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        專題報告:增材制造產業,以數字模型驅動逐層堆積的制造

        來源:奧蘭電子科技 時間:2019-02-28 11:21:20 瀏覽量:
        來源: 國泰君安產業觀察
        增材制造是以數字模型為基礎,將材料逐層堆積制造出實體物品的新興制造技術,將對傳統的工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合產生深刻影響,是制造業有代表性的顛覆性技術。世界各大經濟體紛紛將增材制造作為未來產業發展新的增長點重點培育,并與信息網絡技術、新材料技術、新的設計理念交叉融合,推動傳統行業加快轉型。近年來,我國出臺了多項措施,如“增材制造產業發展行動計劃(2017-2020年)”,來推動產業發展。2017年,我國增材制造產業市場規模為16.7億美元,同比增長40.34%,規模以上增材制造企業總產值為32.4億。預計到2023年,全球3D打印市場規模在330億美元左右,我國3D打印市場規模在113億美元,CAGR約為37.5%。

        目錄
        一、產業政策標準加快制定,推動行業實現可持續發展
        二、產業規模保持高速增長
        三、技術積累到應用場景落地,應用驅動的3D打印更受期待
        四、增材制造由原型制造向全面生產發展
        五、上游材料是核心,金屬材料將有更廣闊的市場空間
        六、從產品到服務,呈現制造產業服務化的特點
        七、海外經驗:內生研發、外延并購,構筑龍頭企業護城河
        八、產業投融資回暖,資本驅動產業健康發展


        一、產業政策標準加快制定,推動行業實現可持續發展
        近年來,增材制造(3D打?。┊a業政策密集出臺,我國從國家“制造強國”戰略、戰略性新興產業發展規劃,再到各部委的產業發展行動計劃,以及各省市的地方政策,從國家層面、部委層面、地方層面三個維度助力產業快速發展?!对霾闹圃飚a業發展行動計劃(2017~2020年)》提出通過3D打印技術與傳統制造業技術結合,推動制造業的轉型和發展,到2020年增材制造產業銷售收入超過200億元,年均增速在30%以上,培育2~3家具有較強國際競爭力的龍頭企業等。

        圖1 增材制造產業頂層設計

        產業發展,標準先行,2018年是增材制造產業標準發展的元年。截止2018年12月已經完成了《增材制造術語》、《增材制造文件格式》、《增材制造工藝分類及原材料》、《增材制造主要特性和測試方法 零件和粉末原材料》等四項國家標準,《信息技術3D打印和掃描 增材制造服務平臺框架(AMSP)》一項國際標準。在2018年10月,工信部等發布的《國家智能制造標準體系建設指南(2018年版)》的指導下,將繼續推動增材制造產業高質量發展,未來行業標準制定的日趨完善,將會有效的推動行業實現可持續發展。

        圖2  增材制造產業政策/標準發展情況


        二、產業規模保持高速增長
        據Wohlers報告顯示,2017年全球3D打印行業市場規模為73.4億美元,同比增長21.1%。中國市場規模為16.7億美元,是除美國之外的第二大3D打印市場,同比增長40.34%。據Market and Markets預測,到2023年,全球3D打印市場規模預計在330億美元,我國3D打印市場規模在113億美元,CAGR約為37.5%。

        圖3 2010-2017年全球及中國3D打印市場規模


        圖4 全球及中國3D打印市場規模預測


        圖9 2017年汽車/非汽車行業工業機器人密度

        2017年,全球3D打印設備出貨量為40.12萬臺,其中消費級/桌面級38.97萬臺,工業級1.15萬臺。得益于消費級3D打印設備的快速普及,繼續保持快速增長的態勢。

        圖5 全球3D打印設備出貨量


        消費級:出貨量保持高速增長,國內企業出現在國際化舞臺
        在桌面級/消費級3D打印市場領域,2017年同比增速為32.7%,消費級3D打印市場目前是競爭紅海,市場集中度高,CAR5=75%,按照銷售出貨量全球前五大企業分別為XYZprinting,Monoprice,Prusa Research,萬豪、閃鑄,其中XYZprinting2017年出貨量為81840臺。國內的萬豪及閃鑄兩家企業擠進全球5強。除此之外臺灣三緯國際、北京太爾時代出貨量也在前列。

        圖6 全球消費級3D打印設備出貨量


        圖7 全球消費級3D打印機企業出貨量


        工業級:出貨量穩定增長,其中金屬3D打印設備成為增長亮點
        工業級3D打印機有巨大的發展空間。2018年上半年,工業級3D打印機的出貨量增長了22%,其中消費級3D打印機的出貨量增長18%,以惠普和Carbon的增長為主導;而以GE和EOS領導的以金屬為主的工業3D打印機出貨量增長了30%??焖僭鲩L的金屬工業級3D打印機反映了市場對其的興趣和需求持續增長。

        圖8 全球工業級3D打印設備出貨量

        在工業級領域,2017年,Stratasys持續領跑全行業市場份額,占工業3D打印設備領域的25%,銷售收入達4.07億美元。隨著市場兼并整合,行業巨頭紛紛布局,GE、HP作為行業巨頭,市場份額都出現較大幅度上漲,同時Carbon、通快等企業也發力工業級應用領域。

        圖9 全球工業級3D打印機企業出貨量


        三、技術積累到應用場景落地,應用驅動的3D打印更受期待
        增材制造技術起源于上世紀80年代,1986年Charles Hull獲得了SLA技術發明專利,并成立了3D Systems公司,并在1987年發布了第一臺商業SLA打印設備,隨時十多年時間內3D打印的核心的FDM、SLS、LOM、3DP、EBM、SLM、LENS等技術相繼問世,3D Systems、Stratasys、EOS等企業也相繼成立,行業步入快速發展期。

        圖10 典型的增材制造流程示意圖

        目前,增材制造行業已經由技術積累階段發展到應用場景落地的階段,自1988年開始,增材制造技術紛紛在醫療、汽車、航空航天、工藝品制造等行業開展應用。未來行業的發展更加聚焦于如何將增材制造工藝應用至不同的場景。

        圖11 增材制造產業發展歷史

        增材制造的新技術開發已經落下帷幕,技術競賽將主要在主流的七種增材制造工藝上進行改進,包括更快速的打印、更精密的打印精度、更大的打印尺寸等,整個行業都在重點尋找具有合適應用場景的3D打印,應用驅動的3D打印更受期待,由此投資商的焦點將不再是機器制造商,而是傾向于投資那些在特定領域應用3D打印創造真正價值的公司和初創企業。

        四、增材制造由原型制造向全面生產發展
        3D打印發展的下一個重大里程碑式批量生產,增材制造技術的應用已從簡單的概念模型、功能型原型制作向功能部件直接制造方向發展,正滲透到復雜結構件設計及制造領域,比如GE公司采用增材制造技術打印20000個LEAP發動機燃油,美國Aligen Techonolgy采用3D打印技術大規模雙重高度個性化的隱形矯正牙套產品,寶馬使用惠普MJF技術制造了近100萬個汽車零部件產品。采用3D打印直接制造產品在全球打印產品在全球3D打印和相關服務中的比例持續增加。

        圖12 增材制造產品分類

        目前,增材制造應用最廣的還是制造業和醫療領域,主要包括機械、消費品/電子、汽車、航空航天、醫療等行業,統計數據顯示工業機械、航空航天、汽車領域占據了50%以上的市場。分析其中機械領域的復雜零件制造、汽車領域的功能零部件生產、航空航天領域的零部件直接制造、醫療領域的復雜結構醫療器械、體內植入物均已經滲透直接制造領域,其他更多的領域包括消費電子、政府/軍隊、建筑領域等會逐漸滲透直接制造比例。

        圖15  2017年我國工業機器人市場份額情況


        圖13 增材制造下游應用領域占比


        圖14 增材制造下游應用場景


        五、上游材料是核心,金屬材料將有更廣闊的市場空間

        材料的研發和應用驅動著3D打印行業的發展,在某種程度上,材料的發展決定這3D打印的應用廣度和深度。材料可以分為金屬材料和非金屬材料兩種,金屬材料以粉末合金材料為主,非金屬材料以塑性粉末和光敏聚合物材料在3D打印作業中的應用最為廣泛。金屬材料目前占比較小,未來具有較大的市場空間。

        圖15 上游材料市場空間

        工業級3D打印機出貨量來看,金屬3D打印機在2017年由80%左右的增長,由983臺增加為1768臺,在這樣的背景下未來下游3D打印服務商及客戶對于金屬材料的需求將進一步提升。

        圖16 金屬3D打印機成為增長亮點

        2016年3D打印材料主要供應商分別為Arcam公司、EOS公司、Hoganas公司、Sandvik公司、Solvay公司、3DSystems公司和Stratasys公司等,其中Arcam公司和Hoganas公司以金屬粉末材料的生產為主。

        表1全球3D打印材料主要供應商



        六、從產品到服務,呈現制造產業服務化的特點

        從產業的變化趨勢來看,2018年增材制造產業銷售收入為73.36億美元,其中全球獨立服務供應商貢獻了29.55億美元的收入,占比為43.81%。相比于2016年獨立服務供應商由21.73億美元增加為29.55億美元,同比增速超過36%。根據Wholer數據,獨立服務供應商中提供聚合物打印服務、金屬打印服務及同時提供兩種服務的占比分別為48.8%、23.2%和28%。

        圖17 增材制造獨立服務供應商規??焖僭鲩L


        圖18 獨立服務商提供服務種類占比

        從增材制造產業的企業來看,近年來企業提供的服務占比越來越重。3D打印龍頭企業Stratasys營收業務構成從2013的14.4%提高到2018年的29.0%,3D Systems由2013年的30.7%提高到2018年的41.3%。從產業鏈來看,處于下游的3D打印服務提供商也處于微笑曲線的右側,打印服務的毛利高而且持續穩定。

        Stratasys涉及3D打印的各個領域,服務業收入占比逐年提升,由2013年的14.4%提升至2017年的29.0%,毛利率方面,從2015年的15%提升至48%,主要是由于產品的毛利率得到了較好的提升。

        圖19 Stratasys營收服務類占比逐年提高


        圖20 Stratasys分類產品毛利率

        3D Systems公司業務涉足3D打印全產業鏈,包括打印機設備、打印材料、相關服務,并且各項業務在公司收入結構中都占有重要比例,2017年打印機及其他產品占比 32.5%,打印材料占比26.1%,相關服務收入占比41.3%。這三項業務中打印材料的銷售毛利率最高,2017年打印材料銷售毛利率達到了72.9%,打印機及其他產品毛利率和服務業務毛利率分別為25%和48.4%,總體毛利率47.2%。

        圖21 3D Systems營收服務類占比逐年提高


        圖22  3D System分類產品毛利率


        七、海外經驗:內生研發、外延并購,構筑龍頭企業護城河

        2017年美國Stratasys及美國3D Systems兩家3D打印巨頭分別實現了6.68億美元、6.46億美元,依然在全球范圍內保持絕對龍頭的地位。2016年,國外10家3D打印企業實現23.43億美元的營業收入,Stratasys和3D Systems占全球排名前十家3D打印廠商的營業總收入的28.5%和27.6%。

        圖23 各大3D打印廠商營收規模對比

        數據來源:賽迪智庫,公開資料,Wohlers Associate

        3D Systems和Stratasys都是3D打印全產業鏈的企業,涉及業務包括打印機研發和制造、打印材料銷售、打印服務等??v觀其成長過程,兩家企業都進行了大量的研發、大量的兼并收購,通過內生研發、外延并購,構筑了其強大的護城河。
        美國Stratasys公司為FDM技術的發明者,公司1994年在納斯達克上市,2017年收入6.68億美元,虧損4000萬美元,公司2015~2017年營業收入保持穩定,凈利潤逐步改善。

        圖24 Stratasys公司營收規模對比


        圖25 Stratasys公司凈利潤規模對比

        美國3D Systems是SLA技術的發明人創建的,公司1990年在紐交所上市,2017年公司營業收入6.5億美元,凈利潤-6619萬美元。2015年~2017年公司營業收入平穩,公司凈利潤也逐年改善。

        圖26 美國3D Systems公司營收規模對比


        圖27 美國3D Systems公司凈利潤規模對比


        內生研發:持續高投入,構建技術領先護城河
        3D打印屬于技術密集行業,技術進步快,要求行業內企業要保持技術領先優勢就必須進行持續的研發投入。3D Systems與Stratasys 兩家毛利率都在50%左右,能夠維持高毛利率在于兩家公司持續不斷的研發投入。近5年來兩家公司都將不斷提高研發投入,研發費用占收入比重持續提升涉及技術、材料、產品各個領域。2017年兩家公司研發費用占收入比重持平,維持在15%左右。

        圖28 增材制造巨頭研發費用對比


        外延并購:全產業鏈整合
        3D打印巨頭企業通過持續不斷的并購,實現研發共享行業整合,使得企業能夠有更多的資源進行全產業鏈的布局,包括Stratasys公司、GE公司、3D Systems公司等在發展過程中都伴隨的大量的并購投資事件。
        Stratasys通過全球并購提升競爭力。2012年4月通過與以色列工業級3D打印設備提供商Object合并,奠定了其在全球工業級3D打印機的巨頭地位。隨后收購Makerbot擴展其在消費級的產品線,收購GrabCAD布局上游設計領域,收購制造服務提供商Harvest Technologies、Solid Concepts完成業務轉型等,Stratasys通過不斷的并購布局形成其行業護城河。
        表2       Stratsys收購路徑


        GE公司2010年開始布局增材制造產業,由增材制造技術用戶轉變為服務提供商,2016年13億美元先后收購電子束熔融技術的Arcam公司和激光燒結技術的Concept Laser公司,奠定了GE在金屬打印領域的強勢地位,從公司在增材制造技術的布局來看,未來將不斷在促進增材制造技術在制造業、能源等行業的應用。

        圖29 GE公司增材制造發展路徑

        3D Systems 上市至今收購60 余家的公司,公司目前能夠提供基于SLA、SLS、DM、MJP、CJP、FTI、PJP等技術在內的各種類型的桌面級工業3D打印機主要源于產業鏈的并購歷史。其中重要并購有2001年4300萬美元收購了DTM(SLS專利擁有者);2011 年末3D Systems 以1.37 億美元現金收購了頗具科研實力的Z Corp和Vidar Systems 公司;2012 年3500萬美元收購的INUS Technology;2013年初5500萬美元收購的Geomagic公司;2013年收購3250萬美元施樂公司威爾遜維爾市的相關資產。

        八、產業投融資謹慎布局,資本驅動產業健康發展
        2018年產業投融資情況相比2017年有所改善,2017年、2018年分別有75次、80次,總金額分別為75億、203億人民幣。2018年,國內發生33次,18億人民幣的投融資。2018年國內沒有增材制造主題企業上市,主要集中在A輪,而海外則呈現出并購案例加劇,行業格局加速改變。從投資領域來看,3D技術應用型企業成為投資熱點。

        圖30 增材制造行業投融資情況


        圖31 增材制造行業投融資情況


        圖32 增材制造行業投融資情況

        2018年,投資額最高的為美國K2M(美國骨科植入物)收購案,收購金額高達14億美元。同樣美國Rocket Lab、英國LPW、3rdDimension、Frustum Inc等收購金額均超過7000萬美元。國內投融資依然火熱,2018年度單筆投資額最高的黑格科技,創想至誠、華控創投投資鑫精合近億元,新生代快速光固化技術的清鋒時代,大尺寸LCD快速光固化普利生獲巴斯夫戰略投資,液態金屬3D打印夢之墨等。

        我們認為,2019年以下領域會受到資本的重點關注:
        1、  工業級應用場景,未來主要在原型生產向全面生產的轉變中尋找機會,重點關注在增材制造技術上突破的重點標的,建議從生產精度、制造成本等維度評價技術;
        2、  在增材制造產業服務化的過程中尋找細分服務應用市場,關注公司的商業模式及其所在細分領域的潛在需求;
        3、  增材制造產業參與者較少,在投融資輪動的現象下,關注行業投融資熱點及龍頭標的。

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