3D打印行业研究：“蜡型3D打印+熔模铸造”技术路线
Chapter 1 : 3D打印行业背景1.3D打印定义3D打印定义：根据国标《增材制造术语》（GB/T35351-2017），增材制造（Additive Manufacturing；AM）是指以三维模型数据为基础，通过材料堆积的方式制造零件或实物的工艺。三维打印（3D printing）是指利用打印头、喷嘴或其他打印技术，通过材料堆积的方式来制造零件或实物的工艺，此术语通常作为增材制造的同义词，又称“3D打印”。不同于传统制造业通过切削等机械加工方式对材料去除从而成形的“减”材制造，3D打印通过对材料自下而上逐层叠加的方式，将三维实体变为若干个二维平面，大幅降低了制造的复杂度。2.中国3D打印行业发展现状我国3D打印技术于上世纪八九十年代开始探索，早期以清华大学、华中科技大学、西安交通大学等高校的研究力量为主，行业发展起步较晚。2017年起国家出台多项政策，支持国内3D产业发展，新企业不断进入，行业发展速度加快。伴随政策支持与技术进步，3D打印企业逐渐增加。截至2021年底，以3D打印为主营业务的上市公司有20余家（含新三板），2021年国内3D打印企业融资额达48亿元。3D打印是对传统制造业的补充和增强，借助3D打印技术，企业在产品设计研发、生产复杂产品和开展定制化等方面都有所提升。3D打印有利于企业创新，进而推动我国制造产业逐步升级。中国3D打印行业相对欧美国家起步较晚，在经历了初期产业链分离、原材料不成熟、技术标准不统一与不完善及成本昂贵等问题后，当前中国3D打印行业已日趋成熟，市场呈现快速增长趋势。我国高度重视3D打印产业发展，近年来，中国3D打印市场应用程度不断深化，在各行业均得到了越来越广泛的应用。2017-2020年，中国3D打印产业规模呈逐年增长趋势，2020年中国3D打印产业规模为208亿元，同比增长32.06%。根据前瞻产业研究院预测，到2025年我国3D打印市场规模将超过630亿元，2021-2025年复合年均增速20%以上。
随着关键技术的不断突破及设备、工艺水平的显著提升，我国3D打印在航空航天、汽车、医疗等下游领域的应用水平和规模都在快速提升，为3D打印的发展提供了巨大空间。以航空航天领域为例，根据IBIS World分析，2014年至2019年中国航空制造业（包括飞机制造、飞机零部件制造、维修服务等）年均复合增速为9.8%，2019年中国航空制造业市场价值约698亿美元（约合4886亿元人民币），预测未来十年（2020年~2029年）中国航空制造业的价值年均复合增速为10%，则未来十年中国航空制造业市场价值约9.05万亿元，年均9,054.33亿元，假设未来十年3D打印在航空制造业占据的份额提升至1%，据此可估算出未来十年中国航空制造业为3D打印带来的市场价值约905.43亿元，年均约90.54亿元。3.服务市场规模持续扩大，铸造等领域将迎来爆发Wohlers Report报告数据显示，国际3D打印服务企业占比逐年增加，2021年3D打印服务市场规模约为62.5亿美元，占整个市场规模的41%，也意味着服务已经成为行业发展的重要推动力量。国内3D打印服务商目前仍然较少，根据调研企业统计数据显示仅为21%左右。未来，3D打印服务供应商将逐渐成长为涵盖设计、制造、后处理为一体的方案系统解决供应商。根据中铸协统计，我国有26,000家铸造厂，砂型铸件的市场规模约1,200亿元，利用3D打印可将铸造的工艺流程从15步缩减至8步，在“双碳”背景下，3D打印技术持续赋能铸造行业，假设3D打印在砂型铸件市场占据的份额提升至10%，市场规模将达到120亿元。Chapter 2 : 3D打印的应用场景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：
1.航空航天领域在航空航天领域，由于零部件形态复杂、传统工艺加工成本高及轻量化要求等因素，3D打印已发展成为提升设计与制造能力的一项关键核心技术，其利用逐层堆积的原理，能够实现任意复杂构件成形与多材料一体化制造，突破了传统制造技术对结构尺寸、复杂程度、成形材料的限制，提供了变革性的技术途径，应用场景日趋多样化。航空航天领域用于3D打印的材料主要包括高性能金属材料和高分子材料。高性能金属材料中钛合金、铝合金和镍基高温合金的应用最为广泛，钛合金主要应用于高强度、轻量化结构部件，铝合金主要应用于轻量化结构部件，镍基高温合金主要应用于高强度热端部件，通常以粉末床熔融技术和定向能量沉积技术为主进行加工，常见包括选区激光熔融(SLM)、激光近净成形(LENS)等。高分子材料主要应用于有耐冲击、耐热、阻燃性和抗老化性要求的部件，常用选区激光烧结(SLS)进行加工。在复杂部件的研制阶段，3D打印技术可节省反复工艺试验的时间，提高速度的同时降低成本；在零件制造阶段，3D打印技术可用于实现复杂内部结构，提高零件性能；此外，3D打印技术还可用于制件修复，延长设备使用寿命、减少经济损失。利用3D打印可以制作出符合设计标准和使用要求的高精密零件，为提高航天器的整体性能提供积极帮助。欧洲航天局（ESA）、美国国家航空航天局（NASA）、SpaceX和Relativity Space均使用3D打印技术生产火箭点火装置、推进器喷头、燃烧室和油箱，美国GE、波音（Boeing）、法国空客（Aribus）、赛峰（Safran）使用3D打印技术生产商用航空发动机零部件、军机机身部件、飞机风管、舱内件等。同时，3D打印的构件也已在国内航空航天领域广泛应用，先后成功参与了天问一号、实践卫星、北斗导航系统等数十次发射和飞行任务。3D打印技术已成为提高航天设计和制造能力的关键技术，应用规模近年来增长迅速，未来市场空间巨大。2.汽车制造领域伴随3D技术的创新升级，其在汽车制造领域的应用将逐渐深入，从概念模型打印到功能模型打印，目前逐步应用于功能部件制造，并向打造整车方向拓展。汽车制造领域3D打印，主要应用已覆盖汽车设计、零部件开发、内外饰应用等方面，主要技术为SLS、SLM等。在设计方面，3D打印技术的应用可以实现无模具设计和制造，帮助企业缩短产品概念模型的设计及制作周期，帮助整车厂和零配件厂商优化设计，同时，可以在安全性测试环节打印部分非关键部件作为替代，加速产品验证流程，有助于企业实现快速小批量定制，降低成本并缩短产品上市时间，此外，3D打印可以在设计阶段引导零件轻量化、一体化、个性化、功能化方面的创新；在制造方面，3D打印技术可提升零件的制造效率和生产质量，实现零件轻量化制造和降低质量的位移途径，进行复杂结构模具的加工，加强对制造精度的控制，同时，3D打印一体化成形技术允许将多个零件整合为一个零件，可减轻复杂关键部件的重量；在维修方面，3D打印技术可以进行门把手、轮毂、汽缸、变速器和其他基础部件的制作，从而保证了维修的效率和经济收益。汽车行业是最早使用3D打印技术的行业之一，在3D打印技术应用中占据重要位置，随着近年来汽车保有量和产量的上升，汽车行业巨大的市场规模将持续为3D打印技术的应用提供广阔的空间。3.医疗领域基于人体存在个体差异而传统制造医疗器械多为标准化样式或尺寸的现状，3D打印凭借可个性化定制的特点在医疗领域内应用逐步广泛，主要应用方向包括制造医疗模型、手术导板、外科/口腔科植入物、康复器械等（主要材料包括塑料、树脂、金属、高分子复合材料等），以及生物3D打印人体组织、器官等。3D打印技术在口腔医学中已逐渐成熟应用于义齿打印、矫正器制作、预演手术模型制作、手术导板制作等，有助于提高精度和效率，降低手术风险。3D打印技术在骨科植入方面也发展迅速，目前开始采用金属3D打印技术生产全膝关节植入物、髋臼杯、脊柱植入物等，金属3D打印技术有利于模拟人体骨骼的层状结构，通过多孔设计可以更好地与人体组织融合，促进骨骼生长，此外3D打印技术亦为植入物设计带来了更高设计自由度。随着未来经济水平和精准医疗要求的不断提升，3D打印技术在医疗行业的发展将拥有巨大空间。4.其他行业领域消费品领域：消费品领域范围广泛，3D打印技术有助于加速消费品行业产品设计、优化和迭代，提升并丰富产品性能，如为运动员量身定制轻量化、个性化运动设备等。模具领域：3D打印已广泛应用于鞋模及随形冷却模具等领域，优化冷却水路设计，不受水路复杂程度的限制，提升模具的冷却效率和生产效率。电子电器领域：3D打印技术在产品的研发和生产阶段，如装配和功能验证、外观及性能测试、人体工程学、快速手板、批量制造等方面，都能提供较大的帮助，降低研发和时间成本，提高产品利润。Chapter 3 : 3D打印的几种技术3D打印技术包含多种工艺类型，国标《增材制造术语》（GB∕T 35351-2017）根据3D打印技术的成形原理，将3D打印工艺分成七种基本类别，具体分类情况如下：粉末床熔融（Powder Bed Fusion）、定向能量沉积（Directed Energy Deposition）、立体光固化（VAT Photopoly merization）、粘结剂喷射（Binder Jetting）、材料挤出（Material Extrusion）、材料喷射（Material Jetting）和薄材叠层（Sheet Lamination）。主要工艺原理对应的代表性工艺技术如下：1.粉末床熔融(PBF)（1）选区激光熔融(SLM)选区激光熔融(SLM)是一种由计算机控制激光束进行逐层扫描融化层层堆积成型的技术。优势：加工过程中粉末完全熔化且不需要粘结材料，所以加工所形成零件的精度以及力学性能都要比较好。致密度高，激光束光斑直径细微，致密度接近100%，几乎等于冶金。可以简单并且直接的制造出复杂形状的金属件。劣势：设备昂贵，操作复杂，需要专业人员来操作。后处理复杂，工艺需要添加支撑，并需要对成型件进行后处理来去掉支撑。应用领域：航空航天、模具、汽车、医疗、核工业、科研教育等领域。（2）选区激光烧结(SLS)选区激光烧结(SLS)是一种用激光束来烧结预先加热过的提前铺设在粉末床上的金属粉末，由计算机控制进行分层烧结、分层堆积的零件加工技术。优势：可以使用多种材料，包括高分子材料、金属粉末、陶瓷粉末、尼龙粉末等，选择性强。不需要支撑，在打印过程中未经烧结的粉末即可支撑生成的悬空层。材料利用率高。劣势：表面粗糙，工艺制造原型的表面是粉末进行熔融粘结的，为粉粒状，所以表面质量不高。金属颗粒结合度低，需要进一步热处理。如果采用氮气作为保护气体的话，会产生有害气体。应用领域：汽车、造船、航天、航空、通信、微机电系统、建筑、医疗、考古等领域。（3）电子束熔化(EBM)电子束熔化(EBM)是一种通过电子束扫描、熔化粉末材料，逐层沉积制造3D金属零件的技术。优势：在真空条件下预热温度很高，可以熔解高熔点金属，减小了热应力集中，避免了成型件产生弯曲变形的现象。成型过程中不需要支撑，制作完成后只需吹去粉末即可。劣势：“吹粉”现象。铺粉器铺在粉床上的粉末在电子束的作用下离开预先的铺设位置，由于静电的排斥力导致粉末产生溃散。“球化”现象。指金属未完全熔化而形成了一群彼此分开的金属球。设备需要真空条件下完成，维护成本高，且电子束沉积过程中会产生伽玛射线，可能会导致泄漏，污染环境等。应用领域：医学、航空航天、工业等领域。（4）多射流熔融成形(MJF)多射流熔融成形(MJF)是一种使用喷墨阵列，将熔融剂和细节剂沉积在粉末材料床中，然后将其熔合成固体层的技术。优势：打印速度快。与其他3D打印技术具备同样的精度和强度。劣势：设备的消耗成本居高。制造过程中受到化学试剂的影响，打印零件颜色一般是多为灰色或黑色。应用领域：航空航天、医疗保健、汽车等领域。2、激光近净成形(LENS)激光近净成形(LENS)是一种利用激光束将机体金属熔化后将不同成分、不同性能的金属粉末送入熔池中熔化的技术。优势：成型效率高。金属零件的致密度极高，可达100%。进行金属零件表面喷涂，结合强度高于传统喷涂和电镀工艺。可以进行零件表面缺陷的修复。劣势:零件的成型精度稍低。零件需要后处理才能进一步提高精度。应用领域：航空航天、汽车、船舶等领域。3、光固化成形(SLA3D打印)光固化成形(SLA3D打印)是一种采用紫外波长的激光束对液态光敏树脂进行扫描，液体自下而上逐层固化的技术。优势：原材料利用率很高。加工出的实体表面光滑，质量优异。劣势：成本高，可利用的原材料十分有限。打印出的实体在光照下也极易分解。应用领域：航空航天、工业制造、生物医学、大众消费、艺术等领域。4、粘结剂喷射(BJ)粘结剂喷射(BJ)是一种使用喷墨打印头将粘结剂喷到粉末里，从而粉末粘合层层叠加的技术。其中，粘结剂喷射(BJ)技术中的砂型/蜡型3D打印技术在应用场景中具备较突出的价值和优势。（后续章节详细描述）优势：可选择的材料种类很多，并且开发新材料的过程相对简单。适合制造一些使用激光或电子束烧结（或熔融）有难度的材料。成型过程中不需要支撑。常适合用于大尺寸的制造和大批量的零件生产。可以得到高精度的零件。劣势：直接制造金属或陶瓷材料时的低密度问题。整个制造流程耗时较长。应用领域：航空航天、医疗、汽车、消费等领域。5、熔融沉积成形(FDM)熔融沉积成形(FDM)是一种通过熔融喷头将熔融材料熔化后挤出，在特定环境下和指定位置处完成沉积、冷却凝固成型的技术。优势：成本低。加工体积小巧。操作简单。劣势：凝固成型的实体表面结合处会有明显的裂纹。结合强度不能保证。应用领域：文化创意、消费、教育、娱乐、医疗、电子、汽车、建筑等领域。6、材料喷射成形(MJ)材料喷射成形(MJ)是一种使用喷射出液体光聚合物液滴，并在紫外光的照射下固化成型的技术。优势：在不影响构建速度的情况下生产多个零件。零件具有非常光滑的表面，是制作美学原型的理想选择。可进行全彩色和多材料打印。劣势：成本较高。打印部件的强度不高。应用领域：医疗、消费、工业工具、电子、汽车等领域。7、薄材叠层(LOM)薄材叠层(LOM)是一种使用激光光束对材料层进行轮廓切割从而成型的技术。优势：制造成本低。无需填充材料。产品成型率高。劣势：表面质量较差。材料利用率很低。应用领域：汽车、机械设备、仪器仪表、医疗、通讯、制鞋等领域。Chapter 4 ：砂型/蜡型3D打印简介1.砂型/蜡型3D打印简介（1）砂型3D打印砂型3D打印技术，是粘结剂喷射(BJ)技术的一种。砂型3D打印的工作原理如图所示：系统先在工作平台上铺一层砂料（预混好固化剂）；喷墨打印头根据CAD数据生成的截面形状在粉床上选择性地喷出粘结剂（呋喃树脂），打印出一个截面；工作台面下降一个层厚（0.2~0.4mm）；系统重复铺砂、喷粘结剂、下降一个层厚，层层堆叠，全部打印完毕，然后去除未黏结的浮砂，最后得到我们想要的砂型。操作人员只需将铸型三维数据导入3D打印机的控制电脑中，系统自带的软件会将三维数据自动切片转换为二维截面，利用喷墨打印头打印出粘结剂将砂粒粘接在一起，层层叠加，直接生产砂型/芯。较传统工艺，一是省略了制模环节，缩短了产品生产周期；二是可以直接制作任意复杂形状的砂型，不受模具加工工艺限制；三是保证了砂型精度。结合合理的浇铸系统设计，可大幅提高铸件成品率，降低生产成本。据目前已实施的案例，采用砂型3D打印技术，可以使产品试制周期从3个月缩短至3周，从而大大增加开发迭代次数，显著提高批量生产成品率和质量，整个过程无需人工编程，操作简单。同时由于目前该技术的成型尺寸最大达到4,000*2,000*1,000mm，对于中小尺寸的砂型一次可以制作几百上千件，完全可以满足小批量生产的要求。（2）蜡型3D打印蜡型3D打印设备与砂型3D打印相同，流程及技术相类似，区别为打印材料选为PMMA（有机玻璃）。在蜡型3D打印完成后，使用熔模铸造工艺完成结构件的制造。主要流程如图：2、砂型/蜡型3D打印在应用场景中的优势（1）砂型3D打印给传统铸造带来变革砂型3D打印技术具备了解决铸造业转型升级的优势，适于工业领域的应用，也更适于实现产业化应用。砂型3D打印、传统铸造流程对比随着市场竞争和技术进步，采用砂型3D打印技术的成本优势将逐步显现，在500~1,000件的中小批量铸件的生产上逐步替代传统砂铸工艺。由此将给国内砂铸行业带来深远的影响，为铸造行业提供一套非常有用的工具。砂型3D打印技术的产业化应用给传统铸造带来颠覆性的变革，铸件制造弃繁从简，提质增效，制造过程以人为本，绿色制造，为铸造行业的转型升级提供示范作用，具体为：缩短铸造生产流程。铸件工艺直接从三维图形数据制造出复杂的砂型，变革了传统使用模具、制型、造型、合箱的铸造方法。提高铸件质量，提升生产效率。此工艺生产的产品精度高，砂型快速一体成形，大幅缩短了产品的研发和生产周期。设计灵活，节约成本，降低制造难度。此工艺具有灵活的修改模型设计等优势，对提高产品精度，降低砂铁比效果突出，特别适用于内部结构复杂铸件的生产。以人为本，绿色铸造，智能铸造。大幅改善铸造现场环境，降低工人劳动强度；机器换人，人力成本大幅下降；典型数字化制造，大幅提高铸造生产的智能化水平。铸造3D打印技术的产业化应用对铸造行业的转型升级、铸造智能制造及未来铸造智能工厂的建设将产生变革性的意义，影响深远。（2）“蜡型3D打印+熔模铸造”有望解决我国商业卫星轻质结构件“卡脖子”问题我国发布的“十四五规划和2035远景目标”明确提出“打造全球覆盖、高效运行的通信、导航、遥感空间基础设施体系，建设商业航天发射场。”商业卫星成为数字新基建的重要组成部分，发展前景明确。SpaceX的星链计划预计发射4万多颗小卫星，组成地球低轨道卫星通讯网络，不仅具有独特的民用价值，还伴随无限想象的军事应用。我国于2021年专门成立了注册资金达百亿的中国卫星网络集团公司，计划发射一万多颗小卫星，组建中国自己的“星链”。2021年我国共发射102颗卫星（占比7.6%）。根据华泰研究测算未来商业卫星需求，以星座规模16,451颗卫星、组网周期7年为例，对卫星发射需求进行估算，未来七年国内市场对卫星的年均需求约为2,350颗，卫星产能缺口巨大。航天载荷发射成本高昂，动辄每公斤近万美元，结构件占卫星整体比重为15%-20%，对于轻量化的需求最为迫切。除选择轻质材料外，主要依靠计算机辅助的拓扑优化/点阵结构等手段，来实现轻量化设计。由于结构复杂，传统加工手段无法实现，需要依靠3D打印等先进制造技术。目前我国制造该类结构件的技术路线之一是使用金属直接3D打印技术，该技术路线采用激光对金属粉末进行点状烧结的方式，单机生产效率难以提升，由于成品率低导致的不能按时交付的情况屡屡出现，甚至大幅延长卫星生产周期，无法满足航班化发射的要求。以隶属于中国航天科技集团公司的中国空间技术研究院（航天五院）为例，受结构件生产效率限制，目前小卫星生产能力远不能满足每年1,000+以上的发射需求。另外，由于金属直接3D打印技术路线的原理性限制，存在尺寸小（不大于800mm*800mm）的问题，商业卫星的大尺寸结构件生产成本居高不下。在此背景下，国内有望解决商业卫星“卡脖子”问题的3D打印公司加速崛起，其中包括湖州美迈科技有限公司、康硕电气集团有限公司和共享装备股份有限公司。
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