，這也是全球首創。新型胸骨植入物能夠比之前的 純鈦植入物更好地幫助重建人體內的「堅硬與柔軟組織」，病人在術後僅 12 天就能出院，並且恢復十分迅速。而 增材製造技術用於製造骨科植入物，可以有效降低定製化、小批量植入物的製造成本，並可以製造出更多結構 複雜的植入物。
使用金屬、塑料等非活體組織材料增材製造的定製化假肢、牙科、骨科植入物、助聽器外殼等醫療器械都 屬於「初級階梯」。而列印血管、軟骨組織這類單一的活體組織屬於「中級階梯」。增材製造的人工肝臟、心 髒等人工器官則屬於「頂級階梯」。無論是人造血管、軟骨組織，還是肝臟組織、腎臟組織，其核心是特定類 型細胞的分離(或定向誘導)及大規模擴增。而生物增材製造技術，在人工組織、器官培養過程更多承擔了三 維形狀的構建，即讓人體細胞按照預先設計好的形狀來生長。因此人造器官、組織的發展更大程度上取決於生 物技術的發展。
根據畢馬威對醫療器械行業的研究，醫療行業有望保持穩定增長，全球年度銷售額預測以每年超過5%的速 度增長，到2030 年銷售額將達到近8000 億美元。這反映出隨著人們現代生活習慣病日益普遍，對創新型新設 備(如可穿戴設備)和服務(如健康數據)的需求持續增長，以及新興市場(尤其是中國市場)的經濟發展釋 放了的巨大潛能。2015 年，全球醫療行業增材製造市場規模3.5 億美元，預計到2020 年將達到7.6 億美元， 復合增長率將超過15%。
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（報告來源：中信建設證券；分析師：黎韜揚、劉永旭）