2023年3D打印行业研究报告：3D打印工艺端的理解

1 基础工艺成熟，新技术不断涌现

1.1 七大基础增材技术成熟，推动行业发展

国际标准化组织辖下增材制造技术委员会发布 ISO/ASTM 52900：2015 标准将 增材技术分为 7 大类，分别是：立体光固化（SLA）、粘结剂喷射(3DP)、定向能量 沉积(DED)、薄材叠层（LOM）、材料挤出(FDM)、材料喷射（PloyJet）、粉末床熔融 （SLM、SLS、EBM）。目前主流使用的 3D 打印技术大致可以分为两大类，即金属 类与非金属类。其中，FDM 凭借其易操作、材料利用率高以及 FDM 线材机械性能优 异等优势广泛应用在制作成品原型或研发模型中。而光固化技术中 SLA 技术是最早 出现的一种快速成形技术，凭借激光扫描及光固化原理更适用于制作精度要求高的物 品，但以点为单位打印速度较慢。而金属类以 SLM 技术最为成熟，利用激光器将粉 末进行逐层叠加。

SLM、SLS 和 EBM 是主流的成型工艺。SLS 和 SLM 属于利用激光器将粉末进 行逐层叠加，而 EBM 则利用高能电子束扫描熔融粉末逐层固化成形。SLS 相比 SLM 需要另添加粘合剂材料，混合粉末后 SLS 打印的成品硬度和精度略差于 SLM 制品。 而 EBM 利用电子束产生的热量和能量高于 SLM，更适合制造高导热金属、高温合 金、高熔点金属零件，但 SLM 利用激光打印的制品力学性能和制品强度仍略优于 EBM 制品。综合看烧结\粘结成型技术凭借金属材料和技术特点能保证制品的硬度、 力学性能好等优点更多应用于工业制造、航空航天、汽车制造中。

1.2 金属 3D 打印技术对比：SLM 技术成当前主流技术

主流的金属 3D 打印技术为：SLM、EBM 和 DED。

（一）选择性激光熔化（SLM）

选择性激光熔化（SLM）是通过激光器对金属粉末直接进行热作用，不依赖粘结 剂粉末，金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得所设计结构的 金属零件。SLM 技术为了更好的融化金属需要使用金属有较高吸收率的激光束，所 以一般使用的是 Nd-YAG 激光器（1.064 微米）和光纤激光器（1.09 微米）等波长 较短的激光束。优点是 SLM 技术使用纯金属粉末，成型的金属零件致密度可达接近 100%；抗拉强度等机械性能指标优于铸件，甚至可达到锻件水平；致密度力学性能 与成型精度上表现较好。

（二）选区电子束熔炼技术（EBM）

选区电子束熔炼技术（EBM）与 SLM 技术相似，不同之处是 选用电子束作为 能量源，选择性熔化金属粉末，从而使得金属粉末熔化凝固，成型方式与激光选区熔 化类似。EBM 技术具有更高的能量利用率及成形效率，有利于成形脆性材料、易裂 材料，但提高加速电压会更容易导致电子枪发生高压放电现象，因此对设备和真空环 境的要求更高。

（三）定向能量沉积（DED）

定向能量沉积（DED）工作原理类似 SLM，它使用高能源(例如激光或电子束) 将金属粉末熔化和熔合在一起，以逐层构建零件。这种技术可以根据设计要求直接在 零件上添加材料，从而实现高度复杂的形状和结构。相比于 SLM 技术的优势之处在 于，第一，该技术允许激光头和工件更灵活地移动，从而增加设计自由度。第二，在 DED 设备运行中，惰性气体直接从激光头流出并包围粉末流和熔池，不依赖于充满 惰性气体的压力室，3D 打印加工过程可以立即开始，大大压缩了生产准备时间。第 三，能生产大型零件，且不需要任何支撑结构。缺点在于熔化过程不如 SLM 精确， 成品部件通常必须进行再加工。 与 EBM 对比：EBM 打印技术与 SLM 技术的不同之处在于热源、成型工作环 境、工作成型预热温度、铺粉厚度以及粉末粒径。EBM 技术能够处理高温、易开裂 和反光合金，且打印零件密度高，具有均匀的微观结构和优越的机械性能，粉末损耗 率低等优点。然而，EBM 技术也存在明显缺点，如打印体积有限，对真空环境要求 严格，机器和材料更加昂贵等。

增材制造选用原则主要受用途、制品质量要求、材料、成型效率、成本、激光器 以及外部环境的影响。

粉末影响最大，不同 3D 打印技术适用于不同的打印材料。从材料角度出发：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。

SLM 是当前金属打印主流方案，产品性价比相对占优。选择使用哪种金属技术 需要考虑零件细节、形状、尺寸、强度、金属类型、成本、打印速度和数量等方面的因素。通过金属 3D 打印出的产品普遍具有优异的性能，可契合航空航天&军工、医 疗等行业苛刻的性能要求，但也面临整体打印成本较高（几万至几十万不等）、成品 尺寸受限、生产效率较慢的问题。其中 SLM 打印性价比相对占优，具备高致密度、 高强度、高精度、高利用率的优势，同时成本相对 EBM 和 LENS 较低，技术发展 成熟，是当前金属 3D 打印主流的解决方案。

1.3 新技术不断涌现，国内外存在工艺创新差距

近几年中国很少出现大幅革新的 3D 打印技术产品，通常都是老技术的完善和升 级；但是，国外却不断涌现出一个又一个新的 3D 打印技术和产品，非常值得我们思 考。下面，我们对这些国内缺少的 20 项 3D 打印技术产品进行盘点，希望引起关注。

2 新技术层出不穷，关注粘结剂喷射技术与区域打印技术

2.1 SLM 技术：主流工艺，综合性能满足航空航天、消费电子需求

直接金属成型是最早采用的金属打印工艺之一，包括在打印床上分布均匀平整 的金属粉末层。金属粉末层的厚度在 15 到 100 微米之间。能量束在顶层扫描并熔化 粉末。目前，L-PBF 是最普遍的工业化解决方案，采用激光作为能量源。SLM 设备 一般由光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件和保护气密封单元几个部分组成：

1) 光路单元：主要包括光纤激光器、扩束镜、反射镜、扫描振镜和 F-Ө 聚焦 透镜等。激光器是 SLM 设备中最核心的组成部分，直接决定了整个设备的 成型质量。SLM 设备所采用的光纤激光器，转换效率高、性能可靠、寿命 长、光束模式接近基模等，优势明显。高质量的激光束能被聚集成极细微的 光束，并且其输出波长短。

2) 扩束镜：作用是是扩大光束直径，减小光束发散角，减小能量损耗。

3) 扫描振镜：由计算机进行控制的电机驱动，作用是将激光光斑精确定位在加 工面的任一位置。通常使用专用平场 F-Ө 扫描透镜来避免出现扫描振镜单 元的畸变，达到聚焦光斑在扫描范围内得到一致的聚焦特性。

4) 机械单元：主要包括铺粉装置、成型缸、粉料缸、成型室密封设备等。铺粉 质量是影响 SLM 成型质量的关键因素，目前 SLM 设备中主要有铺粉刷和 铺粉滚筒两大类铺粉装置。成型缸与粉料缸由电机控制，电机控制的精度也 决定了 SLM 的成型精度。

5) 控制系统：包括激光束扫描控制和设备控制系统两大部分。激光束扫描控制 是计算机通过控制卡向扫描振镜发出控制信号，控制 X/Y 扫描镜运动以实 现激光扫描。

SLM 工艺共有 9 个主要流程。主要流程涵盖数据处理→模型切片→原料装载→ 打印→除粉→缓解压力→移除支撑→支撑表面处理→提高装配表面精度。

继承 EOS 设备体系，SLM 工艺受下游市场验证。铂力特所代理的是德国 EOS 公司的 3D 打印设备，这家成立于 1989 年的企业为全球最大的金属 3D 打印设备提 供商。随着 EOS 设备在国内市场不断应用，SLM 工艺受下游市场认可。目前 SLM 工艺市场优势主要有：1）成熟的软件和机械技术；2）工艺直接交付金属零件；3） 在目前所有金属增材技术中致密度最高；4）因其能够打印航空航天业常用的大尺寸、 重负荷最终使用部件而备受推崇。但是该工艺仍存在一些缺点：1）工作流程和工艺 开发需要大量资源和专业人员；2）热应力导致成品率降低；3）部件焊接在构建板上， 必须用电火花拆除，支撑材料也必须切割或铣去；4）松散的金属粉末可能很危险， 需要经过大量培训才能处理。更换材料需要花费数小时的时间，而且污染和爆炸风险 很高。

2.2 BJAM 技术：成本较 PBF 与 DED 技术更低，核心性能尚不满足下游需求

粘结剂喷射增材制造（Binder Jetting Additive Manufacturing，简称 BJAM） 技术是一种常见的低成本金属 3D 打印技术。该技术基于粉末床工艺，通过喷墨打印 头逐层喷射粘结剂选区沉积在粉末床上，粘结打印三维实体零件初坯，随后将打印的 初坯置于均匀的热环境中进行脱脂和烧结，使其致密化并获得机械性能良好的零件。

以工业、电子、医疗为代表的应用领域空间广阔，加速金属 3D 打印技术的发展。 BJAM 技术提供了一种经济的方法来打印具有悬垂、复杂内部特征和无残余应力的 金属零件，在多个行业中具有广泛的应用前景。例如，在医疗领域中可以使用 BJAM 打印义齿框架、外科植入物等。打印的一体式复合网状抛物面反射器天线由于其整体 结构使故障率明显减小。另外，在打印网状轻量化和中空等工业产品和艺术品方面也 具有突出的低成本和高效率优势。

随着 BJAM 技术的发展，其设备也在不断发展。目前生产 BJAM 设备的公司主 要包括 3 类: (1）Ex One（已被 Desktop Metal 收购）。拥有多种类 BJAM 打印机， 其中 X1 160Pro 设备是目前最大的金属 BJAM 印机，成型缸体积是同类系统的 2.5 倍以上; (2）Digital Metal，其中 DM P2500T 机最大打读率达到 12 000 cm3/h，打印 速度是激光选区燃化（SLM）技术的 100 倍；（3)Desktop Metal、GE、3DEO、HewletPackardp（HP）、3D Systems、Voxeljet 等公司也推出了 BJAM 打印机，Ex One 公 司开展了广泛的材料测试，包括 304L、316L、M2 工具钢和 Ni 718 合金等，其他材 料还包括 17-4PH 合金、6061 铝、钻铬合金、铜、H13、钛、钨合金等。

BJAM 打印技术的关键：材料与粘结剂。1）粉末特性影响 BJAM 打印件性能。粉末特性主要包括粉末形态、平均尺寸和粒径分布等几何特性，以及粉末流动性、铺 展性和堆积密度等物理特性。其中，粉末形态和尺寸特征影响零件的机械性能，流动 性和堆积密度影响零件的致密化程度。粒度和粒度分布会影响初坯的密度，进而影响 烧结样品的致密度和最终零件的微观结构。粉末堆积密度是确定颗粒排列规律的重要 参数，也是影响最终产品烧结致密度和收缩程度的关键参数，一般粉末堆积密度越大， 收缩率越小。2）粘结剂种类及特性。粘结剂必须是可打印的，只有粘结剂具有合适 的粘度，才能保证形成单个液滴并从喷头的喷嘴中脱落。同时，粘结剂需要有足够的 粘结强度才能保证打印的初坯结构完整。粘结剂还会影响脱脂温度、烧结温度和残留 物特性。

与 PBF 和 DED 技术相比，BJAM 技术存在独特的优点:低成本、材料体系广泛、 表面质量良好和无需支结构等。BJAM 由于不需要激光器和精密光学器件，所以其机 器成本较低。另外，BJAM 技术的可用材料范围较为广泛，与 PBF 和 DED 技术相 比，BJAM 技术更有能力处理具有高光学反射率、高导热率和低热稳定性的金属材料， 尽管 BJAM 技术像其他基于粉末的 AM 技术一样需要进行除粉，但是不需要添加支撑结构，可以实现复杂的几何形状(如内腔等)。

金属 BJAM 技术也存在明显缺点，最主要的是后处理烧结或浸渗难以获得高致 密度零件，与电子束AM金属零件相比，BJAM技术制造的金属零件其机械性能略低， 只能达到铸造水平，致密度和孔隙率与 SLM 工艺差距较大，难以用在消费电子领域。 而消费电子由于需要防水等功能对于孔隙率与致密度要求较高，而根据前文钛合金用 BJAM 工艺致密度只有 70%，以目前工艺技术水平无法满足下游市场的需求，为该 工艺的发展难点。而且使用 BJ 制作的生坯在烧结前非常脆弱，后续需要后处理步骤， 在某些情况下还需要额外的设备。

2.3 区域 3D 打印技术：效率提升新思路，规模化生产的潜在工艺

区域打印技术的重点在于光路的设计和控制。整个系统包括一组二极管激光器、 一个非相干光束组合光学系统、一个短脉冲激光器和传输光学器件、光学可寻址光阀 (OALV)、图像投影仪以及打印平面上方的其他光学器件。区域打印所采用的是一个 模块化的脉冲红外激光源，最高输出功率为 30 千瓦。其工作原理可分为四步：

1）脉冲红外激光源的光束经整形将输出转化为一个均匀、一致的方形场，约为 15x15 毫米。

2）蓝色激光投影仪将零件的截面图案投影到红外激光束的方形区域内。蓝光图 案代表了每个方形场内的零件几何形状。整个方形区域内含超过 230 万个像 素，每个像素为 6-10 微米，这比现有的 PBF-LB 工艺在 x 和 y 方向上的分 辨率高，每一层层厚固定为 25 微米。

3）经调整后的红外光和蓝光会通过一个光学可寻址光阀。光学可寻址光阀可在 光或电信号的控制下改变入射光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长。 在两束光重合的区域，红外光场会呈现水平方向的状态；在只有红外光的区 域，红外光会呈现垂直的状态。这是实现有选择性地将红外光引导到粉床上， 按既定的图案熔化粉末的关键一步。

4）在偏光镜的作用下，水平和垂直状态的红外光被分离开来。图案化的光束用 于熔化粉末。剩余的红外光线则被送到束流收集器。整个过程每秒可重复四 十次，也就是说，在一秒钟内将粉末熔化成四十个方形区域。

创造未来：区域打印工艺中使用非常高的功率，是单激光技术中使用的功率的 10-150 倍。 1）传统方式提升效率主要是增加激光数量或者使用 BJAM 工艺；L-PBF 系统的 打印速度可实现 10-100cm³/h 的制造速度，通过增加激光数量，该速率可以提升到 300cm³/h。当前的 3D 打印设备供应商采用了使用增加激光头的方法来提高生产效 率，而额外的激光头和相应的光学系统组件是昂贵的，会导致机器和折旧成本的增加。 而粘结剂喷射技术（BJ）则可以将打印速度提升至 900cm³/h（还需漫长的固化烧结）。 根据材料的种类以及零件的几何形状，体积成本可控制在 0.5~1.8 美元/cm³。然而要 与传统的批量制造技术竞争，成本必须降低 10 倍以上，即低于 0.1 美元/cm³。

2）传统金属 3D 打印系统采用 100μm 直径左右的连续激光光斑逐点扫描熔化 金属，而 Seurat 采用全新的脉冲激光控制技术，可将包含 200 万个直径约为 10μm 光点的光束投射到10mm 的正方形区域中，一个脉冲即可实现一片区域的熔化成形。 这种技术相比传统单激光逐点扫描，构建速度提升了 1000 倍。Seurat 对金属 3D 打 印技术的提升还不只是体现在“区域打印”上面，它还具备边铺粉边打印的功能，这 无疑会进一步提升制造速度。

传统 L-PBF 技术的主要工艺参数包括激光功率、扫描速度和光斑尺寸、分层厚 度等，区域打印引入了许多描述脉冲激光和打印准确性的新参数，如脉冲能量、图案 尺寸、每个图案的像素以及频率等等。

目前该技术使用在能源燃气轮机主漩涡器和汽车电机外壳制造领域。1）燃气轮 机漩涡器被安装在西门子 SGT 5/6 8000H 燃气轮机的一个先进的燃烧系统中，用于 混合燃料气和压缩空气。使用增材制造将 8 个零件减少到 1 个零件，缩短了交货时 间，并通过优化设计和工业化生产实现了积极的商业案例。据 Seurat 透露，试点工 厂具备每年生产超过 25 吨金属零部件的能力，并已经接到了总计 4000 吨材料的订 单意向书，未来几年的预计收入将超过 7.5 亿美元。以与西门子的合作为例，Seurat 承诺将在六年内为其制造符合性能要求的 59 吨涡轮机金属零部件。

区域打印技术旨在将制造成本优势超过传统压铸工艺。Seurat 第一代装备可以 实现约 300 美元/公斤的制造成本，这已经将金属 3D 打印的成本降低了 40%，突破 了现有的单件成本壁垒；到 2025，其第二代设备有望将打印速度提升到现有 L-PBF 工艺的 100 倍，使平均零件打印成本将为 150 美元/公斤；到推出其所谓的第 X 代， 则会将制造成本降至 25 美元/公斤以下，从而在金属制造领域开辟更大的市场。其发 展目标是到 2030 年，将制造成本优势超过传统压铸工艺，促使增材制造成为主流制 造技术。

3 投资分析

3.1 铂力特：全产业链布局，国内金属 3D 打印龙头企业

铂力特是国内金属 3D 打印先行者与领头羊、是全产业链布局 的稀缺龙头。铂力特成立于 2011 年 7 月，并于 2019 年 7 月 22 日登陆科创 板。公司始终专注于工业级金属增材制造，为客户提供全方位的金属增材制造与再 制造技术解决方案，构建了较为完整的金属 3D 打印产业生态链，整体实力在国 内外均处领先地位。

下游：应用于航空航天、工业机械、能源动力、轨道交通、汽车制造、船 舶制造、电子工业、模具制造及医疗研究等各领域，其中广泛应用于航空 航天领域。

客户：包括中航工业、航天科工、航天科技、航发集团、中国商飞、中国 神华能源、中核集团、中船重工及各类科研院所。

产品：1）金属 3D 打印原材料：公司在金属材料、功能材料、金属基复 合材料等方面具有研究积累，在金属增材制造的新材料开发领域处于国 际领先地位；2）自主研发了 SLM、LSF、WAAM 系列金属 3D 打印设 备，为国际先进水平；3）产品生产与服务：要使用核心金属 3D 打印技 术生产相关产品，后处理过后进行销售。

毛利率高位企稳，细分领域营收持续高增。铂力特近三年在维持高毛利率的同 时营收仍保持高速增长。分下游应用行业来看，航空航天领域在毛利率高于 50% 的情况下连续三年增长，2022 年同比增速为 101.71%。

3.2 华曙高科：3D 打印领军企业，技术创新驱动公司发展

华曙高科为中国领先工业级增材制造技术全套解决方案提供商。华曙高科十余 年来专注于工业级增材制造设备的研发、生产与销售，致力于为全球客户提供金属 （SLM）增材制造设备和高分子（SLS）增材制造设备，并提供 3D 打印材料、工 艺及服务。公司已开发 20 余款设备，并配套 40 余款专用材料及工艺，正加速应 用于航空航天、汽车、医疗、模具等领域。公司是全球极少数同时具备 3D 打印设 备、材料及软件自主研发与生产能力的增材制造企业，销售规模位居全球前列，是 我国工业级增材制造设备龙头企业之一。

产品矩阵涵盖行业上游粉末与中游设备。华曙高科形成了系列自主 SLS 高分 子粉末材料产品及匹配 SLM 与 SLS 设备多样化应用的工艺体系，协同公司核心 产品构成多位一体的金属与高分子工业级增材制造完整自主技术与品牌价值体系， 在大尺寸、多激光、连续增材制造以及高性能粉末材料等增材制造研发应用方向上 成为走在国际前列的民族企业。华曙高科率先在行业内开放设备及其软件技术功能， 以设备、软件、材料、工艺的全方位开放，降低行业技术应用门槛。同时，公司依 托强大的设计、生产、服务的系统综合能力，快速响应市场多样、复杂的产业化需 求，连续、稳定向美国、德国等增材制造强国销售工业级自有品牌 SLM、SLS 打 印设备及 SLS 尼龙粉末材料，自主产品出口至全球 30 多个国家。

收入和利润快速稳步增长。2019 年到 2022 年营业总收入和归母净利润均保 持稳步增长，2020 年华曙高科实现营业收入 2.17 亿元，同比增长 40%，归母净 利润 0.41 亿元，同比增长 128%。2021 年没有受到疫情的负面影响，公司业绩持 续快速增长，2021 年营收 3.34 亿元，同比 54%，净利润 1.17 亿元，同比 187%。 22 年营收稳步增长，净利润由于疫情影响期间费用大幅提升，出现下降的情况。

公司的技术优势主要体现在：1）完整性，是市场上少数掌握从原材料到成品 制造的完整技术体系的公司，同时掌握了动态聚焦和定焦两种 SLM 技术的主要分 支；2）自主性，公司可提供设备零部件完全国产化替代方案，拥有完全自主知识 产权的具有开放性特征的全套 3D 打印工业软件系统，可从软件端设置多类技术 参数开放供用户自由调节，可为重要领域的增材制造技术应用提供具有信息安全保 障的国产化高性能增材制造设备；3）开放性，公司的技术体系与产业化客户深度 绑定、协同并进。

3.3 银邦股份：高端金属复合材料领先企业，子公司深耕 3D 打印行业

高端金属复合材料领先企业，产品矩阵完善。公司立足铝合金复合材料、多金 属复合材料等新材料、新技术的综合化研发和生产，向着轻量化材料解决方案提供 商转型升级，公司生产的钎焊铝合金复合材料全面应用于汽车热交换、家用空调、 轨道交通、航空航天、电站空冷等领域，通过与国际一线的主机厂商建立合作共同 服务于特斯拉、BMW、奔驰、中车、卡特彼勒、GM 等品牌。公司自主研制开发铝 钢、铝不锈钢、铝铜、铝钛、铜钢、钢不锈钢等数十种多层金属复合材料产品系列,可满足对材料性能多样化的需求，在生活电器、汽车零部件材料、高档炊具、手机 外壳和中框材料、海洋工程、航空航天、机械冶金等领域有着广阔的应用前景。

飞而康是国内最早从事金属 3D 打印应用服务的厂商之一，深耕航空航天业务 十余载，建设工业化生产工厂，积极推动 3D 打印产业化应用。飞而康是国内首家 通过金属 3D 打印适航认证、拥有金属粉末制备-金属 3D 打印部件制造-热等静压 处理-性能检测完整生产工艺的企业，制造的 3D 打印零件已被批量应用到 C919 飞 机的生产中。飞而康这两年都实现了破亿的营业收入，其中大部分任务是为航空航 天领域配套的，航空航天产品是飞而康目前的业务基石，也正是这个领域高质量、 高标准的要求磨砺了飞而康技术能力和交付能力。

编辑：火腿肠