3D打印技术发展现状 - 3D打印作为增材制造，其发展经历了从等材制造、减材制造到增材制造的变迁，1987年3D Systems推出首款光固化设备SLA-1并打印了全球首个增材制造部件 [4] - 技术迭代推动3D打印从概念走向量产，2002年德国研制的装备可成形接近全致密的精细金属零件，性能达到同质锻件水平，工业化应用开始加速 [5] - 目前金属3D打印可使用材料更广泛、速度更快、质量更高，市面上已有近20种不同的金属增材制造技术 [5] - 3D打印通过省去模具需求降低初始成本，但其成本优势随生产规模扩大而减弱，需综合考虑设计复杂度、生产批量和交付周期 [9] - 产业的降本并非通过单纯产量规模化，而是通过技术革新直接改变单位生产成本，从而在更大批量下相比传统工艺也具有优势 [12] - 根据Gartner技术成熟曲线，2010年前后因消费级应用出现关注度高点，随后技术持续进步证明了其对制造业的价值，完成了从原型制造到小批量、大批量终端部件直接生产的跨越 [15] 七大技术路线 - 3D打印产业针对各种材料衍生出不同加工工艺，从大分类看一般分为7类：材料挤出、光聚合、粉末床熔融、材料喷射、黏结剂喷射、片材层压和定向能量沉积 [18] - 光聚合是最常见的聚合物打印技术路线，通过光源升级等优化出现了直接光处理、连续液体界面打印等新技术 [21] - 粉末床熔融工艺通过热能选择性熔化/烧结粉末床区域，代表性工艺有激光选区熔化、激光选区烧结、电子束选区熔化，选材广泛，从尼龙到金属粉末均可 [21] - 定向能量沉积通过直接熔化材料并逐层沉积来制造零件，主要用于金属粉末或线材，可与粉末床熔融技术协作使用 [25] - 与粉末床熔融相比，定向能量沉积可在一个零件上打印不同材料，可用于损坏修复，可加工尺寸往往更大 [27] - 材料挤出成形是最常见和便宜的3D打印技术路线，消费级3D打印主要采用此技术进行聚合物打印 [29] - 黏结剂喷射技术需同时使用粉末与黏结剂，打印后零件处于生坯状态，需要额外后处理（如烧结）才能使用 [29] - 材料喷射技术将材料沉积到构建表面后使用紫外光固化，方式与喷墨打印机类似 [32] - 层叠制造主要将薄层材料逐层黏结以形成实物，可用于轻质部件加工 [36] 3D打印成为商业航天解决方案的原因 - **设计优势**：3D打印带来基于增材制造的产品设计理念，突破传统制造方式限制，设计变化不改变加工方式，可通过拓扑优化、有限元分析优化模型结构 [39][43] - 面向增材制造的设计可大幅减少零部件数量，例如NASA的增材制造验证机计划通过3D打印将零件数量减少80%，仅需要30处焊接 [43] - **成本优势**：相比铸造、CNC等传统工艺，3D打印可降低产品全生命周期成本，拥有更短的供应链和交付周期，制造、测试与重新设计的成本大幅降低 [47] - NASA通过采用3D打印技术大幅降低了研发成本、周期及发动机成本，例如研发成本从10-40亿美元降至预计5000万美元，研发周期从7-10年缩短至2-4年，发动机成本从2000-5000万美元降至100-500万美元 [50][52] - **减重优势**：在航空航天领域，轻量化是终极目标之一，3D打印可通过中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构、异形拓扑优化等方式实现轻量化 [52] - 以波音737为例，机身每减轻一磅质量每年将节省数十万美元的燃油成本 [52] - **散热集成**：3D打印让结构与散热功能集成、随形水冷等设计更容易实现，满足航天器高功率器件要求 [57] - 例如深蓝航天液氧煤油发动机大量采用3D打印工艺，实现了推力室效率从95%到99%的技术跨越 [57] - **材料发展**：航空航天高性能构件多用于极端环境，需具有超强承载、极端耐热、超轻量化和高可靠性等特点，钛合金、镍基高温合金应用广泛 [63][64] - 3D打印高温合金具有独特的跨层级细微观结构，其室温强度和塑性介于铸件和锻件之间 [68][70] - 目前针对激光3D打印高温合金的制造工艺、服役温度、后处理等已有相对成熟研究，其力学性能介于铸件和锻件之间，蠕变性能可达锻件水平 [71] - 除金属外，高性能复合材料如连续纤维增强聚合物复合材料也可通过3D打印工艺加工，适用于航天领域 [72] 火箭领域的3D打印应用 - 火箭推力室是火箭发动机中最复杂、制造难度最大、周期最长的部件，业内对3D打印的研究与应用最深入，主要采用粉末床熔融+定向能量沉积技术配套打印 [79] - **喷注器**：传统方式制造的喷注器零件数量多，制造成本高，周期长，3D打印可大幅减少零件数量 [83] - 例如，基于3D打印的HAN基单组元发动机喷注器零件数量由27个集成为1个，减少了焊缝结构 [84] - LEAP 71与尼康SLM Solutions合作生产出直径达600毫米的全流量分级燃烧火箭发动机喷注头，是目前最大、最复杂的3D打印航天器部件之一 [87] - **喷管和燃烧室**：传统再生冷却喷管制造过程复杂，3D打印可大幅简化，NASA从2013年开始研究3D打印再生冷却喷管 [88] - NASA通过3D打印燃烧室实现了超过50%的制造周期缩短和25%的成本下降 [93] - 深蓝航天推力室主体结构全部采用3D打印，将研制周期缩短了80%以上，并实现了推力室效率从95%到99%的跨越 [94] - 燃烧室、喷管常需多材料复合制造，定向能量沉积技术有更好应用前景，例如NASA采用铜合金和镍合金双材料复合 [97] - **涡轮泵**：涡轮泵面临高转速、高流体压力及高温度梯度等极端工况，是发动机最易发生故障的部件之一 [106] - NASA采用增材制造技术制造上面级氢泵和甲烷涡轮泵，其中甲烷涡轮泵零件数量减少45% [109] - 首款增材制造的涡轮泵零件数量至少减少50%，增材制造件占总质量的90%，进度缩短45%，硬件成本为30万美元 [112] - 涡轮泵的诱导轮、泵叶轮、涡轮盘均可通过3D打印技术制造 [113] 国内外航天企业3D打印布局 - **NASA**：自2012年启动AMDE增材制造验证机计划，全面拥抱3D打印技术，多个中心涉及相关研发 [117][119] - 马歇尔航天飞行中心已形成同时包含SLA、FDM、SLM、DED技术的成熟应用 [121] - NASA针对不同应用场景开发了配套的3D打印技术，并尝试多种新型合金以提升性能 [124][129] - 采用GRX-810合金的喷管累计完成90次启动，总运行时长达2309秒，喷注器寿命相比传统合金显著提升 [129] - NASA积累了共计11万秒的3D打印燃烧室、喷管、喷注器热试车时间，技术积累成熟度高 [133] - **SpaceX**：猛禽3发动机通过3D打印技术实现更精简、集成化设计，简化了结构，无需使用隔热罩 [134] - 2024年9月，Velo3D与SpaceX签署总价值800万美元的技术授权与支持协议，SpaceX获得其增材制造技术授权 [138] - **国内企业**：国内航天领域已实现较多3D打印应用成果，多个3D打印关节零部件已完成热试车验证 [140] - 深蓝航天雷霆R/雷霆RS发动机均采用3D打印技术，大幅降低了零件数量 [143] - 蓝箭航天与铂力特合作，其天鹊系列液氧甲烷发动机大量采用增材制造技术，TQ-12B发动机推重比达到162 [147] - 蓝箭在涡轮泵壳体、换热器、喷管、燃烧室等部件均应用了3D打印技术 [147] - 天兵科技TH-11V为全球首款应用3D打印技术的闭式循环补燃发动机，相比传统工艺，发动机组数量减少80%，制造周期缩短70%-80%，成本和重量降低40%-50% [152] - TH-12发动机采用了国内首次应用的超大尺寸推力室不锈钢3D打印制造技术和涡轮盘热力组件3D打印技术 [152] - 国内火箭3D打印目前主要覆盖发动机内部分零部件，不同技术路线和材料的尝试较国外少，对标NASA、SpaceX，渗透率还有较大提升空间 [157] 卫星领域的3D打印应用 - 卫星一般由机械结构、推进子系统、热控制子系统、电源子系统等多个子系统构成 [158] - 得益于进入外太空成本降低，小卫星正快速发展，是一箭多星发射的最佳载体，设计向小型化、微型化、高集成度、高性能和低成本发展 [161] - 全球小卫星发射数量快速增长，2019年至2023年合计发射8409颗，其中美国发射6545颗，占比77.83%，中国发射479颗，占比5.70% [162] - 传统百公斤级小卫星的结构质量占比约为20%，需探索新工艺将占比降至15%以下 [164] - 3D打印技术可通过释放结构设计潜能实现卫星极致轻量化，同时缩短研制和定制化周期，应用前景好 [164]

行业投资评级与核心观点 - 报告建议关注业务涉及商业航天3D打印的标的 [4] - 核心观点：3D打印技术已具备大规模量产基础，并有望成为商业航天领域的最终加工解决方案，在火箭和卫星制造中均有良好应用前景 [2][4] 3D打印技术发展现状 - 3D打印相比传统加工方式，通过省去模具或工装需求大幅降低了初始成本，但其成本优势随生产规模扩大而减弱，具有不同的成本曲线 [2][19] - 随着技术进步，单位生产成本不断下降，在更大批量上相比传统工艺也开始具有优势，在对成本最敏感的消费电子领域已有成熟应用落地 [2] - 经过多年发展，目前形成了包括粉末床熔融、定向能量沉积、材料挤出成形等7大技术路线，加工材料从高分子到金属覆盖面持续加大 [2][27] - 金属3D打印技术发展迅速，目前市面上已有近20种不同的金属增材制造技术 [14] 3D打印在商业航天的核心优势 - **设计革新**：从制造引导设计转为设计引导制造，基于功能优先/轻量化设计理念实现功能集成、零部件数量大幅下降和结构优化 [2] - **显著减重**：通过拓扑优化、中空夹层、镂空点阵、一体化结构等方式实现轻量化，这对尺寸重量敏感的航天领域优势突出 [2][67] - **降低成本与周期**：更短的研发生产周期和供应链降低了全生命周期成本，例如NASA通过3D打印将零件数量减少80%，仅需30处焊接 [2][58] - **功能集成**：可实现结构与散热等功能集成，例如深蓝航天通过3D打印内部冷却流道，将液氧煤油发动机推力室效率从95%提升至99% [73][75] - **材料成熟**：高温合金等材料在航天领域的研发与应用逐步成熟，为3D打印成为最终解决方案奠定基础 [2][79] 火箭领域的3D打印应用 - **核心部件制造**：推力室是火箭发动机中最复杂、制造难度最大、周期最长的部件，目前通过粉末床熔融+定向能量沉积技术加工喷注器、喷管、燃烧室、涡轮泵等核心零部件已有较多成熟方案 [3][94] - **国际领先实践**：NASA和SpaceX积极拥抱3D打印，NASA已形成包含多种技术路线和材料的标准化体系，并积累了超过11万秒的3D打印部件热试车经验 [3][118][153] - **国内应用与差距**：国内深蓝航天、蓝箭航天、天兵科技等公司已在推力室等部件上应用3D打印技术，例如天兵科技TH-11V发动机使组件数量减少80%，制造周期缩短70%-80%，成本和重量降低40%-50% [3][161][173] - **渗透率提升空间**：报告认为国内火箭3D打印技术相比NASA、SpaceX的标准化体系尚有不足，后续渗透率有较大提升空间 [3][178] 卫星领域的3D打印应用 - **适配小卫星发展**：小卫星作为一箭多星发射的最佳载体正快速发展，全球小卫星发射数量从2019年的420颗快速增长至2023年的2661颗 [179][183] - **轻量化与集成需求**：传统小卫星结构质量占比约20%，需探索新工艺降至15%以下，3D打印通过拓扑结构优化和功能优先设计完美适配卫星减重和功能集成需求 [3][184] - **具体应用场景**：在卫星主结构设计优化（如加入晶格结构）、支撑散热功能集成、支架减重、连接点轻量化、推力器减重、天线减重等领域均有较大应用空间 [3][185] - **国内外布局加快**：国内外企业积极布局卫星3D打印，应用包括3D打印立方星框架、整星结构、太阳能阵列基板等，例如Maxar卫星使用了近1000个3D打印部件 [3][182][211] 报告关注的相关公司 - **华曙高科**：金属+高分子3D打印全链路布局，航天领域应用持续突破，深蓝航天使用其设备进行发动机大尺寸喷管3D打印 [7][87][88] - **银邦股份**：持有飞而康股权，飞而康下游覆盖航空航天领域，金属3D打印加工服务营收破亿，并配套YF-75DA发动机部分3D打印任务 [7][89][92] - **飞沃科技**：收购新杉宇航部分股权，有较好成长前景 [7] - **江顺科技**：参股九宇建木，后者积极布局DED技术路线 [7] - **汇纳科技**：战略携手金石三维，有望实现强强联合，金石三维下游应用覆盖航空航天领域 [7][95] - **南风股份**：子公司3D打印业务涉及航空航天领域 [7]