今天小編分享的科技經驗：3D打印，國之重器，歡迎閱讀。
圖片來源 @視覺中國
文 | 錦緞
中國的比較優勢與核心利益是制造業，制造業是中國經濟發展與安全的基石。
放之近 200 餘年全球現代商業文明，只在數個國家發生了有且只有一次的以制造業為内核的 " 工業化起飛 "，這些國家無一例外相繼成為世界強國。以此 200 餘年歷史為鏡，除美國之外，尚無任何一個國家可以在失去制造業比較優勢後，能夠持續占據世界經濟舞台中心。當時間來到 2023 年，制造業的核心要素已發生巨大嬗變：
1. 生產工具正從蒸汽、電力機械，轉變為自動化設備、智能機器人。 2. 生產資料正從傳統能源，轉變為傳統能源、新能源與數據資料融合。 3. 生產力正從人，轉變為人、機器人與 AI 共生。 4. 驅動機制正從企業内部、行會組織，轉變為國家意志與風險資本。
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，制造業的底層技術競争邏輯亦即開始重構。率先掌握 " 新能源 + 新材料 +AI+ 數據 " 這一融合性先進制造業技術通關密碼的國家，将在未來百年新周期内，走上或繼續保留在世界經濟舞台中心。恰好，3D 打印正是這樣一個融通了前述生產要素，并在理論上足夠颠覆既有制造業格局的前沿生產力平台與工具性技術。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，特斯拉領銜的鑄造一體化，即是 3D 打印的雛形，正推動汽車制造業一日千裡。
廣義上，目前全球最風頭正勁的科技公司，"AI 之王 " 英偉達，正在着力推進 "cuLitho 計算光刻技術 "，則是以 3D 打印的變種，期革命性地推動 " 人類科技之巅 " ——光刻機核心技術的迭代與指數級效率提升。
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，後者是韭菜。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，即使最終出現了最悲觀的結局，但在結局未揭曉前，對于中國制造業而言，唯有飽和式研發投入一條路可以走——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 我們仍處于 3D 打印 " 黑障期 "
通往最前沿的技術領網域，注定颠沛流離。僅就 3D 打印而言，已經是數十年的技術概念，而今距離產業化破局仍有漫長的黑障期。
3D 打印又稱增材制造（AdditiveManufacturing，AM）是指以三維模型數據為基礎，通過材料堆積的方式制造零件或實物的工藝。
傳統制造業是通過切、銑、磨等機械加工方式去除多餘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 打印設備對數字模型檔案進行分層處理，将三維實體變為若幹個二維平面，然後将金屬粉末、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 打印相比于傳統技術來說在小批量生產時的生產成本，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勢。但如果一些產品能夠大批量生產，不需要復雜的設計或用傳統工藝加工就很方便的情況下 3D 打印則不占優勢。
不同于傳統制造企業通過批量生產單一產品形成規模經濟，3D 打印依靠同一台設備生產多樣產品。企業通過增加產品種類降低生產的部門成本，從而達到範圍經濟。生產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、醫療領網域内的部分細分領網域内，多年以來應用領網域格局變化并不大。而復雜構件的的需求在各個領網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 打印的物質基礎，其發展程度決定着 3D 打印未來是否能夠被廣泛運用。與傳統的機械加工不同，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，而國内在 3D 打印原材料方面生產企業較少。
以金屬粉末來說，其制造工藝主要是激光燒結成型，對粉末的顆粒度，純度都有着較高的要求，金屬粉末的質量越好，粒徑越小，打印出的零件機械性能就越好。目前國内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。
而高質量的金屬粉末制備成本很高，性能達标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，钛合金粉末的價格在 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
在技術極客領網域，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将達到一兩個月甚至更長的時間，那麼高達幾萬甚至幾十萬的設計費用就很難在小規模生產中攤薄，這也就成了 3D 打印普及化的瓶頸。
02 當下我們為何須格外重視 3D 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 " 幹将莫邪為楚王鑄劍，三年乃成 " 等典故，只有軍隊才能大規模配備鐵質武器，百姓依然還是使用青銅器農耕。
但随着金屬 3D 打印產業在我國的發展，3D 打印金屬粉末價格已經在逐年下降。
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（公司将 2023 年的募投項目中運營期首年金屬 3D 打印粉末銷售價格确定為 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。同時随着技術端的成熟以及規模效應逐漸顯現，公司金屬 3D 打印粉末業務的毛利率從 2020 年的 29.38% 增長至 2022 年的 38.98%。
原本阻礙 3D 打印產業化的核心成本已經大幅降低，未來根據下遊如消費電子等應用場景，開付出新的适配性能需求的工藝，疊加產業規模不斷增大，成本将會進一步降低。
另一方面，打印設備商的上遊原材料均呈現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 / 台下降至 2021 年的 10 萬元 / 台，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 年增材制造行業開發出多激光打印策略後，每增加一個激光頭設備的打印效率就将提升 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 打印設備的生產制造商，產業鏈相關的配套裝務廠商也在不斷發展壯大。一般 3D 打印件的表面比較粗糙，通常還需要傳統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後處理環節現在都可以輕松解決，產業鏈的協同效應使得各個環節的成本和效率大大優化。
2、AIGC 的發展突破了設計的壁壘
大部分行業都存在着一些簡單重復性的勞動，設計領網域同樣不例外。就五年前的行業來說，還有大量的簡單工作可以交由剛入行的新人或實習生來做，如今随着軟體效率的提升，簡單性重復勞動的工作時間已經大大壓縮，設計周期變短，相應設計成本也在逐漸降低。
随着 AI 大模型推開通用人工智能大門後，AIGC 技術的湧現與應用開始威力初顯，未來将為設計行業整體帶來更為颠覆性的變革—— 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内制作完成。
目前行業内公司均以已經初步開始探索人工智能與 3D 打印的結合，不久的将來 3D 打印設計也會由 AI 帶來新一輪的革新。
03 制造業需要 3D 打印完成新一輪迭代更新
随着社會的不斷發展進步，工業發展呈現出從 " 有 " 向 " 優 " 的更新趨勢。例如由鋼鋁構件換成钛合金可以在強度，耐腐蝕，耐高溫和重量方面均實現大幅度改善，是工業制造更新的必經之路。
但钛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，使得傳統數控加工钛合金的成本較高。3D 打印可以繞開傳統切削加工方式帶來的問題并減少材料浪費，有助于制造業的進一步迭代更新。
3D 打印直接制造無需模具的特點亦能大幅減少制造環節，人員參與，材料損耗方面的成本投入，在制造復雜部件上有着無可比拟的優勢。相對于傳統制造，對復雜構件制造的研發周期可縮短到 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射的人族一号運載火箭占全箭質量 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 ) , 可以将工期從傳統制造的 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勢很可能發生連鎖反應，重塑供應鏈。
3D 打印的另一大特色是結構強度高，自重較低。汽車行業設計所追求的節能，降耗，增加續航裡程等目标，輕量化是是最為重要的技術路徑之一。據《輕量化技術和材料在汽車工程中的應用》中的數據，對于燃油車，汽車質量每減少 10%，汽車燃油效率将會增加 6%-8%；而對于新能源汽車，每減重 10%，續航裡程可提升 5-6%。
3D 打印的大規模應用可以使汽車領網域的開發、設計、制造過程發生巨大變化，實現更輕量化的設計，更安全的結構，更短的研發周期。
目前寶馬、戴姆勒、通用、大眾等眾多知名車企已将 3D 打印技術應用于汽車零部件的量產。MakerBot 公司 3D 打印趨勢報告指出，較 2020 年相比，2021 年有将近一倍的車企增加了對 3D 打印的應用。
醫療領網域對于個性化、定制化的需求也使得 3D 打印在醫療領網域的應用快速增長，2019-2021 年全球醫療行業增材制造市場規模自 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降本增效。義齒金屬義内冠使用 3D 打印技術可降低 70% 的人工成本，為義齒行業定制的 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 Wohlers 統計數據，2022 年全球 3D 打印市場規模為 180 億美元，同比增長 18.3%。中國 3D 打印市場規模雖不及美國但增速較快據中商情報網數據，2022 年中國 3D 打印產業規模達 330 億元，同比增長 52%。
目前全球 3D 打印市場主要集中在北美、歐洲和亞太地區三個地區，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泰、EOS、華曙、鉑力特、3DSystems、GE、Stratasys、惠普等。聯泰在 3D 打印行業中市場占比最大達 16.4%，其次為 Stratasys 和 EOS，分别占比 14.8% 和 13.1%。
回望國内，中國 3D 打印產業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 打印全產業鏈覆蓋公司，背靠航空航天名校西工大，公司發展迅速。公司是一家專注于工業級金屬 3D 打印（3D 打印）的高新技術企業，為客戶提供金屬 3D 打印與再制造技術全套解決方案，業務涵蓋金屬 3D 打印設備的研發及生產、金屬 3D 打印定制化產品服務、金屬 3D 打印原材料的研發及生產、金屬 3D 打印結構優化設計開發及工藝技術服務（含金屬 3D 打印定制化工程軟體的開發等），構建了較為完整的金屬 3D 打印產業生态鏈，整體實力在國内外金屬 3D 打印領網域處于領先地位。
華曙高科：3D 打印產業鏈中遊制造設備公司。華曙高科十餘年來專注于工業級 3D 打印設備的研發、生產與銷售，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 20 餘款設備，并配套 40 餘款專用材料及工藝，正加速應用于航空航天、汽車、醫療、模具等領網域。公司是全球少數同時具備 3D 打印設備、材料及軟體自主研發與生產能力的 3D 打印企業，銷售規模位居全球前列，是我國工業級 3D 打印設備龍頭企業之一。
銳科激光：國内光纖激光器龍頭企業。銳科激光公司是一家專業從事光纖激光器及其關鍵器件與材料的研發、生產和銷售的國家火炬計劃重點高新技術企業，擁有高功率光纖激光器國家重點領網域創新團隊和光纖激光器技術國家地方聯合工程研究中心，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、生產和服務供應商。
公司主營業務包括為激光制造裝備集成商提供各類光纖激光器產品和應用解決方案。2021 年公司產品應用于激光焊接、激光熔覆、新能源、3D 打印、船舶制造、航空航天等高端應用領網域。
金橙子：3D 打印產業鏈中遊制造設備金橙子。金橙子激光系統集成硬體產品包括高精密振鏡、激光器、場鏡及其他硬體，金橙子重點投入振鏡硬體研發，不斷提高振鏡硬體單品的自主研發比例，夯實差異化優勢，降低生產成本，金橙子軟硬配套比例有望保持快速提升的态勢，振鏡業務有望成為主要增長點。此外，金橙子發揮技術和渠道協同優勢，橫向拓展激光伺服控制業務。
有研粉材：3D 打印產業鏈上遊金屬粉末材料公司。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，設計并制造了适用于球形金屬粉末的霧化裝備，通過新型霧化器結構設計、霧化系統的創新和霧化工藝參數的優化，顯著的提高了成品粉末收得率、進一步提高了粉體的品質。
以 3D 打印球形金屬粉末為例，通過霧化制備技術的創新和技術積累，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技術難題，開發出鋁合金 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，衛星球少，打印件力學性能優異等特點，有效的推動了 3D 打印金屬粉末國產化替代的進程。
公司采用氣霧化為主要工藝生產的鋁、銅、钛、高溫合金、模具鋼、钴鉻合金等粉末材料。產品雜質含量低，球形度好，成分均勻，主要應用于用于航空航天、醫學修復等。
未來随着設備、材料、服務供應商技術的不斷突破，3D 打印将在更大規模上具有經濟性，制造業也将迎來 " 增材制造 2.0 時代 "。
以上，制造業對任何一個國家的重要性不言而喻。在通往或證偽 3D 打印的前沿路徑裡，作為投資者，我們已經到了長周期追蹤這一技術的時刻。
