永鑫行研|粘结剂喷射3D打印技术行业研究

以下是永鑫方舟团队第25篇行研

前  言

3D打印（增材制造）作为有别于传统减材制造的颠覆性技术，具备随型制造的能力，但金属3D打印技术普遍存在生产效率较慢、成本较高及材料种类受限等缺点，实际应用受限。粘结剂喷射3D打印（BJ）作为新兴技术，具备大规模量产的能力，且国内处于蓝海。本行研主要针对粘结剂喷射3D打印技术细分赛道，探讨国内外的发展现状，寻求潜在投资机会。

图1 粘结剂喷射3D打印技术原理

数据来源：金属加工（mw1950pub）

2.技术优势

（1）成本低，存在大批量民用的可能性。金属3D打印技术种类繁多，常见的有选区激光熔化（SLM，粉末床技术LB-PBF的代表技术之一）、熔融沉积制造（FDM）和电弧增材制造（WAAM）等，技术成熟度较高，但打印效率较慢和材料成本较高，导致大规模量产受限，目前在航空航天和军工领域应用较多，民品市场始终无法大范围推广，造成了3D打印行业“雷声大雨点小”的窘境。作为金属3D打印的新技术，粘结剂喷射技术设备成本低、成型速度快、可堆叠打印、无需支撑和粉末定制化程度低等特点致使使用成本极低，具有民用化的可能性，且潜在应用范围可大幅拓展。根据3D打印技术参考统计，LB-PBF技术每立方厘米不锈钢的生产成本为1-3欧元，金属FDM的成本为0.5-2欧元，而粘结剂喷射技术的成本仅为0.5-1欧元，具备明显的成本优势。

图2 BJ与LB-PBF和金属FDM的成本对比

数据来源：3D打印技术参考

根据北京恒创打印某一复杂接管结果（以1000件为例，30克/件为例），粘结剂喷射技术的打印速度可达SLM的3倍以上，设备及原材料成本是SLM的1/3，粘结剂喷射技术在打印速度、成本方面具有较大优势，具备大批量民用化的可能。

图3 北京恒创某复杂接管件及实际打印数据对比

数据来源：北京恒创增材制造技术研究院有限公司

（2）可打印材料体系范围广泛。传统3D打印技术使用受限的另一重要因素是材料选择范围较窄，对于熔点极高的陶瓷基和金属陶瓷基材料（如被誉为“工业牙齿”的钨及碳化钨合金、碳化硅和紫砂等）、反光率极高的铜合金等以及活性极大的镁合金等材料，SLM等技术应用存在一定瓶颈，而使用粘结剂喷射技术可顺利生产。

表1 粘结剂喷射技术目前的材料（包括粉体和粘结剂）、设备及性能

数据来源：鑫远金属科技、南极熊

3.技术难点

（1）设备国产化率极低。目前粘结剂喷射技术在国内刚刚起步，设备以进口为主，国产设备市占率极低。进口设备价格昂贵，售后维修等服务周期较长，极大影响了粘结剂喷射技术的降本和应用。粘结剂喷射技术作为新兴技术，目前国内配套零部件研发进度缓慢，设备国产化率低。但是相比SLM技术振镜的“卡脖子”短期之内难以解决，粘结剂喷射设备的喷头存在国产化机会，有望解决设备的核心零部件的进口压力。

（2）粘结剂开发难度较大。有别于其他3D打印技术，粘结剂喷射技术材料端分为成型粉末和粘结剂，其中，粘结剂直接影响打印件的几何精度、生坯强度和表面粗糙度。当粘结剂从喷嘴中喷出液态粘结剂后会发生一系列的渗透行为，如冲击、铺展和润湿，其中冲击受液滴体积、初始速度、粘度和粉末床粗糙度的影响；润湿受不同液滴速度、粘度、接触角，以及液滴在粉床的渗透时间（通常为0.1~1.0s）的影响。

图4 粘结剂喷射中粘结剂—粉末相互作用

数据来源：鑫远金属科技、南极熊

粘结剂主要分为有机粘结剂（固化粘合）和无机粘结剂（胶体凝胶形成粘合），由于粘结剂需适配成型粉末、成型工艺以及喷头特性，目前适用于粘结剂喷射技术的粘结剂成熟度较低，普遍存在易堵塞、强度低、难脱除等突出问题，并且大多数粘结剂并不能适用于多种粉末打印。粘结剂研发的主要方向是水性、中性、低残留和高固低粘度等，研发难度较大。粘结剂材料是粘结剂喷射技术系统链条里重要的一环，属于国家“卡脖子”技术。对于刚刚起步的国内粘结剂喷射技术材料领域还很薄弱，需要大量的资金和人才投入。

表2 粘结剂类别、可用材料及优缺点

数据来源：鑫远金属科技、南极熊

（3）技术理解相较国外存在差距。粘结剂喷射技术作为新兴技术，目前国外研究进度较快，对技术理解较深，而国内处于刚刚起步阶段，在设备、材料和工艺上相较国外均有所差距，需要一定追赶时间。此外，金属粘结剂喷射技术在粘结剂研发、设备集成度、精度控制、后期烧结变形控制、产品质量一致性等方面还存在一定问题，需要更深入的研发和突破。

1. 国外现状

粘结剂喷射技术在国外发展进度较快，尤其是设备方面，Desktop Metal（收购Exone）、HP、GE Additive和Markforged（收购Digital Metal）均有设备面世，且均是美国企业。

Desktop Metal是粘结剂喷射领域的龙头企业，得到过包括通用电气、宝马、福特和沙特能源基金等巨头的投资，公司通过收购Exone、Meta Additive和Aidro等公司，丰富了产品线，目前旗下拥有Shop系列、X系列、P系列共9款粘结剂喷射系统，可成形316L/304L不锈钢、模具钢、工具钢、钛合金、镍基合金、钨、铝等广泛材料组合，下游应用包括工业、能源和航空航天等领域。福特公司在完成对Desktop Metal的投资后，将该公司的工作室系统和生产系统整合到其位于密歇根州的研究和高级工程组织中，并将相关3D打印技术应用于加速原型设计、创建制造辅助工具和夹具，以及制造有限规模的生产零件中。

HP惠普紧盯数字化制造的未来，并发布有《数字制造趋势白皮书》，其中指出，中国制造业数字化转型趋势已逐渐形成，潜力广阔。随着3D打印对制造数字化和行业颠覆产生的影响，按需生产的能力成为数字化制造的最大驱动力。2021年6月，惠普指出，自MJF（即粘结剂喷射金属3D打印）推出以来，已交付的零件数量超过了6000万个，而三个多月过后，这一数量已经突破了1亿。在广泛的测试后，惠普MJF技术已解决部分工艺问题。

GE Additive自2017年宣布开发粘结剂喷射金属3D打印技术以来，已经可以打印航空、能源、汽车和其他工业领域使用的不锈钢、铜、高温合金和硬质合金等多种材料。公司致力于与不同垂直领域的主要客户进行战略推广，如康明斯用于发电和汽车，西屋制动用于铁路，山特维克用于采矿，肯纳金属用于对耐磨和耐腐蚀至关重要的石油、天然气等工业应用。

Markforged通过收购Digital Metal买入粘结剂喷射技术领域，下游应用领域涉及医疗/牙科、航空航天、汽车以及包含珠宝、手表、配饰等在内的奢侈品行业。目前公司的可成型材料包含316L、17-4PH、Ti6Al4V、DM625、DM247和纯铜等。

2. 国内现状

国内目前仍主要致力于设备的国产化，包括宁夏共享、武汉易制和北京恒创等。其中，宁夏共享从砂型铸造转型，具有体量优势。武汉易制是华中科大蔡老师孵化的项目，具有一定技术实力。北京恒创属于北京3D打印研究院孵化公司，是国内为数不过能够实现设备国产化、粘结剂国产化以及工艺可控的公司，技术实力突出。另外，国内还有部门服务商从事粘结剂喷射的加工服务，如德亿纬等。

相比国外，国内相关企业基本于2015年前后进入该领域，较为知名的企业仅有武汉易制。武汉易制目前主要从事石膏、覆膜砂和金属成型，下游应用主要有鞋模等。此外，北京隆源的AFS-PM380机型也在持续开发。北京恒创在设备、粘结剂和工艺等方面均取得突破。除以上单位之外，另有其他少数企业也在研发该技术，但多不知名，处于初期研发阶段，国内整体处于蓝海阶段。

3. 市场规模

国内方面，2022年我国3D打印市场规模330亿元，其中，设备占比45.5%、材料占比27.8%和服务26.8%。由于粘结剂喷射技术在国内属于新兴技术，并不属于传统意义上3D打印国内数据的统计范畴，其市场规模或远大于预期。

图5 2022年我国3D打印市场规模（亿元）和产业结构

数据来源：中商产业研究院

目前国外公司主要有Desktop Metal、HP、GE Additive和Markforged，国内设备公司主要有宁夏共享、武汉易制和北京恒创，服务商主要有德亿纬等。国内公司又主要分为技术转型类企业（如宁夏共享、升华三维和峰华卓立等）和专一技术类企业（如武汉易制和北京恒创等）。

永鑫方舟投资团队认为：随着智能制造的升级转型，作为先进制造技术的一种，3D打印仍具有发展空间。粘结剂喷射3D打印技术相较其他技术路线，具有成本低廉、生产高效以及材料应用范围广等优势，适合大批量民用生产，或存在爆发可能。由于国内在技术上发展时间不长，国内的设备、应用和材料（尤其是粘结剂）端均处于蓝海市场，或有国内玩家存在跑出机会。客户端应用的时间点是粘结剂喷射技术面临的现实问题之一，永鑫方舟将持续关注粘结剂喷射3D打印的国内发展情况，在合适的时间点寻求投资机会。

永鑫未来也会持续关注“芯”、“车”、“碳”产业链，深入挖掘产业链上下游优质企业，持续助力中国实体经济。对于已投企业，永鑫将一如既往的从人才、供应链、订单等多方面助力企业发展“让创业不再艰难”。