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    金屬3D打印行業研究:先進增材制造工藝,航空航天藍海需求可期
    2022-08-12 11:28:23

    (報告出品方/作者:廣發證券,孟祥杰、代川)

    一、3D 打印為傳統制造補充,技術特點契合航空航天

    (一)3D 打印可成形定制化的復雜結構件,是傳統制造技術的重要補充

    3D打印,又稱增材制造(Additive Manufacturing,AM),是對于傳統工業生產的 一種“變革性”方法。傳統的減材制造工藝是指利用已有的幾何模型工件,用工具 將材料逐步切削、打磨、雕刻,最終成為所需的零件。而3D打印恰恰相反,通過借 助于3D打印設備,對數字三維模型進行分層處理,將金屬粉末、熱塑性材料、樹脂 等特殊材料一層一層地不斷堆積黏結,最終疊加形成一個三維整體。3D打印是一種 跨學科的交叉技術,涵蓋機械、材料、計算機視覺、軟件、電子等多個學科,而其中 核心的技術在于3D打印機的制造,對于材料、軟件、設計等也有特殊要求。

    與傳統制造工藝相比,3D打印具有可成形復雜結構、縮短產品實現周期、產品強度 高重量輕、材料利用率高等特點,但其成本也比較高。3D打印技術的特點具體如下: (1)可制造復雜幾何結構的部件,實現一體化生產,結構的復雜性不會帶來額外的 成本。設計師不再受到傳統制造工藝的約束,可以更自由地創造零件。(2)縮短新 產品研發和實現周期。傳統工藝在研發新產品時,需要設計生產新模具,建立裝配流程,而3D打印無需模具,工藝流程短。(3)產品具有強度高、重量輕的特點。3D 打印部件可以實現傳統工藝難以加工的蜂窩點陣結構,在保證性能的前提下,大幅 減輕重量?;?D打印快速凝固的工藝特點,可以實現良好的力學性能,從而保證 強度有所提高。(4)材料利用率大幅提高。由于材料是逐層疊加的,在生產過程中 幾乎不會產生材料的浪費,材料利用率達到90%以上。(5)設備成本和材料成本較 高。工業級3D打印設備價格昂貴,少則一兩百萬元,多則上千萬元。此外,由于工 藝比較特殊,3D打印對材料有特殊的要求,普通材料需要經過調整。而材料的研發 難度大,成本較高,在一定程度上限制了3D打印的發展。


    (二)30 余年發展技術逐步完善,多材料、大型化、批量化為改進方向

    經過30多年的發展,3D打印技術不斷完善,目前已形成了3D生物打印、有機材料打 印、金屬打印等多種打印模式,鑒于國內大型3D打印企業如鉑力特等主營金屬打印, 本文重點論述該打印模式的特征。金屬3D打印一般利用激光、電子束能量源熔化金 屬粉末,使得金屬粉末熔結,堆積形成一個整體結構。在整個工藝中金屬粉末的輸 入方式有兩種,鋪粉和送粉。根據不同送粉方式,金屬3D打印工藝原理分為定向能 量沉積(也稱為送粉)和粉末床選區熔化(也叫為鋪粉)。鋪粉指把金屬粉末鋪到 基板上,形成一個薄層,然后通過激光熔化薄層上的特定區域進而熔結在一起。與 鋪粉相比,送粉未形成薄層,通過粉末噴嘴直接把粉末輸送到激光在基體上形成的 熔池中,熔結形成一個整體。主流的金屬3D打印技術根據原理可以大致分為激光選 區熔化技術(SLM)、電子束熔化成形(EBM)、激光凈成形技術(LENS)電子束 熔絲沉積技術(EBF)。

    對于金屬3D打?。ㄔ霾闹圃欤┒?,其特性決定了它的應用將是傳統制造工藝的重 要補充而非完全替代,且體現在不同行業的不同環節上應用均有所差異。據德勤咨 詢發布的《2019 科技、傳媒和電信行業預測》與《Additive manufacturing methods –state of development, market prospects for industrial use and ICT-specific challenges in research and development》,與使用數控機床相比,增材制造的每 個零件成本更加高昂,且每個零件制造時間為數小時而非數分鐘(同樣不包含精加 工和各類后期加工時間)。相對于傳統制造業擅長的批量化、規?;a領域,3D 打印效率較低、成本較高。此外,3D打印機目前功能比較單一,對于不同的材料, 可能需要不同型號、工藝的打印機,這就需要制造企業購置多臺不同型號打印機, 增加了生產成本。盡管如此,某些零件只可能通過3D打印制作,如上文所述的部件內幾何蜂窩結構。另外,當零件量過低時,如原型制作以及模具應用環節,傳統制造 方法和減材制造工藝不適用或者成本過高、時間過長時,則也“只可”采用3D打印 方法?;?D打印自身的特點,從環節上來看,3D打印更偏向于設計端,更適用于 部分小批量、個性化、定制化高端產品的設計與生產,在鑄模、鑄件、工具、模具 和夾具上亦有更廣泛的應用。

    金屬增材制造技術發展中有三個重要的因素,設備、材料和工藝,目前在這三方面 還有提高的空間。為了擴大3D打印技術的應用規模,金屬增材制造技術正在朝著低 成本、大尺寸、多材料、高精度、高效率方向發展。(1)金屬增材設備朝著大型化、 專業化方向發展。隨著對打印大尺寸結構和特定領域的需求不斷增加,金屬3D打印 設備朝著大型化、專業化發展已經成為趨勢。(2)可打印原材料不斷增加,復合材 料打印開始出現。目前應用于金屬3D打印的原材料種類偏少、材料質量不高,隨著 增材制造在工業領域的不斷滲透,市場對于金屬3D打印可實現多材料混合打印的需 求也逐步上升。此外,多種復合材料同時打印開始出現,可結合不同材料的優點。 (3)開發新的金屬增材制造技術。傳統的金屬增材制造技術存在高成本、效率低等 問題,其中效率低也是限制增材制造在許多領域替代傳統減材制造的關鍵因素之一。 預計隨著未來該技術的逐漸成熟,如激光功率的提高、打印路徑的優化等,增材制 造生產速率或有所改進。

    (三)增材制造可打印復雜件,減重、周期短的特點契合航空航天需求

    金屬增材制造工藝能夠契合航天航空產業的苛刻條件。例如,飛行器要求高速、續 航時間長、安全高效低成本等條件,對結構設計、材料和制造提出了更高要求。對于 增材制造這一改進工藝流程,其較多技術優勢能夠很好的契合航空航天的多項要求。 例如,結合上文,(1)增材制造可實現傳統減材工藝無法實現的復雜幾何結構件, 實現傳統工藝無法加工的蜂窩點陣結構,能夠在保證性能的前提下大幅減輕部件質 量,達到提升航空航天裝備機動性、速度及節省高昂的航空燃油費的目的;(2)同 時3D打印技術能夠縮短高性能部件的制造流程,無需研發制造部件使用的模具,大 大縮短了研發周期,降低時間成本,利于加快項目進程;(3)因航空航天裝備服役 環境惡劣,尤以航空發動機為典型,使用環境為高溫、高壓,傳統材料難以承受,適 配于此類環境的材料的研制難度大、價格高昂。增材制造工藝可大幅提高材料利用 率的特點可較好契合這特征,可節省裝備研制經費。

    3D打印技術在航天航空領域也存在一定的缺陷,還需要技術穩定性驗證積累。增材 制造技術由于本身各向異性的特點決定了機械性能,在不同方向的波動相對較大。 例如,據《激光增材制造在航空航天領域中的應用》(賈玉梅,2019年7月)一文, 由于內應力問題和內部質量難控多變等因素,控制增材制造成形零件的變形開裂是 一個永恒的問題。此外,在增材制造技術制造的零件機械性能穩定性達到航空航天 部門的要求之前,還需要做進一步的工作。隨著技術的改進和科技水平的提高,3D 打印有望在航空航天領域或有更大的作為。


    二、商業模式:范圍經濟強,掌握設備制造居產業主導

    (一)3D 打印產品以偏小批量居多、定制化直銷,范圍經濟或降成本

    3D打印產業鏈覆蓋多種服務與應用領域,打印設備廠商占產業鏈主導地位。3D打印 行業上游包括原材料、核心硬件及建模工具(軟件)。中游涵蓋各類打印技術,以打 印設備生產廠商為主,由于設備的匹配性要求,此類廠商往往同時涉及上游。3D打 印的下游除了跟蹤服務平臺,3D打印出的產品應用領域廣泛,以航空航天、汽車工 業等領域為主,在生物、食品及建筑領域也有特殊應用。由于3D打印的成本較高, 真正掌握打印生產能力或設備制造能力的中游廠商在行業中占主導地位。在國際競 爭中領先的3D Systems、GE增材、SLM Solutions Group等,以及國內主要廠商鉑 力特、鑫精合等具備3D打印設備制造的相關業務。

    基于增材制造工藝特性下目前多為定制化生產,需較早介入甚至參與客戶產品設計, 這決定了其定制化產品多為直接銷售。以鉑力特為例,其下游主要是航天航空領域 客戶。增材制造對微觀組織結構的控制能力,能較好滿足功能集成性零件、拓撲優 化異性零件等需求。而為了更好地完成產品定制化需求,相關公司會進行定制化原 材料選擇、定制化生產以及設計定制化工藝等。但3D打印產品的定制化直銷,有時 或導致公司銷售額易受下游大客戶需求波動所影響。例如,鉑力特在2016-2018年航 空航天領域客戶收入占主營業務收入分別為62.35%、54.32%、62.21%,前五大客 戶也主要集中該領域。

    增材制造對原材料利用率明顯高于減材制造,但設備成本高,目前多為小批量生產。 相較于傳統建材制造中材料去除、切削、組裝等流程,增材制造按分層制造、逐層疊 加的工藝順序,減免了打磨、拼接等過程中材料的浪費,據鉑力特招股說明書,金屬 3D打印技術材料利用率可高達95%。根據Nano Dimension官網新聞《Additive Manufacturing Cost Drivers: 4 Key Considerations》,增材制造總體成本與傳統制 造業相比并不存在明顯劣勢,但增材制造初始精密設備成本占總成本45%-74%;按 重量計算,增材制造材料的成本比傳統制造材料高8倍,設備、材料成本降低依托技 術且周期長,邊際成本隨銷量增加幾乎不變,難從規模經濟受益,導致目前3D打印 產品主要是小批量模式。

    批量生產并不能進一步降低邊際成本,這限制了3D打印產品大批量制造形成規模效 應。為更好的分析AM制造過程中的成本變化情況,《Analyzing Product Lifecycle Costs for a Better Understanding of Cost Drivers in Additive Manufacturing》(C. Lindemann,2012年)一文中采用Augsburg的一個汽車部件樣本生產案例進行分析, 對機器利用率、折舊、投資、維護費用、構建速率、材料價格等關鍵因素進行限定, 證實機器成本占比高達70%以上。后續論證發現,增加生產數量后,單位成本出現 斷崖式下降后基本不再受數量增加影響,這是由于建造室利用率對擴大產能不再敏 感,而單位產品所需材料固定,即批量生產并不能進一步降低邊際成本,這限制了 3D打印產品大批量制造形成規模效應。而在之后的論證中發現,改變構建速率、材 料成本對成本結構影響較大,而改變利用率、機器投資對成本結構影響較小,這說 明3D打印成本降低主要環節集中在設備、材料技術升級。

    (二)增材設備直銷的客戶依賴性低于產品,代理經銷多用于培育市場

    基于前文論述,主要廠商多進行設備銷售,但由于設備定制化程度比產品低,且應 用領域較廣,下游客戶對其依賴程度較低。 設備的定制化程度低的同時,易使公司可通過代理經銷模式培育及拓寬市場,代理 商及供應商對渠道依賴程度高于直銷。對于國際巨頭如EOS等,3D打印設備及技術的推廣需要依靠經銷商,設備經銷是拓寬國際市場的重要渠道。而對于鉑力特等提 供全套服務的廠商,盡管代理業務毛利低于直銷,但代理國際知名廠商EOS業務有 助于其綁定部分重要客戶,即通過介紹客戶使用代理產品拓展客戶群,后推進自產 設備進行低成本替代,進而促進長期合作。就渠道依賴程度而言,由于供應商需要 對經銷商進行設備配套服務的專業培訓,經銷代理渠道較直銷依賴程度略高,如鉑 力特主要代理德國EOS的幾種設備,代理銷售設備及配件營收占比在2016-2018年 分別達29.08%、36.51%、27.64%。


    三、競爭格局:歐發達國家主導,工業級競爭格局良好

    (一)全球競爭格局:美、歐發達國家主導,亞洲國家正后起直追

    全球3D打印市場主要集中在北美、歐洲和亞太三個地區,行業內部設備廠商之間競 爭激烈。據鉑力特招股說明書援引Wohlers Report 2018,2018年美、歐、亞三個地 區的3D打印設備累計裝機量占到了全球的95%,其中北美占據四成,歐洲和亞太地 區各占近三成,美國、中國、日本和德國裝機量位列前四。3D打印內部競爭集中于 設備廠商之間,2017年從市場份額看,Stratasys的市場份額為27.2%,雖不及16年, 但仍連續16年占據市占率榜首,累計裝機量超過五萬臺。2017年3D systems的市場 份額為9.8%,位列全球第二。

    金屬3D打印新老企業并存,老牌龍頭地位穩固,小型企業發展迅速,中低端市場競 爭激烈。3D打印材料可分為金屬和非金屬兩大分類,不同材料需要不同的打印原理 和設備。美國企業以非金屬材料為主,歐洲企業更偏向于金屬材料領域。EOS、SLM solution、3D Systems、Concept Laser/ Arcam(GE收購)等老牌金屬3D打印巨頭 在早期引領了產業的發展,憑借技術優勢和企業的深厚底蘊,已經擁有較高的市場 份額和客戶認知度,并且老牌龍頭企業大多與客戶高度綁定,地位相對穩固。Desktop Metal、Digital Alloys等新創企業大多成立于2010年以后,相關專利到期后技術壁壘 降低,新創企業通過不斷改進工藝技術、創新業務模式、提升成本控制,部分企業發 展迅速。但是由于老牌企業通過長期市場開拓維持著較高的客戶穩定性,而且金屬 3D打印領域對技術和資金的要求很高,大多數小規模3D打印企業處于虧損狀態,加 之在政府激勵政策下涌現了大批企業。

    金屬3D打印總體技術路線趨于穩定,不同企業技術路線相似,新型技術應用空間有 限,較難形成競爭優勢。金屬3D打印經過多年發展,總體技術路線已基本定型,大 多數企業選擇使用粉末床選區熔化(“鋪粉”)和定向能量沉積(“送粉”)兩大技 術,但是在具體實現工藝上仍有較多分支路線。且新的工藝實現方式依然不斷涌現, 不過中短期內市場拓展難度較大,主要為一些面向特定市場的新型企業等。

    (二)國內:鉑力特、鑫精合等企業著力培育市場以加大增材制造滲透

    國內龍頭產品的關鍵技術指標能夠達到國外巨頭同類產品水平,產品整體性能相當。 由于3D打印設備關鍵零部件仍然依賴進口(如激光器、振鏡等),國內企業技術研 發主要集中于基于進口零部件之上的設備制造與軟件優化,因此短期內產品性能可 迅速趕上國際領先水準。國內企業擁有金屬3D 打印工程化應用的豐富經驗,針對下 游客戶使用過程中的難點和痛點,進行相關技術的優化和改進,產品性能得到了提 升,部分產品指標如成形尺寸、預熱溫度、氧含量控制以及鋪粉效率等方面甚至超 過了國外老牌企業。相較于國外公司近30年的發展歷史,國內增材制造設備起步較 晚,雖然在短時間內取得較快進步,但在設備運行的穩定性、產品質量等方面需要 進一步提升。

    國內金屬3D打印企業主要客戶集中于航空航天高端裝備領域,盈利能力和穩定性較 高,有利于營收規模的穩步增長。海外金屬3D打印龍頭3D Systems主要客戶領域較 為分散,汽車、航天、醫藥、材料以及各類消費級市場皆有所涉獵,盡管2021年毛 利率為43%,但期間費用率高達約48%,其中銷售及一般行政費用率較高,一定程 度上反映消費級及工業級市場的競爭較大且推廣應用的難度。國內企業在品牌效應、 渠道、技術等方面有所劣勢的情形下,多個領域多管齊下難度較大且難以穩定快速 發展。航空航天領域客戶粘性較大,銷售費用率相對較低,盈利能力的絕對值以及 穩定性往往能夠得到可靠保證,因此大多數國內優質企業主要依托于航空航天領域 發展并逐漸拓寬市場。據鉑力特招股說明書,2018年鉑力特在航空航天領域的主要 客戶比例高達68.94%,為盈利質量和成長穩定性提供了重要保障。

    國內企業發展時間較短,整體營收規模和市占率水平較低。國內優質企業領銜開展 市場培育與國產替代進程,由代理逐步走向自產,基于成本和需求端的一定優勢, 發展前景良好。多數國內3D打印企業于2010年后進入高速發展期,目前整體市占率 依然較低。隨著自有技術和產品的不斷進步,國內龍頭企業成長較快,已具備一定 的市場規模。但相比海外老牌企業,國內企業的整體營收規模相對較小,仍有較大 的成長空間。由于國內產品相比國外同類產品價格較低,而整體毛利水平較為一致, 都接近50%,反映出在成本端具有一定優勢。例如鉑力特主推3D打印設備S300平均 單價255.16萬,同類產品EOS-M290平均單價354.63萬,在產品性能相當的前提下, 國內產品具有一定價格競爭優勢。目前國內企業如鉑力特等,正逐步開展市場培育 與國產替代進程。以國內金屬3D打印領先企業鉑力特為例,其商業模式包括以銷售 代理EOS設備產品為先獲取穩定客戶群體,之后向客戶推薦性能相當但價格更低的 自產產品進行國產替代,由此從代理逐步走向自產。近年來鉑力特自產比重逐步提 高,在航空航天領域逐步加大使用。


    四、金屬增材制造規模穩增,航空航天或為主要增量

    (一)全球增材制造市場規模穩步增長,航空航天及汽車應用提升

    全球增材制造市場規模持續上升,下游應用領域多元。據3D Printing Trend Report 2022的數據,2019年全球增材制造市場規模達到104億美元,參考其預測值,2026 年市場規?;蜻_到445億美元。據鉑力特招股說明書,2017年增材制造五大應用領域 分別為航空航天、汽車、工業機械、消費電子和醫療,合計占比接近80%。3D打印 在航空航天和汽車領域應用規模穩步提升。2017年度,3D打印在航空航天和汽車領 域應用規模占比分別18.9%和16%,市場規模為13.87億美元和11.74 億美元,相較 2015年分別提升了2.3%和2.2%。此外,增材制造在消費電子、醫療器械等方向也有 一定拓展。

    3D打印技術滿足航空航天零部件制造和研發的主要目標,增長潛力較大。3D打印在 航空航天領域主要應用于飛機、飛船等精密零部件的設計與制造等方向。它能夠縮 短設計和測試航空發動機的時間,減輕零部件重量,提高燃料效率等。與其他應用 領域相比,航空航天領域注重安全與性能,價格敏感度較低,使得3D打印在該領域 率先發展。據EY2016年發布的《If 3D printing has changed the industries of tomorrow, how can your organization get ready today?》,EY稱航空航天當前為3D 打印滲透率最高的應用,且未來“最有”可能成為規模較大的市場。

    3D打印性能的提升與成本的降低使其應用規模逐漸擴大。從1993到2012年3D打印 市場一直發展低迷,由于性能不高,應用領域狹窄。2012年之后,3D打印快速發展, 得益于新的打印機、耗材和商業模式的推出,不斷提升3D打印機性能以及探索應用 邊界。行業巨頭加快收購,擴張全球化銷售網絡,亞太市場從無到有,歐洲經濟回暖 等多重因素促使近年來3D打印行業獲得快速發展。歐美市場占比較大,中國市場有 增長潛力。據鉑力特招股說明書援引資料,中國增材制造產業聯盟統計,在2015- 2017年的3年間,我國增材制造產業規模年均增速超過30%,高于平均水平。從2018 年地區增材制造設備裝機量分布格局看,據鉑力特招股說明書,北美、亞太、歐洲為 全球最主要市場,其中分國家看中國裝機量占比達10.6%位于全球第二,略高于日本 的9.3%,但較大幅低于美國的35.9%。中國地區3D打印市場是價值洼地,目前國內 產業化不足,高端金屬材料緊缺。但隨著政策扶持、技術瓶頸攻克和企業間合作加 深,中國市場3D打印將取得快速發展。


    (二)以 SLM 技術為代表的金屬增材制造正逐步加大在航空航天應用

    金屬增材制造SLM、EBM、LENS技術正逐步加大在航空航天領域的應用。應用到 航空航天制造領域的金屬增材制造技術,按工藝類型主要可分為: 激光選區熔化 (SLM),電子束選區熔化(EBM),激光近凈成形(LENS)等,這三項技術在航空航天制 造中都有很多應用。其中,SLM 技術是近年快速發展的新型金屬增材制造技術,在 整體化航空航天復雜零件等領域具有廣泛應用前景。目前,歐美發達國家尤其是美 國在 SLM 的設備研發、軟件開發、粉末原材料制備、工藝優化及質量監測等方面 處于領先地位。此外,3D打印市場近幾年最大的轉變是市場從塑料打印轉向金屬打 印。據德勤《2019科技、傳媒和電信行業預測》報告,2017至2018年間,一項3D打 印行業調查顯示,盡管塑料仍然是最常見的物料,但塑料打印在3D打印領域的占比 僅一年已從88%下滑至65%,而金屬打印的占比從28%增至36%。

    航空航天領域正逐步加大對增材制造的應用,以GE布局及收購進程尤為典型。GE 公司從2010年開始布局增材制造技術,通過不斷并購實現從增材制造的用戶方到服 務提供方的轉變。如上文所述,金屬增材制造的工藝特點使其可打印內部結構輕量 化的復雜部組件,減重特性下亦吸引國際航空巨頭GE公司進入該市場。據鉑力特招 股說明書,以燃油噴嘴為例,美國GE增材制造公司已經采用SLM技術打印了超過3 萬個航空發動燃油噴嘴,實際應用于LEAP發動機(我國C919飛機選用的發動機), 采用3D打印技術比傳統生產將零部件數量從20個降為3個,重量減少25%,使用壽 命延長到5倍,燃油效率也大大提升。據GE公司官網,2016年,GE決定成立一個全 新的專注于添加劑行業的業務——銷售添加劑機器、添加劑粉末和工程咨詢服務。 GE獲得了Concept Laser(一家提供激光增材機的德國公司)75%的股份和Arcam (一家提供電子束增材機的瑞典公司)76%的股份;金屬增材制造對于工程設計產 生革命性影響的例子是GE航空的ATP產品,GE Aviation工程師能夠將855個減材制 造零件減少到12個獨特復雜的增材制造零件(占發動機總架構的35%),從而減輕 了重量、成本并提高了性能,GE業務現在有超過10,000種增材部件在運營。

    3D打印技術在民用航空領域同樣備受關注。波音、空客、GE將其作為戰略性技術之 一進行攻克,并已開展布局建設。我國3D打印技術雖然起步較晚,但也取得了輝煌 的成就。中國商飛設計制造的國產大飛機C919在設計過程中也大量采用了3D打印技 術制造的鈦合金技術部件。3D打印在民用航空航天市場的應用不僅體現在制造領域, 也體現在機務維修方面。3D打印發動機零部件的出現解決了發動機維修所需備件的 采購難題。利用3D打印技術可以方便快捷地制造出所需的零備件,解決了航空發動 機維修企業采用傳統方法短時間內無法滿足設備、工藝等基礎條件的難題,大大縮 短了維修周期。在機務維修領域,會接觸到很多外形結構復雜的異形零件,在高空 的極端環境下,可能發生結構的形變,這時候可以利用3D打印制造出同樣零件進行 對比、測量判定磨損或者腐蝕情況,從而確定該零部件是否需要更換。

    (三)汽車及醫療領域也是主要方向,短期受成本及規模限制拓展有限

    汽車、醫療等領域的3D打印技術也正在應用。汽車工業是 3D 打印技術最早的應用 領域之一,其在模型設計、復雜零件制造、整車模型制作等方面相比傳統工藝具有 高精度、低成本、重量輕的特點,可滿足汽車零部件定制化需求。而醫療行業一直是 3D 打印技術主流應用領域,3D打印技術可應用于齒科、骨科甚至活體器官制作。 在模具行業,3D打印可替代CNC加工技術,具有周期短、成本低的優勢。3D打印開 辟了多元化應用,但由于3D打印技術目前受體積、成本、規?;拗?,目前拓展有 限。隨著技術進步,3D打印機大型化、打印速度加快,3D打印未來有一定增長空間。

    此外,長期看,醫療領域有望也是長期內增材制造主要應用市場之一。據《Global Additive Manufacturing Market, Forecast to 2025》(Frost & Sullivan's Global 360° Research Team 2016年5月發布),美國助聽器生產在不到500天的時間內就轉換為 100% 3D打印。這種轉變的關鍵是3D打印機使人工勞動密集型行業轉變為自動化行 業。降低成本,提高質量并以患者為中心,其他子行業也在研究增材制造技術。該技 術通過提供義肢和牙科的定制功能,以及通過生物打?。茖W家可以在其中打印人 類大小的骨骼,軟骨和肌肉)實現了以患者為中心的方法,醫療植入體領域的定制 化特征使其更適合用增材制造技術。


    五、復盤:全行業覆蓋的雙刃劍,聚焦專業領域求突破

    (一)3D 系統:短期并購推動營收,盈利能力受限于多領域滲透不足

    多年布局下,3D系統已實現多領域3D打印應用全流程覆蓋。3D 系統公司(股票代 碼:DDD.N)于1993年成立于美國特拉華州,向全球客戶提供全面的3D打印解決方 案,包括塑料和金屬3D打印機、材料、數字設計工具、定制服務等。公司的3D打印 機類型多樣,包括立體光刻(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、直接金屬打印機(DMP)、 多點噴射打印機(MJP)和彩色噴射打印機(CJP),滿足醫療保健、航空航天、汽 車和耐用品等應用場景的不同需求。公司的打印機大多使用自主開發且銷售的專有 材料,包括塑料、尼龍、金屬、聚合物牙科材料等,同時通過第三方的研發和購買補 充材料組合。為了實現價值鏈全流程覆蓋,公司還提供設計工具、掃描儀、模擬器等 產品和維修培訓服務。多環節覆蓋下,公司營業收入位于同業前列。在全球主要上 市3D打印公司中(AM3D.DF、VJET.N、DDD.N、SSYS.O、688333.SH),2022 年以美元結算下,公司營收位居第一達6.16億美元。

    公司下游應用廣泛易受宏觀因素影響,階段性營收增長的主要推力為并購擴張。自 1990年以來,公司營收規模持續增長,但增長率波動較大。一方面,公司消費級品 類多樣,營收增速受宏觀經濟影響,如2008-2009年全球經濟衰退造成公司營收下降 28%,2010年經濟復蘇拉動營收增長率超過40%。另一方面,增長率受公司自身因 素影響,如1994年公司推出新的產品和服務使得營收增長率從19%躍升至39%, 2006年銷售渠道受阻導致營業收入轉增為減??傮w來看,公司2010-2014年銷售額 增加的絕對值最為明顯,但主要來源于企業并購,自身原有的經營業績增長較為平 緩。不完全統計,2009年至2014年初,公司累計發生40余次并購交易,累計貢獻超 過40%的營收。

    整體毛利率長期穩定,高毛利的打印服務及材料收入占比提高,利于穩定打印設備 業務毛利率的波動帶來的消極影響。目前公司主營三大業務,分別為打印設備、打 印服務及打印材料。打印設備業務受競爭加劇影響,毛利率波動較大且呈逐步下降 趨勢,該業務毛利率已從2012年的42.80%下降至2018年的30.80%,2017年已降至 23.40%,對整體毛利率造成消極影響。相比之下,輕資產運營模式的打印服務、打 印材料,公司可憑借迅速響應、周到服務、定制化等維持其一定的溢價能力,毛利率 相對穩定。打印服務、打印材料毛利率2012年分別為45.70%、68.20%,2018年略 有提高達48.40%、70.30%。分業務占比看,產品類(打印設備及打印材料銷售)占 比已從2004年的67.0%下降至2018年62.4%,相對輕資產運營的打印服務占比提高。


    (二)3D 打印滲透低限制前期營收規模擴大,先發專利奠定發展基礎

    全應用領域布局下公司與行業整體規模協同性突出,前期3D打印滲透率不足限制規 模擴大。3D系統公司雖于90年代初成立,但其營收規模卻相對較小,2000年突破1 億美元達到1.10億美元,2010年才達到1.60億美元,之后隨著公司開始大規模并購其營收規模實現了較大提升,2021年營收達到6.16億美元。其中,在公司發展前期 (指公司開始大規模并購的2009年之前),3D打印應用滲透率不足是造成公司經營 規模較小的主要原因。一方面,市場的疲軟來自于高昂的機器價格,工業級市場不 易消化,更不用談后期才逐漸增長的消費級市場。據WILLIAN BLAIR & COMPANY, 在1996年之前,相關機器的ASP接近30萬美元,市場需求僅局限于部分大型公司及 科研院所。后期,主要廠商開始推出低成本的3D打印機器及增材制造系統。3D系統 公司主要競爭對手之一,Stratasys在2002年推出行業內第一臺真正意義上的低成本 3D打印機器,該型機器的價格下降至2.99萬美元,2006年相似產品價格下降至1.89 萬美元。另一方面,相關必需軟件如CAD建模工具等尚未發展成熟,以及此類軟件 的高價格限制3D打印技術的更新換代。據WILLIAN BLAIR & COMPANY稱,CAD設 計席位在90年代初大概花費4萬至5萬美元,到2005年只需花費5000美元?;诖?, 在該時期,行業滲透率的不足致使公司營收規模較低,且與行業的協同性較大。

    專利布局較早奠定發展基礎,先發優勢搶占利基市場。據上文,3D打印行業核心技 術集中在打印設備及打印材料的研制。3D系統公司在2009年大舉并購前期,就已掌 握較多核心專利。例如,公司在1986年最先推出基于SLA技術的快速原型制造技術, 2001年通過收購DTM(選擇性激光熔融技術SLS發展者,該技術于1992年推出)進 入了高端系統市場。除打印設備外,公司在早期已具備打印多種材料,包括金屬、塑 料、尼龍、石蠟等的能力,并可在同一型機器中實現打印。至2014年,3D系統公司 已具備為客戶提供超過100中材料的打印服務。此外,公司陸續推出利基市場產品, 將其技術逐步拓展至新興市場。2005年,公司推出應用SLS技術的Sinterstation Pro Models 140及230,采用智能處理系統、模塊設計、自動粉末處理、靈活激光布置等 多種先進技術。彼時,公司推出第四代工業級領先設備InVision LD打印設備,價格 為1.49萬美元,并運用于教育市場,逐步滲透入當時的新興領域,為后續的全產業鏈 布局奠定一定基礎。

    在維持打印及增材制造設備技術優勢的基礎上,公司通過拓展材料服務提高客戶粘 性及盈利能力。據上文,打印設備毛利率波動較大,而打印材料業務具有輕資產、高 毛利的特征,并且相比設備,其具有消費品的特征,是現金流可持續性較強的優質 資產之一?;诖?,公司在維持其3D打印及增材制造設備技術優勢的基礎上,致力 于提高自制打印材料研制能力及銷售渠道。一方面,公司不斷提高自產材料的性能 及推出可適合打印的多種專有材料。21世紀初,3D系統公司借助其更新的系統,已 實施了專有的閉環物料輸送系統,并引入了新的工程物料,以期重新獲得其可消耗 的經常性物料收益業務,并研發專用于自產設備的材料。2004年,其自產專用材料 營收已達到整體收入的三分之一。例如,2006年第二季度,3D Systems推出了 DuraForm FR,專用于新型Sinterstation Pro SLS系統。DuraForm FR進一步擴大了 TDSC的競爭地位。截至2013年,公司大多3D打印材料是其專有的,直接應用于自 產設備,包括Accura DuraForm、CastForm、LaserForm和VisiFel等材料系列。另 一方面,公司采取“強制銷售”方式,加大其材料業務在客戶群體中的滲透。公司 通過RFID芯片跟蹤打印設備材料的使用,并通過“懲罰性損害賠償”(比如取消對 打印系統的保修),來“強制”客戶使用其專利材料。但大多數客戶選擇專利材料 是為了自己的利益,因為多數材料是與公司系統一起設計的,系統在這些專用材料 上運行速度更快、效率更高。此外,公司3D打印部件的材料成本通常大大低于終端 用戶所打印設備的價值,因此少有客戶“詬病”此種銷售方式。


    (三)大舉并購忽視行業需求埋隱患,部分專利到期競爭加劇惡化盈利

    2009-2014年大舉并購,以實現全產業鏈及多市場領域布局。在2009年之前,公司 也有進行并購,但數量較少、領域多為打印技術的收購。例如1997年收購EOS的 stereos立體印刷業務、2001年收購DTM獲得選擇性激光熔融技術等。2009~2014年, 是公司快速發展的時期,期間多數營收由并購而得,公司也因此實現全產業鏈及多 市場領域的布局。例如,據Fabbaloo網站新聞,截至2015年5月,3D系統公司在過 去6年期間進行了多次收購,累計超過50次;其中,最大的收購系2012年初以1.37億 美元收購Z corporation以及Vidar systems;分領域,2011年之前公司大多數并購交 易在打印服務領域進行,例如2010年從Bytes corporation收購主營個人3D打印業務 的Bits以進軍消費品市場。2011~14年間則在硬件、軟件和材料領域的收購力度有所 增加,例如2012年收購具有從掃描到CAD軟件自制能力的RapidForm,2013年收購 生產消費者定制3D打印產品的COWEB、全球領先的3D創作解決方案供應商 Geomagic、以1500萬美元收購選擇性激光燒結打印機研制公司Phenix Systems。

    忽視行業需求下巨額并購埋商譽減值風險,家庭式及消費性打印產品需求增長乏力 是主因。在2009-2014年公司大舉并購時期,恰是時任美國白宮總統奧巴馬陸續發布 一系列關于增材制造及3D打印激勵舉措,以及航空巨頭GE、惠普集團高調進入3D 打印及增材制造的時期。且該時期由于部分專利到期,行業內競爭加劇,公司在此 環境下采取激進并購方式,擬維護其高市場份額的地位。但并購大部分為家庭及個 人消費式桌面打印需求,增長潛力受限,娛樂性及獵奇心難以維系后需求增長乏力, 前期并購公司商譽大額減值使得業績承壓?;诖?,公司層面,2015年共計提5.37 億美元的商譽減值,占同期毛利潤的183.90%,致使該年公司凈利潤同比下滑 5732.83%。在該領域業務持續萎縮的壓力下,公司同年決定停止消費者打印設備的 消費者網站運營及產品零售,如停止銷售999美元的消費級3D打印機、關閉公司消 費級產品銷售網站Cubify.com,開始專注工業應用。次年,公司退出四條入門級3D 打印產品生產線。除公司外,消費者業務需求乏力還體現在美國另一3D打印巨頭 Stratasys經營上。該公司于2013年花費4億美元收購專門從事塑料型家庭3D打印設 備企業MakerBot,但在次年2月Stratasys發布業績時,MakerBot部門收入增長從快 速增長降至7%,并在后續連續5個季度虧損。該部門在2015年10月宣布重組,并裁 員20%,宣告該筆收購失敗。

    巨頭布局催化金屬增材制造市場熱度,客戶粘性不足下主營設備銷售的公司業績安 全邊際較低。SLM SOLUTIONS GROUP是德國一家金屬 增材制造技術領先的供應商。SLM Solutions致力于在選擇性激光熔化,真空和金屬 鑄造領域的機器和集成系統解決方案的研制。SLM Solutions下游客戶涵蓋航空航天, 能源,醫療保健和汽車行業。2016年9月SLM收到GE的要約收購,但因收購未達到 75%的最低門檻后于同年10月末終止。SLM于2014年5月上市,在2016年GE陸續收 購多家金屬增材制造企業期間,疊加9月末GE對SLM的要約收購,SLM股價在2016 年全年的漲幅為70.99%。但在后期,因SLM主營設備銷售且規模較小,抗風險能力 較低,營收增速逐步下滑。2017年,據SLM公司年報,公司2017年雖有較大額訂單, 但訂單的簽署卻有所延遲到年后,公司稱“雖然客戶對我們的產品很感興趣,但到 實際簽署的時候客戶卻都很沉默”;2018年,因一臺機器在內部運輸過程中損壞, 公司在與客戶進行談判過程中拒絕對某些條款如折扣進行讓步,訂單受較大影響, 且由于增材制造的應用仍處于前期滲透階段,公司拓展新客戶壓力增加,營收增速 出現較大幅度的下滑。2017年營收增速從2012年以來的兩位數回落到個位數達 2.21%,次年營收增速更是下滑至-13.13%。從毛利率近幾年持穩看,公司產品并未 有較大幅降價,或反映公司實際技術溢價能力在同業中仍然較強,影響盈利規模及 能力的提升關鍵或在于客戶對增材制造產品的接受程度而非業內競爭。

    (本文僅供參考,不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息,請參閱報告原文。)


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