核心觀點
｜行業概覽
增材制造，又叫做3D（Three Dimensions）打印，是以計算機三維數字模型爲基礎，通過軟件分層離散和數控成形系統，用激光、電子束、熱熔噴嘴等方式將粉末、樹脂、熱塑等材料在二維平面上進行逐層堆積黏結，從而快速制造出與數模設計一致的實物当前產品。
與傳統減材加工制造技術不同，增材制造大幅節約了原材料在去除、切削、再加工過程中的消耗，同時不受傳統加工工藝的限制，可以在当前產品設計環節進行優化或自由重塑，極大降低了後續工藝流程的工作難度和時間損耗。增材制造融合了IT、先進材料、智能制造等多種技術，被認爲是制造業最具顛覆性和代表性的新興技術之一，代表着高端制造的發展方向。
｜行業驅動
金屬級增材裝備是產業發展的核心。金屬級增材制造設備的核心零部件主要爲光學設備，包括高功率光纖激光器和激光掃描振鏡，一般占設備成本結構比重的20-40%。以上關鍵元器件技術壁壘較高，國產化率較低，絕大多數需要進口，是目前制約我國增材設備發展的最大瓶頸。
原材料是金屬級增材制造行業發展的基礎，隨着適用金屬原材料的增加，增材制造將創造出更多種類的当前產品，未來應用範圍也會越來越廣泛。常用的金屬增材材料包括不鏽鋼、高溫合金、钛合金、模具鋼、鋁鎂合金等。我國金屬增材原材料已基本擺脫依賴進口的局面，供應量和質量較爲穩定。
自主軟件研發是金屬級增材制造的重要保障。軟件成本占金屬級增材制造設備成本結構的比重接近20%，目前軟件是整個我國增材制造生態產業鏈的短板之一，軟件開發仍集中在學術科研上。
下遊金屬級增材制造服務涵盖了当前產品的設計研發、激光成形、後處理和檢驗交付等多個環節，其產成品性能指標的優劣直接反映了整個增材制造產業鏈條配合的成熟度。增材制造服務領域的拓展推動着整個產業鏈條技術的更新，航天軍工將優先受益。預計未來2-5年內增材制造的軍工訂單將實現爆發式增長，且持續性較強，航天軍工有望成爲帶動金屬級增材制造快速崛起的第一推動力。
雖然金屬級增材制造可以創造出傳統加工工藝無法實現的微觀結構，客戶對增材設備和服務的需求增長迅猛，但增材技術仍非主流路線。造成這一現象的原因之一是當前金屬級增材設備的当前產品成型尺寸有限，難以滿足大多數工業制造的需求。因此，大尺寸高效成型是未來趨勢。
｜競爭態勢
隨着增材制造行業競爭的不斷加劇，企業爲了增強自身競爭力，開始布局行業整合。行業整合方式包括：向上下遊並購或擴張，以及其他行業跨界並購或參與增材制造。
德國EOS屬于典型的上下遊擴張，目前EOS已經不僅僅是全球最大的金屬級增材設備廠商，還是粉末原材料、制造工藝、服務咨詢等多板塊的解決方案提供商，打造出完整的產業鏈條。美國GE作爲工業企業的代表，從2010年開始參與增材制造，2016年承購並購瑞典Arcam和德國Concept Laser公司，自身完成了從乙方到甲方角色的轉變，目前已成功在航空發動機領域實現了金屬增材制造的規模化應用。其他案例参考還包括阿迪達斯、強生等跨界投資增材制造商Carbon，寶馬集團先後投資了Carbon和金屬增材制造公司Desktop Metal，並于2018年5月打造增材制造工業園區。
一、行業概況
1.1 行業定義
增材制造，又叫做3D（Three Dimensions）打印，是以計算機三維數字模型爲基礎，通過軟件分層離散和數控成形系統，用激光、電子束、熱熔噴嘴等方式將粉末、樹脂、熱塑等材料在二維平面上進行逐層堆積黏結，從而快速制造出與數模設計一致的實物当前產品。與傳統減材加工制造技術不同，增材制造大幅節約了原材料在去除、切削、再加工過程中的消耗，同時不受傳統加工工藝的限制，可以在当前產品設計環節進行優化或自由重塑，極大降低了後續工藝流程的工作難度和時間損耗。增材制造融合了IT、先進材料、智能制造等多種技術，被認爲是制造業最具顛覆性和代表性的新興技術之一，代表着高端制造的發展方向。
增材設備可分爲桌面級和工業級兩種，其中桌面級打印設備發展較爲成熟，技術難度較低，以非金屬爲主要原材料，目前生產廠商衆多，市場競爭激烈。工業級增材設備包含工業金屬級和非金屬級兩種，其中金屬級技術門槛及銷售價格均較高，國外相關專利技術仍處于保護期限內，因此企業自我投入研發資金較大，同時由于技術仍處于不斷叠代更新和打磨之中，設備生產廠家數量較少，目前大部分工業級增材設備廠商以細分領域市場應用或專用原材料設備研究爲目標，進行差異化競爭。根據Wohlers Associates的分類，增材裝備以售價5000美元/台爲標准線，5000美元及以上屬于工業級增材裝備，5000美元以下屬于桌面級增材裝備。由于增材制造技術在誕生初期就是以工業服務爲主要目標，因此工業級增材裝備的研究起步時間基本與增材制造技術誕生時間一致，而桌面級真正起步于2007年，比工業級晚了21年。
相較于傳統加工制造業，金屬級增材制造的核心優勢主要表現在對複雜零部件的結構重塑和工藝再設計方面。傳統制造業以当前產品制造爲出發點，更多的是基于現有制造水平進行設計，往往會出現模具難制作、鑄造鍛造出的当前產品過于笨重、零部件組裝複雜、後續機加工難度高、時間長等問題，甚至會出現超複雜異構件難以制造的情況。而增材制造可以做到完全以当前產品性能爲導向對複雜結構件進行結構重塑，設計更加自由，一體成型，同時保證当前產品尺寸精度、成型參數、力學性能等不低于客戶要求。通過點陣結構、蜂窩結構、複雜流道設計等不斷優化当前產品制造方案，實現当前產品輕量化、節約材料損耗，通過變形控制、余量添加設計等方案減輕後處理環節的工作難度，減少加工時間。金屬級增材制造更貼近設計本源，注重一體化成型，減少不必要的鏈接裝置如螺絲螺母，使得当前產品可靠性更加優異。以GE公司生產的發動機燃油噴嘴爲例，傳統設計將噴嘴切割成20多個零件分別加工制造，然後通過焊接組裝，而GE改用增材制造方法後，將零件從20多個減少到3個，重量降低25%，当前產品強度增加3倍，使用壽命提高5倍，從而使每架飛機成本節約近300萬美元。據統計，增材制造普遍可以實現零部件15%-60%的減重，減少多達80%的加工損耗，当前產品設計及研發周期也大大縮短，因此增材制造具備一定的成本和時間優勢。
1.2 金屬級增材產業鏈分析
按照金屬級增材制造的整個產業鏈條劃分，其上遊是金屬原材料廠商。目前，主流金屬粉末原材料已經由市場供不應求轉爲供需穩定，粉末單價受金屬材料價格影響大，当前產品可以根據下遊增材服務廠商的需求做金屬粉末的定制化研發和生產，競爭較爲激烈，傳統的金屬材料廠商是潛在進入者，金屬粉末廠議價能力偏弱。
中遊是金屬級增材設備的生產制造，處于產業鏈的主導地位。從成本結構構成分析，軟件占整台設備比重約爲20%，硬件爲80%，其中機加和光學零部件占比最大，分別占比30%和25%。我國工業級增材制造裝備的核心光學部件嚴重依賴進口，如大功率激光器被Trumpf、IPG等少數幾家企業壟斷，掃描振鏡主要由Scanlab供應，目前我國高功率激光器和掃描振鏡處于研發攻關階段，未來有可能實現國產化替代。
圖1：金屬級增材設備成本結構分析
資料來源：九鼎投資
下遊是金屬級增材服務與應用，服務商打印出合格当前產品以滿足客戶需求，同時爲裝備制造廠商和原材料供應商不斷提供反饋建議。隨着增材裝備和技術的不斷成熟，下遊服務商將肩負起增材制造應用領域推廣和發展的重任。獨立的專業服務商已經出現，如毅速激光等，服務商與增材設備供應商深度配合。我們判斷未來增材制造服務的新進入者將逐漸增多，但掌握多品類加工工藝的廠商將逐步成爲金屬級增材產業鏈的核心。
圖2：金屬級增材制造產業鏈
資料來源：九鼎投資
金屬級增材制造服務主要圍繞着設計、建模、加工制造、後處理、檢驗檢測等關鍵環節進行，其制造出來的終端当前產品性能好壞與整個制造工藝息息相關。金屬級增材制造是激光熱沉積和極冷極熱的過程，產成品不僅需要在定型規格上達到客戶需求，更需要性能、熱應力控制等也達到甚至超過鑄鍛造水平，因此從原材料的選擇、設備的匹配，再到工藝參數的調整，金屬級增材制造的技術難度要遠高于非金屬增材制造。一般而言，金屬級增材制造服務的基本生產流程如下圖所示：
圖3：金屬級增材制造服務的基本流程
資料來源：九鼎投資
1.3 增材產業發展曆程
增材制造啓蒙于1940年，美國人Perera提出將硬紙板進行切割並逐層粘結，最終打造出模擬三維地形圖的方案。20世紀80年代，以美國人Hull發明光固化技術（SLA）並成立了全球首家增材制造公司3D Systems爲標志，增材制造技術逐步從理想走進現實，並相繼開創出粉末激光燒結（SLS）、熔融沉積（FDM）和噴射打印（3DP）等多種增材制造技術路線，增材制造裝備層出不窮，不斷優化完善，該階段增材制造主要以模型、原型制造爲主。2000年以後，金屬增材制造如激光選區融化（SLM）、激光近淨成形（LENS）等技術的出現，近乎完美地解決了傳統制造無法實現超複雜加工的痛點，成功地帶動了增材制造進入到大規模產業化試制和應用階段。目前，隨着增材制造的原材料、裝備零部件和加工工藝的日趨穩定，增材制造的應用範圍將進一步拓寬。
圖4：世界增材制造技術發展曆程
資料來源：西安交通大學先進制造技術研究所，九鼎投資整理
我國增材行業在萌芽期立足于學院派，主要依靠高等院校和科研院所推動技術發展，起步時間僅僅比美國晚2年。1988年10月，清華大學激光快速成形中心的成立，標志着我國增材制造研究正式開始。1993年我國首台工業級增材制造設備樣機--粉末激光燒結（SLS）增材設備研制成功，比3D Systems研制的世界第一台增材制造設備約晚5年時間。
我國政府高度重視增材制造技術的產業化應用，目前產業發展已由科研院所單核驅動轉向爲“實體企業和科研機構雙輪驅動”，行業整體發展水平已可比肩歐美發達國家。2015年2月，我國增材制造產業發展推進計劃正式發布，行業發展上升到國家層面，通過政策引導，推動產業實現快速發展。2016年4月，我國增材制造標准化技術委員會成立，標志着行業由百花齊放百家爭鳴階段過渡到國家級標准規範建設階段。2017年12月，工信部、發改委、財政部等國家部委相繼發布《增材制造產業發展行動計劃2017-2020年》、《增材制造業核心競爭力三年行動計劃2018-2020年》等文件，明確到2020年增材制造產業銷售收入超過200億元，年均增速在30%以上，且研制的工業級鑄造3D打印設備足以滿足航空航天、大型發動機等領域大型複雜零部件的需求。
圖5：中國增材制造技術發展曆程
來源：公開資料，九鼎投資整理
1.4 金屬級增材產業發展現狀
增材技術從誕生到現在剛剛經曆30年的發展征程，處于產業發展的成長期階段，屬于新興產業，其工藝流程、設備、生產線、工廠模式和上下遊產業鏈相較于傳統制造業仍處于不斷更新和完善之中，其在降低加工複雜度、解決結構性支撐和減重、節約制造時間、材料和後續處理成本等方面已得到航空航天、軍工、汽車、醫療等多行業的實踐驗證和認可。
金屬級增材制造技術快速叠代更新，但其成熟度還達不到傳統機械加工的車、铣、铇、磨、鉗和熱加工的鑄、鍛、焊、粉末冶金等制造技術。按照航空航天当前產品的5級成熟度分析，1級：初步概念機誕生，2級：摸清当前產品的基本原理和基本規律，3級：用上述原理進行研制，並且不斷優化，4級：設計最終定型，圖紙不再更改，5級：工藝路線徹底定型，並且確保90%以上的成品率。目前金屬級增材制造行業正處于從3級向4級跨越階段。
Wohlers Associates也側面印證了以上觀點，根據其報告，2019年增材制造的終端当前產品應用占比達到30.9%，首次超越了原型制造（占比24.6%），成爲下遊第一大應用方向。這標志着增材制造產業開始走向成熟，從之前的原型制造轉向了快速終端應用制造，增材技術不再是簡單用于科研/教育或者原型展示的輔助型制造技術。
圖6：增材制造各應用方向占比
資料來源：Wind，Wohlers Associates：Wohlers Report 2020，九鼎投資整理
目前，增材制造技術路線逐漸定型，產業標准化和規則逐漸清晰，工藝參數通過試驗不斷校准，工藝流程持續優化創新，使得增材制造產成品越來越成熟，其性能指標已接近甚至超越鑄造、鍛造產成品。增材制造產成品逐漸被更多行業所接受，規模化的推廣應用帶動了成本的逐步降低，隨着当前產品性價比和效率的進一步釋放，增材制造必將呈現爆發式增長並且產生鲶魚效應，顛覆傳統制造業的上百年來固有的加工模式，未來世界產業結構有望進一步優化調整。
1.5 主流金屬級增材技術和基本原理
從1986年光固化成型技術（SLA）誕生到現在，世界範圍內已出現多達十幾種不同的增材制造技術路線。按照選用的原材料不同，增材制造技術可分爲金屬級和非金屬級兩大類。根據《國家增材制造產業發展推進計劃2015-2016年》，金屬級增材制造包括：SLM技術、EBSM技術、LENS技術、EBDM技術等。非金屬級增材制造包括：SLA技術、SLS技術、3DP技術、FDM技術、PJ技術等。
表1：金屬級增材制造技術分類及分析
資料來源：《國家增材制造產業發展推進計劃2015-2016年》，公開資料，九鼎投資整理
圖7：激光選區熔化（鋪粉）和激光近淨成型（送粉）的工作原理
資料來源：公開資料
二、需求端
2.1 全球金屬級增材制造行業規模和未來預測
2.1.1 全球增材行業探底回升，近十年保持高速增長
世界增材制造行業從誕生到現在，僅僅經曆34年的發展時間，但行業快速增長，尤其是近10年來，行業產值加速提升，顯示出非常強的生命力。Wohlers Associates是美國專門從事增材制造和3D打印研究的咨詢機構，也是世界範圍內公認的最具權威的增材制造行研機構，其關于增材制造行業的年度研究報告已經出版到第25個年頭了，是增材制造行業健康發展的晴雨表。根據其年度報告Wohlers Report 2020，全球增材制造行業產值（包含設備、原材料、零部件、服務等）從2003年的僅5.29億美元，增長到2019年的118.67億美元，16年來行業增長超過22.43倍。增材行業在2008-2009年增速明顯下滑，主要系當年世界經濟危機影響，但是2010年之後便出現強勁反彈，近十年行業複合增速超過27.23%，顯著高于全球GDP增長。
圖8：2003-2019年全球增材制造產值及增速
資料來源：Wind，Wohlers Associates：Wohlers Report 2020，九鼎投資整理
當前增材制造上遊和中遊（包括增材原材料、核心零部件、軟件、設備銷售等）約占行業總產值的40%，下遊服務（包括当前產品設計、打印、培訓、設備修複、咨詢等）約占60%。從發展趨勢看，增材服務產值的占比在持續提升。這表明增材制造在下遊市場已經越來越得到客戶的認可，且增材制造服務的增速高于上遊原材料和中遊設備的增速。
2.1.2 全球金屬級增材產值激增，增速遠超非金屬級
根據我們的調研和測算，2019年全球金屬級增材行業總產值達到58.45億美元，同比增長30.15%。本文將金屬級增材按照上遊、中遊和下遊分別進行拆解，詳細分析每年各板塊的產值規模和增速。
圖9：2015-2019年全球金屬級增材行業產值及占比
資料來源：九鼎投資
上遊：增材原材料產值在整個增材產業鏈中占比最低，但全球用于增材制造的金屬原材料和非金屬原材料均在快速增長，2009年金屬原材料銷售額僅爲1200萬美元，2019年實現了3.09億美元，年複合增長率達38.39%。從銷售單價分析，原材料價格呈現出兩極分化嚴重，但單價逐年下降的趨勢，其主要原因是前期測試用粉和小批量用粉居多，市場供應商較少，造成價格較高。預計未來隨着大批量生產制件和應用，金屬粉末的價格將進一步下調。從材料市場結構分析，非金屬原材料產值略高于金屬材料，二者比例約爲6:4。
圖10：2009-2019年全球金屬原材料產值（億美元）
資料來源：九鼎投資
中遊：增材裝備中附加值最高的板塊當屬金屬級增材設備，金屬級增材設備技術複雜度在各類增材設備中最高，售價遠高于其他種類增材設備，近年來其打印出的產成品性能指標已接近甚至高于鑄造、鍛造水平，受到市場的追捧。根據Wohlers Associates研究報告，2000年金屬級增材設備年度銷量僅爲16台，到了2019年該數字達到2327台。
圖11：2000-2019年全球金屬級增材設備銷售量及增速
資料來源：Wohlers Associates：Wohlers Report 2020，九鼎投資整理
2017年金屬級增材設備銷售量大幅增長，部分原因是由于許多生產相對低價的金屬級增材設備制造商進入到了這個市場，例如美國Desktop Metal、德國OR Laser、中國铂力特、鑫精合、華曙高科等，更快的打印速度和更低的價格帶動出貨量的大幅提升。Desktop Metal打造的桌面型金屬增材設備—Studio System涵盖了從原型到批量生產的整個当前產品生命周期，但售價僅爲12萬美元，其客戶名單包括寶馬、Google等燈塔公司。
從全球金屬級增材設備銷售平均單價來看，2015年全球金屬級增材設備的銷售額約爲4.85億美元，占全球增材設備產值的比重爲22.64%，平均單台售價爲60.02萬美元。2019年全球金屬級增材設備的銷售額提升到10.88億美元，近4年複合增速達22.39%，占全球增材設備產值的比重也提升到30.95%，而平均銷售單價則下降到46.76萬美元，與2015年相比，降幅達22.09%，平均售價的降低主要得益于經濟型金屬增材設備的普及。而近3年平均售價則從40.78萬美元提升到46.76萬美元，價格穩中有升，主要系設備升級和新功能的叠加，使得打印成品質量更加符合制造的需求。
圖12：2015-2019年全球金屬級增材設備銷售總額及占比
資料來源：Wohlers Associates：Wohlers Report 2020，九鼎投資整理
下遊：隨着增材制造技術的成熟，客戶也由初期的試用走向規模化生產與應用，目前航空航天、消費電子、工業機械、汽車制造等是金屬級增材制造的主要應用領域。2015年金屬級增材服務產值爲15.71億美元，2019年該數據增長到44.48億美元，近4年複合增速爲29.71%。預計未來下遊客戶對金屬級增材制造將繼續保持旺盛需求。
圖13：2015-2019年全球金屬級增材服務產值及增速
資料來源：九鼎投資
2.1.3 預計未來三年全球金屬級增材行業仍將保持快速發展
考慮到2020年新冠疫情給全球經濟增速帶來巨大的負面影響，我們將2020年全年增材制造產值增速調整爲負，並且進一步調低2021和2022年該行業的成長預期。
上遊金屬原材料：根據調研，我們預測2020年增材制造原材料產值將下降到7億美元左右，其中金屬原材料產值約3億美元。2021年開始逐漸恢複，到2022年預計全球增材原材料銷售規模將接近10億美元，其中金屬原材料產值約爲4億美元。
圖14：2020-2022年金屬原材料銷售規模預測（億美元）
資料來源：九鼎投資
中遊金屬級增材設備：根據調研，我們認爲2020年預計金屬級增材設備銷售量將下降到2094台，銷售額降至9.3億美元，量價齊降。2022年銷量將接近3000台，銷售額將達到11.08億美元。由于金屬級增材設備相較于桌面級增材設備，體型龐大，投資金額高，且現場調教及培訓時間長，因此新冠疫情對金屬級增材設備銷售的影響要超過非金屬級。
圖15：2020-2022年金屬級增材設備銷售規模預測
資料來源：九鼎投資
下遊金屬級增材服務：依據應用領域不同及各領域的增速不同進行測算。金屬級增材技術在汽車制造、航空航天、工業機械、國防軍工等領域發展迅猛，根據調研，我們認爲2020年預計金屬級增材服務產值規模將達到47.46億美元，相比2019年略有增長，主要系航空航天及國防軍工訂單持續性較強，有效填補了其他應用領域的產值下滑。2022年，預計金屬級增材服務產值將達到73.32億美元。在細分領域中，汽車制造、航空航天和工業機械將成爲未來金屬級增材技術應用的主戰場，2022年上述3個領域對金屬級增材服務產值的貢獻度超過了90%。
圖16：2020-2022年金屬級增材服務產值預測及占比變化
資料來源：九鼎投資
根據以上計算，我們預計2020年全球金屬級增材行業總產值規模將達到59.7億美元，占全球增材行業總產值的比重約爲52.69%，2022年產值將超過88.46億美元，占比超過57.22%。總的來說，金屬級增材行業產值規模在不斷增長，占整個增材行業產值的比重也在逐年提升。
圖17：2020-2022年金屬級增材行業產值預測
資料來源：九鼎投資
2.2 中國金屬級增材制造行業現狀和未來預測
2.2.1 中國增材產業發展迅猛，部分技術全球領先
我國增材制造產業日趨成熟，越來越多的企業和機構加入到增材制造的生態圈內，除少量核心零部件仍需進口外，整條產業鏈基本可以做到自力更生。隨着我國加大對增材制造行業的投資力度和政策導向，我國增材制造自主研發能力不斷提升，並且在熔融沉積成形、光固化成形、激光選區燒結/熔化等技術路線中達到國際先進水平。尤其在金屬級增材制造領域，我國發展迅猛，市場呈現高速成長態勢。目前，我國近淨成形技術路線從增材設備到服務工藝均處于全球領先水平，是目前全球少有的幾個國家掌握制造2米及以上規格產成品的國家。而我國SLM技術在裝備上稍稍落後于德國企業，但是在成型工藝上的摸索研發絲毫不遜于外企。另外，我國增材制造用金屬原材料已經基本實現了國產化替代，行業標准正在逐步建立。
根據中國增材制造產業聯盟統計，2013-2019年，我國增材制造產業規模保持了40%以上的增長速度，遠高于每年GDP增速。2012年產業規模僅爲1.6億美元，2019年達到31.8億美元。據公開資料顯示，2014-2019年，中國市場對SLS和SLM設備需求的複合增長率爲23%。
圖18：2012-2019年中國增材制造產業規模
資料來源：中國增材制造產業聯盟，九鼎投資整理
2.2.2 未來3年中國增材行業增速高于全球，金屬級將占據核心地位
我們對國內增材行業的規模測算，也按照上、中、下遊進行拆解。2019年國內增材原材料市場產值爲2.26億美元，其中金屬原材料銷售達到1億美元，占比44%。根據調研，我們認爲2020年國內增材原材料銷售將出現輕微的下滑，主要系疫情影響，2022年預計國內該項產值將達到2.97億美元，其中金屬原材料產值爲1.48億美元。
圖19：2020-2022年中國金屬級增材原材料產值預測（億美元）
資料來源：九鼎投資
2016-2019年，國內中遊增材設備產值從5.96億美元增長到13.81億美元，增長2.32倍。根據行業訪談，國內金屬級設備和服務的貢獻度約爲60%。我們預計在疫情的影響下，2020年國內增材設備銷售將出現下滑，2021年重新恢複增長，到2022年中遊增材設備的產值將達到16.4億美元，其中金屬級增材設備產值爲9.84億美元。
圖20：2020-2022年中國金屬級增材設備產值預測（億美元）
資料來源：九鼎投資
中國增材服務市場主要集中在工業機械、航空航天、汽車、消費電子和醫療領域，受疫情影響，我們認爲2020年大部分應用領域將不可避免出現短期產值下滑。2022年，預計中國增材服務行業規模將達到28.05億美元，其中金屬級增材服務產值爲16.83億美元。
圖21：2020-2022年中國金屬級增材服務產值預測（億美元）
資料來源：九鼎投資
根據以上測算，我們預計2020年中國金屬級增材行業規模將達到18.9億美元，2022年將達到28.15億美元，我們對增速預期相對保守謹慎。
圖22：2020-2022年中國金屬級增材規模-預測（億美元）
資料來源：九鼎投資
三、供應端
3.1 增材行業世界競爭格局
增材制造技術起步于發達國家，從設備研發到產業化應用，發達國家一直引領該新興產業不斷向前。目前，全球增材制造的市場包括：北美、東亞、和歐洲，增材設備在這3個地區的累計裝機量達到了95.3%，其中以北美最大，占全球裝機量的比重超過36.1%，亞洲次之，達到30.4%，歐洲排名第三，占比28.8%，其他區域占比較小。增材制造在這些地區的發展各有特色，美國高度重視增材制造產業，最先將其上升到國家戰略層面，關注增材制造設計、原材料、工藝、增材制造基因組等領域，推動產業升級和技術創新；歐洲以德國爲首，大力發展金屬級增材制造技術，尤其是激光選區融化技術走在世界的最前沿，推動飛機、汽車、醫療等優勢領域的進步；東亞的增材制造行業整體發展慢于前兩者，但目前以中國大陸和日本爲首不斷進行增材技術創新，政府也加大扶持力度，確立增材制造產業發展的國家行動計劃，因此東亞有望短期內趕超歐美發達國家。
與2018年各國裝機量占比相比，美國和德國等老牌增材強國裝機量占比有所下滑，主要系以中國大陸、韓國、意大利爲首的增材技術新興國家新增裝機量增速較快。就具體國家而言，美國仍然是世界上增材設備裝機量最大的國家，占比達34.4%，遠遠領先于排名第二的中國，中國裝機量占比爲10.8%，日本緊隨其後，占比9.3%，德國第四，占比達到8.2%，以上四國的累計裝機量占比已經超過了世界的60%。除了以上四國之外，沒有其他任何一個國家的裝機量占比超過5%。美、中、日、德四個國家在不同增材制造技術路線上各有千秋，但基本代表了各條技術路線的世界最高水准。
圖23：增材設備累計裝機量-各國占比
資料來源：Wohlers Associates：Wohlers Report 2020，九鼎投資整理
3.2 金屬級增材企業競爭格局
隨着金屬級增材行業的成熟和參與者的增多，不同金屬級增材技術路線的應用領域開始出現重合，競爭的加劇導致了行業內部出現技術路線優勝劣汰和整合，高性價比和具備獨特性的增材技術得到進一步發展，反之則被淘汰。根據公開資料顯示，全球主要金屬級增材制造設備廠包括：EOS、Concept Laser（被GE增材公司收購）、SLM Solutions、Arcam（被GE增材公司收購）、Phenix Systems（被3DSystems收購）、铂力特、鑫精合、華曙高科、中科煜宸等。金屬級增材設備出貨量最大的廠商爲德國EOS，其主要采用SLM技術路線。2019年，3D Systems營業收入約6.29億美元，Stratasys營業收入6.36億美元。中國出貨量最大的廠商是铂力特，以銷售SLM設備爲主，LENS設備爲輔，同時铂力特也向上遊原材料和下遊打印服務拓展。鑫精合同時掌握SLM和LENS兩種技術路線，其LENS設備和打印服務處于國際領先，同時鑫精合具備自主後處理的能力，產業鏈條不斷向下遊擴張完善。
根據收入規模分析，以3D Systems、Stratasys、Renishaw爲代表的的海外企業已經具備了較大的體量，但是大多數企業仍然處于虧損邊緣，少有微利。國內設備銷售收入最高的是铂力特，2019年銷售額爲3.22億元，淨利潤7426.9萬元，先臨三維2019年營業收入爲4.56億元，但虧損9074.92萬元，目前正在進行部分資產剝離。與國際巨頭相比，國內企業的收入體量仍然偏小。目前，行業整體毛利率較高，但是絕大多數企業仍處于盈虧邊緣，其主要原因是高額的研發投入了吞噬了企業的淨利潤。
四、行業趨勢和觀點
4.1 金屬級增材裝備是產業發展的核心，關鍵零部件仍需要進口
金屬級增材制造設備主要由軟件、掃描儀、基板等零部件組合而成，增材制造的核心專利主要來源于中遊的設備廠商，同時中遊設備廠商不斷向上下遊擴張，通過產業整合或並購，掌握適合增材制造的原材料和先進的增材服務工藝技術方法，從而更好地爲設備更新叠代做准備。金屬級增材制造設備的核心零部件主要爲光學設備，包括高功率光纖激光器和激光掃描振鏡，一般占設備成本結構比重的20-40%。以上關鍵元器件技術壁壘較高，國產化率較低，絕大多數需要進口，是目前制約我國增材設備發展的最大瓶頸。國內高質量金屬級增材制造設備選用的光纖激光器基本以IPG和Trumpf爲主，激光掃描振鏡市場則主要被德國Scanlab公司占有。我國光纖激光器近年來發展速度加快，隨着銳科激光、創鑫激光的出現，正逐步迎頭趕上，但從目前國產化水平來看，與國外激光器尤其是高功率激光器仍存在顯性和隱性的差距，如速光斑大小、定制化、穩定性和一致性等方面。隨着國內不斷加大對以上卡脖子技術的研發投入，關鍵零部件的國產化替代趨勢將在未來愈加明顯。
4.2 上遊原材料是行業發展的基礎
增材制造業是一種新興產業，增材材料也創造性地經曆了從無到有，從有到優的發展過程，研發更多品類的增材材料可以更好地拓展應用範圍，因此原材料是金屬級增材制造行業發展的基礎。隨着適用金屬原材料的增加，增材制造將創造出更多種類的当前產品，未來應用範圍也會越來越廣泛。目前常用的金屬增材材料包括有色金屬材料和黑色金屬材料兩大類，其中有色金屬材料包含钛合金、钨合金、鋁鎂合金等，黑色金屬材料包含不鏽鋼、模具鋼、高溫合金等。我國金屬增材原材料已基本擺脫依賴進口的局面，供應量和質量較爲穩定，國內代表廠商包括：瑞熙钛業、铂力特、飛而康、西安歐中、宇光飛力、海寶、華曙高科、賽隆金屬、敬業增材等。增材材料與增材設備、增材服務相輔相成，相同技術路線的不同型號的金屬級增材設備也會對同類金屬材料提出不同的性能指標要求，材料的發展決定了設備的普及和加工工藝的定型。
根據3D科學谷的市場調研，國內增材制造市場對金屬材料的需求占比已經接近一半，其中金屬材料中需求量最大的是钛合金，占比達到38%，其在航空航天等高端領域應用較爲廣泛，鋁合金、不鏽鋼和钴铬合金占比也超過了10%，分別占比爲19%、17%和11%，位居主流金屬材料需求量占比的前四位。
圖24：主流金屬材料在國內需求占比
資料來源：九鼎投資
4.3 軟件發展落後，自主軟件研發是金屬級增材制造的重要保障
軟件開發投入較大，並且每年需要不斷更新維護，屬于資金和技術密集型行業。金屬級增材制造軟件主要包括：系統軟件、切片軟件、三維繪圖軟件、生成G代碼軟件（用于指導伺服運轉）等。軟件成本占金屬級增材制造設備成本結構的比重接近20%，目前軟件是整個我國增材制造生態產業鏈的短板之一，軟件開發仍集中在學術科研上。系統軟件主要依靠國外成熟的操作系統裝機運行，如西門子系統等。國內增材制造設備廠是軟件研發的主力軍，以自有知識產權的軟件匹配自主研發設備，一方面可以降低增材設備的生產成本，另一方面設備銷售收入也爲軟件開發提供了資金保障。國內企業的軟件研發發力點主要集中在三維繪圖、切片軟件，和生成G代碼方面。
表2：我國增材制造主要軟件服務商
資料來源：公開資料，九鼎投資整理
4.4 增材制造服務領域的拓展推動着整個產業鏈條技術的更新，航天軍工將優先受益
下遊金屬級增材制造服務涵盖了当前產品的設計研發、激光成形、後處理和檢驗交付等多個環節，其產成品性能指標的優劣直接反映了整個增材制造產業鏈條配合的成熟度。通過對終端当前產品的結果把控，不斷調整優化和升級前序產業鏈條，形成正反饋。在當前階段，由于技術更新換代快，研發成本高，產量小等原因，目前可接受的行業領域主要集中在航空航天、國防軍工等。行業屬性決定了造價成本並非第一敏感要素，而是更加注重当前產品整體可靠性的提升，結構的優化升級，重量的明顯降低，大尺寸規格的突破等。
隨着增材制造的逐漸成熟，金屬級增材制造企業近年來連續開展軍工多型號零部件的研發設計、試驗和試制，铂力特甚至已經實現了批產供貨，說明增材技術應用已經得到航天軍工專家的認可。例如鑫精合使用激光近淨成形技術制造某發動機噴管，其零部件個數由1200個降低到526個，重量減少140KG，並且突破了大尺寸零部件難以控制熱應力等問題，生產周期大大縮短，材料利用率提高到80%以上。根據铂力特的招股說明書，公司的增材制造零部件已經批產應用于7個飛機型號，4個無人機型號，7個航空發動機型號，2個火箭型號，3個衛星型號，5個導彈型蛤，1個空間站型號，2個燃機型號，設計C919等軍民用大飛機項目。中國航天科技集團五院529廠的增材制造技術已在載人航天、深空探測、遙感、通信等多個領域的正樣、初樣当前產品研制中得到廣泛應用，涉及型號近20個、零件当前產品300余件。隨着近年來科研合作軍品的逐漸定型，預計未來2-5年內增材制造的軍工訂單將實現爆發式增長，且持續性較強，航天軍工有望成爲帶動金屬級增材制造快速崛起的第一推動力。
4.5 金屬級增材裝備需求激增，大尺寸高效成型是未來趨勢
雖然金屬級增材制造可以創造出傳統加工工藝無法實現的微觀結構，客戶對增材設備和服務的需求增長迅猛，但增材技術仍非主流應用。造成這一現象的原因之一是當前金屬級增材設備的当前產品成型尺寸有限，難以滿足大多數工業制造的需求。較小成型尺寸額增材設備更多是用于科研教育，因此，爲滿足客戶從“概念探索”到“樣品試制”，再到“規模化生產”不同階段的需求，不論是選區熔化技術路線還是近淨成形技術路線的設備制造商均在更大成型尺寸設備的研發上持續探索。目前，世界最大的激光選區熔化增材設備是由Concept Laser生產的2000R，成型尺寸爲400cm*500cm*800cm，更大成型尺寸的增材設備可以突破加工制造零部件的規格限制。金屬級增材制造產業正處于從“以科研爲主”到“以生產制造爲核心”的轉變，大尺寸、多激光器、數字化、高穩定性、智能化、定制化、用戶友好性的增材設備代表着增材制造的未來競爭力，其可以降低設備使用難度，及時發現生產中的問題減少損耗，提高打印速度和打印質量，滿足更大規格零部件的制造需求。
4.6 行業整合加劇，行業巨頭加速布局增材制造產業
隨着增材制造行業競爭的不斷加劇，企業爲了增強自身競爭力，開始布局行業整合。行業整合方式包括：向上下遊並購或擴張，以及其他行業跨界並購或參與增材制造。德國EOS屬于典型的上下遊擴張，目前EOS已經不僅僅是全球最大的金屬級增材設備廠商，還是粉末原材料、制造工藝、服務咨詢等多板塊的解決方案提供商，打造出完整的產業鏈條。美國GE作爲工業企業的代表，從2010年開始參與增材制造，2016年成功並購瑞典Arcam和德國Concept Laser公司，自身完成了從乙方到甲方角色的轉變，目前已成功在航空發動機領域實現了增材制造的規模化應用。
其他案例参考還包括阿迪達斯、強生等跨界投資增材制造商Carbon，阿迪達斯借助Carbon的3D打印技術已大規模生產了一款3D鞋。寶馬集團先後投資了Carbon和金屬增材制造公司Desktop Metal，並于2018年5月斥資1,000萬歐元打造增材制造工業園區。
增材制造行業整合的加劇，不但加速了行業內上中下遊產業鏈條的快速融合，而且隨着跨界巨頭對行業的深度參與，增材制造將加速大規模產業化的應用。