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OB欧宝体育-官方网站金属3D打印行业研究:先进增材制造工艺航空航天蓝海需求可期

添加时间:2022-08-12 21:16:54

  欧宝真人3D打印,又称增材制造(Additive Manufacturing,AM),是对于传统工业生产的 一种“变革性”方法。传统的减材制造工艺是指利用已有的几何模型工件,用工具 将材料逐步切削、打磨、雕刻,最终成为所需的零件。而3D打印恰恰相反,通过借 助于3D打印设备,对数字三维模型进行分层处理,将金属粉末、热塑性材料、树脂 等特殊材料一层一层地不断堆积黏结,最终叠加形成一个三维整体。3D打印是一种 跨学科的交叉技术,涵盖机械、材料、计算机视觉、软件、电子等多个学科,而其中 核心的技术在于3D打印机的制造,对于材料、软件、设计等也有特殊要求。

  与传统制造工艺相比,3D打印具有可成形复杂结构、缩短产品实现周期、产品强度 高重量轻、材料利用率高等特点,但其成本也比较高。3D打印技术的特点具体如下: (1)可制造复杂几何结构的部件,实现一体化生产,结构的复杂性不会带来额外的 成本。设计师不再受到传统制造工艺的约束,可以更自由地创造零件。(2)缩短新 产品研发和实现周期。传统工艺在研发新产品时,需要设计生产新模具,建立装配流程,而3D打印无需模具,工艺流程短。(3)产品具有强度高、重量轻的特点。3D 打印部件可以实现传统工艺难以加工的蜂窝点阵结构,在保证性能的前提下,大幅 减轻重量。基于3D打印快速凝固的工艺特点,可以实现良好的力学性能,从而保证 强度有所提高。(4)材料利用率大幅提高。由于材料是逐层叠加的,在生产过程中 几乎不会产生材料的浪费,材料利用率达到90%以上。(5)设备成本和材料成本较 高。工业级3D打印设备价格昂贵,少则一两百万元,多则上千万元。此外,由于工 艺比较特殊,3D打印对材料有特殊的要求,普通材料需要经过调整。而材料的研发 难度大,成本较高,在一定程度上限制了3D打印的发展。

  经过30多年的发展,3D打印技术不断完善,目前已形成了3D生物打印、有机材料打 印、金属打印等多种打印模式,鉴于国内大型3D打印企业如铂力特等主营金属打印, 本文重点论述该打印模式的特征。金属3D打印一般利用激光、电子束能量源熔化金 属粉末,使得金属粉末熔结,堆积形成一个整体结构。在整个工艺中金属粉末的输 入方式有两种,铺粉和送粉。根据不同送粉方式,金属3D打印工艺原理分为定向能 量沉积(也称为送粉)和粉末床选区熔化(也叫为铺粉)。铺粉指把金属粉末铺到 基板上,形成一个薄层,然后通过激光熔化薄层上的特定区域进而熔结在一起。与 铺粉相比,送粉未形成薄层,通过粉末喷嘴直接把粉末输送到激光在基体上形成的 熔池中,熔结形成一个整体。主流的金属3D打印技术根据原理可以大致分为激光选 区熔化技术(SLM)、电子束熔化成形(EBM)、激光净成形技术(LENS)电子束 熔丝沉积技术(EBF)。

  对于金属3D打印(增材制造)而言,其特性决定了它的应用将是传统制造工艺的重 要补充而非完全替代,且体现在不同行业的不同环节上应用均有所差异。据德勤咨 询发布的《2019 科技、传媒和电信行业预测》与《Additive manufacturing methods –state of development, market prospects for industrial use and ICT-specific challenges in research and development》,与使用数控机床相比,增材制造的每 个零件成本更加高昂,且每个零件制造时间为数小时而非数分钟(同样不包含精加 工和各类后期加工时间)。相对于传统制造业擅长的批量化、规模化生产领域,3D 打印效率较低、成本较高。此外,3D打印机目前功能比较单一,对于不同的材料, 可能需要不同型号、工艺的打印机,这就需要制造企业购置多台不同型号打印机, 增加了生产成本。尽管如此,某些零件只可能通过3D打印制作,如上文所述的部件内几何蜂窝结构。另外,当零件量过低时,如原型制作以及模具应用环节,传统制造 方法和减材制造工艺不适用或者成本过高、时间过长时,则也“只可”采用3D打印 方法。基于3D打印自身的特点,从环节上来看,3D打印更偏向于设计端,更适用于 部分小批量、个性化、定制化高端产品的设计与生产,在铸模、铸件、工具、模具 和夹具上亦有更广泛的应用。

  金属增材制造技术发展中有三个重要的因素,设备、材料和工艺,目前在这三方面 还有提高的空间。为了扩大3D打印技术的应用规模,金属增材制造技术正在朝着低 成本、大尺寸、多材料、高精度、高效率方向发展。(1)金属增材设备朝着大型化、 专业化方向发展。随着对打印大尺寸结构和特定领域的需求不断增加,金属3D打印 设备朝着大型化、专业化发展已经成为趋势。(2)可打印原材料不断增加,复合材 料打印开始出现。目前应用于金属3D打印的原材料种类偏少、材料质量不高,随着 增材制造在工业领域的不断渗透,市场对于金属3D打印可实现多材料混合打印的需 求也逐步上升。此外,多种复合材料同时打印开始出现,可结合不同材料的优点。 (3)开发新的金属增材制造技术。传统的金属增材制造技术存在高成本、效率低等 问题,其中效率低也是限制增材制造在许多领域替代传统减材制造的关键因素之一。 预计随着未来该技术的逐渐成熟,如激光功率的提高、打印路径的优化等,增材制 造生产速率或有所改进。

  金属增材制造工艺能够契合航天航空产业的苛刻条件。例如,飞行器要求高速、续 航时间长、安全高效低成本等条件,对结构设计、材料和制造提出了更高要求。对于 增材制造这一改进工艺流程,其较多技术优势能够很好的契合航空航天的多项要求。 例如,结合上文,(1)增材制造可实现传统减材工艺无法实现的复杂几何结构件, 实现传统工艺无法加工的蜂窝点阵结构,能够在保证性能的前提下大幅减轻部件质 量,达到提升航空航天装备机动性、速度及节省高昂的航空燃油费的目的;(2)同 时3D打印技术能够缩短高性能部件的制造流程,无需研发制造部件使用的模具,大 大缩短了研发周期,降低时间成本,利于加快项目进程;(3)因航空航天装备服役 环境恶劣,尤以航空发动机为典型,使用环境为高温、高压,传统材料难以承受,适 配于此类环境的材料的研制难度大、价格高昂。增材制造工艺可大幅提高材料利用 率的特点可较好契合这特征,可节省装备研制经费。

  3D打印技术在航天航空领域也存在一定的缺陷,还需要技术稳定性验证积累。增材 制造技术由于本身各向异性的特点决定了机械性能,在不同方向的波动相对较大。 例如,据《激光增材制造在航空航天领域中的应用》(贾玉梅,2019年7月)一文, 由于内应力问题和内部质量难控多变等因素,控制增材制造成形零件的变形开裂是 一个永恒的问题。此外,在增材制造技术制造的零件机械性能稳定性达到航空航天 部门的要求之前,还需要做进一步的工作。随着技术的改进和科技水平的提高,3D 打印有望在航空航天领域或有更大的作为。

  3D打印产业链覆盖多种服务与应用领域,打印设备厂商占产业链主导地位。3D打印 行业上游包括原材料、核心硬件及建模工具(软件)。中游涵盖各类打印技术,以打 印设备生产厂商为主,由于设备的匹配性要求,此类厂商往往同时涉及上游。3D打 印的下游除了跟踪服务平台,3D打印出的产品应用领域广泛,以航空航天、汽车工 业等领域为主,在生物、食品及建筑领域也有特殊应用。由于3D打印的成本较高, 真正掌握打印生产能力或设备制造能力的中游厂商在行业中占主导地位。在国际竞 争中领先的3D Systems、GE增材、SLM Solutions Group等,以及国内主要厂商铂 力特、鑫精合等具备3D打印设备制造的相关业务。

  基于增材制造工艺特性下目前多为定制化生产,需较早介入甚至参与客户产品设计, 这决定了其定制化产品多为直接销售。以铂力特为例,其下游主要是航天航空领域 客户。增材制造对微观组织结构的控制能力,能较好满足功能集成性零件、拓扑优 化异性零件等需求。而为了更好地完成产品定制化需求,相关公司会进行定制化原 材料选择、定制化生产以及设计定制化工艺等。但3D打印产品的定制化直销,有时 或导致公司销售额易受下游大客户需求波动所影响。例如,铂力特在2016-2018年航 空航天领域客户收入占主营业务收入分别为62.35%、54.32%、62.21%,前五大客 户也主要集中该领域。

  增材制造对原材料利用率明显高于减材制造,但设备成本高,目前多为小批量生产。 相较于传统建材制造中材料去除、切削、组装等流程,增材制造按分层制造、逐层叠 加的工艺顺序,减免了打磨、拼接等过程中材料的浪费,据铂力特招股说明书,金属 3D打印技术材料利用率可高达95%。根据Nano Dimension官网新闻《Additive Manufacturing Cost Drivers: 4 KEY Considerations》,增材制造总体成本与传统制 造业相比并不存在明显劣势,但增材制造初始精密设备成本占总成本45%-74%;按 重量计算,增材制造材料的成本比传统制造材料高8倍,设备、材料成本降低依托技 术且周期长,边际成本随销量增加几乎不变,难从规模经济受益,导致目前3D打印 产品主要是小批量模式。

  批量生产并不能进一步降低边际成本,这限制了3D打印产品大批量制造形成规模效 应。为更好的分析AM制造过程中的成本变化情况,《Analyzing Product Lifecycle Costs for a Better Understanding of Cost Drivers in Additive Manufacturing》(C. Lindemann,2012年)一文中采用Augsburg的一个汽车部件样本生产案例进行分析, 对机器利用率、折旧、投资、维护费用、构建速率、材料价格等关键因素进行限定, 证实机器成本占比高达70%以上。后续论证发现,增加生产数量后,单位成本出现 断崖式下降后基本不再受数量增加影响,这是由于建造室利用率对扩大产能不再敏 感,而单位产品所需材料固定,即批量生产并不能进一步降低边际成本,这限制了 3D打印产品大批量制造形成规模效应。而在之后的论证中发现,改变构建速率、材 料成本对成本结构影响较大,而改变利用率、机器投资对成本结构影响较小,这说 明3D打印成本降低主要环节集中在设备、材料技术升级。

  基于前文论述,主要厂商多进行设备销售,但由于设备定制化程度比产品低,且应 用领域较广,下游客户对其依赖程度较低。 设备的定制化程度低的同时,易使公司可通过代理经销模式培育及拓宽市场,代理 商及供应商对渠道依赖程度高于直销。对于国际巨头如EOS等,3D打印设备及技术的推广需要依靠经销商,设备经销是拓宽国际市场的重要渠道。而对于铂力特等提 供全套服务的厂商,尽管代理业务毛利低于直销,但代理国际知名厂商EOS业务有 助于其绑定部分重要客户,即通过介绍客户使用代理产品拓展客户群,后推进自产 设备进行低成本替代,进而促进长期合作。就渠道依赖程度而言,由于供应商需要 对经销商进行设备配套服务的专业培训,经销代理渠道较直销依赖程度略高,如铂 力特主要代理德国EOS的几种设备,代理销售设备及配件营收占比在2016-2018年 分别达29.08%、36.51%、27.64%。

  全球3D打印市场主要集中在北美、欧洲和亚太三个地区,行业内部设备厂商之间竞 争激烈。据铂力特招股说明书援引Wohlers Report 2018,2018年美、欧、亚三个地 区的3D打印设备累计装机量占到了全球的95%,其中北美占据四成,欧洲和亚太地 区各占近三成,美国、中国、日本和德国装机量位列前四。3D打印内部竞争集中于 设备厂商之间,2017年从市场份额看,Stratasys的市场份额为27.2%,虽不及16年, 但仍连续16年占据市占率榜首,累计装机量超过五万台。2017年3D systems的市场 份额为9.8%,位列全球第二。

  金属3D打印新老企业并存,老牌龙头地位稳固,小型企业发展迅速,中低端市场竞 争激烈。3D打印材料可分为金属和非金属两大分类,不同材料需要不同的打印原理 和设备。美国企业以非金属材料为主,欧洲企业更偏向于金属材料领域。EOS、SLM solution、3D Systems、Concept Laser/ Arcam(GE收购)等老牌金属3D打印巨头 在早期引领了产业的发展,凭借技术优势和企业的深厚底蕴,已经拥有较高的市场 份额和客户认知度,并且老牌龙头企业大多与客户高度绑定,地位相对稳固。Desktop Metal、Digital Alloys等新创企业大多成立于2010年以后,相关专利到期后技术壁垒 降低,新创企业通过不断改进工艺技术、创新业务模式、提升成本控制,部分企业发 展迅速。但是由于老牌企业通过长期市场开拓维持着较高的客户稳定性,而且金属 3D打印领域对技术和资金的要求很高,大多数小规模3D打印企业处于亏损状态,加 之在政府激励政策下涌现了大批企业。

  金属3D打印总体技术路线趋于稳定,不同企业技术路线相似,新型技术应用空间有 限,较难形成竞争优势。金属3D打印经过多年发展,总体技术路线已基本定型,大 多数企业选择使用粉末床选区熔化(“铺粉”)和定向能量沉积(“送粉”)两大技 术,但是在具体实现工艺上仍有较多分支路线。且新的工艺实现方式依然不断涌现, 不过中短期内市场拓展难度较大,主要为一些面向特定市场的新型企业等。

  国内龙头产品的关键技术指标能够达到国外巨头同类产品水平,产品整体性能相当。 由于3D打印设备关键零部件仍然依赖进口(如激光器、振镜等),国内企业技术研 发主要集中于基于进口零部件之上的设备制造与软件优化,因此短期内产品性能可 迅速赶上国际领先水准。国内企业拥有金属3D 打印工程化应用的丰富经验,针对下 游客户使用过程中的难点和痛点,进行相关技术的优化和改进,产品性能得到了提 升,部分产品指标如成形尺寸、预热温度、氧含量控制以及铺粉效率等方面甚至超 过了国外老牌企业。相较于国外公司近30年的发展历史,国内增材制造设备起步较 晚,虽然在短时间内取得较快进步,但在设备运行的稳定性、产品质量等方面需要 进一步提升。

  国内金属3D打印企业主要客户集中于航空航天高端装备领域,盈利能力和稳定性较 高,有利于营收规模的稳步增长。海外金属3D打印龙头3D Systems主要客户领域较 为分散,汽车、航天、医药、材料以及各类消费级市场皆有所涉猎,尽管2021年毛 利率为43%,但期间费用率高达约48%,其中销售及一般行政费用率较高,一定程 度上反映消费级及工业级市场的竞争较大且推广应用的难度。国内企业在品牌效应、 渠道、技术等方面有所劣势的情形下,多个领域多管齐下难度较大且难以稳定快速 发展。航空航天领域客户粘性较大,销售费用率相对较低,盈利能力的绝对值以及 稳定性往往能够得到可靠保证,因此大多数国内优质企业主要依托于航空航天领域 发展并逐渐拓宽市场。据铂力特招股说明书,2018年铂力特在航空航天领域的主要 客户比例高达68.94%,为盈利质量和成长稳定性提供了重要保障。

  国内企业发展时间较短,整体营收规模和市占率水平较低。国内优质企业领衔开展 市场培育与国产替代进程,由代理逐步走向自产,基于成本和需求端的一定优势, 发展前景良好。多数国内3D打印企业于2010年后进入高速发展期,目前整体市占率 依然较低。随着自有技术和产品的不断进步,国内龙头企业成长较快,已具备一定 的市场规模。但相比海外老牌企业,国内企业的整体营收规模相对较小,仍有较大 的成长空间。由于国内产品相比国外同类产品价格较低,而整体毛利水平较为一致, 都接近50%,反映出在成本端具有一定优势。例如铂力特主推3D打印设备S300平均 单价255.16万,同类产品EOS-M290平均单价354.63万,在产品性能相当的前提下, 国内产品具有一定价格竞争优势。目前国内企业如铂力特等,正逐步开展市场培育 与国产替代进程。以国内金属3D打印领先企业铂力特为例,其商业模式包括以销售 代理EOS设备产品为先获取稳定客户群体,之后向客户推荐性能相当但价格更低的 自产产品进行国产替代,由此从代理逐步走向自产。近年来铂力特自产比重逐步提 高,在航空航天领域逐步加大使用。

  全球增材制造市场规模持续上升,下游应用领域多元。据3D Printing Trend Report 2022的数据,2019年全球增材制造市场规模达到104亿美元,参考其预测值,2026 年市场规模或达到445亿美元。据铂力特招股说明书,2017年增材制造五大应用领域 分别为航空航天、汽车、工业机械、消费电子和医疗,合计占比接近80%。3D打印 在航空航天和汽车领域应用规模稳步提升。2017年度,3D打印在航空航天和汽车领 域应用规模占比分别18.9%和16%,市场规模为13.87亿美元和11.74 亿美元,相较 2015年分别提升了2.3%和2.2%。此外,增材制造在消费电子、医疗器械等方向也有 一定拓展。

  3D打印技术满足航空航天零部件制造和研发的主要目标,增长潜力较大。3D打印在 航空航天领域主要应用于飞机、飞船等精密零部件的设计与制造等方向。它能够缩 短设计和测试航空发动机的时间,减轻零部件重量,提高燃料效率等。与其他应用 领域相比,航空航天领域注重安全与性能,价格敏感度较低,使得3D打印在该领域 率先发展。据EY2016年发布的《If 3D printing has changed the industries of tomorrow, how can your organization get ready today?》,EY称航空航天当前为3D 打印渗透率最高的应用,且未来“最有”可能成为规模较大的市场。

  3D打印性能的提升与成本的降低使其应用规模逐渐扩大。从1993到2012年3D打印 市场一直发展低迷,由于性能不高,应用领域狭窄。2012年之后,3D打印快速发展, 得益于新的打印机、耗材和商业模式的推出,不断提升3D打印机性能以及探索应用 边界。行业巨头加快收购,扩张全球化销售网络,亚太市场从无到有,欧洲经济回暖 等多重因素促使近年来3D打印行业获得快速发展。欧美市场占比较大,中国市场有 增长潜力。据铂力特招股说明书援引资料,中国增材制造产业联盟统计,在2015- 2017年的3年间,我国增材制造产业规模年均增速超过30%,高于平均水平。从2018 年地区增材制造设备装机量分布格局看,据铂力特招股说明书,北美、亚太、欧洲为 全球最主要市场,其中分国家看中国装机量占比达10.6%位于全球第二,略高于日本 的9.3%,但较大幅低于美国的35.9%。中国地区3D打印市场是价值洼地,目前国内 产业化不足,高端金属材料紧缺。但随着政策扶持、技术瓶颈攻克和企业间合作加 深,中国市场3D打印将取得快速发展。

  金属增材制造SLM、EBM、LENS技术正逐步加大在航空航天领域的应用。应用到 航空航天制造领域的金属增材制造技术,按工艺类型主要可分为: 激光选区熔化 (SLM),电子束选区熔化(EBM),激光近净成形(LENS)等,这三项技术在航空航天制 造中都有很多应用。其中,SLM 技术是近年快速发展的新型金属增材制造技术,在 整体化航空航天复杂零件等领域具有广泛应用前景。目前,欧美发达国家尤其是美 国在 SLM 的设备研发、软件开发、粉末原材料制备、工艺优化及质量监测等方面 处于领先地位。此外,3D打印市场近几年最大的转变是市场从塑料打印转向金属打 印。据德勤《2019科技、传媒和电信行业预测》报告,2017至2018年间,一项3D打 印行业调查显示,尽管塑料仍然是最常见的物料,但塑料打印在3D打印领域的占比 仅一年已从88%下滑至65%,而金属打印的占比从28%增至36%。

  航空航天领域正逐步加大对增材制造的应用,以GE布局及收购进程尤为典型。GE 公司从2010年开始布局增材制造技术,通过不断并购实现从增材制造的用户方到服 务提供方的转变。如上文所述,金属增材制造的工艺特点使其可打印内部结构轻量 化的复杂部组件,减重特性下亦吸引国际航空巨头GE公司进入该市场。据铂力特招 股说明书,以燃油喷嘴为例,美国GE增材制造公司已经采用SLM技术打印了超过3 万个航空发动燃油喷嘴,实际应用于LEAP发动机(我国C919飞机选用的发动机), 采用3D打印技术比传统生产将零部件数量从20个降为3个,重量减少25%,使用寿 命延长到5倍,燃油效率也大大提升。据GE公司官网,2016年,GE决定成立一个全 新的专注于添加剂行业的业务——销售添加剂机器、添加剂粉末和工程咨询服务。 GE获得了Concept Laser(一家提供激光增材机的德国公司)75%的股份和Arcam (一家提供电子束增材机的瑞典公司)76%的股份;金属增材制造对于工程设计产 生革命性影响的例子是GE航空的ATP产品,GE Aviation工程师能够将855个减材制 造零件减少到12个独特复杂的增材制造零件(占发动机总架构的35%),从而减轻 了重量、成本并提高了性能,GE业务现在有超过10,000种增材部件在运营。

  3D打印技术在民用航空领域同样备受关注。波音、空客、GE将其作为战略性技术之 一进行攻克,并已开展布局建设。我国3D打印技术虽然起步较晚,但也取得了辉煌 的成就。中国商飞设计制造的国产大飞机C919在设计过程中也大量采用了3D打印技 术制造的钛合金技术部件。3D打印在民用航空航天市场的应用不仅体现在制造领域, 也体现在机务维修方面。3D打印发动机零部件的出现解决了发动机维修所需备件的 采购难题。利用3D打印技术可以方便快捷地制造出所需的零备件,解决了航空发动 机维修企业采用传统方法短时间内无法满足设备、工艺等基础条件的难题,大大缩 短了维修周期。在机务维修领域,会接触到很多外形结构复杂的异形零件,在高空 的极端环境下,可能发生结构的形变,这时候可以利用3D打印制造出同样零件进行 对比、测量判定磨损或者腐蚀情况,从而确定该零部件是否需要更换。

  汽车、医疗等领域的3D打印技术也正在应用。汽车工业是 3D 打印技术最早的应用 领域之一,其在模型设计、复杂零件制造、整车模型制作等方面相比传统工艺具有 高精度、低成本、重量轻的特点,可满足汽车零部件定制化需求。而医疗行业一直是 3D 打印技术主流应用领域,3D打印技术可应用于齿科、骨科甚至制作。 在模具行业,3D打印可替代CNC加工技术,具有周期短、成本低的优势。3D打印开 辟了多元化应用,但由于3D打印技术目前受体积、成本、规模化限制,目前拓展有 限。随着技术进步,3D打印机大型化、打印速度加快,3D打印未来有一定增长空间。

  此外,长期看,医疗领域有望也是长期内增材制造主要应用市场之一。据《Global Additive Manufacturing Market, Forecast to 2025》(Frost & Sullivans Global 360° Research Team 2016年5月发布),美国助听器生产在不到500天的时间内就转换为 100% 3D打印。这种转变的关键是3D打印机使人工劳动密集型行业转变为自动化行 业。降低成本,提高质量并以患者为中心,其他子行业也在研究增材制造技术。该技 术通过提供义肢和牙科的定制功能,以及通过生物打印(科学家可以在其中打印人 类大小的骨骼,软骨和肌肉)实现了以患者为中心的方法,医疗植入体领域的定制 化特征使其更适合用增材制造技术。

  多年布局下,3D系统已实现多领域3D打印应用全流程覆盖。3D 系统公司(股票代 码:DDD.N)于1993年成立于美国特拉华州,向全球客户提供全面的3D打印解决方 案,包括塑料和金属3D打印机、材料、数字设计工具、定制服务等。公司的3D打印 机类型多样,包括立体光刻(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、直接金属打印机(DMP)、 多点喷射打印机(MJP)和彩色喷射打印机(CJP),满足医疗保健、航空航天、汽 车和耐用品等应用场景的不同需求。公司的打印机大多使用自主开发且销售的专有 材料,包括塑料、尼龙、金属、聚合物牙科材料等,同时通过第三方的研发和购买补 充材料组合。为了实现价值链全流程覆盖,公司还提供设计工具、扫描仪、模拟器等 产品和维修培训服务。多环节覆盖下,公司营业收入位于同业前列。在全球主要上 市3D打印公司中(AM3D.DF、VJET.N、DDD.N、SSYS.O、688333.SH),2022 年以美元结算下,公司营收位居第一达6.16亿美元。

  公司下游应用广泛易受宏观因素影响,阶段性营收增长的主要推力为并购扩张。自 1990年以来,公司营收规模持续增长,但增长率波动较大。一方面,公司消费级品 类多样,营收增速受宏观经济影响,如2008-2009年全球经济衰退造成公司营收下降 28%,2010年经济复苏拉动营收增长率超过40%。另一方面,增长率受公司自身因 素影响,如1994年公司推出新的产品和服务使得营收增长率从19%跃升至39%, 2006年销售渠道受阻导致营业收入转增为减。总体来看,公司2010-2014年销售额 增加的绝对值最为明显,但主要来源于企业并购,自身原有的经营业绩增长较为平 缓。不完全统计,2009年至2014年初,公司累计发生40余次并购交易,累计贡献超 过40%的营收。

  整体毛利率长期稳定,高毛利的打印服务及材料收入占比提高,利于稳定打印设备 业务毛利率的波动带来的消极影响。目前公司主营三大业务,分别为打印设备、打 印服务及打印材料。打印设备业务受竞争加剧影响,毛利率波动较大且呈逐步下降 趋势,该业务毛利率已从2012年的42.80%下降至2018年的30.80%,2017年已降至 23.40%,对整体毛利率造成消极影响。相比之下,轻资产运营模式的打印服务、打 印材料,公司可凭借迅速响应、周到服务、定制化等维持其一定的溢价能力,毛利率 相对稳定。打印服务、打印材料毛利率2012年分别为45.70%、68.20%,2018年略 有提高达48.40%、70.30%。分业务占比看,产品类(打印设备及打印材料销售)占 比已从2004年的67.0%下降至2018年62.4%,相对轻资产运营的打印服务占比提高。

  全应用领域布局下公司与行业整体规模协同性突出,前期3D打印渗透率不足限制规 模扩大。3D系统公司虽于90年代初成立,但其营收规模却相对较小,2000年突破1 亿美元达到1.10亿美元,2010年才达到1.60亿美元,之后随着公司开始大规模并购其营收规模实现了较大提升,2021年营收达到6.16亿美元。其中,在公司发展前期 (指公司开始大规模并购的2009年之前),3D打印应用渗透率不足是造成公司经营 规模较小的主要原因。一方面,市场的疲软来自于高昂的机器价格,工业级市场不 易消化,更不用谈后期才逐渐增长的消费级市场。据WILLIAN BLAIR & COMPANY, 在1996年之前,相关机器的ASP接近30万美元,市场需求仅局限于部分大型公司及 科研院所。后期,主要厂商开始推出低成本的3D打印机器及增材制造系统。3D系统 公司主要竞争对手之一,Stratasys在2002年推出行业内第一台线D打印机器,该型机器的价格下降至2.99万美元,2006年相似产品价格下降至1.89 万美元。另一方面,相关必需软件如CAD建模工具等尚未发展成熟,以及此类软件 的高价格限制3D打印技术的更新换代。据WILLIAN BLAIR & COMPANY称,CAD设 计席位在90年代初大概花费4万至5万美元,到2005年只需花费5000美元。基于此, 在该时期,行业渗透率的不足致使公司营收规模较低,且与行业的协同性较大。

  专利布局较早奠定发展基础,先发优势抢占利基市场。据上文,3D打印行业核心技 术集中在打印设备及打印材料的研制。3D系统公司在2009年大举并购前期,就已掌 握较多核心专利。例如,公司在1986年最先推出基于SLA技术的快速原型制造技术, 2001年通过收购DTM(选择性激光熔融技术SLS发展者,该技术于1992年推出)进 入了高端系统市场。除打印设备外,公司在早期已具备打印多种材料,包括金属、塑 料、尼龙、石蜡等的能力,并可在同一型机器中实现打印。至2014年,3D系统公司 已具备为客户提供超过100中材料的打印服务。此外,公司陆续推出利基市场产品, 将其技术逐步拓展至新兴市场。2005年,公司推出应用SLS技术的Sinterstation Pro Models 140及230,采用智能处理系统、模块设计、自动粉末处理、灵活激光布置等 多种先进技术。彼时,公司推出第四代工业级领先设备InVision LD打印设备,价格 为1.49万美元,并运用于教育市场,逐步渗透入当时的新兴领域,为后续的全产业链 布局奠定一定基础。

  在维持打印及增材制造设备技术优势的基础上,公司通过拓展材料服务提高客户粘 性及盈利能力。据上文,打印设备毛利率波动较大,而打印材料业务具有轻资产、高 毛利的特征,并且相比设备,其具有消费品的特征,是现金流可持续性较强的优质 资产之一。基于此,公司在维持其3D打印及增材制造设备技术优势的基础上,致力 于提高自制打印材料研制能力及销售渠道。一方面,公司不断提高自产材料的性能 及推出可适合打印的多种专有材料。21世纪初,3D系统公司借助其更新的系统,已 实施了专有的闭环物料输送系统,并引入了新的工程物料,以期重新获得其可消耗 的经常性物料收益业务,并研发专用于自产设备的材料。2004年,其自产专用材料 营收已达到整体收入的三分之一。例如,2006年第二季度,3D Systems推出了 DuraForm FR,专用于新型Sinterstation Pro SLS系统。DuraForm FR进一步扩大了 TDSC的竞争地位。截至2013年,公司大多3D打印材料是其专有的,直接应用于自 产设备,包括Accura DuraForm、CastForm、LaserForm和VisiFel等材料系列。另 一方面,公司采取“强制销售”方式,加大其材料业务在客户群体中的渗透。公司 通过RFID芯片跟踪打印设备材料的使用,并通过“惩罚性损害赔偿”(比如取消对 打印系统的保修),来“强制”客户使用其专利材料。但大多数客户选择专利材料 是为了自己的利益,因为多数材料是与公司系统一起设计的,系统在这些专用材料 上运行速度更快、效率更高。此外,公司3D打印部件的材料成本通常大大低于终端 用户所打印设备的价值,因此少有客户“诟病”此种销售方式。

  2009-2014年大举并购,以实现全产业链及多市场领域布局。在2009年之前,公司 也有进行并购,但数量较少、领域多为打印技术的收购。例如1997年收购EOS的 stereos立体印刷业务、2001年收购DTM获得选择性激光熔融技术等。2009~2014年, 是公司快速发展的时期,期间多数营收由并购而得,公司也因此实现全产业链及多 市场领域的布局。例如,据Fabbaloo网站新闻,截至2015年5月,3D系统公司在过 去6年期间进行了多次收购,累计超过50次;其中,最大的收购系2012年初以1.37亿 美元收购Z corporation以及Vidar systems;分领域,2011年之前公司大多数并购交 易在打印服务领域进行,例如2010年从Bytes corporation收购主营个人3D打印业务 的Bits以进军消费品市场。2011~14年间则在硬件、软件和材料领域的收购力度有所 增加,例如2012年收购具有从扫描到CAD软件自制能力的RapidForm,2013年收购 生产消费者定制3D打印产品的COWEB、全球领先的3D创作解决方案供应商 Geomagic、以1500万美元收购选择性激光烧结打印机研制公司Phenix Systems。

  忽视行业需求下巨额并购埋商誉减值风险,家庭式及消费性打印产品需求增长乏力 是主因。在2009-2014年公司大举并购时期,恰是时任美国白宫总统奥巴马陆续发布 一系列关于增材制造及3D打印激励举措,以及航空巨头GE、惠普集团高调进入3D 打印及增材制造的时期。且该时期由于部分专利到期,行业内竞争加剧,公司在此 环境下采取激进并购方式,拟维护其高市场份额的地位。但并购大部分为家庭及个 人消费式桌面打印需求,增长潜力受限,娱乐性及猎奇心难以维系后需求增长乏力, 前期并购公司商誉大额减值使得业绩承压。基于此,公司层面,2015年共计提5.37 亿美元的商誉减值,占同期毛利润的183.90%,致使该年公司净利润同比下滑 5732.83%。在该领域业务持续萎缩的压力下,公司同年决定停止消费者打印设备的 消费者网站运营及产品零售,如停止销售999美元的消费级3D打印机、关闭公司消 费级产品销售网站开始专注工业应用。次年,公司退出四条入门级3D 打印产品生产线。除公司外,消费者业务需求乏力还体现在美国另一3D打印巨头 Stratasys经营上。该公司于2013年花费4亿美元收购专门从事塑料型家庭3D打印设 备企业MakerBot,但在次年2月Stratasys发布业绩时,MakerBot部门收入增长从快 速增长降至7%,并在后续连续5个季度亏损。该部门在2015年10月宣布重组,并裁 员20%,宣告该笔收购失败。

  巨头布局催化金属增材制造市场热度,客户粘性不足下主营设备销售的公司业绩安 全边际较低。SLM SOLUTIONS GROUP是德国一家金属 增材制造技术领先的供应商。SLM Solutions致力于在选择性激光熔化,真空和金属 铸造领域的机器和集成系统解决方案的研制。SLM Solutions下游客户涵盖航空航天, 能源,医疗保健和汽车行业。2016年9月SLM收到GE的要约收购,但因收购未达到 75%的最低门槛后于同年10月末终止。SLM于2014年5月上市,在2016年GE陆续收 购多家金属增材制造企业期间,叠加9月末GE对SLM的要约收购,SLM股价在2016 年全年的涨幅为70.99%。但在后期,因SLM主营设备销售且规模较小,抗风险能力 较低,营收增速逐步下滑。2017年,据SLM公司年报,公司2017年虽有较大额订单, 但订单的签署却有所延迟到年后,公司称“虽然客户对我们的产品很感兴趣,但到 实际签署的时候客户却都很沉默”;2018年,因一台机器在内部运输过程中损坏, 公司在与客户进行谈判过程中拒绝对某些条款如折扣进行让步,订单受较大影响, 且由于增材制造的应用仍处于前期渗透阶段,公司拓展新客户压力增加,营收增速 出现较大幅度的下滑。2017年营收增速从2012年以来的两位数回落到个位数达 2.21%,次年营收增速更是下滑至-13.13%。从毛利率近几年持稳看,公司产品并未 有较大幅降价,或反映公司实际技术溢价能力在同业中仍然较强,影响盈利规模及 能力的提升关键或在于客户对增材制造产品的接受程度而非业内竞争。

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