调查研究：增材制造，打开批量生产的新阶段

纵观产业发展，我们可以发现，一项新技术的出现往往伴随着几个阶段： 

一、 萌芽期

新技术在萌芽期往往表现出与传统技术完全不同的特殊性，但同样，相较于传统技术存在较多的问题，如稳定性、成本、安全性等等，因此该阶段的主要参与者是各大高校的实验室、巨头企业的研究院以及国家政府部门的研究所等。由于试验阶段的技术不计成本，因此该阶段是新技术诞生的沃土。

二、 成长期

不是所有新技术都能迎来茁壮的成长，也许只有少数获得了行业巨头的关注，带来了需求。巨量的资金投入到该领域，一方面是为了加速新技术的迭代，更重要的原因是为了使得新技术获得产业化。能够产业化的技术才有实际的商业价值，而大部分的技术都在产业化落地层面出现了问题而半途夭折。由于欧美国家在创新层面有较大优势，因此该阶段一般是海外引进的技术，由国内企业孵化落地，产业链国产化率较低。

三、 低谷期

发展是曲折的，在走向产业化的道路上，新技术一般会面临短期过热的局面，人们对于新技术的期望过高导致大量的资金和人力投入，而产出相对较低。随后，新技术在发展早期相对不成熟、应用偏窄等问题逐步浮现，带动产业出清。在出清过程中，昂贵的进口设备和材料成为了降本的阻碍，因此国内企业开始尝试国产化，国产化率稳步提升。尽管行业面临需求下降、供给出清等不利因素，但同时也积蓄了力量，顺利度过寒冬期的企业在成本控制、客户渠道以及技术实力上具有较大优势，因此在行业复苏阶段将率先受益。

四、 发展期

行业经历了寒冬期的迷茫后，终于在部分领域找到了合适的应用，该阶段的企业迎来了快速发展。在此阶段，下游需求高速增长，全产业链产能快速扩张、资本开支高增之下，相关公司业绩陆续兑现，一二级投融资活动开始活跃。同时，国产化率进一步提高，带动产业链相关企业技术快速发展。

五、 成熟期

成熟期阶段基本的行业及公司竞争格局已经确定，技术路线成熟，因此存量玩家倾向于通过建立较高的护城河以及打压行业整体利润的方式将新进入者挡在门外。同时由于行业高速增长阶段已经过去，行业内公司的毛利率回归到一个正常阶段，静待下一轮技术迭代的出现。

我们认为增材制造行业大致也经历过上述阶段，同时在产业规模不断扩容、国产化率提升以及技术成熟成本降低的过程中，增材制造可以直接生产的产品规模也从一开始修复性、定制化的几件或者几百家逐步发展为小规模、批产化的上千甚至上万件：

早期3D打印价格较高，但具有无模具的优势，需求主要集中在单件定制、修复零部件等领域，该领域的需求呈现出低频、少量的特点，因此市场空间较小、技术成熟度较低、尚未实现规模生产。在我国该阶段的企业管理者多为高校教授、海外归国华人等一批具有前瞻性创业者；

随着技术的发展，3D打印逐渐呈现成其高复杂性、轻量化等特点，并在设计人员中逐步得到认知，3D打印使得工艺可实现性不再是限制设计人员创新能力的枷锁，随着设计单位对部件结构的再设计和性能优化，增材制造成为了某些武器装备性能提高的必选项。由于武器装备采购数量在数千件到上万级别，而此时的增材制造技术经过多年发展，实现了兼顾效率和成本，因此在航空航天领域，增材制造实现了快速的增长；

从定制化、修复性的需求到小规模、批产化的需求，增材制造行业在供给侧和需求侧均实现了突破。供给侧层面，产业链从粉末到设备到服务的全流程完善，参与者从海外巨头过渡到国产厂家，核心零部件国产化替代加速以及激光头数量从单光到多光倍增——多方优化之下，3D打印供给方满足了规模生产的技术、效率和成本条件；而需求侧层面，下游客户设计端对于增材制造技术的接受度逐步提高，武器装备轻量化、高性能的要求带来了对于类似增材制造等新工艺的需求增长，同时航空航天领域需求的爆发也为增材制造的高速增长奠定了基础——3D打印需求方做好了对接产业变革的准备。自此，3D打印走过了一条认知度逐步提升、技术逐步成熟的批产之路。

随着技术进步、效率提高以及成本降低，解决了产品一致性问题的增材制造技术将逐步从数万件的量产规模向数百万件量产规模的产品迈进。尽管当前节点来看，在齿科领域已经有年产千万级的应用，但尚未形成推广效应，分析原因主要是由于两点，1）齿科产品较小，产品一致性要求不高，打印设备主要是小型设备，且集中度较低，因此星星之火未能燎原；2）齿科的应用主要思路是使用3D打印替换了原先的工艺，并未从设计端真正改变行业。因此要真正意义上在制造业中出现成规模的百万件级别的应用，必须在设计端、制造环节以及终端应用形态上真正独立于传统工艺。

由于年产百万甚至千万件级别的应用大多为民用领域，因此对应用的后端检测并不会像航空航天那样要求每件产品都需要检测，往往通过抽样等方式完成。而涉及到民用年产百万件级别的应用，主要有三大要求，即低成本、高效率和一致性——其中低成本主要指相对于传统工艺，3D打印的设计、加工以及后端热处理和检测的成本要持平甚至低于传统制造，当然部分领域也可以是通过再设计等方式实现全生命周期的平价；而高效率指的是3D打印需要具备大规模生产所必须的产能，因此对于设备集群化作业要求较高；最后，一致性指的是打印多个零部件最终成型的误差较小，这就要求设备打印精度和稳定性较高。民用领域的诸多要求使得3D打印在推广过程中必须解决上述问题才得以实现从万件到百万件的跨越。而龙头企业凭借自身在长期实践中的数据库和经验积累，更容易解决上述问题，因此将在民用领域铸就核心竞争力。

根据我们前期对于行业的理解以及产业链调研的情况，将就降低成本、提高效率以及产品一致性解决三个方面来谈一谈可能的实现路径。

制造费用报价通常是以单位机时费用和打印时间决定。单位机时费用取决于设备的成本和折旧年限——1）随着设备中核心零部件的批量化生产和国产化趋势，设备价格较早年间欧美企业垄断时期已经降低较多；2）为满足同一结构大批量生产的需求，专用的亚结构打印设备将出现，从而有效的压缩设备成本；3）折旧和维护相关成本随着设备稳定性提升有所下降，未来有望保持平稳。打印时间方面，打印效率和打印工作量与之有关，打印效率此处不详述，而打印工作量本质上是打印工件的粉末用量以及其复杂度双重决定的，拓扑优化在去除多余的结构的同时也增加了复杂度，但最终经过拓扑优化后的模型的平均打印时间有所下降；

粉末成本是决定原材料的重要部分，其主要取决于单位粉末的价格和总体用量。单位粉末价格方面，是否能够大批量生产、出粉率以及制粉设备的成本是关键——1）由于目前粉末年产量较少、出粉率仍有提升空间，因此成本上有潜在优化的空间；2）而制粉设备的折旧将随着国产率提升、大规模制粉设备的出现，呈现下降的趋势。总体用量方面，经过优化后粉末用量有所降低，同时支撑结构、良品率的情况也会影响到总体粉末用量，因此是未来重点优化的对象。近期行业内已经出现30度以下无支撑打印的案例，从而大大降低了粉末消耗；

效率是制造业继成本之下第二重要的因素。效率的提升对3D打印行业尤其重要，此外，由于增材制造行业制造单位多为单个设备，规模效应不那么显著，因此下游客户对于产能要求较高，通过提升效率可以有效的降低成本的同时满足客户产能的需求。目前影响打印时长的主要是铺粉时间和送粉时间。

铺粉时间的缩短主要依靠铺粉策略以及流水线作业。目前产业内已经完成了双向铺粉技术的普及，但是具有自主定制软件能力的公司已经开始研究变速铺粉的策略，通过变速铺粉可根据零件轮廓智能调节铺粉速度，从而达到铺粉速度和铺粉质量的平衡。此外流水线作业是近年来行业内提出的新型打印方式，将打印、铺粉等环节分离，采用多工位加工的方式，从而实现设备的连续生产。

送粉时间事实上是粉末的沉积效率问题，提高光源数量、打印层厚等是行业主要的解决思路。

光源数量层面，增材制造行业自2017年开发出多激光打印策略后，每增加一个激光头设备的打印效率就增加了20-50%，这也带来了自2017年至今行业内以“大”为强的军备竞赛——以铂力特为例，理论沉积速度由S210的最高15cm³/h提升至S1000的最高300cm³/h，效率提升20倍。但随着激光头数量的增多，行业内发现光源干涉、风场控制、接缝搭接等问题带来了设备和打印成本的陡增，同时超大设备、10激光头以上的效率边际提升正快速收敛。因此在民用领域，行业不约而同的将目光投向了“400-500尺寸”（此处指400mm*400mm*400mm——500mm*500mm*500mm腔体尺寸）的中型设备，凭借出色的成本和效率平衡，我们预计该型号设备将成为行业内的热销机型；

打印层厚方面，目前行业内头部玩家已经开始研究超大层厚打印。尽管加大层厚会一定程度上降低打印零部件的精度，同时对激光功率要求较高，但通过对高功率激光器高精度控制以及粉末飞溅问题的解决，在部分民用领域已经将单层打印厚度从50μm提升至140μm，提升幅度较高。在提升层厚的同时，也对设备的控制精度、高功率激光器稳定性等方面提出了要求。随着层厚提升，铺粉和送粉时间均得到了有效的减少。

一致性问题是3D打印技术走向增材“制造”的核心，早期的3D打印技术优势在于快速原型设计，这也意味着需求往往来自于一次性生产，而非真正的“批量制造”。在迈向产业化的过程中，客户无法接受低良品率、一致性差以及高昂的成本，因此产业经历了漫长且痛苦的工业化，终于实现了从工艺品迈向小批量工业品，在两航领域得到了应用。在两航领域，每一件打印的产品都需要搭配试棒，用于检测产品在打印过程中的性能，而往往检测成本接近于制造的成本。但民用领域无法接受高昂的检测成本，通常采用抽样检测的方式来确保产品的合格率，因此要从小批量的工业品迈向大批量的工业品甚至大宗商品，一致性的解决成为了核心：

1)     一致性首先体现在材料标准体系的建立。由于目前增材制造行业尚未形成标准的材料体系，往往第三方粉末无法通用，且各自有牌号等相关专利，这使得粉末的互换性较差，目前的打印服务企业大多采用自产或者专利授权加工等方式获得粉末，但仍存在原材料一致性较低的问题，未来随着粉末标准的统一以及粉末企业的整合并购，粉末一致性问题将得到逐步的解决；

2)     一致性同时要求设备本身足够优秀。打印设备是生产的基本单位，对于产品产出的一致性影响较大，头部企业在设备的稳定性、打印精度及搭接误差方面有较深理解，同时通过不断迭代优化形成了know-how的工艺路线，从而满足了客户对于设备稳定性、一致性的要求；

3)     其次，一致性要求打印服务企业对打印过程有自己的理解。打印服务涉及到建模、切片、打印和后处理，具有丰富打印经验的企业在拓扑优化、支撑设计、切片方法、过程监测以及后处理等方面有自己独特的数据库经验和工艺参数理解。要解决打印成品的一致性问题离不开相关企业团队丰富的打印经验；

4)     最后，构筑无人化工厂可以有效减少人为因素干扰。打印过程中装粉、打印、清粉、检测、后处理等工序均采用人工方法，主观因素较强，因此在生产过程数字化、无人化之后，人为因素干扰将被最大程度消除，从而保证产品交付的一致性。

下游需求不及预期：由于增材制造属于新工艺，市场尚需开拓，且尚未得到广泛的客户认知，因此存在成本过高、下游客户认知度不足等因素导致的下游需求不及预期的风险；

技术路线颠覆风险：由于增材制造产业发展尚不成熟，因此技术路线较多，尽管公司针对情况进行了多路线的多元化布局，但仍存在技术路线被新工艺新技术颠覆的风险；

募投项目投产不及预期：打印设备制造场地多为钢结构厂房，建设难度和建设周期不长，但仍存在项目建设进度受各种因素扰动而不及预期的风险；

核心零部件国产化替代进程不及预期：公司尽管已经具备一套国产化替代的解决方案，但核心零部件的国产化仍需下游客户的认可以及国产供应商的技术水平的不断提升，因此存在核心零部件国产化进程不及预期的风险；

市场竞争加剧风险：尽管增材制造行业是know-how工艺，对于经验和数据库依赖度较高，存在马太效应和品牌效应，但随着竞争对手的增多，存在竞争格局恶化，毛利率下降等风险。

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