制造業升級帶動3D打印市場快速增長

發布時間:2019-04-08
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2018年10月,GE舉行儀式慶祝完成第30,000個增材制造的航空發動機燃油噴嘴生産,標志著3D打印作爲一種零部件批量生産技術得到了充分的驗證。GE推出的先進渦輪螺旋槳發動機(ATP)中,三分之一以上部件采用3D打印,將855個獨立部件減少到12個,發動機減重5%,功率提升10%,燃油消耗減少20%。

 

一. 3D打印在小批量、复杂件相比传统制造具有明显优势
3D打印又稱“增材制造”技術,屬于快速成型技術的一種。3D打印技術先使用計算機軟件設計三維模型,運用分層加工、叠加成形的原理,通過將粉末、液體片狀(將液體分層形成多層片狀結構)等離散材料逐局堆積,形成一個三維實體。3D打印的技術特點決定了産品的數量和複雜度對打印件的成本影響較小(圖1),在小批量、個性化和傳統工藝加工困難的複雜件上具有成本優勢,隨著打印原材料價格不斷下降和打印速度的提升,3D打印逐步在高附加值領域替代傳統制造工藝。

 
圖1:3D打印與傳統制造對比
(資料來源:華控行研部編制)

二. 2020年全球市场规模超过200亿美金,行业保持高速发展
前瞻産業研究院針對3D打印行業市場規模的統計數據顯示,全球3D打印市場規模由2012年的23億美金增加到2016年的60.6億美金,CAGR約爲20%。在目前市場需求和行業發展的推動下,2020年,全球市場規模有望超過220億美元。ARK、Wohlers等機構也對未來的市場規模進行了預測(圖2),綜合來看,2020年,3D打印全球市場規模將超過200億美金,CAGR達到35%。


 
圖2:各機構市場規模預測
(資料來源:華控行研部編制)

国家积极推动3D打印行业发展,预期2020年国内市场规模超过200亿人民币,CAGR超过30%。2017年12月,工信部、发改委等12个国家部委联合发布《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》,提出“聚焦四大重点领域、实施五大重点任务,采取六项保障措施,实现五大发展目标”;经过量化提炼,主要要求为:2020年增材制造产业销售收入超过200亿元,年均增速在30%以上;突破100种以上满足重点行业需求的工艺装备、核心器件及专用材料;开展 100个以上试点示范项目;培育2-3家以上具有较强国际竞争力的龙头企业,打造2-3个国际知名名牌。

三、工業級金屬3D打印高速成長,航空航天、汽車、生物醫療仍是主要應用領域


 

從3D打印的分類上來說,按照ASTM《增材制造技術標准術語》規定可以分爲材料擠出、材料噴射、粘合物噴射、薄片層疊、光固化、粉末床融合和定向能量沈積七種打印方式。其中前五種打印方式的原材料主要爲塑料、陶瓷、樹脂等,統稱爲非金屬打印或塑料打印;後兩種打印材料一般爲各種金屬及合金材料,統稱爲金屬打印。
工業級金屬3D打印機的增速明顯高于非金屬。根據調研公司Context的統計數據,2018年第一季度工業級3D打印機出貨量同比增長22%,其中非金屬3D打印機同比增長18%,金屬3D打印機同比增長30%。根據Wohles的預測,到2020年,金屬3D打印機仍將保持30%以上的增速。
3D打印目前主要應用于航空航天、汽車機械、生物醫療等高附加值産業(圖3),尤其航空航天和生物醫療行業具有小批量、個性化、結構複雜的特點,更加適合3D打印技術的應用。


 
圖3:3D打印在不同領域的市場占比
(資料來源:華控行研部編制)

四. 3D打印向汽车全生产周期渗透,市场空间广阔

汽車行業爲3D打印帶來廣闊的市場空間和盈利能力。保守估計,即使3D打印在未來汽車的研發、生産環節占比很小,僅有1%,其在汽車領域的市場規模仍將超過百億美元。3D打印小批量、定制化的特點爲企業帶來較好的盈利能力,例如粉末床熔融3D打印服務的毛利率普遍高于60%,部分産品甚至可以達到80%。
國內汽車制造企業正在引入3D打印補充傳統制造技術。中國汽車工程協會的市場調研顯示,國內三分之一的企業使用過3D打印技術,尚未使用的企業30%以上會在未來五年內引進3D打印,主要應用于設計驗證與原型制造以及複雜零部件生産。
3D打印技術已經貫穿汽車生産的整個生命周期。在設計驗證過程中,3D技術已經得到普遍應用。國內某汽車廠商分析:在發動機缸蓋前期設計中,傳統方式周期需要75天,模具費用高達100萬人民幣;而采用3D打印砂芯再澆築的制作方式,周期僅需30天,制作費用僅5萬人民幣左右。3D打印在生産階段主要用于高端限量車的生産,如蘭博基尼、日産等;某國際廠商測算其采用的某發動機部件在年産量不超過1400套時,3D打印具有明顯成本優勢。
 
五. 3D打印随形冷却模具优势突显,撬动千亿级市场
根據中商産業研究院統計,2018年中國模具行業銷售總額將超過2000億人民幣。模具廣泛應用于産品的批量生産,在機械、電子、汽車、航空航天等領域,60%-80%的零部件需要依靠模具加工成型。模具制造水平不僅是衡量一個國家制造水平高低的重要指標,而且很大程度上決定了該國産品的質量、效益和新産品開發能力。根據麥肯錫的預測,到2025年,3D打印在全球模具制造領域市場潛力將達到3600億人民幣,其中30-50%將是注塑模具。
3D打印隨行冷卻模具可以大幅提高注塑産品質量和生産效率。注塑産品在我們日常消費品中非常常見,根據中國模具工業協會數據,塑料模具在整個模具行業中占比最大,約占45%。在注塑過程中,當溫度較高時零件變形較大,必須對模具溫度進行調節,傳統模具中冷卻水道只能加工成簡單直孔,冷卻效率低,限制了生産效率。通過3D打印技術,可以實現模具內部的複雜冷卻水道(圖4),大幅提高了冷卻效率,提升了注塑制品的生産效率。模具企業雷尼紹通過3D打印的隨形冷卻注塑模具,將注塑時間由80s減少到40s,生産速度提高了1倍。

 
圖4:3D打印隨形冷卻模具

(資料來源:華控行研部編制)
六. 结语
3D打印行業在資本市場曾經曆了從火爆到冷落的過程,但是其在工業設計、模具制作和小批量生産的優勢也得到了充分驗證。在技術的支撐下,3D打印發展前景向好,其作爲新興産業在國家政策和下遊應用的同步推動下,未來有望實現對傳統制造行業的革新。


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