某某工厂-专业生产加工、定做各种金属工艺品

报告出品方：招商证券

以下为报告原文节选

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一、3D 打印概况

1、技术原理

增材制造技术（Additive Manufacturing,AM）又称 3D 打印（3DPrinting），是一种以数字三维建模为基础，融合计算机辅助设计、材料加工、材料成形技术，使用金属材料、非金属材料及医用生物材料，按照层层叠加、分层制造的离散堆积原理，快速制备形状复杂工件的成型技术。相比传统的材料去除（切削加工）技术，是一种“自下而上”材料累加的制造方法。美国材料与试验协会（ASTM）F42 国际委员会对增材制造给出的权威定义为：依据三维模型数据将材料连接制作物体的过程，相对于减法制造它通常是逐层累加过程。

2、发展历程

3D 打印启蒙于 1940 年，美国人 Perera 提出切割硬纸板并逐层粘结成三维地形图的方法。1986 年美国人 Hull 发明光固化技术（SLA）并成立了全球首家 3D打印公司 3D Systems，标志着 3D 打印技术逐步从理想走进现实，并相继开创出粉末激光烧结（SLS）、熔融沉积（FDM）和喷射打印（3DP）等多种 3D 打印技术路线，该阶段 3D 打印主要以模型、原型制造为主。2000 年以后，金属3D 打印如激光选区融化（SLM）、激光近净成形（LENS）等技术的出现，近乎完美地解决了传统制造无法实现超复杂加工的痛点，3D 打印进入到大规模产业化试制和应用阶段。

51漫画

3、产业政策梳理

目前政策重点主要集中在 3D 打印材料、技术提升与标准建设方面。2015 年，我国 3D 打印产业在“中国智造”引导下迎来高速发展契机，《中国制造 2025》等一系列政策描绘了增材制造行业的发展路径51漫画。2016 年国务院印发的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》标志着产业化的落地。2017 年工信部、发改委等十二部门发布《增材制造产业发展行动计划（2017-2020 年）》，设立了 2020 年增材制造产业年销售收入超过 200 亿元，年均增速在 30%以上的目标。2020 年国家标准化管理委员会、工信部等发布了《增材制造标准领航行动计划2020-2022年)》。

4、产业链

3D 打印行业产业链上游主要包括 3D 打印原材料（金属、非金属等）、核心硬件（主板、DLP 光引擎、振镜系统、激光器等）、辅助运行（扫描仪、软件等）供应商等。中游以 3D 打印设备及打印服务厂商为主，大多设备提供商亦提供打印服务业务及原材料供应，在整个产业链中占据主导地位。下游应用领域已覆盖航天航空、汽车工业、医疗等领域。

目前打印服务为 3D 打印行业最大板块。根据 Wohlers Report 2022 报告数据，2021 年全球 3D 打印服务的收入约 90.15 亿美元，占比达 59.1%；全球 3D 打印设备实现销售额 31.74 亿美元，占比达 20.8%；全球 3D 打印材料销售额为 30.55亿美元，占比为 20.0%，相比 2020 年提升了 3.5pcts。

二、上游

1、原材料

3D 打印产业链上游主要包括 3D 打印原材料、核心硬件、辅助运行工具供应商。
3D 打印原材料主要包括金属材料、工程塑料、光敏树脂材料等类别。核心硬件主要包括主板、DLP 光引擎、振镜系统、激光器等 3D 打印设备的核心零件。辅助运行工具主要包括 3D 建模软件、3D 建模扫描仪和 3D 模型数据平台，相关包括三维软件开发商以及耗材生产商等。

国内 3D 打印金属材料占比高于全球，以钛合金、铝合金和不锈钢为主。2021年全球 3D 打印材料中占比最高为聚合物粉材和光敏树脂，分别为 34.7%和25.2%，金属 3D 打印材料占比约为 18.2%，预计未来随着建筑、汽车、航空航天和医疗等下游行业的发展，金属 3D 打印材料的需求量将不断攀升，其市场空间也将进一步扩大。2021 年我国 3D 打印金属材料占比约 40%，钛合金、铝合金和不锈钢占比分别为 20.2%、10%和 9.1%。

2、金属粉末制备工艺

金属粉末为金属 3D 打印主要原材料形态。金属 3D 打印依据材料维度分类，可以继续细分为金属粉末、金属丝（棒）材料和金属箔材打印，也即颗粒粉末材料、一维金属材料和薄膜金属材料。在所有金属 3D 打印技术中，超过 90%的装备以金属粉末作为原材料。

金属粉末制备方法按照制备工艺主要分为：机械破碎法和物理化学方法的还原法、电解法、雾化法等。机械法制备的粉末呈不规则状，并且只适合脆性金属或合金粉末的破碎制粉。雾化法克服了还原法和电解法仅限于单质金属粉末的生产缺陷，不仅可以生产出合金粉末，还可以对粉末的形状和雾化效率进行控制。

3D 打印金属粉末的制备方法主要有气雾化（GA）、等离子旋转电极雾化（PREP）、等离子熔丝雾化（PA）和等离子球化（PS）技术。

（1） 气雾化制粉技术（GA）

气雾化制粉技术（GA）是目前制备球形粉末最普遍的方法。历史起源于 1920s，属于二流雾化范畴。采用高速惰性气体直接将熔融金属或者合金液体击碎凝固冷却得到粉末。根据熔炼方式的不同分为多种气雾化技术，最适合 3D 打印用金属粉末制备的技术有真空感应熔炼雾化（VIGA）和电极感应熔炼雾化（EIGA）。

➢ 具体过程：1）母合金置于真空感应炉熔炼至熔融状态；2）熔融态的合金液流流入雾化喷嘴被高速气体击碎形成细小液滴；3）液滴在雾化室飞行过程中迅速冷却凝固为粉末颗粒；4）粉末收集系统收集颗粒。
VIGA：将金属在真空状态下在坩埚中进行熔炼，陶瓷坩埚主要适用于 Fe 基、Ni 基、Co 基、Al 基和 Cu 基合金等非活性金属粉末的制备。活性金属如 Ti 合金在熔化条件下会与陶瓷坩埚剧烈反应，对粉末造成污染，需使用水冷铜坩埚。
EIGA：将合金加工成棒料安装在送料装置上，抽真空并充入惰性保护气体，电极棒以一定的旋转速度和下降速度进入下方锥形线圈，棒料尖端在锥形线圈中受到感应加热作用而逐渐熔化形成熔体液流，在重力作用下流入锥形线圈下方的雾化器，高压氩气经气路管道进入雾化器，在气体出口下方与金属液流发生交互作用，经过高压气体作用将液流破碎成小液滴，液滴在雾化室飞行过程中由于自身表面张力球化凝固形成金属粉末。
➢ 优点：产量大、效率高、细粉收得率较高、夹杂物尺寸小等

➢ 缺点：气体消耗大，易出现空心粉、卫星粉等

➢ 关键技术：喷嘴结构、对金属原料棒材熔炼过程的控制（如 EIGA 工艺中，感应线圈的实时功率与棒材熔融温度必须严格耦合）

➢ 代表性企业：英国 PSIG 公司和德国 ALD 公司，国内通过引进国外设备，逐渐掌握了该技术。
（2） 等离子旋转电极雾化（PREP）等离子旋转电极雾化（PREP）通过将高速旋转的棒料端部熔化，金属液滴在离心力作用下飞出并在惰性介质环境中冷却成固态而制备球形金属粉末，在 1974年由美国 Nuclear 公司开发。
➢ 具体过程：1）在等离子枪作用下，利用大功率熔化超高转速的电极棒，在合金电极棒一端产生约 20000℃的高温，形成 10-20μm 厚度的金属熔化层；2）在电极棒超高转速旋转条件下，金属液滴所受离心力逐渐克服金属熔化层的黏滞力，在合金棒的径向形成小液滴，称为“冠”；3）冠积累形成“露头”，在雾化室内通过自由落体和低温氦气的冷却形成近似球状的金属粉末颗粒。

➢ 优点：1）粉末粒径分布窄，粒度更可控，球形度高，粒度分布在 20-200μm 之间。2）基本不存在空心球和卫星球；3）粉末陶瓷夹杂少、洁净度高；4）粉末氧增量少，可控制在 0.005%以下。
➢ 缺点：受电极棒转速和工艺限制，细粉收得率低，生产成本较高。
➢ 代表性企业：美国 Nuclear、中航迈特、威拉里、西北有色金属研究院、顶立科技等。

（3） 等离子熔丝雾化（PA）等离子熔丝雾化（PA）利用等离子热源制备球形粉末，由加拿大 Pegasus Refractory Materials 公司于 1995 年发明，随后加拿大 AP&C 将该技术商业化，其母公司 Arcam 被美国 GE 公司收购。
➢ 具体过程：1）将丝材校直后送入三束汇聚的等离子射流中心；2）在高焓的等离子射流加热条件下，丝材端部发生熔化，在汇聚的超音速等离子射流撞击下发生雾化；3）破碎液滴在表面张力作用下发生球化，飞出等离子射流后冷却凝固形成高球形粉末。
➢ 优点：1）相较 GA 工艺，耗气量非常低，空心粉问题改善；2）球形度高；3）等离子射流具有极高温度，覆盖所有的金属及其合金熔点范围。
➢ 缺点：丝材制粉限制了可使用金属类型且增加了制备粉末成本

➢ 代表性企业：AP&C 拥有该技术的垄断

（4） 等离子球化（PS）

等离子球化（PS）利用射频等离子体将粉末颗粒熔化，在表面张力和极高温度梯度共同作用下迅速凝固形成球形粉体。
➢ 具体过程：1）在惰性气体保护下，将不规则形状粉末输送到等离子体高温区，利用等离子体区域 104K 的高温作用，粉末颗粒迅速熔融变为细小液滴；2）液滴在表面张力影响下形成球形，经冷却后得到粉末。
➢ 优点：球化率高、细粉比例高➢ 缺点：难以制备低氧含量细粒径钛合金粉末、尚未实现工业化生产

➢ 代表性企业：加拿大 TEKNA，国内部分科研院所自主研发了设备但尚未商业化

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（特别说明：本文来源于公开资料，摘录内容仅供参考，不构成任何投资建议，如需使用请参阅报告原文。）

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