本 报 告 由 中 信 建 投 证 券 股 份 有 限 公 司 在 中 华 人 民 共 和 国（仅 为 本 报 告 目 的，不 包 括 香 港、澳 门、台 湾）提 供。在 遵 守 适 用 的 法 律 法 规 情 况下，本报告亦可能由中信建投（国际）证券有限公司在香港提供。同时请参阅最后一页的重要声明。证券研究报告 行业 深度 金 属 增 材 制 造：方 兴 未 艾，星辰大海（上）核心观点 增 材 制 造 的 主 要 应 用 场 景 为：小 批 量、复 杂 化、轻 量 化、定 制化、功 能 一 体 化 零 部 件 制 造。金 属 增 材 制 造 工 艺 原 理 主 要 分 为粉末床熔融（PBF）和 定 向 能 量 沉 积（DED）两 类，当 前 PBF应 用 最 广 泛，DED 市 场 份 额 逐 步 提 升。作 为 新 兴 工 艺，增 材 制造 具 有 传 统 的 减 材 制 造 不 具 备 的 优 势，因 此 其 逐 渐 被 人 们 重视，各 国 纷 纷 出 台 产 业 政 策 扶 持，行 业 进 入 快 速 发 展 期。其未来 发 展 趋 势 也 逐 渐 明 了，金 属 增 材 制造将 向 着 多 材 料、高 效率、高 精 度、大 尺 寸、智 能 化、国 产 化 率 提 高、渗 透 率 提 高、增减材一 体化、无支撑、系 统级制造 等趋势 发展。摘要 增材制造 先进制造业技 术，传统制造业重要 补充 增 材 制 造（Additive Manufacturing,AM,俗称 打印）是具有 颠 覆 性 的 先 进 制 造 技 术。增材制造以三维数字模型为基础，将 材 料 通 过 分 层 制 造、逐 层 叠 加 的 方 式 制 造 出 实 体 零 件。其 优势 在 于 短 研 发 周 期、复 杂 结 构 制造、轻 量 化、高 材 料 利 用 率、强 力 学 性 能 等。反之金 属 增 材 制 造 在 可 加 工 材 料 种 类、加 工 精度、表 面 粗 糙 度、加 工 效 率 方 面 逊 于 传 统 精 密 加 工，在 大 规 模生产上成本处于劣势，因此 增 材 制 造 的 主 要 应 用 场 景 为：小 批量、复 杂化、轻量 化、定 制化、功 能一 体 化零 部 件制 造。金属增材制造技术以 PBF、DED 为主要路线 金属 增 材 制 造 工 艺 原 理 主 要 为 粉 末 床 熔 融（PBF）和 定 向 能 量沉 积（DED）两 大 类 别。前者适用于精密成型，后者适用于高效率大尺 寸应用 场景。当前 PBF 应 用最 广 泛，DED 市 场 份 额逐步提升。2021 年 PBF 和 DED 分别 在金 属增材 制造市 场中占据83.8%和 9.1%的市场份额，预计到 2026 年 PBF 与 DED 市场份额分别下 降至 74%和 8.6%。且金属 增材制 造成熟 度及 产业化水平 最 高 的 技 术 路 线 主 要 集 中 在 PBF、DED，其 中 L-PBF（基 于激光的 PBF，以 SLM 为 代 表）在产 业中应 用最为 广泛，E-PBF（基于电 子束的 PBF，以 EBM 为代表）排名 第二。SLM 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 金 属 增 材 制 造 技 术，广 泛 用 于 制 造 航空 航 天、汽 车 模具 等 领域 的精 密 零 部件。SpaceX 使用 SLM 技术制 造 二 代 龙 飞 船 引 擎 室，解 决 了 复 杂 结 构 制 造、缩 短 火 箭 发 动机交货期、降低 制造成 本。国 防 军工 维持 强大于 市 黎韬扬 010-85130418 SAC 编 号：S1440516090001 发布日期：2023 年 06 月 28 日 市场表现 相 关 研 究报 告-18%-8%2%12%22%32%2022/4/122022/5/122022/6/122022/7/122022/8/122022/9/122022/10/122022/11/122022/12/122023/1/122023/2/122023/3/12国防军工 上证指数 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。电 子 束 熔 融 技 术(Electron Beam Melting）是 新 兴 的 先 进 金 属 增 材 制 造 技 术，已 广 泛 应 用 于 快 速 原 型 制 作、快 速 制 造、工 装 和 生 物 医 学 工 程 等 领 域。EBM 技 术 应 用 助 力 航 空 航 天 零 部 件 生 产 发 展，减 轻 发 动 机 零 部 件 重量，提高 燃油效 率，并 且有 效提高增 材制造 技术在 航空 航天领域 的渗透 率。激 光 近 净成 形 技术 是 无需 后处 理 的 金属 直 接成 形 方法，也 是 DED 中 研 究 和 应 用最广 泛 的 技术。该技术不仅能 直 接打 印 出三 维 金属 零 件，还 能在 已 有零 件 上进 行 打印。因此 在 制造 或 修复 高 附加 值 的产 品，比 如 航空 发动机或 机床部 件中得 到广 泛 应用。LENS(激光近 净成 型)技术能 够实现 梯度材 料、复 杂曲面 修复，在大型 器件 的修复上正 不断地 发挥作 用，是链接传 统制造 与 3D 打印 的桥梁。电 子 束 熔丝 沉 积成 形 技术（Electron Beam Wire Deposition,EBWD）是 以 电 子 束作 为 激 活源 的 前沿 DED技 术，具有 速 度快、成本 低、打 印 尺寸 大 等优 点。Sciaky 公司推 出的 EBAM 技术实 现了沉积 速率大 幅提升。电 弧 增 材制 造 技术（Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM）使 用 电弧 作 为激 活 源，是 一 种成 本 极大 降 低 的大 尺 寸高 效 率金 属增 材 制 造技 术。WAAM 打 印精度较 低，但 是打印 尺寸 较大。WAAM 的特 点 让其 很适合以高 价值的 材料制 造中 等复杂程 度的大 尺寸零 件。金 属 增材:向 着 多 材料、高效 率、高 精 度、大尺 寸、智 能 化、国产 化 率提 高、渗 透 率提 高、增 减材 一体化、无支撑、系统级制造 等趋 势发展 作为 新 兴工 艺，增材 制 造具 有传 统 的减 材 制 造不 具 备的 优势，因此 其 逐 渐被 人 们重 视，各 国纷 纷 出 台产 业政策扶持，行业 进入快 速发 展期，未 来金属 增材发 展趋 势如下：1）多 材料：多材料包括 可 打印材料 的多样 化以及 多材 料混合打 印两个 方面；2）高效率与高精度：金 属 增 材 制 造 效 率 有 待 进 一 步 提 升，打 印 效 率 和 打 印 精 度 是 增 材 制 造 技 术 两 个 难 以兼顾的目 标，未 来希望 能在 高精度制 造的情 况下实 现高 效率增材 制造；3）大尺寸：进 一 步 增 大 可 打 印 尺 寸 是 当 前 增 材 制 造 装 备 的 发 展 趋 势，目 前 增 材 制 造 打 印 件 成 形 尺 寸 已 经步入 米 级 时代；4）智能化：增 材 制 造 工 艺 需 要 进 行 质 量 控 制，需 要 高 度 训 练 有 素 的 技 术 人 员 来 启 动、监 测 和 拆 除 组 件，未来需要 实现增 材制造 的智 能化与自 动化；5）国 产 化 率 提 高：由 于 我 国 的 3D 打 印 设 备 公 司 对 于 软 硬 件 存 在 不 同 程 度 的 进 口 依 赖，因 此 推 进 核 心 器件（主要 指：激 光器、振镜 以及工业 软件）国产化 至关 重要；6）渗 透率 提 高：加强金属 3D 打印定制化 产品在 一般 工业领域 渗透，提高 3D 打 印可运用 场景，并使其 在已经引入 增材制 造的下 游领 域中增加 3D 打印 的使用 占 比；7）增减材一体化：增 减 材 复 合 制 造 技 术 结 合 了 增 材 近 净 成 形 和 减 材 保 证 精 度 的 优 点，适 合 高 精 度 复 杂 型面及具有 内孔内 腔零件 的一 体化制造 和修复 再制造；8）无 支 撑 3D 打印：支 撑结 构 的 存 在 会 降 低 模 型 的 表 面 质 量，且 去 除 支 撑 需 要 的 后 处 理 会 提 高 成 本，无支撑 3D 打印能降 低材料 浪 费以及提 高模型 质量；XVDWzQnQmPoPrPmPrMrOpObR9R7NpNoOtRnOjMrRpRiNtRyQaQmMvNMYmPmOvPpNzR 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。9）系 统 级 制 造：系统级制造就是指 对于整 个系 统部件 基于增材 制造设 计 制 造，而 不 单 单 只 通 过 3D 打印技术 打 印出 个 别零 部 件。由 于增 材 制造 相 比于 传 统工 艺 能够 更 好的 制 造复 杂 构件，且系 统 级制 造 应用 越 来越 多，其已经成 为增材 制造技 术 的 一大 趋势。风险提 示 军工订单不及预期。国内金 属增 材打 印 行业 下游 客 户集 中于 军工 行 业，收入 最 终主 要来 源于 国 家的 国防 装备支 出。军 工 行业 属 于特 殊 的经 济 领域，主要 受 国际 环 境、国 家安 全 形势、地缘 政 治、国 防发 展 水平 等 多种 因素影 响。若 未 来国 际 形势 出 现重 大 变化，导致 国 家削 减 国防 开 支若 军 工订 单 不及 预 期则 可 能影 响 到行 业 企业 的营收。产业政策风险。增材 制造 行 业系 国家 重 点扶 持 的战 略新 兴产 业，国 家产 业 政策 对该 行业 的发 展 起到 了 积极的引 导 作用。如果 未 来政 府 对行 业 支持 政 策发 生 变化 导 致财 政 税收 优 惠、政 府补 助 及科 技 扶持 等 政策 缩 减甚 至取消，将 会对行 业生产 经营 造成不利 影响。技术迭代风险。随着 增材 制 造技 术的 发 展，应 用领 域的 扩大，技 术 的升 级 迭代 加快，不 同技 术 之间 的 竞争加剧，技 术创新 和新产 品开 发仍是行 业竞争 的关键。若 企业无法 保持技 术先进 性则 可能导致 竞争力 下降。供应链风险。国内 增材 制 造 领域 振 镜、激光 器 等核 心 零 部件 进 口依 赖严 重，若 因 地 缘政 治 导致 进口 受 限，且短期内 无法国 产化替 代，则可能影 响到企 业产品 的交 付。行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。目录 一、增 材制 造 先进 制造 业技术，传 统制 造业 重要 补充.1 二、金属 增材 制造 技术 以 PBF、DED 为主 要路 线.2 2.1 粉 末床 熔融（PBF）：打印效 率和 成品 精度 高.3 2.2.1 SLM 技术 应用 最广 泛的金 属增 材制 造技 术.4 2.1.2 EBM 技术 基 于电 子束的 新兴 增材 制造 技术.5 2.2 定 向能 量沉 积（DED）：打印 效率 高，精度 逊 于 PBF.7 2.2.1 激光 近净 成形（LENS）DED 中研 究应 用 最广泛 的技 术.9 2.2.2 电子 束熔 丝沉 积成 形（EBWD）前沿 DED 技术，已用 于先 进战 机制 造.10 2.2.3 电弧 增材 制造 技术（WAAM）低成 本高 效 率大尺 寸 的 DED 技术.11 2.3 PBF 技术打印 成品 小而 精，DED 打 印成 品大 但相 对粗糙.13 三.金 属增 材:向着 多材 料、高效 率、高精 度、大尺 寸、智 能化、国 产化 率提 高、渗 透率 提高、增 减材 一体化、无 支撑、系 统级 制造 等趋势 发展.14 3.1 多材 料：增加 可打 印材 料多样 性，实现 多材 料混 合打印.14 3.2 高效 率与 高精 度：权衡 精度与 效率，实 现两 者面 面俱到.16 3.3 大尺 寸：增材 制造 打印 件成形 尺寸 已经 步入 米 级时代.18 3.4 智能 化与 自动 化：机器 学习促 增材 制造 过程 控制 及优化.18 3.5 国产 化率 提高：培 育核 心供应 商，实现 核心 器件 国产化.19 3.6 渗透 率提 高：丰富 可运 用场景，提 高在 单领 域的 渗透率.21 3.7 增减 材一 体化：增 材制 造近净 成形，减 材制 造保 证精度.22 3.8 无支 撑增 材制 造：更高 自由度，推 进工 业级 批量 化生产.23 3.9 系统 级制 造：系统 级层 面全面 思考，功 能优 先设 计产品.24 四、风 险提 示.25 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。图目录 图 1：增材 制造 复杂 结构 零件有 极大 优势.1 图 2：通过 增材 制造 的轻 量级构 件在 同等 性能 下减 重 60%.1 图 3：2019-2021 金 属增 材 制造系 统销 售收 入以 及对 于 2026 年的 预测(单 位：十亿欧 元）.3 图 4：粉末 床熔 融（PBF）工艺原 理示 意图.3 图 5：激光 选区 熔融（SLM）工 艺原 理示 意图.4 图 6：激光 选区 熔融（SLM）逐 层打 印过 程图 示.5 图 7：SuperDraco 引 擎展 示.5 图 8：Dragon 靠近 空间 站.5 图 9：电子 束熔 融技 术（EBM）工艺 原理 示意 图.6 图 10：GE 公司 利 用 EBM 技术打 印 的 TiAl 叶片.6 图 11：P&W 公司的 PW1000G 引擎.6 图 12：SLM 和 DED 打印 成本比 较，以生 产相 同 Ti64 托 架为 例.7 图 13：定 向能 量层 积（DED）工艺 原理 示意 图.8 图 14：DED 三大 应用 场 景 近净 成型、已 有结 构件上 打印、零 件修 复.9 图 15：激 光立 体成 形设 备 工作原 理.9 图 16：使 用 LENS 技术用时 12 小 时修 复需 要 12 周 更换的 零件.10 图 17：电 子束 熔丝 成形 原 理图.10 图 18：西 安智 熔的 ZCompleX3 型电 子束 熔丝 系统.10 图 19：Sciaky 公司 EBAM 技术大 幅提 升沉 积速 率.11 图 20：电子 束熔 丝增 材再 航空装 备上 的应 用，左图 为 A320neo 飞机 后上 翼梁，右图 为 F-35 飞 机 翼 梁.11 图 21：电 弧增 材制 造技 术（WAAM）原 理示 意图.12 图 22：以 电弧 增材 制造 技 术（W AAM）打印 出来 的 构件.12 图 23：RAMLAB 打 印的 船舶螺 旋桨.13 图 24：W AAM 技 术制 造的 钛压力 容器.13 图 25：常 见金 属增 材制 造 技术比 较.13 图 26：由 Aheadd CP1 制 造的热 交换 器.15 图 27：TA15 的 SEM 照片 和 OM 照片.15 图 28：LENS 成形 多材 料 示意图.16 图 29：打 印速 率、功率、打印精 度间 的关 系.16 图 30：FS721M(8 激光).17 图 31：BLT-S1000（12 激 光）.17 图 32：钛合 金 植入 体，80 微 米丝 径.17 图 33：土 星 1 号运 载火 箭 发动机 收扩 段.18 图 34：3D 打印 的 C919 中 央翼缘 条.18 图 35：网 络化 的 3D 生产 线.19 图 36：锐 科激 光的 RFL-C500AM.19 图 37：大 族激 光的 连续 光 纤激光 器单 模组 系列.19 图 38：2019 年中 国光 纤激 光器市 场销 售份 额.20 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。图 39：2021 年中 国光 纤激 光器市 场销 售份 额.20 图 40：RAY-MOTION 公司的 Neutron 振镜.21 图 41：创 鑫激 光的 RFL-C500AM.21 图 42：Terran 1 首次 发射.21 图 43：中 国航 天科 技集 团 有限公 司 的 3D 打印 阀门 壳 体.22 图 44：五 轴联 动增 减材 复 合制造 设 备 LMDH1000A.22 图 45：增 材制 造支 撑部 件 与 VELO 3D 无 支撑 部件 对 比.23 图 46：传 统具 有支 撑结 构 的叶 轮 VS 无支 撑叶 轮.24 图 47：GE 增材 制造 的发 动机燃 油喷 嘴.24 图 48：增 材制 造零 件展 示.24 表目录 表 1：金属 增材 制造 技术 与传统 精密 加工 技术 比较.2 表 2：增材 制造 技术 路线.2 表 3：用于 金属 加工 的主 要粉末 床选 区融 化（PBF）技术 种类.4 表 4：SLM 和 EBM 技术 指 标横向 比较.7 表 5：常见 用于 金属 的定 向能量 沉积（DED）技 术 种类.8 1 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。一、增材制造 先 进 制 造 业 技 术，传 统 制 造 业 重要 补 充 增 材 制 造（Additive Manufacturing,AM,俗称 打印）是具 有 颠覆 性 的先 进制 造 技 术。增材制造以三维数 字 模型 为 基础，将材 料 通过 分 层制 造、逐 层 叠加 的 方式 制 造出 实 体零 件。增 材 制造 从 原理 上 突破 了 复杂 异型 构 件 的 技 术 瓶 颈，实 现 材 料 微 观 组 织 与 宏 观 结 构 的 可 控 成 形，从 根 本 上 改 变 了 传 统 制 造 引 导 设 计、制 造 性优 先 设 计、经 验 设 计 的 设 计 理 念，真 正 意 义 上 实 现 了 设 计 引 导 制 造、功 能 性 优 先 设 计、拓 扑 优 化 设 计 转 变。目前，增 材制造 已经广 泛应 用于医疗、航空 航天、传统 制造业、汽车、牙科等 领域。金属增材制造（Metal Additive Manufacturing）是 增 材 制 造 的 重 要 分 支，拥 有 传 统 精 密 加 工 技 术 无 法 比拟 的 巨 大优 势。根据铂力特定增说明 书，相 较于传 统精 密加工，金属增 材制造 具有 以下优点：（1）产 品 研 发 及 实 现 周 期 短。增 材 制 造 技 术 无 需 模 具 支 撑，一 般 仅 需 要 简 单 装 配 即 可 投 入 使 用，相 较 于传统工艺 开发产 品的流 程大 大缩短。（2）可高 效 成形 更 为复 杂的 结 构。3D 打印的原理 是 将复杂的 三维几 何体剖 分为 二维的截 面形状 来叠层 制造，故 可以 实 现传 统 精密 加 工较 难 实现 的 复杂 构 件成 形，提 高 零件 成 品率，同时 提 高产 品 质量。对于 增 材制 造来讲，结 构复杂 程度的 增加 基本很少 增加成 本，而 传统 制造方式 的成本 会随着 结构 复杂度的 提高而 增加。（3）实 现 一 体 化、轻 量 化 设 计。金 属 增 材 制 造 可 以 优 化 复 杂 零 部 件 的 结 构，在 保 证 性 能 的 前 提 下，将 复杂结 构 经变 换 重新 设 计成 简 单结 构，从 而 起到 减 轻重 量 的效 果，增 材 制造 也 可实 现 构件 一 体化 成 形，从 而提 升产品的可 靠性。根据 Metal Additive Manufacturing，在这 个由 增材 制造 的支 架中，相比 于传 统制 造的 支架重量 减少 了 60%，而机 械强度 和刚 度保 持不 变。（4）材料 利 用率 高。金属 增材制造 可节约 大量材 料，特别是对 于较昂 贵的金 属材 料，可较 大节约 成本。（5）实 现 优 良 的 力 学 性 能。基于 3D 打 印 快 速 凝 固 的 工 艺 特 点，成 形 后 的 制 件 内 部 冶 金 质 量 均 匀 致 密，无其 他 冶金 缺 陷；同 时快 速 凝固 的 特点，使得 材 料内 部 组织 为 细小 亚 结构，成形 零 件可 在 不损 失 塑性 的 情况 下使强度得 到较大 提高。图 1：增材制 造复杂 结构零 件有 极大优势 图 2：通过增 材制造 的轻量 级构 件在同等 性能下 减重 60%资料来源：GE 公司 官网，中信建 投 资料来源：Metal Additive Manufacturing，中信建投 金 属 增 材 制造 与 传 统精 密 加工 技 术 互 为补 充，增材 制 造更 适 合 款 多量 少 的 定制 化 产品。当前，金属 增材制造在 可 加工 材 料种 类、加 工 精度、表面 粗 糙度、加工 效 率方 面 逊于 传 统精 密 加工，在大 规 模生 产 上成 本 处于 劣势，因 此 增 材 制 造 的 主 要应用 场 景 为：小 批 量、复 杂 化、轻 量 化、定 制 化、功 能 一体 化 零 部 件制 造。此外，增 2 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。减材复合制造技术 是当前金 属增材制造工艺的 研究方向。通过与 机器 人、数控 机床、铸 锻焊 等多 工艺 技术 相集成，可提 升金属 增材制 造的 成型效率 和精度，解决 金属 增材制造 复杂结 构件难 于进 行后续机 械加工 的难题。表 1：金属增 材制造 技术与 传统 精密加工 技术比 较 项目 金 属增材制 造 传 统精密加 工技术 技术原理 增 材制造（分层制造、逐层 叠加）减 材制造（材料去除、切削、组）技术手段 粉末床熔融、定向能量层积等 磨削、超精细切削、精细磨削与抛光等 适用场合 小批量、复杂化、轻量化、定制化、功 能一体化零部件制造 批量化、大规模制造，但在复杂化零部 件制造方面存在局限 使用材料 金属粉末、金属丝材等（受限）几乎所有材料（不受限）材料利用率 高，可超过 95%低，材料浪费 产品实现周期 短 长 零件尺寸精度 0.1mm（相对于传统精密加工而言偏差较大）0.1-（超精密加工精度甚至可达纳米级）零件表面粗糙度-（表面光洁程度较低）以下（表面光洁度较高，甚至可达镜面效果）资料来源：铂力 特招股 说明书，中 信建投 二、金 属 增 材 制造 技术以 PBF、DED 为主要路线 根据铂力 特定增 说明书，七 种基本的 增材制 造工艺 中，金属 3D 打印 工 艺原 理 主要为 粉 末 床熔 融（PBF，俗 称 铺 粉工 艺）和 定 向能 量沉 积（DED，俗 称 送粉 工 艺）两 大 类别，采用这两类 工 艺原理的 金属 3D 打印 技术都可以制 造达到 锻件标 准的 金属零件。根据 AMPOWER，以 营收计 算，2021 年 PBF、DED 各占据 83.8%和9.1%的 市 场份 额。且预计到 2026 年，PBF、DED 将各占据 74%和 8.6%的市场 份额。表 2：增材制 造技术 路线 工 艺类型 工 艺说明 主 要工艺技 术名称 粉末床熔融（Powder Bed Fusion）（PBF）通过热能选择性的熔化/烧结粉末床区域的增材制造工艺 激光选区熔化（SLM）、激光选区烧结（SLS）、电子束选区熔化（EBSM）定向能量沉积（Directed Energy Deposition）（DED）利用聚焦热能将材料同步熔化沉积的增材制造工艺 激光近净成形（LENS）亦称激 光立体成形（LSF）、电子束熔丝沉积（EBDM）、电弧增材制造（WAAM）立体光固化（VAT Photopolymerization）通过光致聚合作用选择性的固化液态光敏聚合物的增材制造工艺 光固化成形（SLA）粘结剂喷射（Binder Jetting）选择性喷射沉积液态粘结剂粘结粉末材料的增材制造工艺 三维立体打印（3DP）材料挤出（Material Extrusion）将材料通过喷嘴或孔口挤出的增材制造工艺 熔融沉积成形（FDM）材料喷射（Material Jetting）将材料以微滴的形式按需喷射沉积的增材制造工艺 材料喷射成形（PJ）薄材叠层（Sheet Lamination）将薄层材料逐层粘结以形成实物的增材制造工艺 层压物体制造（LOM）、超声 波增材制造（UAM）资料来源：铂力 特 定增 说明书，中 信建投 3 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。图 3：2019-2021 金 属增材制 造系统 销售收 入以及 对于 2026 年的 预测(单位：十亿 欧元）资料来源：AMPOWER，中信 建投 2.1 粉末床熔融（PBF）：打印效率 和成品精 度高 根据 GB/T 35021-2018，粉末 床 熔 融（Powder Bed Fusion,PBF，铺粉 工 艺）是 指通 过 热 能选 择 性融 化/烧结粉末床区域的增材制造工 艺。激活 源主 要是 激光、电 子或 红外 灯产 生 的热 能。原 材料 主要 是各 种 粉末（如 热塑 性 聚 合 物、纯 金 属 或 合 金、陶 瓷 等）。常 见 用 于 金 属 制 造 的 PBF 技 术 包 括 激 光 选 区 熔 融（Selective laser melting,SLM）、电子束 熔 融（Electron Beam Melting,EBM）等。图 4：粉末床 熔融（PBF）工艺 原理示意 图 资料来源：达索 系统公 司官网，中 信建投 4 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。表 3：用于金 属加工 的主要粉末 床选区融 化（PBF）技 术种类 工 艺技术名 称 激 活源 原理 主 要企业 激光选区熔融（SLM）激光 将物体的三维数据转化为截面 2D 数据传输给打印机；在基板上用刮刀铺上金属粉末，激光在扫描振镜的控制下按照规划好的路径与工艺参数扫描，金属粉末在高能激光照射下熔化，快速凝固形成冶金结合层。一层打印结束后，基板下降一个切片层厚高度，刮刀继续进行粉末铺平，激光扫描加工，重复上述过程直至打印结束。铂力特、华曙高科、易加三维、中科煜宸、EOS、SLM Solutions、GE Additive 电子束熔化（EBM）电子束 将零件的三维实体模型数据导入 EBM 设备，然后在 EBM 设 备的工作舱内平铺一层微细金属粉末薄层，利用高能电子束经偏转聚焦后在焦点所产生的高密度能量使被扫描到的金属粉末层在局部微小区域产生高温，导致金属微粒熔融，电子束连续扫描将使一个个微小的金属熔池相互融合并凝固，连接形成线状和面状金属层。西安赛隆、清研智束、GE Additive 等 资料来源：华曙 高科招 股说明 书，西安赛隆、清研 智束等 公司官 网，中信建投 2.2.1 SLM 技术应用最广泛的金属增材制造技术 SLM 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 金 属 增 材 制 造 技 术，广 泛 用 于 制 造 航 空 航 天、汽 车 模 具 等 领 域 的 精 密 零 部 件。SLM 打印 制件可 以同时 具 有宏观的 复杂结 构与独 特的 微观组织。相较 于 SLS 技 术，SLM 技术能 够完全 熔 化金属，成型 精度和 力学性 能更 高。SLM 成 形技术 通常采 用粒径 在 30 m 左右 的细粉 末作为原 材料，通过涂 布机 刀片将 这 种金 属 粉末 以 非常 薄 的层 分 布在 整 个基 材 或积 层 板上，利用 高 能量 激 光束 逐 层选 择 性地 完 全熔 化 金属 粉末，通过 逐层的 铺粉-熔化-凝固 堆积的 方式，制造三 维实体零 件。图 5：激光选 区熔融（SLM）工 艺原理示 意图 资料来源：铂力 特定增 说明书，中 信建投 根据铂力 特定增 书，SLM 技 术实现过 程为：计算机 将物 体的三维 数据转 化为一 层层 截面的 2D 数 据并传 输给打 印 机，打 印过 程 中，在 基板 上 用刮 刀 铺上 设 定层 厚 的金 属 粉末，聚焦 的 激光 在 扫描 振 镜的 控 制下 按 照事 先规划 好 的路 径 与工 艺 参数 进 行扫 描，金 属 粉末 在 高能 量 激光 的 照射 下 其发 生 熔化，快速 凝 固，形 成冶 金 结合 层。当一 层 打印 任 务结 束 后，基 板下 降 一个 切 片层 厚 高度，刮刀 继 续进 行 粉末 铺 平，激 光扫 描 加工，重复 这 样的 过程直至整 个零件 打印结 束。5 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。图 6：激光选 区熔融（SLM）逐层 打印过程 图示 资料来源：Review of selective laser melting:Materials and applications，中信 建投 SpaceX 使用 SLM 技 术 制 造 二 代 龙 飞 船 引 擎 室，解 决 了 复 杂 结 构 制 造、缩 短 火 箭 发 动 机 交 货 期、降 低 制造成本。据 V oxelMatters,SpaceX 公 司 开 发 的 新 一 代 Dragon V2 载 人 飞 船 的 SuperDraco 引 擎 的 制 造 中 应 用 了EOS 提供 的 SLM 打印 设备。SuperDraco 引擎的 冷却道、喷射头、节流 阀等结 构复 杂程度非 常高。SLM 在制 造过程 中 表现 了 以下 优 点：1）解 决 了复 杂 结构 制 造问 题；2）实 现了 材 料的 高 强度、延 展 性、抗 断裂 性 和低 可 变性等优良 属 性，能够满 足极 端高温高 压的严 苛要求；3）显著缩 短火箭 发动机 交货 期，并降 低制造 成本。图 7：SuperDraco 引 擎 展示 图 8：Dragon 靠 近 空间站 资料来源：SpaceFlight Insider，中 信建投 资料来源：SpaceX 官网，中信建 投 2.1.2 EBM 技术基于电子束的新兴增材制造技术 电 子 束 熔 融 技 术(Electron Beam Melting）是 新 兴 的 先 进 金 属 增 材 制 造 技 术，已 广 泛 应 用 于 快 速 原 型 制 作、快速制造、工装和生物医学 工程等领域。根据华融 普 瑞（北 京）科技 有限 公 司官 网，其 工艺 过程 为：将 零件的三维实 体模 型数 据导入 EBM 设备，然 后在 EBM 设 备的工 作舱 内平 铺一层 微细 金属粉 末薄 层，利用高 能电 子束经 偏 转聚 焦 后在 焦 点所 产 生的 高 密度 能 量使 被 扫描 到 的金 属 粉末 层 在局 部 微小 区 域产 生 高温，导致 金 属微 粒熔融，电 子束连 续扫描 将使 一个个微 小的金 属熔池 相互 融合并凝 固，连 接形成 线状 和面状金 属层。6 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。图 9：电子束 熔融技 术（EBM）工艺原理 示意图 资料来源：埃尔 朗根-纽伦 堡 大学（F AU）官网，中信建 投 EBM 技 术 应 用 助 力 航 空 航 天 零 部 件 生 产 发 展，减 轻 发 动 机 零 部 件 重 量，提 高 燃 油 效 率，并 且 有 效 提 高 增材 制 造 技 术 在 航 空 航 天 领 域 的 渗 透 率。EBM 技 术 利 用 高 功 率 电 子 束 在 受 控 环 境 中 快 速 生 产 没 有 残 余 应 力 的 零件，EBM 技术 制造的 TiAl 叶片的重 量只有 传统镍 合金 涡轮叶片 的一半。根据 凤凰 新闻，由 GE 航空公 司为波音新型 777X 宽体 喷气机 开 发的 GE9X 发 动机预 计将受 益于 TiAl 叶片 的重量 减轻，因为与 前代产 品 GE90 相 比，它可以降 低 10的燃油 消耗。P&W 公司（Pratt&Whitney Group）作 为美国 最大的 两家航空 发动机 制造公 司之一，利用 EBM 技术 完成了 核心同步 环支架，过去 利用 金属增材 技术制 造的大 多是 静止件，2018 年他们用了 整体叶盘（发动机 上非常 重要 的转子件），开 启了金 属增 材制造技 术在转 动件上 的应 用。图 3：GE 公 司利用 EBM 技术打 印的 TiAl 叶片 图 4：P&W 公 司的 PW1000G 引擎 资料来源：3D Printing Industry，中信建投 资料来源：P&W 公司官网，中信 建投 SLM 精 度 高但 速 度慢，EBM 精 度 略低 但 速度 高 成本 低，两 种 不同 的 技术 路 线就 是在 精 度 和效 率 之间 的 权衡，根 据 不 同 的 应 用 场 景 进 行 选 择 不 同 的 技 术 路 线。Metal additive manufacturing in the commercial aviation industry:A review 指出，SLM 更高 的沉积 精度是 以较 低的沉积 速率为 代价的，SLM 沉积速率 通常在 0.1kg/h，而 EBM 速度可达数 倍；此 外相比于 SLM，EBM 无需 后加工处 理残余 应力。根据 GE Additive 公 司 官 网，以 生 产 同 款 Ti64 托架为例，整个打印过程分为七个步骤，相比于 SLM，7 行业深度 报告 国防军工 请务必阅读正文之后的免责条款和声明。EBM 在 几乎 所 有步 骤 里都存 在 很 明显 的 成本 优 势，特别 是 在 设备 运 行、热 处理 与支 撑 拆 除方 面。（1）设备运行：设备 运行期 间的成 本明 显被粉末 的价格 所影响。而 在这个例 子中，这 EBM 所 使用的粉 末成本 比 SLM 所采用的粉末 成本 低 49%（EBM 粉末成 本 79 欧元，SLM 粉末成 本 155 欧元），而且 紧密叠加 的概率 与 EBM 更高的熔融率 也有助 于成本 的降 低；（2）热 处理：由于 EBM 本身就是一 种热处 理方 式，因此对 于这个 托架来 讲不需要热处 理来清 除应力；（3）支撑拆除：EBM 的支撑 能够很轻 易的移 除，因 此其 拆除成本 很低。图 5：SLM 和 DED 打 印成 本比 较，以生 产相同 Ti64 托架 为例 资料来源：GE Additive 公司 官网，中信建投 表 4：SLM 和 EBM 技术 指标横向 比较 项目 激光 选区熔 融（SLM）电 子束熔融（EBM）热源 激光 电子束 打印速度 受限于振镜 高速 粉末颗粒大小 10-45 m 45-106 m 最小光束大小 50 mm 140 mm 层厚 20-100 m 50-200 m 保护气体 氩气或氮气 真空（+氦气）环境温度 100-200 C 400-1000 C 粉末预热 使用红外线或电阻加热器 使用电子束 表明光洁度 优秀到中等(20 m)中等到差(35 m)应力残留 是 否 资料来源：3D Printed Acetabular Cups for Total Hip Arthroplasty:A Review Article，中信 建投 2.2 定向能量沉积（DED）：打印效率高，精 度逊于PBF 根据 GB/T 35021-2018，定向 能 量 层积（Directed Energy Deposition,DED）是 指 利 用 聚 焦热 将 材料 同 步熔化 沉 积 的 增 材 制 造 工 艺。激活源主要有激光、电子束、电弧等，常见技术包括激光同步送粉技术（LENS/LMD/LSF）、电 子 束 熔 丝 沉 积 成 形（EBDM/EBAM/EBF）、电 弧 熔 丝 增 材 制 造（Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM）等。1.6 1.4 188.2 2.5 10.0 3.0 22.6 10.2 7.0 270.7 10.6 72.5 40.5 22.6 050100150200250300数据处理 设备启动 设备运行 设备拆包 热处理 支撑拆