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增材制造(Additive manufacturing)是快速成型技术的一种，又称增材制造(3DP)，属于高端制造行业。它的基本原理是离散- 堆积原理，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可 粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。增材制造工作过程 主要包括三维设计和逐层打印两个过程。先通过计算机建模软件 建模，再将建成的三维模型分区成为逐层的截面，指导打印机逐 层进行打印。
相比于传统的减材制造方式具备很多优势:1、缩短生产制造的 时间，提高效率;2、提高原材料的利用效率;3、完成复杂结构 的实现以提升产品性能。
技术工艺主要由应用材料决定
增材制造产业链:设备研制是核心环节
市场规模持续提升，航空航天、汽车应用前景广阔
1.1增材制造技术介绍
增材制造(Additive manufacturing)是快速成型技术的一种，又称增材制造(3DP)，属于高端制造行业。 它的基本原理是离散-堆积原理，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印 的方式来构造物体。
增材制造技术起源于 20 世纪 80 年代。当时，美国的科研人员正在研究照相雕塑及地貌成型技术，但在20世纪 80 年代以前，增材制造机的数量非常少，主要功能是用来打印珠宝、玩具、厨房用品等。在 20 世纪 80 年 代以后，随着在下游应用领域的不断渗透，增材制造技术才得以真正的发展和推广。
1.2增材制造的基本原理
增材制造工作过程主要包括三维设计和逐层打印两个过程。先通过计算机建模软件建模，再将建成的三维模型分区成为逐层的截面，指导打印机逐层进行打印。
增材制造机与普通打印机工作原理基本相同，但打印材料差别较大。普通打印机的打印材料是墨水和纸张， 而增材制造机内装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的“打印材料”。打印机与电脑连接后，通过电脑控制可以把材料逐层叠加起来(分层加工的过程与喷墨打印十分相似)，最终把计算机上的蓝图变成实物。增材制造机 是可以“打印”出真实的3D物体的一种设备。
相比于传统的减材制造方式(通过刀具去除材料的加工方式)，增材制造(增材制造)具备很多优势:
增材制造存在着许多不同的技术，不同之处在于可用的材料的方式及不同层构建部件。在目前已有的技术 中，增材制造的常用材料有尼龙玻纤、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、 橡胶等。
增材制造材料一般是由具体工艺技术决定的。选择不同的材料，也就决定了所使用的工艺，也就决定了工 艺技术所带来的缺点，如尺寸精度、最小细节、壁厚的限制。反之，如果知道目标成品必须要达到的尺寸精度、 最小细节和壁厚，也可以据此选择合适的增材制造材料。
目前，增材制造产业主要主流技术主要包括 SLA、LOM、SLS 和 FDM 四种技术。根据数据显示，增材制造 的发展严重依赖于技术的进步和突破，目前全球增材制造应用最受欢迎的技术为 FDM 技术，占平台总收入的 63.9%;SLA+DLP 技术以 18.1%的平台总收入排名第二，排名第三的是SLS技术，平台收入占比为 11.1%。
2.1熔融沉积技术 FDM
FDM熔融层积成型技术是将丝状的热熔性材料加热融化，同时三维喷头在计算机的控制下，根据截面轮廓 信息，将材料选择性地涂敷在工作台上，快速冷却后形成一层截面。一层成型完成后，机器工作台下降一个高 度(即分层厚度)再成型下一层，直至形成整个实体造型。
FDM 的优点在于:操作环境干净、安全，材料无毒，可以在办公室、家庭环境下进行，没有产生毒气和化 学污染的危险;无需激光器等贵重元器件，因此价格便宜;原材料为卷轴丝形式，节省空间，易于搬运和替换; 材料利用率高，可备选材料很多，价格也相对便宜。
2.2光固化快速成型 SLA
SLA是用激光聚焦到光固化材料表面，使之由点到线、由线到面顺序凝固，层层叠加构成一个三维实体。SLA技术可使用的打印材料为光敏树脂，多应用于制造多种模具和模型当中，也可以在原料中通过加入其它成 分，用 SLA原型模代替熔模精密铸造中的蜡模。SLA 工艺的制作过程分为三步:
2.3箔材叠层实体制造 LOM
箔材叠层实体制作是根据三维 CAD 模型中每个截面的轮廓线，由计算机控制发出控制激光切割系统的指令，使切割头作 X 和 Y 方向的移动，进而生产三维产品的方法。
由于 LOM 技术在制作中多使用纸材，其成本低而且制造出来的木质原型具有特殊质感，所以该技术在产品 概念设计可视化、造型设计评估、装配检验、熔模铸造型芯、砂型铸造木模、快速制模母模以及直接制模等方 面得到广泛的应用。
2.4粉末材料选择性烧结
SLS分层制造技术于 1989 年研制成功。目前德国 EOS 公司推出了自己的 SLS 工艺成形机 EOSINT，分为适用 于金属、聚合物和砂型三种机型，我国的北京隆源自动成形系统有限公司和华中科技大学也相继开发出了商品 化的设备。
SLS技术的基本工作原理:在开始加工前，需要把充有氮气的工作室升温，并保持在粉末的熔点以下。成型 时，送料桶上升，铺粉滚筒移动，先在工作平台上铺一层粉末材料，然后激光束在计算机的控制下按照截面轮 廓对实心部分所在的粉末进行烧结，使粉末融化继而形成一层固体轮廓。第一层烧结完成后，工作台下降一截 面层的高度，在铺上一层粉末，进行下一层烧结，依次循环，从而形成所打印的模型。该技术可以使用的材料 是可以使用的打印耗材有尼龙粉末、PS 粉末、PP 粉末、金属粉末、陶瓷粉末、树脂砂和覆膜砂。
2.1增材制造产业链
增材制造产业链主要由 5 个环节构成，其中上游为原材料、核心硬件和辅助运行设备，产业链中游为增材 制造设备的研制和生产，下游需求涉及航空航天、汽车、医疗等多个具体应用领域。整体来看，位于产业链中 游的设备研制和制造商处于核心地位，在制造技术的研发应用和提供产品服务方面起到决定性作用。
增材制造行业产业链上游为塑料、金属、蜡、石膏、砂等其他各种材料。材料技术是增材制造技术的核心 之一，决定了增材制造的发展进程。从增材制造技术的发展历程可以看出，一种新的打印技术出现，必须依赖 材料的固有特性。由于材料在物理形态，化学性能等方面的千差万别，才形成了增材制造材料的多品种和增材 制造的不同成型方法。
增材制造产业中游主要为设备及制造服务，参与者包括增材制造机设备商和增材制造制造服务商，这个阶 段主要任务是将增材制造产品生产出来。增材制造设备是整个产业中最重要的一环。首先，设备商是增材制造 技术的推动者，要实现增材制造，首先要完成设备的制造，每一种新的增材制造设备出现，都意味着一种新的 增材制造技术出现;其次，每一台增材制造设备就是一个加工制造中心，设备商掌握整个增材制造过程的核心 技术，因此，在增材制造领域，设备商往往同时扮演者增材制造加工制造服务的角色;同时，设备商是增材制 造技术应用的推广者，可以直接为终端用户提供综合解决方案。
下游领域主要是增材制造服务延伸到各个细分的实际应用方向。增材制造的应用领域广泛，主要包括制造、 医疗、军事、建筑等领域。随着增材制造行业的快速发展，增材制造技术应用场景将不断拓展。
2.2 增材制造设备分类介绍
增材制造设备主要分为两大类型:工业级设备和桌面级设备。
工业级设备是生产价格在数万美元到数十万美元之间的设备，价格昂贵，主要用于加工大尺寸的产品。一 般使用 SLS/SLM、SLA、FDM 等技术，应用领域主要有汽车、国防航空航天、机械设备、消费品、家电等工业领 域。工业级的增材制造机主要分为快速原型制造和直接产品制造两种。国际上工业级打印机巨头3D systems、 Stratasys、EOS 等在近30年里不断推出适用于不同领域的新产品，将增材制造植入工业化制造中，使增材制造 成功成为推动国际工业化的重要力量。
另一类是主要针对个人消费者的设备，这类设备价格低廉，售价通常在数千美元甚至是数百美元，通常称 其为桌面级设备。桌面级是增材制造技术的初级阶段和入门阶段，能够很直观地表现出增材制造技术的工艺原 理。这类设备价格低廉，售价通常在数千美元甚至是数百美元，在市面上种类繁多，但其基本的工作原理相似。 桌面级增材制造设备最初由 Stratasys公司于 2002 年推出，2008 年，第一款开源的桌面级增材制造机RepRap发 布，此后涌现出各类桌面增材制造设备商。
随着竞争加剧，桌面打印机价格逐步下降，国外众筹创业平台已经出现了 3000 元人民币左右的增材制造机。 性能指标及外观方面，桌面机也在不断完善，甚至部分桌面增材制造设备开始向工业级打印机看齐，大型工业 级打印机生产公司也逐步涉入桌面领域。
工业级设备与桌面级设备在打印精度、速度、尺寸等各方面都有不同，其中，打印支撑和打印实体可分参数打印的设计是区分工业机和桌面机的最重要标志。
增材制造机组成结构主要分为机身框架和控制系统。以FDM技术个人桌面级增材制造机CR-2020 为例。打 印机整机采用全钢激光航焊接框架，刚性好、精度高，特殊行走机构架构设计采用十字轴滑动型的运动机构， 能够使打印机速度得到很大的提升。机械框架部分，现在大部分采用步进电机带动同步带的方式，而有的打印 机则使用滑台组成XYZ 轴，具体需要的部件有电机、支架、同步轮、同步带等。
增材制造过程主要是由电路来控制的，控制系统部分主要由主板、驱动器、步进电机、限位开关、风扇、 加热器、热电偶组成。增材制造机所使用的是一块专门定制而成的电路主板，它将所需的电子元器件、驱动器 以及控制器等都整合在主控制器上，能够实现与打印机的即插即用，并且兼容性和课扩展性较强。主板作为增 材制造机的心脏，控制着打印机的一切工作过程，进行数据文件的传输以及对主板的固件升级等工作。步进电 机驱动器、步进电机、限位器、加热器、热电偶及风扇都可以直接与主板相连，主板由外界电源直接供电。
3.3全球增材制造产业格局
增材制造产业是一个生态圈体系，增材制造推动分布式制造业的发展是设备硬件、设计软件、打印材料、后处理、质量控制技术综合发展的结果。
国际上增材制造企业大致可分为硬件制造商(塑料增材制造机、专业级桌面机、金属增材制造机、陶瓷增 材制造机及电子增材制造机)、软件供应商(设计和CAD，仿真软件、工作流程软件和安全类软件)、材料供 应商(塑料与复合材料、金属)、质量控制与检测(过程中质量控制软件、质量检测)、其他(增材制造服务 企业)等类别。
3.3.1硬件制造商
随着将增材制造技术集成到生产中的制造企业的数量不断增加，增材制造硬件制造商正在持续研发更快、 更准确的工业级增材制造设备。这些企业不仅仅包括了在业内具有独角兽地位的公司，也包括一些有意愿布局 增材制造技术的传统制造公司。
目前，硬件制造商企业都具有各自擅长的领域，据此可大致分为三类:(1)塑料增材制造设备，如德国工 业级增材制造设备制造商 voxeljet-维捷，推出了 HSS-高速烧结设备VX200，这一设备目前可用于尼龙 12 或TPU材料的高速制造，其速度实 SLS 激光烧结的 100 倍;(2)面向专业的桌面增材制造机，满足需要小型增材制造 设备、但性能不低于工业级系统，成本低于同类型工业级增材制造设备的专业用户或企业的需求，例如Formlabs提供的立体光固化(SLA)增材制造设备Form 2 价格为 3350 美元，而同类型的大型 SLA 设备售价通常要高一个 量级;(3)金属增材制造，2017 年金属增材制造系统的销售额增长 80%，驱动增长的力量主要来自于两个方面， 一方面是像 Concept Laser 和 Arcam 这样的老牌品牌，而另一方面来自于金属增材制造的新的参与者，包括 Desktop Metal、Digital Alloys 等初创公司。
3.3.2软件供应商
随着增材制造技术走向工业生产，除了设计软件和仿真软件之外，与增材制造相关的软件中出现了两个关 键的类别，即工作流程和安全软件。设计和仿真软件对于增材制造至关重要，增材制造技术提供了传统制造方 法无法实现的复杂几何形状的可能，同时这也为拓扑优化、创成式设计等先进设计优化工具增加了需求。目前， 设计和 CAD软件、仿真软件仍由市场上主流 CAD 软件公司主导。
作为一种数字制造技术，增材制造引发了有关知识产权保护和数据安全的关键问题，安全类软件的出现则 有效地解决了此类问题。目前，三家公司正在领导增材制造数据安全的软件解决方案。LEO Lane 提供安全和 IP 加密解决方案，GROW 提供“安全分布式制造”，以实现安全的增材制造工作流程，保护设计文件的知识产权。 虽然保护数据安全类的软件目前仍是一个非常小的细分领域，随着增材制造技术在生产中应用的增加，对数据 安全解决方案的需求也在增加。
3.3.3材料供应商
增材制造材料通常对耐热性、灵活性、稳定性及敏感性有着极高的要求，均需要针对增材制造工艺和设备 而研发，目前大约有 200余种。作为增材制造的“墨水”，增材制造专用材料开发难度大、成本高，因此在供应 方面需要供应商有针对性地进行研发和生产。
目前全球排名前列的增材制造材料供应商有:(1)位于瑞典的Arcam公司，该公司提供一系列的增材制造 技术和 增材制造解决方案，并拥有金属增材制造技术EBM的专利，公司目前主要销售 EBM 硬件、EBM 构建材 料、金属粉末和粉末处理设备;(2)总部设在德国的EOS公司，主要提供金属制造(材料、系统和设备)等， 其 M290 和 M100 金属增材制造解决方案都是很受欢迎的 DMLS 机器，除此之外该公司也提供铝、钴/铬合金和 钢等增材制造材料;(3)瑞典的 Hoganas 公司是世界领先的铁和金属粉末制造商;(4)位于瑞典的Sandvik公 司，主要使用的材料是特殊合金和先进的不锈钢，其旗下的 Sandvik Materials Technology 主要从事增材制造业务， 并在 2015 年初成立了 Sandvik 增材制造中心。另外，该公司还为医学、航天以及快速模具部门生产用于增材制 造应用的气体雾化金属粉末。同时，材料市场也以发生了多起收购。例如，2018 年 7 月，巴斯夫新业务有限公 司(BNB)收购了德国公司Advanc3D，将公司整合到其增材制造部门;Carpenter 收购了金属材料的领先供应商 LPW。
3.3.4后处理
增材制造工作原理是通过逐层叠加成型，那么分层制造就会存在台阶效应。虽然每层都分解的非常薄，但 在微观尺寸下仍会存在一定厚度的多级台阶。模型打印表面质量与打印材料、机器精度、打印速度、温度、三 维数据模型质量、切片参数等都有关系。
后处理通常是劳动密集型，走向自动化也是大势所趋。PostPro3D 提供“自动化表面处理技术”，据称可以使 打印增材制造零件的表面质量与注塑成型件相媲美。德国 DyeManison针对塑料粉末增材制造零件提供粉末清洁、 表面处理和染色解决方案。
3.3.5检测与过程监测
工业成像可以通过不破坏产品的方式，细微地展现产品内部是否有裂纹、夹渣等缺陷。它不仅可以在生产 阶段检测出不合格的产品，还可以在产品的设计研发阶段分析判断并预测隐患的发生、识别设计缺陷，以确保 最终产品的高可靠性。当要将增材制造复杂零部件加扩展到规模化生产的时候，是否能够保障产品的高质量成 为关键之处。这决定了 X射线、CT 技术与增材制造技术密不可分。在科技部增材制造重点专项 2017 年度项目申报指南中，将开发金属增材制造缺陷和变形的射线检测技术与装备作为重大共性关键技术。
4.1全球及国内市场处于快速增长期
无论是在全球范围内还是我国市场内，增材制造的行业规模都呈现快速上涨的趋势。根据 MarketsandMarket对外发布的研究报告显示，全球工业增材制造市场将从 2018 年的 17.3 亿美元增长到2023年的 56.6 亿美元，年 复合增长率达到 27.21%。增长因素主要有从开发原型到最终用途零件生产的增材制造演变、开发定制产品的复 杂程度增加、工业增材制造材料市场的发展、政府对增材制造项目的投资以及制造效率的提高等。
2018年，我国增材制造行业总收入超过 110 亿元。随着国家规划的出台，各地纷纷将增材制造作为未来发 展新的增长点重点培育，并加速与信息网络技术、新材料技术、新设计理念加速融合，力争抢占未来科技和产 业的制高点。预计到 2020年，中国增材制造产业规模将达到 240 亿元，年均增速在 30%以上。
4.2增材制造下游应用市场
目前在中国增材制造行业应用领域结构情况中，工业机械占比最高，占比为 20%。其次为航天航空领域， 占比为 17%。排名第三的是汽车领域，占比为 14%。其后分别为消费品/电子、医疗、科研、政府/军用以及建 筑领域，占比分布为 13%、12%、11%、6%和 3%。伴随着中国增材制造技术的相应成熟，在航天航空，汽车等 行业需求将持续增加。
4.2.1航天航空领域
增材制造技术在航空航天领域中的应用主要在于关键零部件的生产。航空航天装备的关键零部件通常具有 复杂的外形和内部结构，且工作环境特殊，而增材制造的加工过程不受复杂成型的限制，因此能够完成传统制 造工艺难以承担的任务。2018年，全球增材制造在航空航天领域的应用市场规模达到9.3 亿美元。
增材制造技术在航空工业中主要应用在钛合金、铝锂合金、超高强度钢，高温合金等材料领域。这些材料 基本都是强度高，化学性质稳定，不易成型加工，传统加工工艺成本高昂的类型。例如在飞机零部件制造方面， 由于零件的形状复杂，用传统方式制造成本很高，而 3D 技术有效地降低了飞机零部件的制造费用。波音公司已 经广泛地利用增材制造技术，在 2014 年制造了超过 2 万 2 千种零部件，波音 787 梦幻飞机上有 30 个由增材制 造技术制造的零件。
增材制造技术在航空航天制造行业的一个突破在于它在涡轮螺旋桨发动机领域的应用。2018 年，GE 公司 试飞的ATP飞机发动机为通过增材制造制作可以实现的可能性打开了新的空间。GE 公司先进的 ATP 发动机中， 有三分之一以上的部件是由增材制造来完成的。
根据增材制造技术的特点，设计师将八百多个独立部件减少到12 个。此外，增材制造用降低发动机重量的 方式来减少成本。轻5%的发动机可以节约20%的燃油消耗，并且其功力比传统加工方式制造的发动机多10%。 而在发动机的内部，增材制造技术完成燃烧室和许多结构元件的制造，这使得发动机更简洁、更轻和更紧凑，具有16:1 的工业级总压力比。与其竞争对手比较起来，这使其仅仅通过设计提高燃料燃烧效率带来的节约15% 的燃料，同时提高10%的巡航功率。
4.2.2工业汽车领域
增材制造技术在汽车领域中的应用主要包括汽车零部件打印、汽车个性化定制和电池电极打印三个方面。
在汽车零部件设计方面，增材制造技术使得更具设计性且颠覆传统的零部件设计得以实现。增材制造的快速成 型可以快速将设计图转换为实物，减少了复杂零件开发的开模环节，并且精度比传统制造更高;其次，增材制 造允许多种材料的选择，有助于汽车兼具轻量化、安全性和舒适性。在汽车个性化定制方面，使用增材制造技 术打印汽车，能够根据客户的偏好和需求制造出独一无二的车型，实现整车个性化定制。2015 年，全球增材制 造汽车行业总规模达到4.8 亿美元，预计到2020 年将达到15 亿美元。
在电池电极打印方面，增材制造技术能够打印出一种有受控气孔的微观金属结构，这种结构允许锂离子大 量进入电池的电极区，从而达到更高的电极利用率和蓄电能力。用作锂离子电池电极的微观金属结构能够将比 容量提升四倍，而且与传统固体电池相比区域容量增加了两倍。
4.2.3医疗领域
医药生物行业是目前增材制造技术扩张最为迅猛的行业。增材制造技术能够为医疗生物行业提供更完整的 个性化解决方案，典型应用有 3D手术预规划模型、手术导板、增材制造植入物，以及假肢、助听器等康复医疗 器械。同时，生物增材制造技术将促进再生医学领域在人造活体组织与器官的研究，研究人员已经在利用生物 增材制造技术培养人造器官方面取得了很大的进展。
近年来医疗行业越来越多地采用金属增材制造技术(直接金属激光烧结或电子束熔融)设计和制造医疗植 入物。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)、墨尔本医疗植入物公司Anatomics和英国医生联手，为一 名 61 岁的英国患者实施了增材制造钛-聚合物胸骨植入手术，这也是全球首创。新型胸骨植入物能够比之前的 纯钛植入物更好地帮助重建人体内的“坚硬与柔软组织”，病人在术后仅 12 天就能出院，并且恢复十分迅速。而 增材制造技术用于制造骨科植入物，可以有效降低定制化、小批量植入物的制造成本，并可以制造出更多结构 复杂的植入物。
使用金属、塑料等非活体组织材料增材制造的定制化假肢、牙科、骨科植入物、助听器外壳等医疗器械都 属于“初级阶梯”。而打印血管、软骨组织这类单一的活体组织属于“中级阶梯”。增材制造的人工肝脏、心 脏等人工器官则属于“顶级阶梯”。无论是人造血管、软骨组织，还是肝脏组织、肾脏组织，其核心是特定类 型细胞的分离(或定向诱导)及大规模扩增。而生物增材制造技术，在人工组织、器官培养过程更多承担了三 维形状的构建，即让人体细胞按照预先设计好的形状来生长。因此人造器官、组织的发展更大程度上取决于生 物技术的发展。
根据毕马威对医疗器械行业的研究，医疗行业有望保持稳定增长，全球年度销售额预测以每年超过5%的速 度增长，到2030 年销售额将达到近8000 亿美元。这反映出随着人们现代生活习惯病日益普遍，对创新型新设 备(如可穿戴设备)和服务(如健康数据)的需求持续增长，以及新兴市场(尤其是中国市场)的经济发展释 放了的巨大潜能。2015 年，全球医疗行业增材制造市场规模3.5 亿美元，预计到2020 年将达到7.6 亿美元， 复合增长率将超过15%。
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（报告来源：中信建设证券；分析师：黎韬扬、刘永旭）