增材制造技术又称为3D打印技术，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体物品的制造技术，体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合。3D打印有不同的分类标准，按照打印机使用的材料种类，可分为金属材料3D打印和非金属材料3D打印。按照打印机所应用的场景种类，分为工业级3D打印和桌面级3D打印；然而，3D打印尤其在金属领域，已经广泛地被应用在终端产品的生产中，尤其是以SLM技术为代表的激光铺粉烧结制造方案，在航空航天、重大装备、医疗器械等场景已成为主流的生产解决方案。
目前，3D打印主流技术路线包含如下：
图1.主要3D打印技术
激光选区熔化技术（SLM）：应用面最广、产业最成熟
目前激光选区熔化 (SLM) 技术已经广泛用于打印常规尺寸中型（0.5米级）到大型（1-1.5米级）的金属打印，而直接能量沉积 (Direct Energy Deposition, DED)方案则被认为将广泛用于超大型（数米级）的金属件成型。
图2：激光选区熔化（SLM）的工艺原理图
目前产业化最成熟、应用最广泛的SLM技术，其打印机年出货量占全部金属3D打印机的约85%，基本工作原理是用高能量激光束，将三维模型切片后的二维截面上的金属合金粉末熔化，由下而上逐层打印出三维结构的金属零件。与传统加工技术相比，3D 生产打印成本少、周期短，SLM由于其高致密性、较高精度、低废料率、形状设计灵活等特点，可以做出传统加工技术做不出来的外形，适用于于小批量、复杂化、轻量化、定制化、功能一体化零部件制造。目前3D金属打印已被广泛应用于航空航天及医疗领域的终端产品生产中。
除此之外，为了满足在航空、航天领域日益显现的大型化零件需求，越来越多的客户选择使用DED技术来实现生产目标。这种技术采用高能量（通常是等离子弧）来撞击挤出的金属丝或粉末来熔化金属，通常会连接不同尺寸的机械臂来进行运动控制，有望实现十米级的3D打印。该项技术的原理与焊接非常相似，多自由度的机械臂通过设计可以避免支撑材料的使用。也被广泛地用于修复和新增组件。
电子束3D打印（EBM）：扩展可打印的材料范围
电子束与激光成型方案的原理都是通过能量来熔化金属粉末（或丝材）、结合、再进行堆叠以生成高致密的金属结构。该技术来源于瑞典ARCAM公司在1994年申请的专利 - 电子束熔化成形技术 (Electron Beam Melting)，ARCAM也是全球第一家将电子束制造商业化的公司（已被GE收购）。
图3.电子束3D打印原理图
EBM的原理：真空腔顶部的电子束枪生成电子束，电子束受控转向。电子从一个丝极发射出来，当该丝极加热到一定温度时，就会放射电子。电子束由两个磁场进行控制：第一个磁场扮演电磁透镜的角色，负责聚焦电子束；第二个磁场将聚焦后的电子束转向到工作台上所需的工作点。击中材料时，电子束释放出能量。材料吸收这种能量并将其转化为热量，粉末被加热熔合，逐层成形。成形结束后，被加热但未熔化的粉末包裹在完全熔化的零件周围，需要在后处理步骤中去除并回收。
目前已形成规模以上产业的EBM技术主要材料仍以钛合金作为主要的原材料，但从原理上来说，能够支持电子束3D打印的金属范围广泛，从最轻的钛合金到最坚固的镍基高温合金都可以加工，而这些正是传统工艺难以涉足的。与此同时，电子束方案还能加工传统减材或激光方案都难以加工的裂纹敏感类材料及高反光材料。EBM产出的零件，机械性能可以比肩铸件，也能够像传统制造金属零件一样进行机械加工、涂层和处理，与传统供应链进行融合。
电子束比激光更深地穿透粉末材料，从而使粉末熔化更均匀。电子束还能够熔化高反光率材料，并且不会导致粉末颗粒的表面过热蒸发。同时，电子束也能可适应较宽的层厚范围，意味着其在相同条件下，打印的效率、致密度均优于激光。另外，由于在整个成型过程中，粉床均保持高温，能生产没有残余应力的零件，减少了热处理的需求，进一步降低了成本。
金属3D打印产业链：打印服务价值凸显，打印机厂商是核心，金属粉末需求扩大；
根据Wohlers统计数据，2022年全球3D打印市场规模达到180亿美元，2021年全球3D打印市场规模达到152.44亿美元，中国市场占比约为17%，近10年CAGR达到23.0%，2021~2030年复合增速为21.1%。国内方面，根据前瞻产业研究院预测，2022年中国3D打印产业规模为330亿元，2021年市场规模为265亿元，近10年CAGR高达41.9%，预计2021~2026年复合增速达到26.79%。全球3D打印产业目前由欧美地区主导，中国正处于加速追赶阶段。目前中国大陆3D打印设备装机量已经排名全球第二，根据Wohlers统计数据，预计2021~2025年全球/中国3D打印市场规模复合增速分别为18.3%/24.8%，未来中国3D打印产业增速显著高于全球水平。
3D 打印行业上游为原材料及零件，包括3D打印原材料、核心硬件和软件等，中游为设备制造和打印服务，下游则包括航空航天、汽车、医疗、消费及电子产品等应用领域。
图4.3D打印产业链
从3D打印产业链的价值量分布来看，整个市场主要由设备、材料和服务三个部分组成。从全球范围来看，3D打印服务的市场规模最大，占整个3D打印市场的59.1%，其次为设备的22.4%和材料的17%。而中国3D打印市场中占比最高的为设备，达到55%，服务占比仅为21%，材料占比16%。2021年，金属材料占3D打印原材料销售额的18.2%，约4.72亿美元，约合33亿元人民币。
随着金属3D打印技术的飞速发展，球形金属粉末的市场将保持高增长态势。金属粉末的选择由场景决定，标准化程度较高，粉末制备的核心是提升收粉率，减低成本。根据WohlersAssociates数据，2021年全球粉末3D打印用高分子粉末材料市场规模达到9.02亿美元，2011-2021年10年CAGR达到24.1%，与整个3D打印行业的增长保持一致。据IDTechEx表示，到2025年，3D打印金属粉末的市场规模将达到50亿美元。但目前3D打印用球形金属粉主要由国外厂家垄断，国内生产的球形粉末存在性能不稳定、成本高、收得率低等问题。目前3D打印设备中大型化&国产替代趋势明显，产业规模和降本形成正反馈，未来技术渗透率有望持续提升。国内市场降本增效是大幅增长并替代传统机加工的核心关键，其中金属粉末材料价格、设备价格、零部件国产化是降本关键路径，并且正在发生。金属粉末的主流制备工艺有限，核心技术和设备掌握在海外公司手中，高端智造设备依靠进口。
根据铂力特2022年年报，3D打印定制化产品营业成本结构方面，直接材料占营业成本比重为27%，占比低于制造费用60%，高于直接人工12%。金属粉末的单价及利用率是核心驱动指标，粉末单价20%价格下降可节省6.42%可变成本，20%利用率上升可以提升5.35%可变成本。2020年至2022年，铂力特自制3D打印粉末销售价格呈现下降趋势，但毛利仍保持增长，主要原因是3D打印粉末平均价格水平变动，高品质金属打印粉末，尤其是航空级、医用级别的高质量粉末由国外厂商垄断，进口粉末单价高。
金属粉末：制备成果标准化率高，收粉率是决定成本的关键。
从金属粉末制备工艺方面划分，当前全球主流的3D打印金属粉末制备方法包括：气雾化法（GA）、等离子旋转电极法（PREP）、等离子雾化法（PA），以及等离子球化法（PS）等，国内3D金属粉末的终端使用场景基本为军工、航空、航天和医疗中骨科齿科等场景。
图5.主流金属粉末制备方法：
针对金属3D打印的使用场景，对成品的纯净度、颗粒度、粉末形貌等有较高的要求，尤其是粉末形貌，一般要求球形度98%以上，才能拥有良好的粉末流动性和松装密度，进而世界影响产品性能和生产过程中的稳定性。上述工艺中，能稳定、大规模量产球形粉末的只有气雾化法GA及旋转电极法PREP；等离子球化法PS尚处于实验室阶段，需要解决稳定性等工程化难题，离产业化还有相当长的距离。
旋转电极法PREP
PREP制备的粉末球形度较高，但是受工艺原理的限制，细粉收得率较低，主要用于制备送粉增材制造用粉体。气雾化制粉技术所制备的粉末具有球形度高，流动性好，O、N、H含量低等优势，粉末粒度分布可调控范围大等优点，已成为生产高性能球形金属粉末的主要方法。其工作原理：是自耗电极端面被等离子体电弧熔化为液膜，并在旋转离心力作用下高速甩出形成液滴，然后液滴在表面张力的用下球化并冷凝成球形粉末。PREP 因采用自耗电极，制备出的粉末纯净度较高，且该技术不使用高速惰性气体雾化金属液流，避免了“伞效应”引起的空心粉和卫星粉颗粒的形成。因此，相对于气雾化而言，PREP制备的粉末中空心粉和卫星粉更少。PREP 制备的粉末球形度可达 99.5%以上，但是粉末粒径分布较窄，主要介于 50～150μm，存在着粉末尺寸偏大的问题并且细粉收得率很低。
图6.旋转电机（PREP）粉末制备方法示意图：
气雾化法GA
气雾化法制备的金属粉末冷却速率快、成分均匀、球形度高、粒度分布较宽，其中：15~53μm粒径范围的粉末收得率可达35%~45%，多用于SLM技术；53~150μm粒径范围的粉末则可用于同轴送粉的激光立体成型技术。工作原理：原料棒在高频感应器中缓慢旋转、加热、熔化成液流自由下落，通过高压气体雾化器后，被高压（超音速）惰性气体冲击破碎成大量细小液滴，小液滴在雾化塔中飞行凝固成球状粉末。气雾化制备的金属粉末粒度呈对数正态分布，通过减小粉末粒度分布宽度可以增加粉末收得率，粉末收得率的提高可以有效降低粉末的制备成本。降低金属粉末制备成本的另一种方法是使用雾化气体循环系统，采用无坩锅感应加热Ar气雾化制取钛与钛合金粉末，并使用了Ar气净化回收系统以降低成本。随着Ar气循环使用时间的增加，Ar气中的N、O含量基本无变化；而由于Ti和Ti合金在高温熔化喷雾时是一个脱氢过程，脱出的H进入Ar气中，使其中的H含量线性升高，进而导致粉末中的H含量升高，所以在循环系统中加入吸氢装置可以增加Ar气的循环使用次数。
图7.气雾化（GA）粉末制备方法示意图：
等离子雾化法（PA）
等离子雾化技术以金属丝材为原材料,利用等离子火炬产生的聚焦等离子射流将金属丝材熔化,形成微小金属熔滴,下落过程中在表面张力的作用下,冷却凝固形成球形粉末,金属丝材的雾化及冷凝过程均处于惰性气氛环境中,并且采用非接触式雾化过程,因此可减少氧化,获得高纯度的金属粉末。PA技术雾化方式独特,具有显著的工艺优点。采用无坩埚非接触式雾化方式,金属丝材的熔化和雾化同时进行,这种雾化方式不仅雾化效率高,也避免了粉末在制备过程中混入杂质造成污染,粉末纯净度高,氧含量较低。同时在等离子火炬的作用下,惰性雾化气体被加热到高温状态,并具有较高的喷射速度,这样可使金属熔滴的凝固速率减慢,金属熔滴在表面张力的作用下充分球化从而获得高球形度的金属粉末。但是由于PA技术采用金属丝材雾化方法制备粉末,原材料的制造成本较高;PA技术雾化金属丝材的方式也限制了生产效率,难以实现单台设备的快速规模化量产；由于PA技术的热源为高功率等离子枪,能源消耗量较大,难以实现节能减排；
3D金属打印粉末用途
从金属打印粉末粉体的粒径来看，3D金属打印一般选取20-45um的粉末，10-25 um为MIM使用粉末，比如钛合金MIM等可用于消费电子。
图8. 金属粉末粒径分布图
从2023年起，多款手机开启导入钛合金材料。其中荣耀-折叠屏Magic V2：搭载91%金属结构铰链，首次采用航天的钛合金打印工艺，折叠最薄厚度9.90mm，展开最薄4.7mm，相比以前不锈钢和铝合金，钛金属能更好地兼顾硬度和重量，做到又轻又硬。苹果-IPhone15 Pro/Pro Max：边框加入钛金属材质，带来更轻机身重量。苹果iWatchUltra 2：采用49毫米钛金属表壳。华为watch 4 Pro：采用航天级钛合金表壳，更坚固、耐腐蚀。三星下一代旗舰Galaxy S24 Ultra将会采用钛合金材质，对标同样采用钛合金的IPhone15 Pro Max，新款手机有望在年底亮相。参考荣耀折叠曲屏轴盖，目前钛合金轴盖的材料成本在30元左右，加工成本在200-300元之间。未来随着3D打印在钛合金卷轴量产进一步规模化、良率进一步提高，带来边际成本香江，未来需求会进一步放量。根据IDC数据，2022年全年手机出货量12.1亿台，同比下降11.3%。假设在钛合金渗透率5%，200元加工成本的中性假设下，市场空间有望达到121亿元。
金属粉末制备工艺&设备：依赖国外进口，降本增效是核心竞争力
我国金属3D打印粉末起步较晚、技术积累较弱，早期科研级装备几乎全部依赖进口，装备和材料开发自主国产化能力不足。国内生产的球形粉体存在性能不稳定、成本高、收得率低等问题。至于高端金属粉末，全球仅有美、德、加等少数几国具有原创和较深的技术积累。
图9.国际主流粉末&制备设备厂家
在国产替代出现之前，进口粉末价格高昂，同时国产粉末在缺乏核心技术的情况下，陷入了价格战的泥潭。客观上中低端粉末的价格确实被拉低，但中高端粉末（如航空级、医用级粉末）仍然大量依赖进口。
我国中航迈特于2016年自主开发了国内首批钛粉电极感应气雾化生产装备，研制出球形度高、氧含量低、良好细粉收得率的钛合金系列粉末，涉及近10种高品质钛粉产品，满足了航空航天用户急需。中航迈特在电极感应气雾化技术装备方向上，设计建造了智能化氩气循环系统，采用多级增压机组对雾化气体进行回收、净化、加压，实现了高纯雾化气体的循环使用，钛粉生产直接制造成本下降50％。
铂力特也在2021年推出了一种具有高比强度、抗氧化性、无磁性以及优异高温力学性能的Ti2AlNb材料。它是最具潜力的航空航天发动机用材料之一，但常温下脆性很大，加工难度极大。该材料与GH3536对标，两者在900℃下具有相似强度，但铂力特开发的新材料密度仅为后者的64.5%。
3D打印设备核心部件：国产替代难度高
以产业化最成熟的SLM设备为例：SLM设备一般由光路单元、机械单元、控制单元、工艺软件和保护气密封单元几个部分组成。通常主要的研发难度集中在激光器、振镜、软件（包括人机控制界面、路径规划软件）这几个部分。对SLM来说，目前国产的激光器、振镜与世界先进水平存在较大差距，是金属3D打印机中卡脖子的部件。铂力特曾在财报中的风险提示中，明确指出了国产替代的重要性：
“我国工业级增材制造装备核心器件严重依赖进口的问题依然较为突出。增材制造装备核心器件，如高光束质量激光器及光束整形系统、高品质电子枪及高速扫描系统、大功率激光扫描振镜、动态聚焦镜等精密光学器件、阵列式高精度喷嘴／喷头等严重依赖进口，公司进口核心元器件主要为激光器及扫描振镜。公司设备的部分核心器件对国外品牌存在一定的依赖性。若上述核心器件受出口国贸易禁用、管制等因素影响，导致公司无法按需及时采购，将对公司的生产经营产生不利影响。”
金属打印用激光器经历了几个发展阶段，主要有CO2激光器、YAG激光器以及光纤激光器。CO2激光器的本身输出波长很长，金属材料的吸收率较低，因此早期金属打印用的CO2激光器功率动辄几千瓦。YAG激光器能够输出1.06μm的波长，与金属的偶合效率高、加工性能良好，一台800W YAG激光器的有效功率相当于3KW CO2激光功率。后来随着光纤激光逐步被推向商业市场，YAG激光的弊端便不断显现出来，采用更加集成、电光转换率更高、性能更稳定的光纤激光便成为金属打印发展的一大趋势。
我国激光产业国产替代的重要事件是2007年武汉锐科激光的成立。其成立以前，我国光纤激光器基本依赖进口。锐科诞生后，中国又相继诞生了多家光纤激光器企业，打破了海外企业的垄断。经过十余年的发展，低功率市场的激光器基本已被国产制造商占据，例如锐科10-30W小功率激光器的价格比进口产品低将近50%，国产化率接近100%；中等功率的激光器，本土公司起步晚，目前技术优势不大，但价格有明显优势，倒逼海外制造商降价，国产化率超过50%；而在高功率市场，海外厂商（如IPG）仍占有绝对优势。例如，1kw的激光器在2017年进口价格在12-20万，而国产价格在10-15万；到2019年，进口产品价格已下降到5-6万元，而国产产品价格则进一步降到5万以下。
目前，激光器的上游，包括激光晶体、光学镜片、合束器、泵浦源等，国产化程度已经比较高；有源光纤、激光芯片国产化率仍有待提升。近年来，上游（如激光芯片、泵浦源、特种光纤等）涌现出一批核心零部件企业，推动激光器的制造成本不断下降，提升国产激光器的市场竞争力。
3D打印产业链发展总结
我们认为，金属增材制造/3D打印在未来有如下发展方向：
1、核心零部件的国产化：目前，3D打印进核心零部件（包括激光器、振镜等），尤其是高端产品，进口产品仍占绝对的主导。随着新工艺的开发、上游部件的国产化率提升，国产化趋势明显。
2、不同金属材料可打印性的提升带来的场景扩张：当前金属3D打印主要被用于航空航天、医疗、模具三大场景；从公司数量来看，大部分公司都主攻航空航天方向。随着Binder Jetting、电子束及其他新技术的产业化，可打印的材料版图将不断扩张，打印件的性能将能适用于更广阔的场景。
3、增减材一体化：金属增材制造技术在加工精度上与传统加工相比较低，对于小型件，通常采用打印后处理的方式来打磨处理。增减材一体化可以视为3D打印后处理工艺的延伸，主要采用激光熔融与CNC加工相结合，可以用工业机器人、切削加工机床、SLM机床等相结合。既可以采用分离的3D打印与减材加工机器来实现，也可将增材设备安装在主轴/机床上等方式来实现。
4、向超大尺寸和精密件的场景探索：随着3D打印工艺的成熟，越来越多的航空、航天、重大机械对工艺的要求向大型件一次成型、精密件高效打印延展。目前已有多家厂商推出了米级的大尺寸打印设备。
5、金属粉末性能、制备工艺不断提升：随着技术和产业不断升级，应用增长潜力确定性强。军工航天的变革诉求（技术渗透和国际形势推动战备研发和量产效率要加速）正好与金属3D打印的应用场景特征（小批量、复杂件、快速成型）相结合，推动金属3D打印全产业链快速扩容，金属3D打印综合成本进一步下降，并外溢到消费3C领域，进一步推动金属3D（钛合金粉末）的市场需求。