工业4.0漫谈，增材制造的崛起之路 | 云岫研究
出品 | 云岫资本AI/智能制造组
云岫资本在长期深耕智能制造领域的过程中，见证了3D打印投资热潮的兴起，也见证了许多初创公司不断建立核心竞争力、迅速成长为头部标的的完整过程。3D打印/增材制造作为中国与国际技术代差最小的尖端制造技术之一，对创业公司而言是成长为全球性大企业的机会窗口，也是中国在全球“工业4.0”浪潮中完成转身的重要契机。本文将要探讨的是在“增材制造2.0时代”下，中国3D打印行业态势的变化发展，以及如何在结构性替换中找到投资机会。
1. 疫情下，逆全球化趋势对制造业提出了“去中心化”需求，增材制造可以提供快速、精确的个性化、柔性化、本地化的解决方案，正在迅速成为“智能生产”的关键方式和重要工具，推进工业制造和供应链稳定发展。
2. 逐步成熟的设备端与材料端的技术不断打开产能天花板，使得增材制造迈向产业化，具备规模效应。应用端累积大量设计与生产经验，由量变转为质变，增材制造正在迎来关键爆发点。
3. 工业级3D打印金属设备玩家密集度高，竞争相对激烈，设备作为目前市场规模最大的板块，我们认为该细分赛道上足以容纳2-3家龙头公司，核心是要把握关键设备工艺，并且在重点行业里能被大客户验证，形成技术与规模壁垒。
4. 消费级3D打印高速增长，但渗透率仍旧较低，核心在于现有用户过于集中在“技术控”人群，受众面窄。云岫认为只有将购买门槛与使用门槛降低，使其成为面向大众的、真正的消费电子，才能打破当前局面。
人类在进化的过程中，始终在探寻最高效的生产制造方式。回顾过往历次的工业革命进程，我们发现制造在不断朝着系统化、数字信息化的方向发展，而制造范式的趋势则是明确的结构优化，材料、能源节约化，以及生产高效柔性化。工业4.0序幕已经打开，世界正经历前所未有的变局，设计、制造、工程等环节都在经历巨大的转型。
增材制造(又称3D打印技术) 可以快速精确的为个性化、柔性化制造提供高效的解决方案，正在迅速成为“智能生产”的关键方式和重要工具。增材制造一定程度上改变、补足了传统制造业的发展模式与缺陷（例如，过于机械化、成本高昂等），并推动着传统制造业加快向着智能化方向转变，是驱动工业4.0发展必不可少的一环。
表1. 工业革命历史信息
数据来源：云岫资本整理
2. 发展——增材制造不断推进工业制造和稳定供应链发展，已进入2.0时代
增材制造并非一个新鲜话题，时至今日我们可以将中国增材制造发展历史划分为两个时代，“增材制造1.0”和“增材制造2.0”。
（a) “增材制造1.0”时代：局限于小批量应用，未能形成竞争力
早在十年前国内就出现过一波3D打印浪潮，但当时由于行业技术仍处在早期发展阶段，实践环节也处于小规模尝试，几乎不可能进入主流市场。再加上行业标准并不规范，市场情绪逐步冷却,随后即进入了一个更理性、更平稳的发展阶段，而我们将此阶段划入“增材制造1.0”时代。
（b）关键技术的突破和逆全球化趋势加速3D打印发展，提前拉开了“增材制造2.0” 的时代帷幕
近年来伴随行业平稳发展，增材制造各环节——核心设备、原材料、服务商技术不断突破，生产成本也显著下降。增材制造行业开始真正迈入专业化、规模化阶段，“增材制造2.0”时代的序幕就此拉开。与此同时，2021年出现的黑天鹅事件也成为助推剂——新冠疫情打破了原本稳定的全球化产业链，导致全球供应链起伏不定，不少行业的供应链出现断供、停工等问题。在此大背景下，3D打印技术本身的优势——柔性化、本土化、高效化被快速放大。宏观趋势推动再加上已被逐步验证的规模生产落地能力，整个增材制造行业得以超乎寻常的速度大步迈进。除此之外，持续了两年多的疫情对全球消费习惯影响巨大，且目前已进入疫情常态化阶段，家庭环境下的手工制作和创意工具使用成为流行，桌面级3D打印机突破原本极高的准入门槛，走进了公众视野。以往只有极客、工程师等“专业技术控”才有的消费需求，逐渐下沉到对家庭制造、娱乐、教育有需求的消费者，这也进一步打开了“消费级3D打印”的市场格局。
图1. 增材制造行业阶段变化关系图
数据来源：Desktop Metal官网
(c) 增材制造不仅是新型制造手段，亦是维稳供应链的综合解决方案
新冠疫情下，如果Lockdown将成为常态，则去中心化的本地生产会成为未来重要的生产方式，增材制造作为更适合本地生产的制造手段，将在全球供应链分工中发挥不可替代的关键作用。
云岫认为，未来3D打印将会逐渐形成完整的数字化智能生态系统，并拥有健全的知识产权。3D打印基于中央大脑控制，以云端的动态数据流、流程制造的可追溯性、过程质量智能控制、产品质量标准性等各种优势，有望在智能制造中发挥更大的价值，并在重点行业快速突破成为主流生产方式，引领生产制造进入社会化、定制化、分布式化的新时代。
双轮驱动，“内功”+“外需”
推动增材制造快速发展
1. 内功——技术的突破与创新打开产能效率天花板
根据产业链拆分，增材制造主要有三大要素，分别是材料、设备以及应用端。“增材制造1.0”到“增材制造2.0”的跨越，从底层来讲主要是由于三大要素的技术有了巨大的突破和革命性的创新。
图2. 增材制造产业链图谱
数据来源：云岫资本整理
(a) 材料成本与性能对增材制造最终成型的产品有着至关重要的影响
根据材质类别，3D打印材料主要分为金属材料以及非金属材料。作为3D打印应用链条最上游的一环，材料对最终成型产品起着至关重要的作用。
从物理表征上来看，金属粉末的颗粒形貌、粒径分布和流动性等指标对于最终产品的致密度、精度、表面光洁度、打印速度以及机械性能会产生不同影响。随着下游应用的快速发展，金属粉末的种类需求增多。但新型金属材料的研发周期相对较长，工艺开发难度极大，对企业的研发能力、资金储备要求极高，较难有企业可以大规模研发多种类新型材料。因此，生产工艺和材料种类的开发是金属粉末研发的关键点。
当前行业内金属粉末公司多数与1-2家设备厂商、服务厂商紧密合作，在材料、产线上受下游客户影响较大，难以全面发展。云岫认为，金属粉末企业在当前环境下受限较多，相关企业需要优化开发新材料的周期，提高自身产品的议价能力。例如AI+材料开发技术，不仅可以提高材料开发效率，也可以大幅度降低开发成本。
图3. 3D打印金属粉末微观图示例
数据来源：南极熊官网
相比于金属粉末，非金属材料在3D打印中的影响因子更大，根据形状可以分为3种：线材、液态光敏树脂、粉末尼龙。在打印过程中，非金属耗材极容易受外界因素影响产生变形、气味等，对后处理工艺要求较多。以往常见的非金属耗材种类少，性能单一，很难满足复杂产品的需求。
伴随着对材料理解的加深与行业需求的升级，更多新型复合的非金属耗材出现在了3D打印应用场景中，功能稳定的新型材料也正在为3D打印相关产业实现转型升级提供着新的助力。无论是大型材料公司还是小型初创企业，都在积极开发高性能、低成本材料，例如PLA、TPU、碳纤维材料等。非金属材料市场规模增速上升，新型材料不断研发且得到应用，非金属材料行业渐渐发展成熟。
图4. 3D打印非金属材料示例图
数据来源：Polymaker官网，南极熊官网
（b） 设备的高效率与稳定性使得3D打印逐渐具有规模效应
回顾过去几年的技术变化，我们发现随着3D打印在生产环节起的作用越大，对其设备效率、稳定性的要求也越来越高。从设备端看，多激光金属3D打印、高速光固化3D打印、粘结剂喷射3D打印等技术的快速发展，使得生产效率、零件尺寸、产品性能等方面有了大幅度的提升。3D打印开始逐步在大规模生产上具有经济性，即将迎来产业化的拐点。
德国SLM Solution引领的多激光金属3D打印是可以实现高效率、大尺寸及批量制造的升级成型工艺，已经成为粉末床激光成型工艺发展的大趋势，目前在工业场景中备受欢迎。
图5. 多激光3D打印设备运行情境图
数据来源：SLM Solution官网
随着对金属材料烧结收缩变形的研究、预测和控制，新型粘结剂的研发，喷射成型3D打印技术发展迅速，已超过任何其他3D打印领域增速，目前可以达到正式商业化水平。喷射成型3D打印对粉末原材料要求低，加上高速高效率的喷射成型过程让大批量金属零件生产成为可能。
图6. 粘结剂喷射技术示意图
数据来源：南极熊官网
美国Carbon 3D公司通过其独有的连续液面3D打印（CLIP）技术开创了高速光固化3D打印技术先河，让大众重新开始评估光固化的市场规模和价值。相比传统制造方式，该技术在非实心物体的应用领域中大大缩短打印时间，在效率、材料利用率及成本上有明显优势。
图7. CLIP打印产品示例图
数据来源：Carbon 3D官网
(c) 应用端累积大量设计与生产经验，由量变转为质变
过去，在“增材制造1.0”时代3D打印并未大规模使用，除去材料和设备的限制外，应用端对产品设计、生产的经验不足，使得多数下游客户学习成本、前期投入成本过高。随着应用案例的增加，大批量数据逐渐积累为行业提供生产经验，大大降低了客户的成本投入；与此同时设计软件、生产控制软件的发展与成熟也在不断简化下游客户的使用流程。在部分应用领域(例如，模具、齿科、航空航天、军工），增材制造已经开始展示出取代传统制造的趋势，使得应用端来到从量变到质变的转折点。
2. 外需——政策推动与市场需求不断强化增材制造的重要性与作用
3D打印技术已经成为多国政府共同认可的提升工业制造能力和解决供应链问题的关键途径。近日，美国拜登政府颁布了加速开发3D打印技术的计划，而此前中国的“十四五”规划也将增材制造列为关键核心技术之一。国家政策作为最有效力的工具之一，不断强化增材制造的重要性。预计在下个十年，3D打印会成为主流的生产制造方式之一。
近年来，下游行业受传统制造方式的限制，效率、成本都已接近天花板，尤其是一些需要个性化定制、柔性生产的行业，如消费电子、工业制造等。此外，疫情导致的供应链紊乱又提出了新的需求——去中心化生产。可定制化、本地化、高效、低成本、柔性化的增材制造方式成为了打开这一天花板的关键角色，在全球供应链的分工中发挥无以替代的关键作用。
在需求端的明确牵引下，供应端的发展迎来高速增长。相比全球平均水平，中国3D打印行业的市场规模增速更高，2018年国内3D打印产业规模刚达百亿人民币，2021年已超260人民币，复合增速超40%。预计2025年，中国3D打印行业总收入将超过100亿美元，市场潜力巨大。特别是航空航天、军工、医疗等领域，价格敏感度低，制造要求高且柔性化生产需求强，目前部分产品已达到批产阶段，规模化量产有望爆发。
图8. 3D打印市场规模增速图
数据来源：南极熊官网
趁势而起，增材制造行业
有望诞生多家细分行业龙头
中国3D打印行业虽然起步较晚，但由于有着最广阔的制造业土壤，近几年随着自主创新能力的提升和研发突破一步步朝着精细化和专业化高速发展，催生出了多家细分行业的龙头公司。
据不完全统计，2021年过1亿元营收的3D打印企业数量有接近50家（数据来源：南极熊官网），而2020年营收过亿元的3D打印企业数量为32家，同比增长56%。
表2. 部分3D打印行业玩家信息
我们列举了极具代表性的部分行业玩家，发现当前工业级3D打印金属设备玩家密集度高，竞争相对激烈。铂力特是目前金属设备公司里唯一的上市企业，龙头属性明显，但行业中仍有多家公司营收均超亿元。设备作为目前市场规模最大的板块，我们认为该细分赛道上足以容纳2-3家龙头公司，核心是要把握关键设备工艺及在重点行业里能被大客户验证，形成技术与规模壁垒。以云岫服务的汉邦科技为例，汉邦深耕3D打印金属设备15年，其设备在效率、稳定性、可靠性上均被多家行业龙头用户认可，且汉邦并未完全局限在3D打印设备集中的航空航天领域，而是在工业、骨科医疗等方面多点布局，业务发展迅速，并且汉邦掌握激光成形核心技术、软件技术和激光增减材复合加工技术，极具行业竞争力，有望成为龙头之一。
工业级非金属3D打印设备产业化趋势稍落后，头部玩家水平相近，尚未有明显的龙头产生。但由于疫情下供应链不稳定等问题，部分车企、日化企业等开始尝试3D打印生产方式，有望加速非金属3D打印产业化。
消费级3D打印设备公司目前在设备类中营收最高，头部公司收入均超过10亿元。我们观察到一个现象，当前中国消费级3D打印市场低迷，设备销售主要在海外市场，这与海内外C端用户成熟度及渠道成熟度有关。以云岫服务的企业——快造科技Snapmaker为例，Snapmaker通过将 3D 打印、激光雕刻及切割、CNC 雕刻切割技术集成到简单易用、稳定可靠的产品上，全球首创“三合一”3D打印机，同时自建工厂，掌握完整的生产制造流程和工艺技术，不断降低快速原型工艺的使用门槛，目前已获得了全球众多消费者的喜爱和肯定，其目前的销售额超过 90% 就是来源于海外。
材料方面，当前金属粉末在国内未有特别突出的标的出现。首要原因在于金属粉末销售、扩展渠道难度较大，当前单个金属粉末厂商通常是绑定1到2家设备或服务厂商大客户，业务体量受其绑定下游客户影响较大；另外，金属粉末厂商评测粉末是依赖于物理表征等参数，而粉末的应用与设备厂商的工艺路径、服务厂商应用方向关系紧密，是需要大量工业试验、打印测试等实际使用情况去调整需求，因此金属粉末厂商对下游客户的依赖度较大。其次，金属粉末种类众多，由于新材料开发周期、资金要求较高，不同制粉公司会有其侧重点，无法覆盖多家客户需求。
非金属材料竞争同样激烈，已有多家企业营收过亿，但由于当前非金属应用主要在消费级场景，需求量有限，材料市场目前较小，难以支撑多家龙头企业。若要进入批量化工业级应用，需要进一步提高材料性能和成本优势或者下游市场进一步打开。
3D打印服务公司主要分两类：一类平台型，一类垂直行业型。平台型公司为众多客户提供一体化全链条服务，未来工场龙头态势明显。垂直行业型公司专注在某个特殊领域，以专业度作为抓手展现竞争优势，正在逐渐孕育出细分龙头，如专注在模具行业的镭镆科技。
见微知著
增材制造行业的趋势与思考
下游应用规模起量，非金属材料将会成为下一个行业增长点。
近几年来，建筑、汽车、日化、消费场景等领域对非金属3D打印的应用逐步得到验证，工业级市场规模有所起量。云岫认为，非金属打印对材料的依赖度很大，技术应用完成验证后的下一步就是材料机会。
金属3D打印在航空航天、军工领域的应用竞争加剧，行业已经进入洗牌的阶段。
工业软件能力仍是空白，3D打印设计软件公司仍有机会。
随着3D打印产业化的深入，设备和材料端都越来越成熟和稳定。但我们发现在真正应用时，设计、仿真、拓扑优化等能力很大程度上影响着产品的性能和生产效率，是关键的制约因素。当前玩家主要是利用国外3D软件或有个别国产设备公司基于开源技术做了一些调整改进的软件方案，但都存在不少问题。如国外3D软件公司反馈缓慢，迭代跟不上企业、设备发展需求，而国产技术方案稳定性、易用性差，且多数是企业专用，通用性差。云岫认为，有问题的地方就是机会所在，在3D打印行业蓬勃发展的时期内，专业的工业软件是扩大产业化的又一关键。
服务型公司专业度要求将会提升，全产业链进入标准“数字智能化”模式。
云岫认为服务型公司作为与真实用户需求最直接、紧密联系的一方，未来会趋向于全链条模式，产品设计、研发等方面也会逐步成为服务型公司的业务环节。并且基于产业智能制造的升级，服务型公司必将每个环节都“数字智能化”，与整个产业链打通。
消费者习惯改变，桌面级3D打印设备的购买、使用门槛降低将成为下一个起量关键。
新冠疫情下，消费者习惯发生改变，对于家庭创造、娱乐、教育的需求有所上升。明显的证据是桌面级3D打印设备在2020年大幅增长，但同时我们看到在2021年增速有所回落，我们认为核心原因是当前消费级3D打印设备仍有一定的局限性，使用门槛和购买门槛都较高，无法打开市场渗透率。当前市面上的绝大多数消费级3D打印设备纯粹是基于过去工业级技术做改造，产品更像一个机械工具。模块化、机械化的产品使得其学习、使用成本过高（如消费者需要学习建模，组装、调试设备等），消费者群体被迫聚焦在“技术控”手中，人群体量小，因此无法彻底打开局面。云岫认为，消费级3D打印设备想要突破当前市场规模的局限和区域问题，主要从两方面着手：购买门槛与使用门槛。以云岫服务的消费级3D打印设备新兴公司——魔芯科技为例，其在小米有品发布了第一款桌面级3D打印机 Kokoni 1.0，短短两周销量就突破了6000台，这个数据相比一些成熟期的企业也是非常亮眼的。近日，其在海外也同步发售了Kokoni 1.0，备受好评。我们认为魔芯科技能够达到如此高的销量与认可，首先是不到千元的价格降低了消费者的购买门槛，然后无需组装调试就可以立刻上手使用的设备，素材丰富的模型库和单张照片就可完成建模的软件简单易操作，大大降低了使用门槛。市场的需求需要好产品的刺激，能完全满足消费者购买和使用需求的设备有望将当前消费级3D打印市场提升到一个新高度。
增材制造的高速增长已经清晰的展现了其行业价值，它带来了巨大的结构性机会。云岫认为，在智能制造时代，需要通过技术拥抱产业，以需求和应用去回溯产业链条，很多技术、工艺、产品、服务的关键门槛需要跨越，很多行业系统性建设需要完成。资本在探寻投资机会时，需要从底层出发，去验证企业技术能力，以及企业在产业中的布局能力，从而找到能更好地适应变革浪潮的标的。
我们认为在这个周期中，需要把握两个维度：时间维度和空间维度。时间维度上，不同材料属性有着明显的时间序列差别。当前看来金属设备及应用行业达到拐点，已在快速增长阶段；而非金属材料、设备及应用处于爆发前阶段，仍有很多不确定性；其他材料类的应用标的多处在技术验证阶段，需要纵深挖掘技术稀缺性。空间维度上，海外市场已是群雄割据，而中国市场尚未定局，黑马颇多。我们可以从海外市场汲取经验教训重点关注本土企业发展，中国作为制造业大国，无论是下游需求还是供应链环节都具有天然优势，是可以滋养出行业巨头的沃土。云岫会持续在中国3D打印行业中继续深耕，寻找下一个具有跨时代意义并具有国际竞争力企业，也坚定相信中国智造会越来越好。
参考附录：
[1] 南极熊官网
[2] Deskmetal 官网
[3] 西部证券行业深度研究《3D打印有望从导入期进入快速成长期》
[4] 方正证券行业研究《高端制造专题一：金属3D打印，先进增材制造工艺，航空航天蓝海需求可期》
[5] 行业报告《The State of 3D Printing 2021》
[6] 东北证券行业研究《军 品和民品业务协同效应显著，军用 3D 打印强势崛起》
—END—
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