机械行业新兴领域专题研究-3D打印开启制造新时代
专题研究|机械设备
2014年2月5日
证券研究报告
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目录索引
3D打印技术概况 (4)
历史沿革 (4)
技术类别 (5)
适用材料 (8)
3D打印应用与市场 (9)
医疗（个性化需求） (9)
汽车（过程性需求） (10)
航空航天（小批量高精密） (11)
3D打印市场快速增长 (12)
3D打印相关企业 (14)
全球企业发展态势 (14)
S TRATASYS公司 (15)
3D SYSTEMS公司 (18)
投资建议 (21)
风险提示 (21)
3D打印技术概况
历史沿革
3D打印（3D printing）也称为“增材制造（Additive Manufacturing）”，它是新兴的一种快速成型技术。与传统的减材制造工艺不同，3D打印是以数据设计文件为基础，将材料逐层沉积或黏合以构造成三维物体的技术。
3D打印的思想萌芽和实验探索由来已久，但现代意义上的3D打印技术于20世纪80年代中期诞生于美国。Charles Hull（3D Systems公司的创始人）和Scott Crump （Stratasys公司的创始人）是3D打印技术的先驱人物。1986年，Charles Hull发明了第一台3D打印机，之后成立了第一家3D打印公司3D Systems。1988年，3D Systems公司推出了世界上第一台基于SLA技术的商用3D打印机SLA-250，它的面世标志着3D打印商业化的起步。Scott Crump研发了另一3D打印主流技术FDM，于1989年申请了美国专利并创立了Stratasys公司，1992年推出第一台基于FDM技术的“3D Modeler”打印机。经过二十余年的发展，3D打印机在工业领域已经有一定的应用基础。随着计算能力、设计软件、新材料及互联网进步的不断推动，3D打印技术近年来发展迅速，应用领域不断拓宽，显示出巨大的发展潜力。
3D打印与传统制造业的最大区别在于产品成型的过程上。在传统的制造业，整个制造流程一般需要经过开模具、铸造或锻造、切割、部件组装等过程成型。3D打印则免去了复杂的过程，无需模具，一次成型。因此，3D打印可以克服一些传统制造上无法达成的设计，制作出更复杂的结构。随着技术的不断进步，3D打印在铸造精度上已经可以与传统方式相媲美，但是在大规模生产上，3D打印目前仍无法获得规模经济，在成本上和效率上不具优势。因此，3D打印主要被应用于个性化、小批量和高精度的产品制造上。
图1：Google趋势显示的“3D printing”搜索热度变化
数据来源：Google，广发证券发展研究中心
技术类别
3D打印的主要构成要素包括3D打印机、原材料以及软件设计文件。它依托多学科的
知识背景，包括精密机械、材料科学和信息技术等。
3D打印机经过20多年的商业化发展已经形成多种成熟技术，包括SLS、DMLS、FDM、
SLA、DLP、FFF、MEM、LOM、EBM、SHS、3DP等。在精度上，3D打印已经能
够在0.01mm的单层厚度上实现600dpi的分辨率。常见的3D打印技术包括：FDM（熔
融沉积快速成型）、SLA（立体光刻）、SLS（选择性激光烧结）和3DP（三维粉末
粘接）、Ployjet喷射光聚合物、Projet UV紫外线成型等。
图2：3D打印技术的主要类别
数据来源：综合各公司资料整理，广发证券发展研究中心
熔融沉积快速成型FDM（Fused Deposition Modeling）
1988年Scott Crump发明了FDM技术,并在此基础上成立了Stratasys公司。FDM无需
激光系统的支持，而是采用喷头。它的工作原理是首先将用于打印的热熔性材料在
喷头中加热融化，然后通过微细的喷嘴挤压出来，沉积在制作面板或前一层已固化
的材料上。一层材料沉积完成后，工作台将按预定的增量下降一个厚度，层层叠加
连接成一体，直到实体完全成型。
FDM技术制造简单，成本低廉，性价比高，众多桌面级3D打印机都采用该工艺。但由于出料结构简单，因而难以精确控制材料成型的效果，成品效果不够精细稳定。
图3：FDM技术原理
数据来源：筑梦创造网站，广发证券发展研究中心
立体光刻SLA（Stereo Lithography）
SLA是最早应用的3D打印技术，在1986年由Charles W. Hull发明，并获得美国专利。SLA主要使用光敏树脂为材料，如环氧树脂、乙烯酸树脂或丙烯酸树脂，它在一定波长和强度的紫外光照射下可固化。运用这个原理，SLA通过紫外激光照射逐层凝固成型，最终得到完整的立体模型。
SLA技术的优势在于成型速度快、精度高，适合制作结构复杂的模型。但是SLA所使用的光敏树脂在未固化时有一定毒性，成品硬度低、不结实，一般主要用于原型设计验证。此外，SLA的设备和材料成本都很高，因此目前主要应用在专业领域。
图4：SLA技术原理
数据来源：筑梦创造网站，广发证券发展研究中心
选择性激光烧结SLS（Selecting Laser Sintering）
SLS由美国德克萨斯大学奥斯汀分校的C.R.Dechard于1989年在论文中提出，并于1992年开发了商业打印机。它利用粉末材料在高功率激光束扫描下烧结的原理，首先在工作台上铺一层薄层粉末，激光束在该层截面上扫描，使粉末温度升至熔化点，从而进行烧结并实现粘合。然后不断重复铺粉、烧结的过程，最后进行打磨、烘干等处理，直至整个模型成型。
SLS的成品精度好、强度高，支持多种材料。但SLS技术需要使用大功率激光器，技术难度较大，制造和维护成本非常高，因此主要应用于高端制造领域。
图5：SLS技术原理
数据来源：筑梦创造网站，广发证券发展研究中心
三维粉末粘接3DP（Three Dimensional Printing）
3DP由美国麻省理工大学的Emanual Sachs教授发明，并于1989年申请了3DP的专利。其工作原理与SLS工艺类似，都是采用粉末材料，但是3DP不是通过烧结，而是通过喷头用粘接剂（如硅胶）将零件的截面与材料粉末粘接。通过不断铺粉、喷涂、粘接的过程，最终完成零件的制造。美国Z-Corp公司基于3DP技术开发了3D打印成型机，2012年1月，Z-Corp公司被美国3D systems公司收购。
3DP技术是一种流行的、成本低廉的打印方法。它的优势在于成型速度快、无需支撑结构，能够输出彩色打印产品。但是3DP技术的成品强度并不高，表面也不如SLA 光洁，精细度不高。
3D打印应用与市场
在应用上，3D打印的优势体现在个性化、复杂精密、高难度的生产制造。事实上，在规模制造领域，3D打印的成本和效率仍难以与传统制造匹敌。因此，3D打印主要被应用在价格敏感度不高、小批量以及精密制造的产品。尽管目前各个领域几乎都在尝试此项新技术的应用，包括时装、房屋、食品等，但3D打印在医疗、汽车和航天航空领域的应用在未来最被看好。
医疗（个性化需求）
对人体身体部位的复制是高度定制化的产品，目前3D打印已经应用于人体假肢、骨骼、助听器、牙齿等。通过3D打印，这些部件可以与身体完全契合，与身体融为一体。以骨骼为例，当人体的某块骨骼需要置换，可扫描对称的骨骼，再打印出相应的骨骼，最后通过手术植入人体内。对更复杂的器官，包括血管、心脏、肝脏、大脑等，现在仍处于研究和实验阶段，但在未来植入3D打印器官也很有可能成为现实。
图7：3D打印的颌骨
数据来源：网络图片，广发证券发展研究中心
案例：在国内，3D打印“骨骼”技术已经于2013年被正式批准进入临床观察阶段。目前，北京大学第三医院骨科专家刘忠军教授带领的团队在征得病人同意后，运用3D打印技术治病救人，已有近40位患者植入了3D打印出的“骨骼”。该院在脊柱及关节外科领域研发出3D打印脊柱外科植入物，其中颈椎椎间融合器、颈椎人工椎体及人工髋关节三个产品已经进入临床观察阶段。这种3D打印的假骨有助将周边的骨头吸引过来，使人体骨骼和植入物结合起来，促进患者康复。到目前，使用3D打印骨骼的患者恢复情况非常好，在很短的时间内，就可以看到骨细胞已经长进到打印骨骼的孔隙里面。但这项技术目前仍处在人体试验阶段，真正地临床广泛应用还需要试验结果的证实以及相关部门的审批。
汽车（过程性需求）
汽车制造具有规模经济的特性，但是前期的零部件研发测试阶段则是一个小批量生产过程，因此利用3D打印是一个理想的方案。对这种过程需求，生产要求快速成型，即尽可能缩短开发周期、降低研发成本，以便对关键的零部件进行可行性测验并及时调整。在传统的方式中，零部件测试需要首先进行模具开发、铸造、锻造等工序，这中间需要大量的人员和设备投入，而且时间需求长。但3D打印则免去了这些复杂的前期工序，只要将设计图纸连接打印机，就可以很快得到测试部件，加快整个研发流程。不仅是汽车领域，对于任何复杂的零部件，3D打印都能以一种成本有效的方式改进整个设计及测验过程。而随着未来3D打印技术的日趋成熟，它也可能进入到最终产品的生产和制造中。
图8：3D打印的汽车零部件
数据来源：Stratasys，广发证券发展研究中心
案例：世界著名汽车生产商—美国福特公司早在1988年就购买了其首台3D打印机，如今福特利用FDM、SLS等3D打印技术进行汽车部件的开发。一辆新车的研发时间动辄几年，研发经费则可能高达上亿。在汽车研发出来后，需要经过台架测试、路面测试等多个环节，才能投入最终的批量生产。福特利用3D打印快速生产出气缸头、进气歧管、排气通道、刹车片和后桥等零部件原型，节省了数百万美元的开发成本和大量的开发时间。
进气歧管是发动机中结构最复杂的部件之一。制造传统的进气歧管铸件，需要把液态金属浇铸注入预先准备好的铸型中。从计算机模型到制造出原型部件的过程大约需要4个月的时间，花费的成本大约为50万美元。而利用3D打印技术，进气歧管原型部件快速成型，省去了复杂的工序。福特公司在4天之内就可以制作出进气歧管原型部件，而这过程中花费的成本仅为3,000美元。
案例：3D打印技术被视为有助于提升航空航天能力水平的关键技术之一。目前，全球两大飞机制造商波音和空客都已经采用了3D打印实现一部分零部件生产，而不再需要将多种零部件进行拼接。波音公司利用3D打印技术制造了大约300种不同的飞机零部件，包括将冷空气导入电子设备的形状复杂的导管。这种导气管需要成本高昂且不能获得规模经济。传统的制造方式需要将不同的零件进行组装，但利用3D打印能够大幅简化这一流程。波音工程师迈克尔?海耶斯(Michael Hayes)表示，由于不再需要使用传统的螺丝来组合零部件，3D打印最多可以将零部件的重量降低30%，从而节约燃油成本。
3D打印市场快速增长
随着技术优化进步和应用领域拓展，全球3D打印市场正处于快速增长的过程。根据研究机构Wohlers Associates统计，2012年全球3D打印设备和服务市场达到22.04亿美元，较上年增长28.6%，预测2015年的市场容量将达到40亿美元，2017年将进一步增长至60亿美元，2012-2017年的复合增长率达到22%左右。在2010-2012年，3D打印设备和服务市场容量的复合增长率为27.4%，其中，价格低廉的“个人用户级”3D打印机产品（单价通常低于5,000美元）销售额在2008-2011年的复合增长率高达346%，而2012年的增长率也达到46.3%。
图11：Wholers预测的3D打印市场容量（百万美元）
CAGR=22%
数据来源：Wohlers Associates，广发证券发展研究中心
从应用领域来看，消费品、汽车、医疗分别占据3D打印应用市场的20.3%、19.5%和15.1%，而航空航天、政府和军事等领域则是3D打印增长速度领先的市场。从需求构成来看，服务（service）约占3D打印市场的半壁江山，而设备系统（systems）和材料（materials）各占约1/4。
图12：3D 打印的主要应用领域
数据来源：Wohlers Associates ，广发证券发展研究中心
与Wohlers Associates 相比，另一家著名研究机构Gartner 公司的预测要更为激进。在2013年10月发布的报告中，Gartner 预测单价在10万美元以下的3D 打印设备2013年销量将达到56,507台，较上年增长49%；其销售额将达到4.12亿美元，较上年增长43%。根据Gartner 的预测，2012-2017年，3D 打印设备销量和销售额的复合增长率将分别达到95%和82%，2017年的销量将达到1,083,496台、销售额将达到57.32亿美元。需要指出的是，虽然Gartner 和Wohlers Associates 预测的2017年市场容量都在60亿美元左右，但前者预测仅指设备，而后者包括设备、材料和服务。 图13：Gartner 预测的3D 打印设备销售数量（台）
数据来源：Gartner ，广发证券发展研究中心
消费品/电子
20.3%
汽车19.5%医疗/牙科
15.1%
航空航天10.9%工业/商用机器
10.8%
科研用途7.9%政府/军事6.3%
建筑/地理4.0%其他5.2%
Stratasys公司
早在1989年，Scott Crump和合作伙伴在美国明尼苏达州一起创建了Stratasys公司，并在1992年推出其3D打印的首个产品。结合自有研发、收购IBM相关技术，Stratasys 逐渐成为FDM（熔融快速成型）技术的领军企业。2011年5月，Stratasys收购了在蜡模和铸件制作等方面拥有先进技术的Solidscape公司；2012年4月，Stratasys以14亿美元收购了以色列Objet公司，从而得到后者的Polyjet Matrix技术；2013年6月，Stratasys以4亿美元收购了MakerBot公司，加强了在桌面消费级市场的影响力。截止2012年底，Stratasys公司总共出售超过29,000台3D打印设备，位居3D打印设备制造业的首位。2013年前3季度，Stratasys的营业收入为3.31亿美元（其中，产品占收入比例为85%左右），实现净利润0.56亿美元（Non-GAAP）。
Stratasys共拥有四大技术平台：（1）FDM技术，使用热塑性材料，制造的产品耐久性良好、环境友好；（2）Polyjet Matrix技术，使用树脂类材料，制造的产品细节丰富、表面光洁度高，可同时使用多种材料；（3）Smooth Curvature Printing技术，使用热塑性材料，制造的蜡模等具有高精密性；（4）Extruded plastic filament技术，使用热塑性挤压型材，主要应用于桌面级产品。
图15：Stratasys公司的营业收入和利润（百万美元）
数据来源：Stratasys，广发证券发展研究中心
在收购MakerBot以前，Stratasys的产品可分为三大序列：（1）Idea系列，主要用于概念模型，其单价为10,000~20,000美元，型号包括uPrint和Mojo；（2）Design 系列，主要用于原型制造，其单价为25,000~60,000美元，型号包括Desktop、Dimension、Fortus 250mc、Eden Family、Connex Family、Objet 1000等；（3）Production系列，主要用于制造过程，其单价为30,000~380,000美元，型号包括Fortus 360mc、Fortus 400mc、Fortus 900mc、3Z Pro、Ortho30等。
2013年前3季度，3D Systems的营业收入为3.59亿美元，净利润达到0.33亿美元。与Stratasys公司的收入主要来源于3D打印设备销售不同，3D Systems的业务包括了打印设备、材料、服务等三大板块，2013年前3季度分别贡献收入的43%、25%、32%。在销售区域方面，欧美等发达国家是3D Systems的主要市场，来自美国市场的销售占全部销售收入的比例达到56%，其次为德国占10%，而欧洲其他国家和亚太地区则分别占16%、18%。
图24：3D Systems公司营业收入按类别构成（百万美元）
数据来源：3D Systems，广发证券发展研究中心
图25：3D Systems公司营业收入按区域构成（百万美元）
数据来源：3D Systems，广发证券发展研究中心
图28：3D Systems公司使用的打印材料
数据来源：3D Systems，广发证券发展研究中心
投资建议
3D打印技术逐渐成熟，其应用在快速拓展中，显示了新兴技术的巨大潜力。在中国，
3D打印技术的掌握和应用还处于比较初级的阶段，但作为全球制造业的大国，利用
先进技术改进生产方式、提升生产效率，甚至激发潜在的消费需求，国内企业仍大
有可为之地。在3D打印领域努力攻克核心技术、结合自身优势进行创新性应用的企
业，值得我们密切关注。
风险提示
3D打印作为新兴的制造技术，其应用拓展和市场需求具有不确定性。