文|錦緞研究院 希言
中國的比較優(yōu)勢與核心利益是制造業(yè)，制造業(yè)是中國經(jīng)濟發(fā)展與安全的基石。
放之近200余年全球現(xiàn)代商業(yè)文明，只在數(shù)個國家發(fā)生了有且只有一次的以制造業(yè)為內(nèi)核的“工業(yè)化起飛”，這些國家無一例外相繼成為世界強國。以此200余年歷史為鏡，除美國之外，尚無任何一個國家可以在失去制造業(yè)比較優(yōu)勢后，能夠持續(xù)占據(jù)世界經(jīng)濟舞臺中心。
當時間來到2023年，制造業(yè)的核心要素已發(fā)生巨大嬗變：
1.生產(chǎn)工具正從蒸汽、電力機械，轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣踊O備、智能機器人。
2.生產(chǎn)資料正從傳統(tǒng)能源，轉(zhuǎn)變?yōu)閭鹘y(tǒng)能源、新能源與數(shù)據(jù)資料融合。
3.生產(chǎn)力正從人，轉(zhuǎn)變?yōu)槿恕C器人與AI共生。
4.驅(qū)動機制正從企業(yè)內(nèi)部、行會組織，轉(zhuǎn)變?yōu)閲乙庵九c風險資本。
如是我們便不難理解這樣一個邏輯：當通用人工智能火焰開始跳動，制造業(yè)的底層技術競爭邏輯亦即開始重構(gòu)。率先掌握“新能源+新材料+AI+數(shù)據(jù)”這一融合性先進制造業(yè)技術通關密碼的國家，將在未來百年新周期內(nèi)，走上或繼續(xù)保留在世界經(jīng)濟舞臺中心。
恰好，3D打印正是這樣一個融通了前述生產(chǎn)要素，并在理論上足夠顛覆既有制造業(yè)格局的前沿生產(chǎn)力平臺與工具性技術。在此我們僅取兩例，即可深刻理解這一邏輯：
狹義上，在汽車行業(yè)，特斯拉領銜的鑄造一體化，即是3D打印的雛形，正推動汽車制造業(yè)一日千里。
廣義上，目前全球最風頭正勁的科技公司，“AI之王”英偉達，正在著力推進“cuLitho計算光刻技術”，則是以3D打印的變種，期革命性地推動“人類科技之巔”——光刻機核心技術的迭代與指數(shù)級效率提升。
市場中有兩類人：講故事的人與聽故事的人。通常來說，前者是鐮刀，后者是韭菜。而那些盛行一時的故事，大都以騙局告終。但就3D打印這則故事來說，即使最終出現(xiàn)了最悲觀的結(jié)局，但在結(jié)局未揭曉前，對于中國制造業(yè)而言，唯有飽和式研發(fā)投入一條路可以走——在絕對核心利益面前，不存在容錯率可言。
一言以蔽之，3D打印，國之重器。
01、我們?nèi)蕴幱?D打印“黑障期”
通往最前沿的技術領域，注定顛沛流離。僅就3D打印而言，已經(jīng)是數(shù)十年的技術概念，而今距離產(chǎn)業(yè)化破局仍有漫長的黑障期。
3D打印又稱增材制造（Additive Manufacturing，AM）是指以三維模型數(shù)據(jù)為基礎，通過材料堆積的方式制造零件或?qū)嵨锏墓に嚒?/p>
傳統(tǒng)制造業(yè)是通過切、銑、磨等機械加工方式去除多余材料從而成形所需零件的“減”材制造，3D打印則恰恰相反，它通過3D打印設備對數(shù)字模型文件進行分層處理，將三維實體變?yōu)槿舾蓚€二維平面，然后將金屬粉末、熱塑性材料、樹脂等特殊材料以自下而上逐層疊加的方式，疊加成一個三維的整體，大幅降低了制造的復雜度。
簡單來說，3D打印相比于傳統(tǒng)技術來說在小批量生產(chǎn)時的生產(chǎn)成本，個性化，復雜設計，材料利用率，加工便利性等方面都具有明顯優(yōu)勢。但如果一些產(chǎn)品能夠大批量生產(chǎn)，不需要復雜的設計或用傳統(tǒng)工藝加工就很方便的情況下3D打印則不占優(yōu)勢。
不同于傳統(tǒng)制造企業(yè)通過批量生產(chǎn)單一產(chǎn)品形成規(guī)模經(jīng)濟，3D打印依靠同一臺設備生產(chǎn)多樣產(chǎn)品。企業(yè)通過增加產(chǎn)品種類降低生產(chǎn)的單位成本，從而達到范圍經(jīng)濟。生產(chǎn)的主要成本可分為物料成本，機器折舊耗材成本和人工成本等幾個方面。
目前的3D打印主要應用于航天航空、汽車、醫(yī)療領域內(nèi)的部分細分領域內(nèi)，多年以來應用領域格局變化并不大。而復雜構(gòu)件的的需求在各個領域都或多或少的存在，未觸達的主要原因是受材料成本和設計成本的制約。
1、材料受限
材料作為3D打印的物質(zhì)基礎，其發(fā)展程度決定著3D打印未來是否能夠被廣泛運用。與傳統(tǒng)的機械加工不同，當前階段，3D打印的原料使用的主要是塑料材料、金屬粉末、陶瓷材料，而國內(nèi)在3D打印原材料方面生產(chǎn)企業(yè)較少。
以金屬粉末來說，其制造工藝主要是激光燒結(jié)成型，對粉末的顆粒度，純度都有著較高的要求，金屬粉末的質(zhì)量越好，粒徑越小，打印出的零件機械性能就越好。目前國內(nèi)的金屬材料性能和國外的相比仍然存在一些差距，大部分原材料的的使用仍依賴于進口。
而高質(zhì)量的金屬粉末制備成本很高，性能達標的成品金屬粉末價格一般是其所使用原材料的10—20倍。制備方式也是影響其價格的重要因素，就通常所用的制備方法來說，氣霧法生產(chǎn)金屬粉末的成本約為電解法的2-3倍，機械法的成本約為氣霧法的2-5倍。
目前主流的打印材料價格，鈦合金粉末的價格在1,500-1,800元/kg之間，鋁合金粉末價格在300-500元/kg之間，塑料ABS價格在19-23元/kg之間。
2、設計受限
在技術極客領域，設計一個模型單個設計師一天的費用大約在800元左右，一個普通的模型設計周期大概一到兩周，設計成本就在8000元左右。
如果模型制作復雜，精細度要求高設計周期將達到一兩個月甚至更長的時間，那么高達幾萬甚至幾十萬的設計費用就很難在小規(guī)模生產(chǎn)中攤薄，這也就成了3D打印普及化的瓶頸。
02、當下我們?yōu)楹雾毟裢庵匾?D打印
1、原材料從成本到工藝大幅累進推動價格下降
任何一種材料在早期制備工藝不夠成熟和完善的時候制備成本都是很高的。舉個例子，古代初步掌握煉鋼工藝的時候使用塊煉鐵的手法煉鐵，受限于耐火材料和鼓風技術的不過關，制備成本極為高昂，所以才有了“干將莫邪為楚王鑄劍，三年乃成”等典故，只有軍隊才能大規(guī)模配備鐵質(zhì)武器，百姓依然還是使用青銅器農(nóng)耕。
但隨著金屬3D打印產(chǎn)業(yè)在我國的發(fā)展，3D打印金屬粉末價格已經(jīng)在逐年下降。
以某上市公司龍頭為例，公司金屬3D打印粉末的價格從2020年144.48萬元/噸下降至2022年78.19萬元/噸（公司將2023年的募投項目中運營期首年金屬3D打印粉末銷售價格確定為61.95萬元/噸），同期由于降價進一步開拓了市場，銷售量由2020年的2.94噸快速增長至2022年的31.36噸。同時隨著技術端的成熟以及規(guī)模效應逐漸顯現(xiàn)，公司金屬3D打印粉末業(yè)務的毛利率從2020年的29.38%增長至2022年的38.98%。
原本阻礙3D打印產(chǎn)業(yè)化的核心成本已經(jīng)大幅降低，未來根據(jù)下游如消費電子等應用場景，開付出新的適配性能需求的工藝，疊加產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷增大，成本將會進一步降低。
另一方面，打印設備商的上游原材料均呈現(xiàn)不同程度的價格下降趨勢，其中占比最大的光學熱學類元器件如3kW光纖激光器的價格從2018年的40萬元/臺下降至2021年的10萬元/臺，降幅達到了75%。
技術工藝方面的突破同樣會帶來效率的提升，自2017年增材制造行業(yè)開發(fā)出多激光打印策略后，每增加一個激光頭設備的打印效率就將提升20%-50%，最新的六激光頭設備與市面上同體量的四激光頭設備相比，打印效率可提升約30%。
除了3D打印設備的生產(chǎn)制造商，產(chǎn)業(yè)鏈相關的配套服務廠商也在不斷發(fā)展壯大。一般3D打印件的表面比較粗糙，通常還需要傳統(tǒng)的加工手段來進行表面處理，過去難以找到配合服務廠商做后處理環(huán)節(jié)現(xiàn)在都可以輕松解決，產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同效應使得各個環(huán)節(jié)的成本和效率大大優(yōu)化。
2、AIGC的發(fā)展突破了設計的壁壘
大部分行業(yè)都存在著一些簡單重復性的勞動，設計領域同樣不例外。就五年前的行業(yè)來說，還有大量的簡單工作可以交由剛?cè)胄械男氯嘶驅(qū)嵙暽鷣碜?，如今隨著軟件效率的提升，簡單性重復勞動的工作時間已經(jīng)大大壓縮，設計周期變短，相應設計成本也在逐漸降低。
隨著AI大模型推開通用人工智能大門后，AIGC技術的涌現(xiàn)與應用開始威力初顯，未來將為設計行業(yè)整體帶來更為顛覆性的變革——80%的趨同性設計可以由AI來完成，人類負責20%的創(chuàng)新性工作，亦可降低設計參與者的門檻，簡單模型可由個人在較短時間內(nèi)制作完成。
目前行業(yè)內(nèi)公司均以已經(jīng)初步開始探索人工智能與3D打印的結(jié)合，不久的將來3D打印設計也會由AI帶來新一輪的革新。
03、制造業(yè)需要3D打印完成新一輪迭代升級
隨著社會的不斷發(fā)展進步，工業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出從“有”向“優(yōu)”的升級趨勢。例如由鋼鋁構(gòu)件換成鈦合金可以在強度，耐腐蝕，耐高溫和重量方面均實現(xiàn)大幅度改善，是工業(yè)制造升級的必經(jīng)之路。
但鈦合金硬度高彈性低的特點會在加工過程中導致刀具和刀片的磨損，縮短刀具的壽命，使得傳統(tǒng)數(shù)控加工鈦合金的成本較高。3D打印可以繞開傳統(tǒng)切削加工方式帶來的問題并減少材料浪費，有助于制造業(yè)的進一步迭代升級。
3D打印直接制造無需模具的特點亦能大幅減少制造環(huán)節(jié)，人員參與，材料損耗方面的成本投入，在制造復雜部件上有著無可比擬的優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)制造，對復雜構(gòu)件制造的研發(fā)周期可縮短到1/3，材料利用率有五到十倍的提升，利用率達90%以上。
近期美國相對論空發(fā)射的人族一號運載火箭占全箭質(zhì)量85%以上的零件就由3D打印制造，包括火箭的整個箭體和幾乎所有的發(fā)動機部件。整箭制作成本大幅度降低。以火箭燃燒室的制造為例，使用3D打印激光粉末床融技術（L-PBF),可以將工期從傳統(tǒng)制造的18個月縮短至5-8個月，成本降低35%-60%。未來3D打印為火箭制造帶來的優(yōu)勢很可能發(fā)生連鎖反應，重塑供應鏈。
3D打印的另一大特色是結(jié)構(gòu)強度高，自重較低。汽車行業(yè)設計所追求的節(jié)能，降耗，增加續(xù)航里程等目標，輕量化是是最為重要的技術路徑之一。據(jù)《輕量化技術和材料在汽車工程中的應用》中的數(shù)據(jù)，對于燃油車，汽車質(zhì)量每減少10%，汽車燃油效率將會增加6%-8%；而對于新能源汽車，每減重10%，續(xù)航里程可提升5-6%。
3D打印的大規(guī)模應用可以使汽車領域的開發(fā)、設計、制造過程發(fā)生巨大變化，實現(xiàn)更輕量化的設計，更安全的結(jié)構(gòu)，更短的研發(fā)周期。
目前寶馬、戴姆勒、通用、大眾等眾多知名車企已將3D打印技術應用于汽車零部件的量產(chǎn)。MakerBot公司3D打印趨勢報告指出，較2020年相比，2021年有將近一倍的車企增加了對3D打印的應用。
醫(yī)療領域?qū)τ趥€性化、定制化的需求也使得3D打印在醫(yī)療領域的應用快速增長，2019-2021年全球醫(yī)療行業(yè)增材制造市場規(guī)模自16.5億美元增至23.78億美元，CAGR達20.07%。
3D打印在體外器官模型、仿生模型制造，手術導板，個性化植入體制造方面均可實現(xiàn)降本增效。義齒金屬義內(nèi)冠使用3D打印技術可降低70%的人工成本，為義齒行業(yè)定制的3D打印設備FS121M-E6個小時可打印150顆義齒，每年打印100萬顆以上。
據(jù)Wohlers統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2022年全球3D打印市場規(guī)模為180億美元，同比增長18.3%。中國3D打印市場規(guī)模雖不及美國但增速較快據(jù)中商情報網(wǎng)數(shù)據(jù)，2022年中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模達330億元，同比增長52%。
目前全球3D打印市場主要集中在北美、歐洲和亞太地區(qū)三個地區(qū)，2021年美國、中國增材制造設備安裝量占比達33%、10.6%。中國市場的主流設備品牌包括聯(lián)泰、EOS、華曙、鉑力特、3DSystems、GE、Stratasys、惠普等。聯(lián)泰在3D打印行業(yè)中市場占比最大達16.4%，其次為Stratasys和EOS，分別占比14.8%和13.1%。
回望國內(nèi)，中國3D打印產(chǎn)業(yè)鏈上的廠商主要由鉑力特、金橙子、華曙高科、 銳科激光、有研粉材等：
鉑力特：3D 打印全產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋公司，背靠航空航天名校西工大，公司發(fā)展迅速。公司是一家專注于工業(yè)級金屬 3D 打印（3D 打?。┑母咝录夹g企業(yè)，為客戶提供金屬3D 打印與再制造技術全套解決方案，業(yè)務涵蓋金屬 3D 打印設備的研發(fā)及生產(chǎn)、金屬 3D 打印定制化產(chǎn)品服務、金屬 3D 打印原材料的研發(fā)及生產(chǎn)、金屬 3D 打印結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計開發(fā)及工藝技術服務（含金屬 3D 打印定制化工程軟件的開發(fā)等），構(gòu)建了較為完整的金屬 3D 打印產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，整體實力在國內(nèi)外金屬 3D 打印領域處于領先地位。
華曙高科：3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈中游制造設備公司。華曙高科十余年來專注于工業(yè)級 3D 打印設備的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售，致力于為全球客戶提供金屬（SLM）3D 打印設備和高分子（SLS）3D 打印設備，并提供 3D 打印材料、工藝及服務。
公司已開發(fā) 20 余款設備，并配套 40 余款專用材料及工藝，正加速應用于航空航天、汽車、醫(yī)療、模具等領域。公司是全球少數(shù)同時具備 3D 打印設備、材料及軟件自主研發(fā)與生產(chǎn)能力的 3D 打印企業(yè)，銷售規(guī)模位居全球前列，是我國工業(yè)級 3D 打印設備龍頭企業(yè)之一。
銳科激光：國內(nèi)光纖激光器龍頭企業(yè)。
銳科激光公司是一家專業(yè)從事光纖激光器及其關鍵器件與材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的國家火炬計劃重點高新技術企業(yè)，擁有高功率光纖激光器國家重點領域創(chuàng)新團隊和光纖激光器技術國家地方聯(lián)合工程研究中心，是全球有影響力的具有從材料、器件到整機垂直集成能力的光纖激光器研發(fā)、生產(chǎn)和服務供應商。
公司主營業(yè)務包括為激光制造裝備集成商提供各類光纖激光器產(chǎn)品和應用解決方案。2021 年公司產(chǎn)品應用于激光焊接、激光熔覆、新能源、3D 打印、船舶制造、航空航天等高端應用領域。
金橙子：3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈中游制造設備金橙子。
金橙子激光系統(tǒng)集成硬件產(chǎn)品包括高精密振鏡、激光器、場鏡及其他硬件，金橙子重點投入振鏡硬件研發(fā)，不斷提高振鏡硬件單品的自主研發(fā)比例，夯實差異化優(yōu)勢，降低生產(chǎn)成本，金橙子軟硬配套比例有望保持快速提升的態(tài)勢，振鏡業(yè)務有望成為主要增長點。此外，金橙子發(fā)揮技術和渠道協(xié)同優(yōu)勢，橫向拓展激光伺服控制業(yè)務。
有研粉材：3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈上游金屬粉末材料公司。有研通過多年霧化球形粉末制備技術的研究，掌握成套球形金屬粉末制備關鍵技術，設計并制造了適用于球形金屬粉末的霧化裝備，通過新型霧化器結(jié)構(gòu)設計、霧化系統(tǒng)的創(chuàng)新和霧化工藝參數(shù)的優(yōu)化，顯著的提高了成品粉末收得率、進一步提高了粉體的品質(zhì)。
以 3D 打印球形金屬粉末為例，通過霧化制備技術的創(chuàng)新和技術積累，解決了 3D 打印粉末球形度差、空心粉多、粒度分布不集中的行業(yè)技術難題，開發(fā)出鋁合金 3D 打印粉末材料具有流動性好，球形度高，松裝密度高，粒度分布窄，衛(wèi)星球少，打印件力學性能優(yōu)異等特點，有效的推動了 3D 打印金屬粉末國產(chǎn)化替代的進程。
公司采用氣霧化為主要工藝生產(chǎn)的鋁、銅、鈦、高溫合金、模具鋼、鈷鉻合金等粉末材料。產(chǎn)品雜質(zhì)含量低，球形度好，成分均勻，主要應用于用于航空航天、醫(yī)學修復等。
未來隨著設備、材料、服務供應商技術的不斷突破，3D打印將在更大規(guī)模上具有經(jīng)濟性，制造業(yè)也將迎來“增材制造2.0時代”。
以上，制造業(yè)對任何一個國家的重要性不言而喻。在通往或證偽3D打印的前沿路徑里，作為投資者，我們已經(jīng)到了長周期追蹤這一技術的時刻。