【行业资讯】增材制造：从 “可选补充” 到 “必选核心”，从 “配角辅助” 到 “主角引领”

一、增材制造：制造理念转变引领制造变革

（一）由配角向主角、由可选向必选的转变

2024增材制造产业发展论坛暨增材制造产业年会上，中国增材制造产业联盟副秘书长李方正指出，我国增材制造技术发展正从“配角”变为“主角”，从“可选”变为“必选”。聚焦于航空航天等军品领域，我们认为驱动产业逻辑变化的因素源于以下几方面：

① 符合航空航天等军品制造领域所特有的多品种、小批量特征。增材制造技术无需工装和模具，通过数字模型驱动生产，对于航空航天领域所需要的小批量、定制化的零部件不仅具有成本效益，还能够缩短制造周期；

②实现航空航天零部件复杂结构一体化制造。增材制造技术能够满足高复杂度结构件的生产需求，同时通过结构功能一体化设计，大幅减少航空航天装备零件数量，实现装备轻量化，提高装备工作效能和可靠性；

③增材制造技术成本呈现下降趋势。随着增材制造技术的成熟以及增材制造设备国产化程度的提高，增材制造设备价格有所下降，此外，随着我国在打印原材料方面技术的突破，以及钛合金等打印材料价格的下降，带动增材制造技术成本的走低。成本的降低有助于增材制造技术的应用，提高增材制造技术的规模化效应，带动产业进入良性循环。

（二）概述：快速成型新工艺，促进航空航天行业发展

增材制造又称3D打印，作为一种快速成形的前沿工艺，带来了制造业的革命性变革。3D打印是以三维模型为基础，通过计算机软件和数控系统将复杂的零部件结构离散为简单的二维平面，再利用激光束、热熔喷嘴等方式将特殊材料堆积成形，制造出与数字模型完全一致的零件。

虽然增材制造技术能够满足航空航天零件制造过程中快速、低成本需求，还能实现超规格、复杂结构件的制造，为航空航天领域带来了制造技术的革命性变革，但在实际应用过程中还面临一些挑战。

①相较于成熟的减材制造，增材制造成本仍然偏高

虽然近些年3D打印在材料端、设备端的成本出现了较大幅度的下降，但相较于成熟的减材制造，增材制造成本仍然偏高。主要体现在设备成本（金属3D打印机）、材料成本（专用的金属粉末价格远高于传统形式的同种棒料、锻件材料）、后处理成本（打印完成的零件通常需要大量的后处理工序，如去除支撑结构、热处理、机加工、表面处理以及可能的热等静压等入、辅助设施成本（需要如氩气、氮气惰性气体保护，专门的排风过滤系统、粉末回收处理设备等）以及维护成本（激光器、光学系统等设备维护)。因此降本是增材制造替代减材制造过程中持续追求的目标。

②由于“逐层堆积”的本质，生产速度较慢

与传统的减材制造或大批量成形工艺相比，逐层堆积的过程相对耗时。打印一个中等复杂度的零件可能需要数小时甚至数天。同时由于工件表面处理及热处理需求，后处理步骤进一步延长了生产周期。此外对于大批量、形状相对简单的零件，传统制造方法（如压铸、冲压）在速度和经济性上具有压倒性优势。因此，增效是引领增材制造技术发展的核心动力，比如技术上从以往的单激光头，到多激光头并行扫描，大幅提升产能。

③设备尺寸限制产品尺寸

打印零件的最大尺寸受限于3D打印机构建仓的尺寸。虽然大型设备不断出现，但构建超大零件仍然具有挑战性，且成本高。因此，持续推出更大构建仓的工业级设备与提升打印效率，降低成本在并行发展。同时模块化打印与连接技术也可以一定程度解决大尺寸结构件的需求，将大型构件分割成可打印模块，通过优化设计接口，采用高质量焊接、机械连接或扩散连接等方式进行可靠集成。

④表面质量和精度的挑战

由于增材制造是逐层堆积，倾斜或曲面表面会呈现出阶梯状的纹理，表面粗糙度通常较差（Ra值较高)。而未完全熔融的粉末颗粒可能粘附在表面，或形成小的熔融金属球，影响表面光洁度。同时金属在熔融和凝固过程中会发生收缩，可能导致零件变形、翘曲或尺寸偏差。因此增材制造对于需要高精度配合或光滑表面的区域，几乎总是需要进行额外的机加工来达到要求。而这一方面的优化，则需要较高的设计与工艺经验，优化打印工艺，在结构件产品设计阶段，利用仿真等手段进行几何预补偿等。内部缺陷和力学性能挑战

受制于增材制造本身“逐层堆积”的本质，工艺控制不当可能导致内部出现气孔、未熔合等缺陷，降低零件的致密度和力学性能（尤其是疲劳强度、断裂韧性)。快速熔融和凝固过程会在零件内部产生显著的残余应力，需要后续热处理来消除应力。同时层状堆积的特性可能导致零件的力学性能在不同方向上存在差异（例如Z向性能通常低于XY平面），不如传统锻造件各向同性好。而在产品性能一致性方面，确保不同批次、甚至同一批次不同位置零件性能的高度一致性和可重复性仍然是一个挑战。因此，增材制造在工艺控制，产品后处理及检测方面具有较高的技术要求。

虽然增材制造可打印的金属合金种类在不断增加，如钛合金、铝合金、镍基高温合金、不锈钢、工具钢、钴铬合金、铜合金、贵金属等，但仍然远少于传统制造方法可用的材料范围。一些高性能合金的打印工艺复杂且成本高昂。而受制于材料性能差异，3D打印材料的性能需要大量的测试和认证工作。而对于材料粉末也有很高的要求，粉末的粒度分布、球形度、流动性、氧含量等对打印过程和零件质量影响巨大。以上挑战，短期内决定了增材制造还不能完全取代传统制造方法。我们认为，随着研发投入增加、技术成熟度提高和规模化应用扩大，金属3D打印的诸多缺点正在被逐步克服，其应用范围和竞争力将持续增强，最终成为现代制造业不可或缺的关键技术之一。

（三）发展历程：由原型制造向产业化迈进

起初，增材制造主要扮演着快速原型的角色，被用于设计验证和概念演示，随着3D打印技术的成熟，增材制造技术拓展至能够直接制造在下游应用领域中使用的终端零件，在零件制造、原型制作、修复和替换、轻量化设计等航空航天各领域内发挥着尤为重要的作用，增材制造应用场景也实现了由“快速原型”到“快速制造”的转变。

1、海外3D打印发展：行业龙头通过兼并重组快速扩大业务规模，或由大型制造企业布局增材制造业务

增材制造技术的思想起源于19世纪末的美国，在20世纪80年代诞生，21世纪得到发展和推广，其发展历程可分为三个阶段：

第一阶段（1980年一1990年）：3D打印专利、技术、原型机先后诞生；

第二阶段（1990年一2010年）：欧美逐渐形成具有影响力的3D打印公司，由技术和理论的雏形过渡至3D打印机及产品的生产，3DSystems、Stratasys、EOS等企业相继推出3D打印设备，同时，3D打印所生产的产品类别和下游应用场景也在不断扩大；

第三阶段（2010年至今）：3D打印行业快速发展，龙头企业的产业布局方式可以总结为两类，一种是由设备制造商通过产业链整合方式向系统解决方案提供商转变，以Stratasys 和 3DSystems为代表，通过收购专用材料生产商、软件开发商、3D扫描仪制造商、服务提供商等数十家企业，打造完整产业链；另一种是大型制造企业布局增材制造业务，拓展业务领域，如HP设立增材制造业务部，美国航空制造商霍尼韦尔通过在美国、印度、捷克以及中国上海设立的四个增材制造技术中心开展3D打印飞机配件的研究。

2、我国3D打印发展：逐步完成从技术积累到商业化的过渡

行业起步晚于欧美，近年来差距逐渐缩小。我国增材制造技术起步于20世纪90年代，清华大学、西安交通大学、华中科技大学等多所高校在政府资金支持下启动增材制造技术研究；②2000年一2010年，各高校先后实现SLA、SLS、FDM、SLM等主流3D打印技术零的突破；③2011年至今，我国增材制造技术快速发展，国家相关政策相继出台，增材制造被提上产业化发展议程。

（四）工艺分类：技术创新推动增材制造工艺革新，激光增材制造是当前航空领域最具代表性工艺

增材制造打印设备和服务占据增材制造行业近80%的市场份额。增材制造技术的出现对传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合产生深刻影响，当前增材制造产业链已相对完整，上游涵盖了3D打印原材料、3D打印设备零部件、三维扫描设备、三维软件等；中游以3D打印设备生产商为主，大多同时提供打印服务业务；下游则应用于航天航空、核工业、船舶等领域。

1、航空航天增材制造技术的应用主要集中在金属增材制造技术领域

金属增材制造大多以钛合金，铝锂合金，超高强度钢等材料为主，金属增材制造技术已发展成提高航空航天设计与制造能力的核心技术，其应用范围也从零部件级扩展至整机级。

2、定向能量沉积技术（DED）和粉末床选区熔化技术（PBF）在航空航天领域广泛应用

在当前七种主流增材制造技术中，虽然各技术之前存在一定差异，但每种技术都采用逐层叠加材料的方法制造物体。其中，定向能量沉积技术（DED）和粉末床熔融（PBF）在航空航天复杂精密零件、大型结构件等方面具有广泛应用，采用这两类工艺原理的金属3D打印技术都可以制造出达到锻件标准的金属零件。

二、我国增材制造技术在航空航天领域应用现状

“产学研用”协同发展，产业链条不断完善。在国家发展规划的引导和政策的支持下，我国增材制造在基础研究、关键技术以及成果转化等方面，均实现了快速发展，推动原材料、关键零部件配套、装备研制、共性技术研发平台、应用领域等各环节都取得了明显进展。

我国增材制造行业成熟度显著提升，预计2027年市场规模达千亿级。随着我国增材制造技术的持续突破和产业生态的完善，增材制造技术从原型制造向终端制造迈进，产业规模从2012年的10亿元左右增长至2023年的400亿元，年均复合增长率超过30%，据中国增材制造产业联盟副秘书长李方正在2024增材制造产业发展论坛表示，预计2027年将达到千亿级的市场规模。

（一）应用端：增材制造应用范围扩大

航空航天是技术密集型产业，航空航天装备是国防力量的重要体现，也是新技术应用的重点方向。由于航空航天装备服役环境极端，对零部组件的材料、结构、工艺和性能等提出了较为严苛的要求。随着增材制造技术的出现，以及近年来我国对其发展的支持，增材制造技术以其在轻量化高性能材料及结构一体化成形方面的优势，逐渐成为提升航空航天设计与制造能力的一项关键核心技术，为航空航天高性能零部件的设计与制造提供了新的工艺技术途径。

（二）装备端：龙头企业打印设备已达到国际先进水平，核心器件自主可控程度亟需提高

增材制造设备打印零件尺寸逐渐增加。随着增材制造技术在航空航天领域应用范围的不断拓展，带动3D打印设备制造技术快速发展，行业内龙头企业技术水平已达到国际先进水平。随着航空航天装备对于轻量化、整体化零部件需求的提升，牵引着增材制造设备向着打印大尺寸零件方向迈进，突破了传统加工方式在尺寸上的限制，实现大型构件的“无缝”制造。

但从3D打印设备制造领域具体来看，打印头、激光器、长寿命电子枪、扫描振镜、微滴喷头、精密光学器件等核心部件的性能和质量对于3D打印设备的打印精度、打印效率以及设备稳定性等方面发挥了举足轻重的作用。例如，电子枪通过发射、形成和会聚电子束为增材制造提供能量源，是电子束增材制造设备的核心部件；在激光增材制造设备中，激光器和振镜作为两个关键部件分别承担着提供能量和控制激光扫描路径的重要作用。但当前，我国高端增材制造设备的核心元器件及关键零部件对进口依赖程度较高，以德国、美国产品为主，虽然我国部分激光器及扫描器件已完成自主研制，但技术成熟度及稳定性与国外产品还存在一定的差距，因此，在航空航天领域配套应用规模较小，质量与可靠性还有待提高。

（三）材料端：我国已研发出近百种牌号专用材料，粉末批次稳定性有待提高

材料是航空航天装备发展的物质基础和先决要素，高性能装备对于材料性能也具有较高要求。从增材制造方面来看，不同的打印技术对材料的要求有所差异，打印材料可以分为金属材料和非金属材料，前者主要使用金属粉末，后者主要使用高分子粉末、非金属丝材等。当前，我国已经开发出钛合金、高强钢、尼龙粉末、碳纤维复合材料等近百种牌号专用材料，材料种类逐渐丰富，品质和性能稳定性也逐步提升。

三、增材制造在航空航天领域发展趋势

材制造技术在航空航天领域应用范围持续扩大，解决了航空航天领域传统制造工艺的“卡脖子”问题，通过大范围零件整合进行集成化制造，实现轻量化、高强度组件制造，提高装备可靠性的同时降低燃料消耗，提高附加效益。

对于增材制造在航空航天领域的发展方向可以关注：

（一）产业成熟度提升，产能增加、成本下降，带动需求增加

我国增材制造行业进入快速成长期，产能规模持续增加，在规模化效应和工艺创新下行业成本将有所下降，推动增材制造技术应用深度和广度的提升，带动行业需求的增加，推动技术、成本、需求形成正向循环。

综合来看，打印工艺和产品质量的优化加强是支撑增材制造技术规模化应用的基础，而在提高军费使用效率，国家低成本材料要求下，进一步提高打印效率、降低打印成本，是增强增材制造技术竞争力和提高产业化应用渗透率的关键。

（二）增材制造技术由军品向民用领域拓展

钛合金为增材制造进入电子消费领域提供切入点。随着增材制造行业的成本控制、规模化生产、产品品控、技术水平等要求的日臻成熟，其在民用领域也得到了快速拓展，市场空间逐步释放。以3D打印钛合金在3C领域民用化为例，其引领了行业技术迭代的浪潮，具有较大的市场增量空间，具体来看，荣耀MagicV2折叠屏手机通过采用3D打印技术将钛合金零件首次大规模应用于手机端，其主要应用于折叠屏卷轴器件，以降低折叠屏整体厚度和重量；OPPO折叠屏旗舰FindN5，采用了3D打印技术中的选区激光熔化(SLM)技术打印钛合金铰链，来提升铰链的精密性等。近年来，折叠屏手机趋势明显，叠加钛合金所带来的轻薄优势，有望推动增材制造技术新增长。

军技民用除了带动行业技术革新，也为参与军品业务的企业在民用领域开辟了一条新的发展路径，拓宽其成长空间。随着行业成本的持续降低，以及民用应用场景的逐渐开发，增材制造技术有望孕育出新的应用领域，持续打开市场天花板。

（三）我国增材制造设备以价格优势拓展海外市场

全球增材制造市场基本形成了欧美主导，亚太追赶的态势。美国作为技术发源地，拥有最完整的产业链，欧洲在金属增材制造领域技术领先，亚太地区快速增长，其中中国贡献了较大占比的市场增量。

（四）应用领域扩大，从单领域到多领域、从制造到维修

当前，增材制造技术在航空航天领域的应用范围逐渐扩大，从飞机及发动机，拓展至无人机、火箭、卫星等更多航空航天领域，并将在太空制造、新型空天装备等研究中提供重要支撑。

“十四五”武器装备规模列装为增材制造技术维修市场打开空间。“十四五”以来武器装备的大规模批产列装，航空航天装备长时间服役后零部件会出现多种形式的损伤，部分损伤位置与尺寸比较极端，通过增材制造技术可实现现场对航空航天装备的维修，不仅大幅节约成本，还为航空航天装备持续作战能力提供了保障。

（五）打印设备及产线智能化、打印材料功能化将推动3D打印发展

1、3D打印设备及产线向智能化迈进

随着增材制造技术在航空航天领域产业化进行的推进，智能化设备是提高零部件质量和批产效率的有效手段，通过将大数据和人工智能等先进技术融入增材制造生态系统中，实现在制造过程中能够自动修正相应的参数，打造具有自我采集、自我建模、自我诊断、自我学习和自我决策能力的智能增材制造设备。

同时，为了实现增材制造规模化应用，通过将5G+工业互联网融入增材制造产线，实现打印全流程自动化运行控制以及设备、生产过程、工艺数据的采集与集中管理，提升增材制造产品生产效率和产品质量一致性。

2、智能材料与结构推动新技术4D打印发展

3D打印在航空航天装备制造中展现出了较大的创造力，随着科技的发展，通过将智能材料应用于3D打印过程中，成型件在外界环境激励下的形状、性能和功能会随时间发生可控变化，拥有了第四个维度一时间，也就是4D打印，而其中智能材料作为关键，通常采用形状记忆凝胶、形状记忆陶瓷、形状记忆合金和形状记忆聚合物。

（六）3D打印复合材料成为研究热点

增材制造能够在最大程度上满足复合材料的可设计性。复合材料的应用对减轻航空航天飞行器质量、提高飞行性能至关重要，当前复合材料已经大规模应用于航空航天器，随着复合材料构件不断向大型化、整体化、复杂化方向发展，传统成型工艺存在复杂结构成型困难、需要开发模具影响进度等情况，增材制造技术的应用可以实现多材料、多尺度、多功能以及复杂形状复合材料结构制造，还为复合材料的低成本快速制造提供了可能性，此外，增材制造技术还可以通过控制各材料的配比来提高产品的性能。

四、产业链公司

当前，我国3D打印业务相关上市企业相对较少，业务涉及航空航天领域的上市公司仅有铂力特、华曙高科、超卓航科、光韵达、东方业、天工股份、钢研纳克下属企业钢研极光、有研粉材控股子公司有研增材，行业主要由中小型企业组成，产业链发展迅速但成熟度有待提高。

从增材制造产业链具体来看：

1、打印材料技术突破，专业增材制造原材料制造商持续深耕工艺创新，传统材料制造企业向增材制造原材料方向延伸。增材制造对专用粉材性能指标要求较高，可打印材料种类有限，随着粉末制备工艺的不断升级将探索出更多材料的可行性和性能性，叠加材料国产份额的提升，将有效降低材料成本。在此期间，除了专业增材制造原材料制造商持续深耕材料工艺突破和技术创新，也有以传统材料研发制造为主的企业向增材制造原材料方向拓展业务，完善业务布局，如钛合金制造企业宝钛股份于2024年投资建设钛合金3D打印中试产线建设项目，项目建成后将新增钛及钛合金粉末制造能力及打印能力。

2、打印设备是增材制造产业链核心主体，产业链企业或继续聚焦打印设备研发

制造，或向覆盖全产业链业务领域拓展。增材制造设备价值量占比较高，打印设备的可靠性、稳定性、一致性是保障其在航空航天领域规模化应用的前提，推动增材制造技术迭代和持续升级。随着航空航天对复杂结构零部件以及大型构件制造需求的增加，增材制造设备多微光大尺寸化正成为行业发展趋势。行业内的企业一般有两种发展路径，一种是继续专注于打印设备研发制造，同时涵盖材料研发业务；另一种是由打印设备向产业链上下游延伸，打造“材料+设备+服务”的一站式业务格局。

3、打印服务是产业链价值实现环节，产业链企业或仅提供打印服务，或参与客户产品设计，提供一站式决解方案。增材制造服务是技术落地的关键载体，有效连接了上游的材料、设备供应商与下游的终端应用领域。增材制造服务提供商一般有两种业务模式，一种是不参与客户产品设计，仅执行打印服务；一种是提供增材制造技术解决方案，了解客户需求，参与客户产品设计，提供更优化的3D设计和打印服务。

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