文|錦緞研究院 希言
中國的比較優(yōu)勢(shì)與核心利益是制造業(yè)，制造業(yè)是中國經(jīng)濟(jì)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(gè)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(qiáng)國。以此200余年歷史為鏡，除美國之外，尚無任何一個(gè)國家可以在失去制造業(yè)比較優(yōu)勢(shì)后，能夠持續(xù)占據(jù)世界經(jīng)濟(jì)舞臺(tái)中心。
當(dāng)時(shí)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(jī)械，轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化設(shè)備、智能機(jī)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?、機(jī)器人與AI共生。
4.驅(qū)動(dòng)機(jī)制正從企業(yè)內(nèi)部、行會(huì)組織，轉(zhuǎn)變?yōu)閲乙庵九c風(fēng)險(xiǎn)資本。
如是我們便不難理解這樣一個(gè)邏輯：當(dāng)通用人工智能火焰開始跳動(dòng)，制造業(yè)的底層技術(shù)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(jìn)制造業(yè)技術(shù)通關(guān)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(jì)舞臺(tái)中心。
恰好，3D打印正是這樣一個(gè)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(tái)與工具性技術(shù)。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(lǐng)銜的鑄造一體化，即是3D打印的雛形，正推動(dòng)汽車制造業(yè)一日千里。
廣義上，目前全球最風(fēng)頭正勁的科技公司，“AI之王”英偉達(dá)，正在著力推進(jìn)“cuLitho計(jì)算光刻技術(shù)”，則是以3D打印的變種，期革命性地推動(dòng)“人類科技之巔”——光刻機(jī)核心技術(shù)的迭代與指數(shù)級(jí)效率提升。
市場(chǎng)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(shí)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(duì)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(duì)核心利益面前，不存在容錯(cuò)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(shù)領(lǐng)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(shù)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(chǔ)，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(jī)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(shè)備對(duì)數(shù)字模型文件進(jìn)行分層處理，將三維實(shí)體變?yōu)槿舾蓚€(gè)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(gè)三維的整體，大幅降低了制造的復(fù)雜度。
簡單來說，3D打印相比于傳統(tǒng)技術(shù)來說在小批量生產(chǎn)時(shí)的生產(chǎn)成本，個(gè)性化，復(fù)雜設(shè)計(jì)，材料利用率，加工便利性等方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。但如果一些產(chǎn)品能夠大批量生產(chǎn)，不需要復(fù)雜的設(shè)計(jì)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(shì)。
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(jì)，3D打印依靠同一臺(tái)設(shè)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(dá)到范圍經(jīng)濟(jì)。生產(chǎn)的主要成本可分為物料成本，機(jī)器折舊耗材成本和人工成本等幾個(gè)方面。
目前的3D打印主要應(yīng)用于航天航空、汽車、醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)的部分細(xì)分領(lǐng)域內(nèi)，多年以來應(yīng)用領(lǐng)域格局變化并不大。而復(fù)雜構(gòu)件的的需求在各個(gè)領(lǐng)域都或多或少的存在，未觸達(dá)的主要原因是受材料成本和設(shè)計(jì)成本的制約。
1、材料受限
材料作為3D打印的物質(zhì)基礎(chǔ)，其發(fā)展程度決定著3D打印未來是否能夠被廣泛運(yùn)用。與傳統(tǒng)的機(jī)械加工不同，當(dāng)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(duì)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(jī)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(jìn)口。
而高質(zhì)量的金屬粉末制備成本很高，性能達(dá)標(biāo)的成品金屬粉末價(jià)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(jià)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(jī)械法的成本約為氣霧法的2-5倍。
目前主流的打印材料價(jià)格，鈦合金粉末的價(jià)格在1,500-1,800元/kg之間，鋁合金粉末價(jià)格在300-500元/kg之間，塑料ABS價(jià)格在19-23元/kg之間。
2、設(shè)計(jì)受限
在技術(shù)極客領(lǐng)域，設(shè)計(jì)一個(gè)模型單個(gè)設(shè)計(jì)師一天的費(fèi)用大約在800元左右，一個(gè)普通的模型設(shè)計(jì)周期大概一到兩周，設(shè)計(jì)成本就在8000元左右。
如果模型制作復(fù)雜，精細(xì)度要求高設(shè)計(jì)周期將達(dá)到一兩個(gè)月甚至更長的時(shí)間，那么高達(dá)幾萬甚至幾十萬的設(shè)計(jì)費(fèi)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(dāng)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(jìn)推動(dòng)價(jià)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(shí)候制備成本都是很高的。舉個(gè)例子，古代初步掌握煉鋼工藝的時(shí)候使用塊煉鐵的手法煉鐵，受限于耐火材料和鼓風(fēng)技術(shù)的不過關(guān)，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(duì)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(jià)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(jià)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(xiàng)目中運(yùn)營期首年金屬3D打印粉末銷售價(jià)格確定為61.95萬元/噸），同期由于降價(jià)進(jìn)一步開拓了市場(chǎng)，銷售量由2020年的2.94噸快速增長至2022年的31.36噸。同時(shí)隨著技術(shù)端的成熟以及規(guī)模效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，公司金屬3D打印粉末業(yè)務(wù)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(fèi)電子等應(yīng)用場(chǎng)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(huì)進(jìn)一步降低。
另一方面，打印設(shè)備商的上游原材料均呈現(xiàn)不同程度的價(jià)格下降趨勢(shì)，其中占比最大的光學(xué)熱學(xué)類元器件如3kW光纖激光器的價(jià)格從2018年的40萬元/臺(tái)下降至2021年的10萬元/臺(tái)，降幅達(dá)到了75%。
技術(shù)工藝方面的突破同樣會(huì)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(gè)激光頭設(shè)備的打印效率就將提升20%-50%，最新的六激光頭設(shè)備與市面上同體量的四激光頭設(shè)備相比，打印效率可提升約30%。
除了3D打印設(shè)備的生產(chǎn)制造商，產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)的配套服務(wù)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(jìn)行表面處理，過去難以找到配合服務(wù)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(yīng)使得各個(gè)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(shè)計(jì)的壁壘
大部分行業(yè)都存在著一些簡單重復(fù)性的勞動(dòng)，設(shè)計(jì)領(lǐng)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?xí)生來做，如今隨著軟件效率的提升，簡單性重復(fù)勞動(dòng)的工作時(shí)間已經(jīng)大大壓縮，設(shè)計(jì)周期變短，相應(yīng)設(shè)計(jì)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(shù)的涌現(xiàn)與應(yīng)用開始威力初顯，未來將為設(shè)計(jì)行業(yè)整體帶來更為顛覆性的變革——80%的趨同性設(shè)計(jì)可以由AI來完成，人類負(fù)責(zé)20%的創(chuàng)新性工作，亦可降低設(shè)計(jì)參與者的門檻，簡單模型可由個(gè)人在較短時(shí)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(shè)計(jì)也會(huì)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(jí)
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，工業(yè)發(fā)展呈現(xiàn)出從“有”向“優(yōu)”的升級(jí)趨勢(shì)。例如由鋼鋁構(gòu)件換成鈦合金可以在強(qiáng)度，耐腐蝕，耐高溫和重量方面均實(shí)現(xiàn)大幅度改善，是工業(yè)制造升級(jí)的必經(jīng)之路。
但鈦合金硬度高彈性低的特點(diǎn)會(huì)在加工過程中導(dǎo)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(fèi)，有助于制造業(yè)的進(jìn)一步迭代升級(jí)。
3D打印直接制造無需模具的特點(diǎn)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(fù)雜部件上有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)制造，對(duì)復(fù)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(dá)90%以上。
近期美國相對(duì)論空發(fā)射的人族一號(hào)運(yùn)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(gè)箭體和幾乎所有的發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)（L-PBF),可以將工期從傳統(tǒng)制造的18個(gè)月縮短至5-8個(gè)月，成本降低35%-60%。未來3D打印為火箭制造帶來的優(yōu)勢(shì)很可能發(fā)生連鎖反應(yīng)，重塑供應(yīng)鏈。
3D打印的另一大特色是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，自重較低。汽車行業(yè)設(shè)計(jì)所追求的節(jié)能，降耗，增加續(xù)航里程等目標(biāo)，輕量化是是最為重要的技術(shù)路徑之一。據(jù)《輕量化技術(shù)和材料在汽車工程中的應(yīng)用》中的數(shù)據(jù)，對(duì)于燃油車，汽車質(zhì)量每減少10%，汽車燃油效率將會(huì)增加6%-8%；而對(duì)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(yīng)用可以使汽車領(lǐng)域的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造過程發(fā)生巨大變化，實(shí)現(xiàn)更輕量化的設(shè)計(jì)，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(shù)應(yīng)用于汽車零部件的量產(chǎn)。MakerBot公司3D打印趨勢(shì)報(bào)告指出，較2020年相比，2021年有將近一倍的車企增加了對(duì)3D打印的應(yīng)用。
醫(yī)療領(lǐng)域?qū)τ趥€(gè)性化、定制化的需求也使得3D打印在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用快速增長，2019-2021年全球醫(yī)療行業(yè)增材制造市場(chǎng)規(guī)模自16.5億美元增至23.78億美元，CAGR達(dá)20.07%。
3D打印在體外器官模型、仿生模型制造，手術(shù)導(dǎo)板，個(gè)性化植入體制造方面均可實(shí)現(xiàn)降本增效。義齒金屬義內(nèi)冠使用3D打印技術(shù)可降低70%的人工成本，為義齒行業(yè)定制的3D打印設(shè)備FS121M-E6個(gè)小時(shí)可打印150顆義齒，每年打印100萬顆以上。
據(jù)Wohlers統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年全球3D打印市場(chǎng)規(guī)模為180億美元，同比增長18.3%。中國3D打印市場(chǎng)規(guī)模雖不及美國但增速較快據(jù)中商情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)，2022年中國3D打印產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)330億元，同比增長52%。
目前全球3D打印市場(chǎng)主要集中在北美、歐洲和亞太地區(qū)三個(gè)地區(qū)，2021年美國、中國增材制造設(shè)備安裝量占比達(dá)33%、10.6%。中國市場(chǎng)的主流設(shè)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(chǎng)占比最大達(dá)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(jí)金屬 3D 打?。?D 打?。┑母咝录夹g(shù)企業(yè)，為客戶提供金屬3D 打印與再制造技術(shù)全套解決方案，業(yè)務(wù)涵蓋金屬 3D 打印設(shè)備的研發(fā)及生產(chǎn)、金屬 3D 打印定制化產(chǎn)品服務(wù)、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(shè)計(jì)開發(fā)及工藝技術(shù)服務(wù)（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(shí)力在國內(nèi)外金屬 3D 打印領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。
華曙高科：3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈中游制造設(shè)備公司。華曙高科十余年來專注于工業(yè)級(jí) 3D 打印設(shè)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(shè)備和高分子（SLS）3D 打印設(shè)備，并提供 3D 打印材料、工藝及服務(wù)。
公司已開發(fā) 20 余款設(shè)備，并配套 40 余款專用材料及工藝，正加速應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療、模具等領(lǐng)域。公司是全球少數(shù)同時(shí)具備 3D 打印設(shè)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(jí) 3D 打印設(shè)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(guān)鍵器件與材料的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的國家火炬計(jì)劃重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)，擁有高功率光纖激光器國家重點(diǎn)領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和光纖激光器技術(shù)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(jī)垂直集成能力的光纖激光器研發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)供應(yīng)商。
公司主營業(yè)務(wù)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(yīng)用解決方案。2021 年公司產(chǎn)品應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域。
金橙子：3D 打印產(chǎn)業(yè)鏈中游制造設(shè)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(chǎng)鏡及其他硬件，金橙子重點(diǎn)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(shí)差異化優(yōu)勢(shì)，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(shì)，振鏡業(yè)務(wù)有望成為主要增長點(diǎn)。此外，金橙子發(fā)揮技術(shù)和渠道協(xié)同優(yōu)勢(shì)，橫向拓展激光伺服控制業(yè)務(wù)。
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(shù)的研究，掌握成套球形金屬粉末制備關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、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(jìn)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(shù)的創(chuàng)新和技術(shù)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(shù)難題，開發(fā)出鋁合金 3D 打印粉末材料具有流動(dòng)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(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，有效的推動(dòng)了 3D 打印金屬粉末國產(chǎn)化替代的進(jìn)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(yīng)用于用于航空航天、醫(yī)學(xué)修復(fù)等。
未來隨著設(shè)備、材料、服務(wù)供應(yīng)商技術(shù)的不斷突破，3D打印將在更大規(guī)模上具有經(jīng)濟(jì)性，制造業(yè)也將迎來“增材制造2.0時(shí)代”。
以上，制造業(yè)對(duì)任何一個(gè)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(shù)的時(shí)刻。