本文是永鑫方舟投资团队第48篇原创行研
前 言
3D打印（增材制造）作为一项颠覆性技术，与传统减材制造有着明显区别，具备随型制造的能力。随着3D打印技术的不断发展，定向能量沉积（DED）作为最具潜力的金属增材制造技术之一，备受关注。与其他金属3D打印技术相比，DED技术具有更快的生产速度、更大的成型尺寸和更便宜的原料成本，现阶段下游应用正逐步开拓并存在潜在爆发可能。本行研主要针对DED技术，探讨技术优劣势及国内外的发展现状，如有错误，还请指正。
一
行业背景
1. 何为增材制造
增材制造（3D打印）是一种以数字化模型为基础，将材料以逐层堆积的方式制造出实体物品的新兴制造技术。与传统精密加工技术对比，增材制造存在许多优势：（1）可通过将三维工件切片以获得二维的轮廓信息，不受零件形状限制；（2）无需传统工具夹具和多重处理，可在单个设备上快速制造出所需零件，加快产品研发迭代；（3）金属3D打印技术的材料利用率高，可降低制造成本；（4）免去提前制造模具等工艺，减少研发和工作人员成本，加速研发进程（5）通过拓扑优化、结构设计等方法实现一体化、轻量化。
图1 增材制造技术
资源来源：中航证券研究所
2. 增材制造技术分类
3D打印依据耗材差异可分为金属3D打印与非金属3D打印。其中金属3D打印通常以金属粉材或金属丝材为原料，采用激光、电弧、等离子等高能束作为能量源，在软件和数控系统的控制下将原料融化逐点、逐层堆积，完成金属构件的快速制造。
金属3D打印技术根据工艺类型以粉末床熔融（PBF）和定向能量沉积（DED）两大类为主。PBF通过热能选择性的熔化/烧结粉末床区域，DED利用聚焦热能将材料同步熔化沉积。
图2 3D打印工艺类型
数据来源：招商证券
3. 金属增材现况
金属增材制造技术当中，目前最成熟的是PBF和DED两种。其中PBF达到5级成熟度，DED达到4级成熟度。通常，技术成熟度首先增加，工业化随之而来。目前PBF已在航空航天、军工、鞋模以及齿科等行业大规模应用，而DED则是有潜力实现工业化应用，应用场景有待进一步开拓。
图3 金属增材成熟度指数。
资料来源：additive-manufacturing-report.com，格智学院
二
行业研究
1. DED技术简介
DED技术是通过激光、电弧等能量源，使金属粉末或者金属丝在产品的表面上熔融固化，从而完成金属构件的快速制造。从本质上讲，DED技术与焊接相似。能量源聚焦在基板上，形成小熔池，原料粉末或金属丝输送到熔池中熔化，根据计划好的图案填充间距相互重叠。等待沉积完成，将沉积层自下而上移动至下一层。因此，所有层的沉积产生一个3D近净形状组件，类似于计算机辅助设计（CAD）模型。在沉积前，需使用软件对3D数字模型进行切片，以指定切片厚度、图案填充间距和每层中的沉积路径。根据使用的能量源、耗材的不同，工艺存在多种分类，其中主要工艺技术为电弧送丝增材制造（WAAM）、激光送丝增材制造（WLAM）、激光金属沉积（LMD）、电子束增材制造（EBAM）。其主要应用场景为大尺寸、形状较为复杂的构件和金属、合金零件的修复与再制造。
图4 主流工艺技术对比
资料来源：华福证券，永鑫方舟投资部整理，专家访谈
2. DED技术优劣势分析
2.1 DED与其他金属增材制造技术对比
相较于PBF，DED具有以下优势：（1）大型零件尺寸。DED生产大型产品，尺寸可达数米。而PBF尺寸受到成型仓限制，最大成型尺寸基本不超过1米；（2）较快生产时间。DED打印速度可高达2500cm³/h，是最快的工艺之一；（3）低成本。丝材价格通常比粉材低，是粉材价格的1/3；（4）可使用复合材料。可以在同一个零件上使用多种材料（铜/钢复合）。
DED 技术劣势如下：（1）与使用激光束的PBF相比，它们的尺寸分辨率较低，表面波纹度较大；（2）更高的打印速度需要更大的层厚度，导致零件的表面精度较低；（3）生产的零件后续通常需要机加，会增加生产制造周期和成本。
图5 各类金属增材制造技术对比
资料来源：南极熊3D打印，华福证券研究所
图6 各类金属增材制造技术对比
资料来源：RAMLAB官网
2.2 DED与传统制造技术对比
对比传统减材制造，DED存在以下优势：（1）材料利用率。DED的材料利用率可从5%提高到20%以上，可提升4倍以上；（2）加工周期。对于部分产品，传统减材制造需要20个月，DED只需要2个月，加工周期提升10倍；（3）低成本。DED极大减少加工余量，可节约大量生产成本。
对比传统减材制造劣势如下：（1）固定的价格结构（复杂结构和简单结构价格基本接近）；（2）当传统制造技术起量之后成本会摊薄，价格优势会因此降低。所以DED通常被认为不适合大批量应用；（3）虽然金属3D打印几乎可以制造任何零件，但可选用的材料种类有限。可用的材料数量取决于所使用的技术类型和打印机的型号。随着3D打印的发展和普及，材料组合将稳步增长。
3． DED应用场景
DED的核心适用场景在航空航天，国防，能源和船舶等领域，适用于生产相对制造昂贵、周期长、成型结构复杂的构件。在航空航天领域，主要应用于大型、复杂的航空航天零件制造，例如翼梁、发动机支架和起落架部件。在汽车制造领域，主要应用于汽车零部件，包括特殊发动机缸体、变速箱和悬架部件。在船舶制造领域，主要应用于螺旋桨和其他船舶部件的制造，包括船体部分和潜艇部件。在工业装备制造领域，主要应用于制造机械设备零部件、工业机床部件等。在能源领域，主要应用于制造密封环、管道连接器、大型机械的齿轮和定制部件等。此外，在建筑领域，可用于定制大型、复杂设计的结构部件。
4.行业现状
2023年3月22日晚上11:25美国东部时间，Relativity Space成功发射了世界上第一枚3D打印火箭Terran 1。这标志着DED技术在航天领域的重大突破，发动机的整个主体和几乎所有部件均由DED和PBF两种技术打印而成。目前，DED技术在航空航天领域已经达到了准入门槛。预计到2025年，技术专用的铝合金和钛合金丝材体系将形成标准，工艺优化将使铝合金和钛合金成型样件达到航空装备前期考核要求的水平。正如太空研究的其他一切都渗透到工业社会的其他领域一样，DED技术也存在将影响传递到其他领域的可能。
图7 Terran 1火箭3D打印箭体结构及火箭示意图
资料来源：3D打印技术参考，浙商证券研究所
根据宝马2024年3月发布的最新消息，宝马集团正计划运用WAAM技术来生产金属汽车部件，以实现零部件的理想刚度和重量比。宝马计划在2025年进行该技术的汽车测试，并借助生成设计和算法优化零部件制造工艺和部件设计。
在这样的背景下，可以看出DED技术在航空航天和汽车制造领域的广阔前景，随着技术的不断成熟和应用的扩展，将有更多的市场空间和确定的应用场景被开发和利用。
5. 产业链
3D打印产业链上游主要包括增材制造装备零部件、三维扫描设备、增材制造软件系统、专用材料生产工艺及设备等。对于DED而言，部分零部件（焊机、机械臂）具备国产化替代方案和供应商，高等级材料（如高温合金焊丝）可能存在“卡脖子”风险。产业链中游以3D打印设备生产厂商为主，大多亦提供打印服务业务及原材料供应，在整个产业链中占据主导地位。下游行业应用覆盖航空航天、汽车工业、船舶制造、能源动力、轨道交通、电子工业、模具制造、医疗健康、文化创意、建筑等各领域。
图8 3D打印产业链图
资料来源：Wohlers Associates 《Wohlers Report 2022》，艾瑞咨询，华曙高科招股说明书，浙商证券研究所
6. 市场空间
根据华福证券研究，2022年国内增材制造市场规模为330亿元，较2021年增长了52.42%。预计2025年，市场规模将达到630亿元，2021-2025年年均复合增速为30.61%。
图9 中国增材制造市场空间。
数据来源：Wohlers，Ofweek，华曙高科招股说明书，华经产业信息网，中商产业研究院，前瞻产业研究院，火石创造，华福证券研究所
此外，全球金属增材制造市场增长速度快于行业整体，更具市场潜力。根据图表所示，2019年全球金属增材制造市场规模为33亿美元，预计到2024年市场规模将扩大至110亿美元，2019-2024年CAGR高达27.2%，快于整体行业增涨率19.66%。
图10 全球金属增材制造市场空间
资料来源：Wohlers，Ofweek，华曙高科招股说明书，华经产业信息网，中商产业研究院，前瞻产业研究院，火石创造，华福证券研究所
三
竞争格局
目前国外公司主要有Metio、Relativity Space、WAAM3D、MX3D和RAMLAB等。国外公司对于DED技术研究较早，应用场景开拓的也更为广泛。
国内公司主要有铂力特（688333）、英尼格玛、武汉天昱、中科煜宸和融速智造等。国内企业起步较晚，存在较大的发展潜力。
四
永鑫观点
永鑫方舟投资团队认为：随着下游领域的不断开发和应用场景的确定，作为传统减材技术的补充，3D打印仍具有巨大发展潜力。相较其他金属3D打印技术路线，DED技术具有成本低廉、生产高效以及可大尺寸打印等优势，适用于大尺寸零件的中度批量化应用。目前行业内玩家较少，行业处于蓝海市场。随着下游航空航天及汽车制造等领域的逐步开拓，市场存在爆发潜力。永鑫方舟将持续关注DED技术的国内发展情况，在合适的时间点寻求投资机会。对DED技术感兴趣的同行欢迎一起探讨：邮箱luoao@iyxgroup.com
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