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增材制造行业现状分析

编者按:增材制造技术的出现,为实现复杂结构优化设计、快速设计验证等关键问题带来了一种全新的解决思路。本篇由瑞鹏资产王蒙为您分析增材制造行业现状帮助大家深入了解。


增材制造行业现状分析

瑞鹏资产 王蒙

增材制造技术相对于传统的材料去除切削加工技术,是一种以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术,体现了网络信息技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合。增材制造技术的出现,因其具有能够实现高性能复杂结构零件的无模具、快速、全致密近净成形等优势,为实现复杂结构优化设计、快速设计验证、小批量零部件快速制造、快速客户响应等关键问题带来了一种全新的解决思路。

金属增材制造增长速度近年来非常可观,但是距离我们憧憬的整个产业的高速发展期,目前增材制造技术仍然面临着诸多难题,离我们理想中的数字化智造还有很长的路要走总结以下几方面制约着产业发展:

一、产业高速发展需要解决的问题

一、技术工艺方面目前存在的主要问题

1、可打印的金属材料种类有限,急需开发更多金属种类以满足工业需求

目前应用最多的金属材料种类有钛合金、高温合金、铝合金等,材料的选项范围较小,只能满足一部分市场的需求,未来需要更多可选择可使用的材料种类以满足工业需求。

2、受打印速度和效率制约,打印成本过高,包括机器成本、粉末成本及较高打印失败率带来的额外成本,制约着行业生产的批量化规模化

1)缺乏大批量制造案例

目前增材制造主要集中于原型验证或者小批量制造,超过60%产品的制造量不到10件,超过90%产品的制造数量在100件以下。GE公司的航空发动机燃油喷嘴是唯一通过公开途径可找到的大批量制造成功案例,该产品的年产量达到数万件。除航空产业外,汽车是最有可能实现大批量生产的工业领域,宝马、保时捷等公司已经在开展增材制造产业化研究。

2)适合大批量产的产品还处于摸索阶段

增材制造的成本优势与结构复杂程度和批产数量密切相关,如果批产数量超过平衡点,传统的铸造、锻造、机加等工艺将更具竞争力。根据不同的结构复杂程度和替代工艺成本,这一平衡点介于数十件到数百件之间。

在增材制造的成本效益评估方面,我国目前处于相对落后的状态。部分原因归咎于我国增材制造的应用相对集中于航空航天等军工市场,这是一个市场经济规律稍显薄弱的特殊市场,保型号、保节点、保重量、保质量等因素的重要性远远高于保成本,增材制造得益于其快速、灵活、适应复杂结构、适应小批量生产的特点,在军工市场率先得到了广泛应用,而需求量更大的民用市场发展稍显缓慢。

由此也造成了国内的增材制造行业缺少价值管理的理念,有的产品为了蹭上增材制造的热度,不计成本的“为了增材而增材”,另一些产品为了竞争出现了内卷严重的局面,相当于只赚取了材料费和加工费,做到赚钱都困难。造成这一现状的主要原因就是增材制造产品的设计与制造割裂,产品的功能价值提升有限,在与其他加工方法竞争时缺少议价能力。

未来的行业的发展要从一开始就从增材制造产品全生命周期的角度考虑成本和收益,尤其是通过增材设计带来产品在服役过程中减重、节能、效率、功能等收益的增加,以及时间、人力、装配、维修等成本的降低,并综合考虑增材制造的工艺约束分析、产品可靠性分析、打印风险分析等。实现自动评估产品的增材制造可行性与增材设计对产品的附加值潜力。

3、与其他横向技术融合不足

在增材制造技术火热期,3D打印打印万物的言论不绝于耳,以至于有人提出3D打印将颠覆所有制造技术。更有意思的是模具行业,曾经被视为是3D打印无模化制造最先颠覆的对象,如今却是3D打印应用最为活跃的行业。所以,笔者看来现阶段3D打印并不是颠覆的对象不够多,而是与其他横向技术的融合不足,比如与传统五轴机床结合形成的增减材复合制造是一个非常成功的技术融合案例。除上文提到的设计方法,目前3D打印急需与材料基因组、高精度能量控制、数字孪生、新能源、绿色制造等先进技术结合。同时,3D打印还缺乏与各行各业的融合,扩大3D打印的应用领域。

二、设备的质量标准化

1、整套装备的硬件组成

(1)机械模块:桁架,外观钣金,成形缸模组,铺粉模组,收粉板块,各管路,连接件,标准件等。

机械模块是整套装备的骨架,类似与人的骨骼架构,是决定整套装备布局与外观质量的核心模块。所以,在很多拥有成熟金属3D打印装备研发体系的机构里面,优秀的机械结构设计工程师最终都会转变为另一个核心角色,即系统设计工程师,就是对整套装备的整体布局、装配质量负责。

(2)电气模块:PLC及电气元件,传感器或监控元件,线束等。

上游原电气模块在机械设计模块无缺陷的前提下,电气模块类似于人体各部分的器官及神经系统,对于设备稳定性运行起到非常关键的作用。电气主要的构成硬件是PLC及各伺服控制元件、各类型传感器等,彼此之间的通讯经过协议信号传递并控制伺服电机运动。不同品牌的电气元件之间的通讯在遵循通用标准的基础上又有各自的标准,因此要想设备各个电气元件之间实现无缝通讯连接,最好的方式就是全部采用统一品牌。

(3)光学模块:激光器及光纤,准直镜,扫描振镜,场镜等。

光学模块是装备最核心的精密模块,类似于人体的眼睛。对于一般成形尺寸(300mm左右)的装备而言,目前市场上选用的大部分是IPG 500W、1000W连续光纤激光器,外加准直和聚焦系统。

(4)循环过滤模块:风机及滤芯等。

循环过滤模块:这一部分主要构成是机械加工部件与风机、滤芯。机械加工部件划归到机械模块硬件成本上,风机与滤芯的整体报价与采用的循环过滤等级成正比,循环过滤等级越高,系统越复杂,则整体硬件的成本相对越高,

(5)软件控制模块:工控软件,数据处理及路径规划软件。

软件模块:这部分的成本存在两个极端,一是自己有软件工程师,所有软件项目全部自己编写并装机运行,成本相对较低;另一是根据自己装备特点及工艺要求向软件制作公司外协定制,后期自己维护与升级,外协定制成本非常高。

(6)其他辅助成本:这部分成本包括了诸多智能化与自动化等功能,例如粉末自动筛分循环系统,熔池在线监测控制系统,激光输出功率在线监测系统等智能化与自动化的辅助设施。

2、装备质量差异

国内专业3D打印机构在装备开发过程没有一套完整的产品开发流程与产品校验规则,装备差异化的具体表现除了装备本身在结构设计时采用的创新设计与附加智能化或者自动化功能外,这属于“显性差异”。最大差异就是对细节的把控程度,这个很难用肉眼观测,属于“隐性差异”。隐性差异主要源自于两方面,一是装备开发人员自身的素质及对技术的要求程度,二是企业自身的企业文化要求。隐性差异对于装备开发而言可以说是企业的核心竞争力,同样功能的装备,为什么有的品牌具备实用性而有的品牌却只是套骨架?核心就在于产品的开发流程与产品校验规则,以及两者之间存在的隐性差异。未来,3D打印企业在管理上具备成熟的流程与方法后,设备的出厂有了相关的质量标准,会促使整个行业的市场空间快速发展。

三、国内上游原材料企业技术的发展

目前国内的金属3D打印装备其核心配件如激光器、振镜等严重依赖国外品牌,这也导致了价格大幅下降的可能性不大。国产配件堪当大用的时候,金属3D打印装备价格会继续走低,届时,国外品牌装备价格也会下降。

四、行业标准的建立

标准和认证仍然是增材制造(AM)领域的最大挑战之一。3D打印领域,目前还处于杂乱高速增长中。这种革命性的制造技术已被大量应用于非安全关键领域,在医药和航空航天领域发展比较快。然而,除非标准化取得进展,否则市场的预期增长可能会停滞不前,因为人们对3D打印安全关键应用缺乏信心。

无论是由监管机构、标准机构还是行业本身推动,要让各行各业对3D打印建立信心,零件的质量、安全和一致性的可重复性需要得到证明和验证,以获得客户的信任。国际上并没有针对3D打印相应的法规,美国民间组织国际材料试验协会(ASTM)建立了3D打印行业标准,对3D打印的定义分类进行了规定,但对细节部分没有展开。

五、行业人才的培养

1、目前存在的问题

(1)人才数量不足

人才短缺正成为制约我国增材制造产业发展的主要短板之一,中国增材制造产业联盟预测:未来数年,增材制造领域研发、工程、设计、应用等方面科研型和技能型人才数量短缺将达到800万规模。造成人才数量短缺的原因主要有:一是我国增材制造人才培养体系尚未完善,各层次人才培养跟不上新技术的快速发展;二是增材制造产业发展尚处于起步阶段,产业规模较小,企业研发能力薄弱,不足以支撑长期的人才培养;三是受行业环境、企业管理、薪酬制度及个人职业发展规划等因素的影响,民营企业人才流失问题普遍存在。

(2)培养能力较差

高校方面,学科建设不完善,多学科协同创新及交叉学科科研课题匮乏,限制了增材制造复合型人才的培养,同时,我国在增材制造原创性技术研发方面存在一定差距,学生创新能力培养水平有待提升;职业院校方面,课程培养方案尚处于探索阶段,师资力量薄弱,培养模式单一,缺乏切合工程实际的人才培养体系和机制,此外我国职业教育受重视程度不够,暂不具备培养高级技能人才的能力;而企业作为人才培养的重要渠道,也还未发挥出相应的作用,行业内大部分企业对人才培训缺乏认识,培训体系不完整,人力资源竞争力不足。

(3) 管理人才匮乏

当前,我国增材制造管理人才主要依靠国内现有科研团队或企业自身培养,通过实际的增材制造产业链运作和商业模式创新应用等来持续提升自身的管理经验和技能,逐步成长为符合增材制造行业特点的复合型管理人才。但是,现有增材制造管理人才培养模式和渠道过于单一,大多数企业管理人员还是基于传统思维方式去推动增材制造技术应用及服务,未建立起基于增材思维的管理模式和方法去推动企业增材制造技术应用及服务,同时也会造成我国增材制造管理人才发展出现一个断层,不利于我国增材制造产业链的高质量发展。

(4)缺少权威认证

我国增材制造人才认证工作尚处于起步阶段,人才认证方案不规范,培养考核标准不统一,相关认证市场认可度不高,未能形成增材制造行业标准化的技能水平测试和能力证明体系。人才认证工作的缺失使得增材制造人才的培养缺乏指导,培养方向、标准、目标不明晰,人才的遴选、甄别、招聘、晋级缺乏客观指导标准和参考。破解“缺乏认证导致的人才短板”难题,亟需行业组织联合企业、高校,面向社会组织开展增材制造领域不同层次紧缺技能人才的考核与认证,注重学员实际应用能力的评测,打造具有权威性、领先性、实践性的增材制造认证证书,加快推动产业人才的培养与储备进程。

2、目前行业人才现状:

(1) 从人才类型来看,科研型人才占比最高

由于增材制造技术和行业的特殊性,中国增材制造产业联盟将增材制造从业人员分为技能型人才、科研型人才和管理型人才三类。其中,技能型人才是指具有某一学科专业基础,又能将这一学科的专业基础与增材制造技术充分融合的人才;科研型人才是指主要从事增材制造专用材料研发、工艺技术优化、设备开发等相关领域研究的人才;管理型人才作为增材制造技术与市场能力的汇总者, 是增材制造行业的管理型复合人才,需要对增材制造产业链有着全面的了解。经统计,如图1所示,当前企业从业人员存量构成中,科研型人才占比最高,达到43%;其次是技能型人才,占比39%;管理型人才占比最低,仅为18%。这也说明,增材制造产业正处于发展初期,需要大量智力和技术资源投入。

(2)高校新增专业学科

新增“增材制造工程”等37个本科专业2021年2月10日,教育部发布了《教育部关于公布2020年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》,并对普通高等学校本科专业目录进行了更新。37个新专业列入普通高等学校本科专业目录,包括融合教育、古文字学、量子信息科学、增材制造工程、能源互联网工程、智慧交通、智能飞行器技术等。其中,“增材制造工程”专业属于机械类,学时4年。由于增材制造技术涉及软件、控制、材料、机械、光学等多学科门类,并不意味着专门的增材制造专业学生才可从事该行业。一直以来,国内已有大量高校从事该技术的研究工作,培养了大批熟知该技术的研究生。目前行业所缺少的,更多是技能人才。
二、3D打印产业链上中下游市场分析
一、3D打印产业链
3D打印产业链的上游为原材料、核心硬件和辅助运行系统的供应商。中游主要为3D打印设备和相关服务制造商。下游主要为3D打印服务对象,3D打印主要应用于航空航天、汽车工业等领域,以工业级应用为主。
1、上游分析
1)3D打印原材料
3D打印原材料是影响3D打印产品质量的重要因素之一,是3D打印技术发展的物质基础。3D打印原材料目前主要可分为金属材料、非金属材料。数据显示,在我国整个3D打印市场中,钛合金、铝合金、不锈钢分别占20.2%、10.0%、9.1%,合计占比39.3%,其余多为非金属材料,包括尼龙、PLA、ABS塑料、树脂等。

 

2)激光器

近年来,中国激光器市场规模保持增长趋势,2020年市场规模已达109.1亿美元,同比增长7.16%,占全球激光器市场66.12%的份额。2021年中国激光器市场规模增速加快,达到129亿美元,同比增长18.24%,市占率进一步提升。预计2023年将继续保持增长,市场规模将达172亿美元。

                                              市场规模(亿美元)

3)振镜系统

2021年中国激光振镜控制系统销售规模达3.86亿元,预计2023年激光振镜控制系统销售规模将达5.24亿元。我国中低端振镜控制系统已基本实现国产化,但高端应用领域主要由德国Scaps、德国Scanlab等国际厂商主导,根据控制系统供应商出货数量及高端应用情况测算,2020年我国振镜控制系统的国产化率约15%。未来随着国内激光控制供应商的崛起,有望在高端领域对国外企业进行有效替代。

4)重点企业分析

我国3D打印上游相关企业汇总

类别

企业名称

金属粉末

中航迈特、苏州英纳特、上海材料研究所、广州纳联材料、陕西融天航空、西安塞隆金属材料、成都优材科技、湖南宁乡吉唯信、陕西宇光飞利、飞而康、西安铂力特等

光敏树脂

上海联泰、珠海西通、北京塑成科技、深圳优阳科技、东莞智维、深圳雅霖特种材料等

振镜系统

金橙子、大族激光、兴诚科技、八思量等

激光器

深圳市创鑫激光、上海川宇激光、武汉锐科、深圳杰普特、山大鲁能等

扫描仪

中海达、先临三维、湖北嘉一三维、深圳易尚、深圳讯点、江苏时间环、北京天远三维、东莞博泰三维等

软件

中望软件、华力创通、科远智慧、汇川技术、宝信软件、赛意信息等

2、中游分析

1)市场规模

受3D打印产品逐步规模化应用和部分积压的3D打印设备需求释放的带动,2021年中国3D打印产业规模增速加快,产业规模增至216.5亿元。随着3D打印产品在已有场景中应用规模进一步扩张,以及新场景、新应用的不断开拓,预计2023年中国3D打印产业规模将突破400亿元。

市场规模(亿元)    

2)产业结构

中国3D打印设备规模占比达45.0%,3D打印服务和3D打印材料规模占比各27%和28%。

 

3)竞争格局

目前,中国市场的主流设备品牌包括联泰、EOS、华曙、铂力特、3D Systems、GE、Stratasys、惠普等。数据显示,联泰在3D打印行业中市场占比最大达16.4%,其次为Stratasys和EOS,分别占比14.8%和13.1%。

 

3、下游分析

1)应用领域

3D打印目前已被广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域,并逐渐被尝试应用于更多的领域中。根据Wohlers Report 2022报告显示,2021年3D打印主要应用于航空航天、汽车、消费及电子产品、医疗/牙科、学术科研等领域,占比情况如下:

 

2)下游需求趋势

大尺寸装备是金属增材制造装备发展的重要方向,更大的成形尺寸可以拓宽金属增材制造技术的应用场景,提升金属3D打印在高端制造领域的应用价值。得益于我国航空航天领域的快速发展,运载火箭、空间站、大飞机等关键行业对大尺寸、一体化、高精度零件具有重要的需求,金属3D打印集成化的解决方案已经证明可以生产出更高产量的高质量零件,激发了国产金属3D打印装备制造商不断完善优化产品,研发制造更大成型尺寸的装备。

近年来,国内粉末床大尺寸金属增材制造制造装备发展突飞猛进,顺应各领域制造需求及技术发展趋势,纷纷推出了可以大规模提高制造效率和能够打印更大尺寸的激光粉末床金属3D打印机,并初步形成了销售和应用规模。


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