西部证券:2021年3D打印行业深度研究报告

一、3D打印——制造技术革命性创新

1、3D打印技术改变传统制造生产模式

增材制造(Additive Manufacturing,简称 AM) 俗称 3D 打印技术,有别于传统减材制造, 是一种快速成型技术,通过对模型数字化立体扫描、分层处理,借助于类似打印机的数字 化制造设备,利用材料不断叠加形成所需的实体模型。目前已经广泛应用到航空航天、医 疗器械、建筑、汽车、能源、珠宝设计等领域,美国《时代》周刊将增材制造列为“美国 十大增长最快的工业”,英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起 推动实现第三次工业革命”,改变未来生产与生活模式,改变制造商品的方式,并改变世 界的经济格局,进而改变人类的生活。

与传统制造技术(减材制造)相比,3D 打印不需要事先制造模具,不必在制造过程中去除大量的材料,也不必通过复杂的锻造工艺就可以得到最终产品,具有“去模具、减废料、 降库存”的特点。在生产上可以优化结构、节约材料和节省能源,极大地提升了制造效率。 该技术适用于新产品开发、快速单件及小批量零件制造、复杂形状零件的制造、模具的设 计与制造等,同时也适用于难加工材料的制造、外形设计检查、装配检验和快速反求工程。 3D 打印另一个显著的优点是,区别于传统加工技术理念“制造引导设计”,其可以实现“设 计引导制造”,完全实现创意驱动,制造出符合特定消费者需求的产品。

2、3D打印技术:基础技术日趋成熟、新技术不断涌现

3D 打印技术最初由 Charles Hull 在 1986 年在被称为立体光固化(SLA)过程中开发出来, 随后又发展出选择性激光烧结(SLS)、选择性激光熔化(SLM)、微喷射粘结技术(3DP) 等技术。进入 21 世纪以来,3D 打印技术有了新的突破与发展,在大类技术的细分下催生 出许多满足特定行业需求的小类技术。如 SLA 技术:数字光处理(DLP)、多头喷射技术 (PloyJet),SLM 技术:直接金属激光烧结(DMLS)。

3、3D打印材料:金属材料、复合材料成为未来发展趋势

3D 打印材料是 3D 打印技术发展的重要物质基础,材料是 3D 打印发展的重要制约因素。 根据 Wohlers Associates Inc 发布的 2019 年 3D 打印下游应用行业统计显示,汽车工业 占比最大,为 16.4%;消费电子以及航空航天以 15.4%和 14.7%占据第二、第三位。根据 下游领域制件品的特性,金属、复合材料需求空间大,有望成为 3D 打印材料的“引爆点”。

一般 3D 打印所用的原材料都是专门针对 3D 打印设备和工艺而研发的,与普通的金属材 料、塑料、石膏、树脂等有所区别,其形态一般有粉末状、丝状、层片状、液体状等。可 从材料属性的角度出发对增材制造技术进行归类:如立体光固化(SLA)采用液态光敏树 脂材料;分层实体制造法(LOM)需要纸、塑料膜等片状材料,而选择性激光烧结(SLS) 和选择性激光熔化(SLM)则以金属、陶瓷粉末材料为主。

二、3D打印有望从导入期进入快速成长期

1、全球3D打印年均增幅20%,预计2026年规模突破370亿美元

自 20 世纪 80 年代起,3D 打印有了初步发展。而 3D 打印技术真正开始产业化发生在 20 世纪 90 年代。根据 3D Hubs《2020 年 3D 打印产业年度报告》显示,自 2013 年至 2020 年,全球 3D 打印产值增长近 4.2 倍,到 2020 年达到 126 亿美元。预计 2020-2026 年间 将保持 20%的年均复合增幅,到 2026 年有望达到 372 亿美元。

根据 2020 年 3 月赛迪顾问 (CCID)发布的《2019 年全球及中国 3D 打印行业数据》,2016 年-2019 年间,我国的 3D 打印产值增长一倍,2019 年产业规模为 157.5 亿元,较 2018 年增加 31.1%。预计到 2020 年,将以 32.06%的增速,实现 208 亿元的产业规模。美国国际数据集团(IDG)也预测, 中国 3D 打印市场规模在近五年内将以高于全球 3D 产业的速度增长,有望保持 30%以上 的年均增长率,到 2020 年突破 220 亿元。

结合国家层面政策指导以及国内近 6 年 3D 打印产业发展态势,前瞻产业研究院预测,到 2025 年,我国 3D 打印市场规模将超过 630 亿 元,2021-2025 年复合年均增速 20%以上。

从产业细分结构来看,根据赛迪顾问(CCID)公布的数据显示,我国的 3D 打印设备市场 规模最大,2020 年产值达到 92.54 亿元,这主要是因为设备单价高、部分依赖进口导致。 由于许多工业零部件存在唯一适配性,许多公司为客户提供定制化服务,目前规模第二大 的是 3D 打印服务市场,2020 年的产值为 64.46 亿元。由于我国对 3D 打印材料研发水平 较为局限,加上 3D 打印材料整体单价相对较低,因此目前规模最小、增速最慢。在 2020 总产值为 50.59 亿元。

2019 年,我国 3D 打印材料产业规模达 40.94 亿元,从市场细分情况来看,金属材料产业 规模为 15.56 亿元,非金属材料产业规模 25.38 亿元,分别占 38.01%与 61.99%。非金属 材料主要为塑料、陶瓷、光敏树脂等,广泛应用于消费品、医疗教育等行业。而目前,我 国工业级应用的金属粉末(钛、不锈钢等)研发较少,相关的 3D 打印技术(SLS、SLM 等)对金属粉末的形状、大小要求较为严格,金属 3D 打印制作技术与设备还较为缺乏。

从我国 3D 打印下游市场细分情况来看,主要集中在民用消费、工业设计、航天军工三大板块。根据赛迪顾问(CCID)公布的数据显示,在 2019 年,中国 3D 打印应用服务产业结构中,工业领域应用服务产业规模达 29.23 亿元,占比达 64%,消费领域产业规模 16.44亿元,占比 36%。

2、行业由导入期步入成长期,迎来快速增长阶段

综合 3D 打印技术、产值等分析情况来看,根据波特的行业生命周期理论,我们推测目前 3D 打印处在成长初期。从产值角度看,目前行业增长率超过 20%,在中国年均增长率甚 至超过 25%,根据相关机构预测,未来五年内还将加快增长速度。从技术的角度来看, 3D 打印经历过产品新、质量差,专攻研发与技术改进的“负盈利”导入期,目前部分技 术较为成熟、销量开始攀升、市场份额不断扩大、竞争者不断涌入,符合成长期的特征。 在未来还将有一段较长的成长期,最终过渡到成熟期,达到最高的产值和利润总量。

三、航空航天、汽车、医疗有望成为3D打印应用蓝海

1、核心专利到期释放新机会,新一轮专利抢占开启

1985 年 3D 打印之父 Hull 提交了名为“UVP INC”的专利申请(US4575330B1),这也 是大众熟知的立体光固化成型技术。1987 年,Scott Crump 发明了熔融沉积成型(FDM) 技术并申请了相关专利。从 3D 打印专利申请趋势来看,早期的年专利申请量较为稳定, 在 1985-2011 年间,年均申请量仅为 2000 件,年均复合增速 3.6%。2012 年后,随着各 大高校院所积极参与研究、3D 打印公司深入布局核心专利,3D 打印专利申请量迎来了爆 发小高潮。

2、资源并购整合加剧、新模式出现

在中国,资本主要流向金属 3D 打印技术,对微米级电板 3D 打印、生物医疗 3D 打印的 投资也比较多。在国外,化工材料巨头加大对 3D 打印复合材料的投资;此外还有一些创 新性的 3D 打印技术得到种子轮、A 轮资本支持;针对 3D 打印的生产管理、后处理等产 业配套方向,逐渐成长出优质创业公司。

总体来说,3D 打印相关企业融资案例主要发生在美国、德国、英国、以色列等 3D 打印 技术较为成熟的国家;3D 打印公司的技术,更注重生产制造的质量和效率的提升,剑指 批量化生产;金属 3D 打印相关企业融资案例不多,但发生融资的一般金额都很大,产业 已逐步发展成熟,市场格局初具形态。

2016 年,GE Additive 收购瑞典 Arcam 公司和德国 Concept Laser 公司。2017 年,3D Systems 收购了牙科材料公司 Vertex-Global Holding 公司。2019 年,蔡司收购了德国 GOM 公司。资源的整合有利于 3D 打印企业市场布局,为客户提供“一站式”服务。

3、航空航天、汽车、医疗器械有望成为3D打印应用蓝海

起初,3D 打印问世时设计的桌面级打印机主要服务于消费领域,规模较小,增速较慢。

近年来,3D 打印技术已经成为航空航天等高端设备制造及修复领域的重要技术手段,并逐 步向建筑、服装、食品等领域扩展,成为产品研发设计、创新创意及个性化产品的实现手 段以及新药研发、临床诊断与治疗的工具。

根据沃勒斯报告的问卷调查显示,2019 年 3D 打印下游应用占比最多的是汽车工业领域 (16.4%)、其次是消费电子领域(15.4%)与航空航天领域(14.7%)。

从总体情况来看,航空航天、汽车工业、医疗齿科三大领域是 3D 打印未来重点应用领域。

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