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。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。
增材制造产业链：设备研制是核心环节
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。
市场规模持续提升，航空航天、汽车应用前景广阔
预计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%；2018年，我国增材制造行业总收入超过110亿元，预计2020年产业规模将达到240亿元，年均增速在30%以上。
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%。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。
一、增材制造介绍：快速成型技术，较减材制造优势突出
1.1增材制造技术介绍
增材制造（Additivemanufacturing）是快速成型技术的一种，又称3D打印（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
1、三维设计：设计软件和打印机之间协作的标准文件格式是STL文件格式。一个STL文件使用三角面来近似模拟物体的表面，三角面越小其生成的表面分辨率越高。PLY是一种通过扫描产生的三维文件的扫描器，其生成的VRML或者WRL文件经常被用作全彩打印的输入文件。
2、逐层打印：打印机通过读取文件中的横截面信息，用液体状、粉状或片状的材料将这些截面逐层地打印出来，再将各层截面以各种方式粘合起来从而制造出一个实体，可以造出任何形状的物品。
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：
2、提高原材料的利用效率：与传统的金属制造技术相比，增材制造机制造金属时只产生较少的副产品。随着打印材料的进步，“净成形”制造可能成为更环保的加工方式。
3、完成复杂结构的实现以提升产品性能：传统减材制造方式在复杂外形和内部腹腔结构的加工上具有局限性，而增材制造可以通过进行复杂结构的制造来提升产品性能，在航空航天、模具加工等领域具备减材制造方式无可比拟的优势。
二、增材制造技术分类：技术工艺主要由应用材料决定
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：
（1）设计模型：通过CAD软件设计出需要打印的模型，然后利用离散程序对模型进行切片处理，然后设置扫描路径，运用得到的数据进行控制激光扫描器和升降台。
（2）打印：激光光束通过数控装置控制的扫描器，按设计的扫描路径照射到液态光敏树脂表面，使表面特定区域内的一层树脂固化后，当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面;然后，升降台下降到一定距离，固化层上覆盖另一层液态树脂，再进行第二层扫描，第二固化层牢固地粘结在前一固化层上，逐层叠加而成三维工件原型。
（3）后处理：待打印完成之后，从树脂液体中取出模型，然后对模型进行最终的固化和对表面进行喷漆等处理，以达到需求的产品。
2.3箔材叠层实体制造LOM
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。
三、增材制造产业链：设备研制是核心环节
3.1增材制造产业链
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。
3.2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。
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。
3.3.2软件制造商
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。LEOLane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材料制造商
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SandvikMaterialsTechnology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。
四、增材制造下游需求：市场规模快速增长，航空航天应用前景广阔
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航空航天领域
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
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%。
五、风险提示
1、技术研发进展不及预期；
2、下游应用市场拓展不达预期；
报告信息
证券研究报告名称：《军民融合产业链系列之七增材制造（一）：技术革命方兴未艾，设备制造位居产业核心》
本报告分析师：黎韬扬
执业证书编号：S1440516090001
研究助理：刘永旭
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黎韬扬
北京大学硕士，军工行业首席分析师。2015-2017年新财富军工行业第一名团队核心成员，2015-2016年水晶球军工行业第一名团队核心成员，2017年水晶球军工行业第二名，2015-2016年Wind军工行业第一名团队核心成员，2017年Wind军工行业第二名，2016年保险资管最受欢迎分析师第一名团队核心成员，2017年保险资管最受欢迎分析师第二名。
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清华大学电子系本科，航天二院硕士，军工行业研究助理。6年航天总体单位工作经验，2017年新财富军工行业第一名团队成员，2017年水晶球军工行业第二名团队核心成员。
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