2025年3D打印行业研究：商业航天3D打印浪潮将至.pdf

敬请参阅最后一页特别声明 1 商业航天 3D 打印浪潮将至投资逻辑：7 7 大技术路线加持，大技术路线加持，3D3D 打印从概念走向量产。打印从概念走向量产。3D 打印相比传统加工方式，通过省去模具或工装的需求大幅降低了初始成本，但其成本优势会随着生产规模的扩大而减弱，具有和传统制造业不同的成本曲线。但随着 3D 打印技术进步，单位生产成本正不断下降，在更大的批量上相比传统加工工艺也开始具有优势，在对成本最敏感的消费电子领域也开始看到成熟应用落地。同时经过多年发展，目前包含了粉末床熔融、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，满足不同应用领域需求，我们认为 3D 打印技术已经具备了大规模量产寄出。为什么为什么 3D3D 打印可以成为商业航天最终打印可以成为商业航天最终加工加工解决方案。解决方案。3D 打印首先从设计角度带来全新的产品设计理念，从制造引导设计转为设计引导制造，基于功能优先设计/轻量化设计理念实现功能集成、零部件数量大幅下降、结构优化，带来轻量化等传统工艺不可比拟的优势，尤其是在对尺寸、重量非常敏感的航天领域优势更加突出。更短的研发生产周期和供应链也降低了全生命周期成本。同时我们看到各类打印材料在航天领域的研发与应用也逐步成熟，3D 打印具备成为商业航天最终解决方案基础。火箭火箭 3D3D 打印：配套火打印：配套火箭推力室制造，国内渗透率有望持续提升。箭推力室制造，国内渗透率有望持续提升。推力室是火箭发动机中最复杂、制造难度最大、制造周期最长的部件，目前通过粉末床熔融+定向能量沉积完成推力室喷注器、喷管和燃烧室、涡轮泵等核心零部件加工已有较多成熟方案。国内深蓝航天、蓝箭航天、天兵科技推力室均已有 3D 打印技术应用，当相比例如 NASA 已经形成包含多种技术路线+材料的标准化体系来说还尚显不足，我们认为后续国内火箭 3D 打印对标 NASA、SpaceX 渗透率还有较大提升空间。卫星卫星 3D3D 打印：全面助力轻量化，国内外企业加大布局。打印：全面助力轻量化，国内外企业加大布局。小卫星作为一箭多星发射的最佳载体正快速发展，探索新工艺来降低结构质量比势在必行。3D 打印通过其拓扑结构优化、功能优先设计完美适配卫星减重和功能集成需求。后续在卫星主结构设计优化（例如加入晶格结构）、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，成长前景优异。目前国内外企业均积极加大卫星 3D 打印应用布局，3D 打印立方星框架、整星结构、太阳能阵列基板等应用不断落地，后续随着国内火箭可回收技术的成熟发射成本下降，卫星 3D 打印将有更大应用前景 投资建议与估值 考虑 3D 打印当前技术成熟度不断提升具备量产基础，同时有望成为商业航天领域最终加工解决方案，在火箭、卫星上均有较好应用前景，建议关注业务涉及商业航天 3D 打印的标的。风险提示 商业航天产业进展不及预期风险，3D 打印应用进展不及预期风险，相关标的商业航天业务收入占比较低风险。3D 打印 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 2 扫码获取更多服务 内容目录 1.7 大技术路线加持，3D 打印从概念走向量产.6 1.1 随着技术迭代，3D 打印从概念走向量产.6 1.2 7 大技术路线加持，适配不同领域需求.8 2.为什么 3D 打印可以成为商业航天最终加工解决方案.14 2.1 设计：面向增材制造进行设计，大幅降低零部件数量.14 2.2 成本：更短的供应链，更低的试错成本.16 2.3 减重：基于拓扑优化等方式实现轻量化.17 2.4 散热：结构与散热集成，满足航天器高功率器件要求.18 2.5 材料：高温合金 3D 打印走向成熟，新材料潜力巨大.19 3.火箭 3D 打印：配套火箭推力室制造，国内渗透率有望持续提升.22 3.1 粉末床熔融+定向能量沉积协作可实现最核心的火箭推力室 3D 打印加工.22 3.2 NASA、SPACEX 积极拥抱 3D 打印，国内火箭 3D 打印渗透率或持续提升.30 4.卫星 3D 打印：全面助力轻量化，国内外企业加大布局.38 4.1 3D 打印适配小卫星轻量化+功能集成需求.38 4.2 从立方体卫星起步，国内外企业持续加大 3D 打印布局.44 5.投资建议.48 5.1 投资建议.48 5.2 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.48 5.3 银邦股份：持有飞而康股权，下游覆盖航空航天领域.50 5.4 飞沃科技：收购新杉宇航部分股权，有较好成长前景.51 5.5 江顺科技：参股九宇建木，九宇建木积极布局 DED 技术路线.52 5.6 汇纳科技：战略携手金石三维，有望实现强强联合.52 5.7 南风股份：子公司 3D 打印涉及航空航天领域.53 6.风险提示.53 图表目录图表目录 图表 1：全球首个 3D 打印设备和打印的零件.6 图表 2：目前已经有超过 20 种金属 3D 打印技术.7 图表 3：3D 打印具有不同的成本曲线.7 图表 4：3D 打印能够走向量产的基础是技术的迭代大幅降低了单位成本.8 图表 5：3D 打印已从概念逐步走向量产.8 图表 6：目前 3D 打印针对各种常见材料衍生出了不同的加工工艺.9 图表 7：3D 打印技术可以归类为 7 类.10 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 3 扫码获取更多服务 图表 8：光聚合 3D 打印原理.10 图表 9：粉末床熔融 3D 打印原理.11 图表 10：激光选区熔化成形原理.11 图表 11：粉末床熔融与定向能量沉积在工业领域已经实现了成熟应用.11 图表 12：定向能量沉积原理.12 图表 13：常见的熔融沉积成形（FDM）就属于材料挤出成形工艺.12 图表 14：黏结剂喷射技术需要配套额外的后处理来进行使用.13 图表 15：生坯中粉末的烧结与致密化过程.13 图表 16：材料喷射技术原理.14 图表 17：层叠制造原理.14 图表 18：3D 打印带来了不同的设计、制造理念.15 图表 19：基于 3D 打印的产品设计新理念.15 图表 20：NASA 基于面向 3D 打印设计理念显著降低了火箭发动机零件数量.16 图表 21：通过 3D 打印技术可降低产品全生命周期成本.16 图表 22：NASA 通过采用 3D 打印技术大幅降低了成本.16 图表 23：3D 打印可助力实现轻量化设计.17 图表 24：铂力特为航天五院 3D 打印的微小卫星结构内部.18 图表 25：深蓝航天通过结构与散热功能集成进一步提高发动机推力室效率.18 图表 26：弹载复杂内流道高效控温构件.19 图表 27：航空航天领域用增材制造合金体系及主要牌号.19 图表 28：航空航天领域用典型增材制造金属材料及其应用.19 图表 29：激光增材制造镍基高温合金跨层级细微观结构示意图.20 图表 30：增材制造 GH4169 室温力学性能与传统制造方式的对比.21 图表 31：采用不同的热处理方式对激光 3D 打印高温合金的性能影响较大.21 图表 32：连续纤维增强聚合物复合材料性能.21 图表 33：连续纤维复合材料主要性能优化方式.22 图表 34：液体火箭发动机主要采用粉末床熔融+定向能量沉积技术配套来进行打印.23 图表 35：喷注器是火箭推力室“心脏”.24 图表 36：Rocketdyne 注喷油嘴使用 3D 打印技术制造并完成了测试.24 图表 37：3D 打印喷注器可大幅减少零件数量.25 图表 38：LEAP 71 宣布实现了直径 600 毫米喷注器 3D 打印.25 图表 39：NASA 通过 SLM 打印的再生冷却喷管.26 图表 40：NASA 通过 LWDC 技术打印的再生冷却喷管.26 图表 41：采用粉末床熔融技术打印的两段式腔体结构.26 图表 42：铂力特承担了试车发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件的金属 3D 打印工作.27 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 4 扫码获取更多服务 图表 43：定向能量沉积技术在燃烧室 3D 打印有较好的应用前景.27 图表 44：NASA 已经形成了多种实现 DED 加工的技术路线.28 图表 45：DED 配套工业机器人实现大尺寸零部件加工.28 图表 46：NASA 布局的一体化再生冷却推力室组件.29 图表 47：液体火箭发动机涡轮泵结构示意.29 图表 48：NASA 3D 打印的涡轮泵零件数量大幅减少.29 图表 49：液体火箭发动机涡轮泵诱导轮结构.30 图表 50：诱导轮打印时可通过叶片特征区域支撑结构来约束塑性形变和降低翘曲变形.30 图表 51：NASA 涉及 3D 打印的中心.31 图表 52：NASA 马歇尔航天飞行中心形成 3D 打印技术成熟应用.31 图表 53：目前 NASA 针对不同应用场景开发了不同的配套 3D 打印技术.32 图表 54：NASA 尝试了多种新型合金来进一步提升 3D 打印性能.32 图表 55：NASA 采用新型 3D 打印合金的喷管、喷注器均热试车成功.33 图表 56：NASA 已经进行了长时间的热试车并积累大量“Know How”.33 图表 57：SpaceX 猛禽 3 发动机通过 3D 打印大幅简化了结构.34 图表 58：Velo3D 除 SpaceX 外还配套很多军工/航天领域一线客户.34 图表 59：国内航天领域也行业实现了较多 3D 打印应用成果.35 图表 60：深蓝航天雷霆 R/雷霆 RS 发动机均采用了 3D 打印技术.35 图表 61：深蓝航天燃烧室涡轮泵通过 3D 打印带来全面性能提升.36 图表 62：蓝箭涡轮泵壳体、换热器、推力室、喷管、弯管均涉及了 3D 打印技术的应用.37 图表 63：TH-12 采用了超大尺寸推力室不锈钢 3D 打印等技术.37 图表 64：天兵科技的发动机推力室头部壳体为 3D 打印成型一体化结构.38 图表 65：卫星主要系统构成.39 图表 66：全球小卫星发射数量正快速增长.39 图表 67：3D 打印可满足小卫星轻量化设计要求.40 图表 68：传统卫星舱板结构示意.40 图表 69：3D 打印卫星主结构舱板.41 图表 70：晶格结构是轻量化的理想选择.41 图表 71：通过拓扑优化可以进一步探索更优的晶格结构.42 图表 72：3D 打印晶格结构.42 图表 73：3D 打印可实现舱板支撑+散热功能集成.42 图表 74：3D 打印点阵结构助力卫星支架实现减重.42 图表 75：卫星上的连接点也可以进行轻量化设计.43 图表 76：基于 3D 打印重新设计的推力器.43 图表 77：直接金属激光烧结制成的天线馈源阵列.44 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 5 扫码获取更多服务 图表 78：通过 PEEK 材料打印的立方体卫星.44 图表 79：金属 3D 打印立方星部署器框架.45 图表 80：千乘一号卫星实现了三维点阵整星结构应用.45 图表 81：星众空间金属 3D 打印的“灵巧号”卫星.46 图表 82：星众空间 3D 打印立方星框架.46 图表 83：Maxar 卫星使用了将近 1000 个 3D 打印部件.47 图表 84：3D 打印的铝制结构件被整合到 MDA 的卫星中.47 图表 85：波音正在推进 3D 打印太阳能阵列基板.48 图表 86：建议关注公司.48 图表 87：华曙高科具有较强全链路自主研发能力.49 图表 88：深蓝航天使用华曙高科设备进行发动机大尺寸喷管 3D 打印.49 图表 89：飞而康金属增材制造超级工厂.50 图表 90：飞尔康参与星河动力发动机零部件制造.50 图表 91：华曙高科高分子材料 3D 打印也实现了航天应用突破.50 图表 92：飞而康金属 3D 打印加工服务营收破亿.51 图表 93：飞而康列装 3D 打印设备 50+台，配套 YF-75DA 发动机部分 3D 打印任务.51 图表 94：新杉宇航在上料、铺粉、成型、后处理等领域均发布了较多专利.52 图表 95：金石三维下游应用覆盖航空航天领域.53 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 6 扫码获取更多服务 1.7 大技术路线加持，3D 打印从概念走向量产 1 1.1.1 随着技术迭代，随着技术迭代，3D3D 打印从概念走向量产打印从概念走向量产 纵观制造业历史，人类的制造方式经历了等材制造（铸造、锻造）、减材制造（车、铣、磨）、增材制造（3D 打印）三个阶段的变迁，3D 打印主要以三维 CAD 设计数据为基础，将材料累加起来形成实体结构。1987 年，3D Systems 推出首款光固化增材制造设备 SLA-1并打印了全球首个增材制造部件。图表图表1 1：全球首个全球首个 3D3D 打印设备和打印的零件打印设备和打印的零件 来源：中国战略性新兴产业研究与发展：增材制造，国金证券研究所 后续随着越来越多的企业进入市场，3D 打印从塑料延伸至金属领域，到 2002 年德国研制的增材制造装备，可成形接近全致密的精细金属零件和模具，其性能可达到同质锻件水平，3D 打印的工业化应用开始加速。目前金属 3D 打印可使用的材料更广泛，比以前快得多，并且可以生产出质量更高的部件。如今，市面上已有近 20 种不同的金属增材制造技术。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 7 扫码获取更多服务 图表图表2 2：目前已经有超过目前已经有超过 2020 种金属种金属 3D3D 打印技术打印技术 来源：TCT 亚洲，国金证券研究所 3D 打印相比传统加工方式，通过省去模具或工装的需求大幅降低了初始成本，但其成本优势会随着生产规模的扩大而减弱，3D 打印的优势需要综合考虑设计复杂度、生产批量以及、交付周期等。图表图表3 3：3D3D 打印具有不同的成本曲线打印具有不同的成本曲线 来源：Additive Manufacturing:A Comprehensive Review，国金证券研究所 也就是 3D 打印产业的降本不是通过单纯产量的规模化，而是通过技术革新直接改变单位生产成本，从而在更大的批量相比传统加工工艺也具有优势。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 8 扫码获取更多服务 图表图表4 4：3D3D 打印能够走向量产的基础是技术的迭代大幅降低了单位成本打印能够走向量产的基础是技术的迭代大幅降低了单位成本 来源：Additive Manufacturing:A Comprehensive Review，国金证券研究所 根据 Gartner 新兴技术成熟曲线复盘 3D 打印发展历程，我们认为在 2010 年前后首次出现广泛消费级应用带来的关注度高点后，3D 打印技术的持续进步逐渐证明了其对于制造业的价值，从最初因为“概念”而受到追捧，到通过不断拓展的实际应用打开市场，完成了从仅可用于原型制造到小批量、大批量终端部件直接生产的跨越式发展 图表图表5 5：3D3D 打印已从概念逐步走向量产打印已从概念逐步走向量产 来源：Additive Manufacturing Insight Report，国金证券研究所 1 1.2 2 7 7 大技术路线加持大技术路线加持，适配不同领域需求，适配不同领域需求 3D 打印产业经过多年发展，目前针对各种材料类型均衍生出了不同的加工工艺。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 9 扫码获取更多服务 图表图表6 6：目前目前 3D3D 打印针对各种常见材料衍生出了不同的加工工艺打印针对各种常见材料衍生出了不同的加工工艺 技术分类 优势 局限性 常用材料 FDM 价格低 需要高温环境 PLA 打印效率高 需使用支撑结构 ABS 维护成本低 无法打印某些几何形状 PETG VP 细节和表面质量极佳 适用于复杂精细特征 构建体积有限 光固化树脂 易收缩和翘曲 蜡材 存在毒性与环境隐患 陶瓷 MJ 分辨率和细节极佳 成本高 光聚合物 支持多材料与全彩打印 构建体积受限 热塑性聚合物 材料选择范围广 打印速度慢 金属粉末 BJ 支持全彩打印 材料类型丰富 零件密度低 PVP 人工操作繁琐 PVA 后处理流程复杂 PAA SLS 无需支撑结构 存在孔隙、收缩和杂质 塑料 成品各向同性 表面质量较差 复合材料 可打印复杂几何形状 需后处理优化外观 陶瓷 SLM 无需粘结剂 成本高 钛合金 通常比 SLS 速度快 材料灵活性低 不锈钢 粉末可回收性高 需支撑结构与惰性气体 铝合金 DMLS 无需支撑结构 成本高 不锈钢 支持多种金属合金材料 孔隙率高 铝 粉末可回收性高 构建体积有限 钛 EBM 材料性能优异 设备成本高 钛合金 可加工活性金属 需额外后处理 镍基高温合金 流程快速高效 材料选择范围有限 钴铬合金 MJF 速度和效率高 材料受限 适用场景较特定 聚酰胺 热塑性聚氨酯 聚丙烯 后处理流程少 支持多色打印 延展性好 DED 减少废料 需后处理以获得光滑表面 精度较低 不锈钢 可修复/修改零件 钛合金 适用于大型部件（效率高）镍基高温合金 CFR 强度高、重量轻 纤维取向可定制 成本高 材料兼容性有限 尼龙+碳纤维 PEEK+碳纤维 ABS+碳纤维 LOM 成本低、速度快 尺寸精度和强度低 纸张 环境友好 需后处理优化表面 金属箔 可制作大型零件 复合材料的材料范围有限 塑料 来源：Additive Manufacturing:A Comprehensive Review，国金证券研究所 从大的分类来看一般将 3D 打印分为 7 类，主要包括材料挤出（Material Extrusion）、光聚合（Photopolymerization）、粉末床熔融（Powder Bed Fusion）、材料喷射（Material Jetting）、黏结剂喷射（Binder Jetting）、片材层压（Sheet Lamination）和定向能量沉积（Di rected Ene rgy Deposition）。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 10 扫码获取更多服务 图表图表7 7：3D3D 打印技术可以归类为打印技术可以归类为 7 7 类类 来源：中国战略性新兴产业研究与发展：增材制造，国金证券研究所 光聚合是最常见的用来进行聚合物打印的技术路线，当光聚合物树脂暴露在特定波长的光下时，会发生化学反应，使其变成固体。通过对光源进行升级、加入 Z 轴连续运动等优化出现了直接光处理、连续液体界面打印等新的技术路线。图表图表8 8：光聚合光聚合 3D3D 打印原理打印原理 来源：增材制造技术国内外应用发展趋势，国金证券研究所 粉末床熔融工艺是指通过热能选择性地熔化/烧结粉末床区域的增材制造工艺。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。该技术路线的选材较为广泛，从尼龙到金属粉末都可以作为烧结对象。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 11 扫码获取更多服务 图表图表9 9：粉末床熔融粉末床熔融 3D3D 打印原理打印原理 图表图表1010：激光选区熔化成形原理激光选区熔化成形原理 来源：增材制造技术国内外应用发展趋势，国金证券研究所 来源：中国战略性新兴产业研究与发展：增材制造，国金证券研究所 目前该技术路线在工业领域已经实现了成熟应用，通常会一起使用进行加工的还有定向能量沉积技术，通过直接熔化材料并将它们逐层沉积在工件上来制造零件，这种增材制造技术主要用于金属粉末或线材原材料。图表图表1111：粉末床熔融与定向能量沉积在工业领域已经实现了成熟应用粉末床熔融与定向能量沉积在工业领域已经实现了成熟应用 来源：铂力特官网，国金证券研究所 定向能量沉积包含了激光粉末成形、激光定向能量沉积、气溶胶喷射、电子束增材制造、激光沉积焊接等技术路线，和粉末床熔融相比，定向能量沉积可以在一个零件上打印不同的材料，同时可以用于损坏修复，可加工的尺寸往往也比粉末床熔融更大。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 12 扫码获取更多服务 图表图表1212：定向能量沉积原理定向能量沉积原理 来源：增材制造技术国内外应用发展趋势，国金证券研究所 材料挤出成形是最常见和便宜的 3D 打印技术路线，消费级的 3D 打印主要就是采用该技术路线进行聚合物 3D 打印。使用热塑性材料的连续长丝作为基材，细丝从一个线圈通过一个移动的加热打印机挤出机头进料，通常缩写为挤出机（Extruder）。熔融材料从挤出机的喷嘴被挤出，并首先沉积到 3D 打印平台上，该平台可以加热以获得额外的附着力。第一层完成后，挤出机和平台在一个步骤中分开，然后可以将第二层直接沉积到正在生长的工件上，挤出机头在计算机控制下移动。图表图表1313：常见的熔融沉积成形（常见的熔融沉积成形（FDMFDM）就属于材料挤出成形工艺）就属于材料挤出成形工艺 来源：中国战略性新兴产业研究与发展：增材制造，国金证券研究所 黏结剂喷射技术需要同时使用粉末与黏结剂，在黏结剂喷射 3D 打印过程中，3D 打印头在构建平台 X 轴和 Y 轴上水平移动，沉积黏结剂液滴，以类似于在纸上打印墨水的 2D 打印机的方式打印每一层。当一层完成时，支撑打印物体的粉末床的平台会向下移动，一层新的粉末散布到构建区域上。该过程逐层重复，直到所有部分完成。打印后，零件处于生坯或未完成状态，需要经过额外的后期处理后才能使用。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 13 扫码获取更多服务 图表图表1414：黏结剂喷射技术需要配套额外的后处理来进行使用黏结剂喷射技术需要配套额外的后处理来进行使用 来源：增材制造技术国内外应用发展趋势，国金证券研究所 例如对打印后生坯进行烧结来获得足够的密度与力学性能，该过程中坯体的黏结剂在高温下分解成气体排出。图表图表1515：生坯中粉末的烧结与致密化过程生坯中粉末的烧结与致密化过程 来源：黏结剂喷射打印技术研究现状与发展趋势，国金证券研究所 材料喷射技术与喷墨打印机将墨水逐层放置在一张纸上的方式相同，材料喷射将材料沉积到构建表面上，然后使用紫外光固化或硬化该层。逐层重复，直到对象完成。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 14 扫码获取更多服务 图表图表1616：材料喷射技术原理材料喷射技术原理 来源：增材制造技术国内外应用发展趋势，国金证券研究所 层叠制造主要将薄层材料逐层黏结以形成实物，可进行一些轻质部件的加工，例如人体工程学研究、地形可视化、纸制物体的结构模型。图表图表1717：层叠制造原理层叠制造原理 来源：中国战略性新兴产业研究与发展：增材制造，国金证券研究所 2.为什么 3D 打印可以成为商业航天最终加工解决方案 2 2.1.1 设计：设计：面向增材制造进行设计，大幅降低零部件数量面向增材制造进行设计，大幅降低零部件数量 从减材制造到增材制造，3D 打印突破传统制造方式限制，带来完全不同的设计理念。传统机械加工方法主要是减材制造，在其制造过程中材料逐渐减少以完成最终成形，或使用模具完成等材制造。3D 打印所属的增材制造则打破了传统制造方式限制，利用数字化技术直接完成产品成形，让 3D 打印完全颠覆了原有制造业设计方式，创造了为增材制造而设计的产品，带来了不可替代的巨大优势。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 15 扫码获取更多服务 图表图表1818：3D3D 打印带来了不同的设计、制造理念打印带来了不同的设计、制造理念 来源：铂力特招股说明书，国金证券研究所 3D 打印带来了基于增材制造的产品设计理念。可以理解为 3D 打印与传统精密加工的一个核心区别在于，所成形零部件的结构设计变化不改变加工方式，即设计者可以在一定约束范围内（激光加工原理约束、激光加工工艺约束）通过拓扑优化、有限元分析去优化模型结构。图表图表1919：基于基于 3D3D 打印的产品设计新理念打印的产品设计新理念 来源：3D 打印与工业制造，国金证券研究所 NASA 于 2012 年就启动了 AMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine 增材制造验证机的计划，NASA 认为 3D 打印在制造液态氢火箭发动机方面颇具潜力。在 3 年内，团队通过增材制造出 100 多个零件,并设计了一个可以通过 3D 打印来完成的发动机原型。而通过 3D 打印，零件的数量可以减少 80%，并且仅仅需要 30 处焊接。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 16 扫码获取更多服务 图表图表2020：NASANASA 基于面向基于面向 3D3D 打印设计理念显著降低了火箭发动机零件数量打印设计理念显著降低了火箭发动机零件数量 来源：NASA，国金证券研究所 2 2.2 2 成本：成本：更短的供应链，更低的试错成本更短的供应链，更低的试错成本 通过 3D 打印技术可降低产品全生命周期成本，尤其是相比铸造、CNC 等传统制造工艺需要较长的供应链和交付周期，3D 打印产品制造、测试与重新设计的成本大幅降低。图表图表2121：通过通过 3D3D 打印技术可降低产品全生命周期成本打印技术可降低产品全生命周期成本 来源：NASA，国金证券研究所 NASA 通过采用 3D 打印技术大幅降低了成本。图表图表2222：NASANASA 通过采用通过采用 3D3D 打印技术大幅降低了成本打印技术大幅降低了成本 维度维度 技术现状技术现状 优化效果优化效果 AMDE/AMDE/低生产成本方案低生产成本方案 研发成本（DDT&E）成本：10-40 亿美元 成本/资源仅为 1/10 AMDE 成本：预计 5000 万美元 行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 17 扫码获取更多服务 人力：500 名全职员工 人力：25 名全职员工 研发周期（DDT&E）7-10 年 研发周期缩短至 1/2 2-4 年 硬件交付周期 3-6 年 生产周期仅为 1/6 6-12 个月 发动机成本 2000-5000 万美元 重复成本仅为 1/10 100-500 万美元 测试-失败-修复循环 150-300 次 低成本测试循环 待定 项目管理人力 NASA 项目管理：30-50 名全职员工 专业培训的项目/成本工程师 LPS 管理：采用 LSE 模式 来源：NASA 官网，国金证券研究所 2 2.3 3 减重：减重：基于拓扑优化等方式实现轻量化基于拓扑优化等方式实现轻量化 以一架起飞重量达 65t 的波音 737 飞机为例，机身每减轻一磅的质量每年将节省数十万美元的燃油成本，在航空航天领域追求轻量化一直是终极目标之一。3D 打印可通过中空夹层/薄壁加筋结构、镂空点阵结构、一体化结构实现、异形拓扑优化结构等方式来实现轻量化。图表图表2323：3D3D 打印打印可助力实现轻量化设计可助力实现轻量化设计 来源：铂力特官网，国金证券研究所 中国航天科技集团五院总体部在通过 3D 打印实现轻量化方面已经拥有多年经验，并形成了面向 3D 打印制造技术的设计方法。中国航天科技集团五院总体部根据三维点阵的胞元形式的特点，结合三维点阵在航天器结构中应用的实际情况，提出了三维点阵结构胞元的表达规范，即通过胞元占据的空间并结合胞元杆件的直径来表达三维点阵结构胞元的设计信息。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 18 扫码获取更多服务 图表图表2424：铂力特为航天五院铂力特为航天五院 3D3D 打印的微小卫星结构内部打印的微小卫星结构内部 来源：3D 打印在航空航天领域的六大切入点，国金证券研究所 2 2.4 4 散热：散热：结构与散热集成，满足航天器高功率器件要求结构与散热集成，满足航天器高功率器件要求 3D 打印在赋能紧凑化、轻量化设计的同时，也让结构与散热功能集成、随形水冷等设计更容易实现。例如 2019 年 11 月，中国的深蓝航天液氧煤油发动机再次进行了推力室长程试车，取得圆满成功。在推力性能方面，深蓝航天对主要功能部件进行优化设计，大量采用3D 打印工艺，实现了国内液氧煤油火箭发动机推力室效率从 95%到 99%的技术跨越，达到了国际先进水平。其中发动机喷注器壳体和推力室身部两个零件为金属 3D 打印，发动机喷注器壳体和推力室身部均为航天发动机关键零部件，零件内部有百余条冷却流道。图表图表2525：深蓝航天通过结构与散热功能集成进一步提高发动机推力室效率深蓝航天通过结构与散热功能集成进一步提高发动机推力室效率 来源：3D 打印科学谷，国金证券研究所 北京遥感设备研究所为了解决决狭小空间、高功率密度下的高效热管理难题采用了在结构内部设计复杂随形内流道的创新设计思路。该方法兼顾了轻量化与高效控温的需求，最终利用金属 3D 打印实现了复杂内流道构件一体化高质量成形，为航天弹载超轻-高效控温热控功能结构研制提供了新思路。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 19 扫码获取更多服务 图表图表2626：弹载复杂内流道高效控温构件弹载复杂内流道高效控温构件 来源：航天领域金属 3D 打印技术发展方向与产业化建议，国金证券研究所 2 2.5 5 材料：材料：高温合金高温合金 3D3D 打印打印走向成熟，走向成熟，新材料潜力巨大新材料潜力巨大 航空航天领域高新技术密集，航空航天高端装备的服役性能很大程度上取决于金属构件的性能。航空航天高性能构件多用于极端苛刻的环境，要具有超强承载、极端耐热、超轻量化和高可靠性等特点，其中铁基合金、镍基合金、钛合金、铝合金的生产和应用量大面广。图表图表2727：航空航天领域用增材制造合金体系及主要牌号航空航天领域用增材制造合金体系及主要牌号 来源：航空航天领域用增材制造金属材料的研究进展，国金证券研究所 其中钛合金、镍基高温合金在发动机、起落架、推进剂罐等关键部件的用途较为广泛。图表图表2828：航空航天领域用典型增材制造金属材料及其应用航空航天领域用典型增材制造金属材料及其应用 合金系合金系 典型牌号典型牌号 应用场景应用场景 铁基合金 AerMet100、18Ni(300)等 火箭和导弹的发动机及铰链、紧固件、起落架等 SS304L、SS316L 等 发动机和排气系统、液压件、热交换器、起落架系统和接头 镍基合金 IN625、IN718 等 涡轮发动机燃烧室、涡轮机、外壳、圆盘、叶片等；液体火箭发动机的阀行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 20 扫码获取更多服务 合金系合金系 典型牌号典型牌号 应用场景应用场景 门、涡轮机械、喷射器、点火器和歧管 钴基合金 Stellite6/21/31、Haynes188 等 燃气轮机导向叶片和喷嘴 钛合金 TC4 起落架、轴承架、旋转机械、压缩机盘及叶片、低温推进剂罐等 Ti6242 压缩机叶片和旋转机械-TiAl 涡轮叶片 铝合金 AlSi10Mg、A6061 等 要求减轻质量、降低成本的部件，如飞机机身件等 铜合金 GRCop-42/84、C18150、C18200 等 需要高导热性的高温件，如发动机燃烧室内衬等 其他 钨基合金 发动机的燃烧室、喷嘴、导向器、涡轮盘、尾喷口等 钼基合金 碱金属热管和核热推进燃料元件等超高温件 钽基合金 在具有腐蚀性高压和超高温环境中应用的零部件 铌基合金 铌基 C-103 用于辐射冷却喷嘴、空间反应控制系统和高超音速机翼前缘等；WC3009、C129Y、Cb752、FS-85用于飞行器热保护系统及空间反应堆堆芯结构 来源：航空航天领域用增材制造金属材料的研究进展，国金证券研究所 而由于激光 3D 打印具有极高的冷却速率和温度梯度，会带来独特的跨层级尧非均匀细微观结构。图表图表2929：激光增材制造镍基高温合金跨层级细微观结构示意图激光增材制造镍基高温合金跨层级细微观结构示意图 来源：激光增材制造 GH4169 镍基高温合金力学性能各向异性及热处理调控研究进展，国金证券研究所 3D 打印高温合金的微观组织与传统的精密铸造或热变形工艺相差较大，具有独特的力学性能特征。3D 打印的高温合金室温下的强度和塑性在铸件和锻件之间。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 21 扫码获取更多服务 图表图表3030：增材制造增材制造 GH4169GH4169 室温力学性能与传统制造方式的对比室温力学性能与传统制造方式的对比 来源：镍基高温合金增材制造技术及其在航天领域应用进展，国金证券研究所 目前针对激光 3D 打印高温合金的制造工艺、服役温度、后处理工艺、材料疲劳性能等领域均已经有相对成熟的研究。作为承力件，增材制造成形的镍基高温合金力学性能介于铸件和锻件之间、蠕变性能可以达到锻件水平、疲劳性能要弱于锻件水平。其中难以避免的气孔、裂纹等缺陷可以通过热等静压、热处理、热机械加工和深层低温处理等方法减少，从而进一步强化合金性能。图表图表3131：采用不同的热处理方式对激光采用不同的热处理方式对激光 3D3D 打印高温合金的性能影响较大打印高温合金的性能影响较大 来源：激光增材制造 GH4169 镍基高温合金力学性能各向异性及热处理调控研究进展，国金证券研究所 除金属件外，高性能复合材料也可通过 3D 打印工艺进行加工，例如连续纤维增强聚合物复合材料具有质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀的特点，尤其适用于航天领域。图表图表3232：连续纤维增强聚合物复合材料性能连续纤维增强聚合物复合材料性能 类别类别 材料材料 密度密度/(g/cm/(g/cm)直径直径/m m 拉伸模量拉伸模量/GPa/GPa 弯曲模量弯曲模量/GPa/GPa 树脂基体 PLA 1.26 1750 2.25 2.39 ABS 1.04 1750 1 2.4 PA 1.1 1750 2.2 0.84 PEEK 1.3 1750 3.7 3.6 连续纤维增强体 碳纤维 1.4/1.3 400 54 51 玻璃纤维 2.4 300 21 22 凯夫拉纤维 1.2 300 27 26 黄麻纤维 1.5 200 27.4 来源：连续纤维增强聚合物复合材料 3D 打印工艺研究进展，国金证券研究所 连续纤维复合材料的打印性能也可以通过层间结合性能强化工艺、纤维浸渍性能强化工艺等方式进一步提升。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 22 扫码获取更多服务 图表图表3333：连续纤维复合材料连续纤维复合材料主要性能优化方式主要性能优化方式 来源：连续纤维增强聚合物复合材料 3D 打印工艺研究进展，国金证券研究所 3.火箭 3D 打印：配套火箭推力室制造，国内渗透率有望持续提升 3 3.1 1 粉末床熔融粉末床熔融+定向能量沉积协作可实现定向能量沉积协作可实现最核心的最核心的火箭推力室火箭推力室 3D3D 打印加工打印加工 火箭推力室是火箭发动机中完成推进剂能量转化和产生推力的组件，作为最复杂、制造难度最大、制造周期最长的部件，业内对 3D 打印的研究与应用也最深入。固体火箭推力室的结构较为简单，液体火箭推力室的结构则较为复杂，主要由喷注器、燃烧室和喷管组成，主要采用粉末床熔融+定向能量沉积技术配套来进行打印。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 23 扫码获取更多服务 图表图表3434：液体火箭发动机主要采用粉末床熔融液体火箭发动机主要采用粉末床熔融+定向能量沉积技术配套来进行打印定向能量沉积技术配套来进行打印 来源：液体火箭发动机增材制造技术研究进展，国金证券研究所 推力室的 3D 打印集中在喷注器、冷却喷管、燃烧室、涡轮泵等部件：1）喷注器 喷注器要承受高温高压、高流速冲击等一系列恶劣工况，需要满足复杂流路的尺寸精度及表面粗糙度等设计要求，也是发动机制造难度最大的零部件之一。喷注器的制造水平直接影响着发动机推进剂的雾化、混合和燃烧，决定着燃烧稳定性的水平和发动机的性能。传统方式制造的喷注器有数十乃至成百上千个独立零件，然后通过机械连接或焊接等方式集成在一起，制造成本极高，生产周期很长。行业深度研究 敬请参阅最后一页特别声明 24 扫码获取更多服务 图表图表3535：喷注器是火箭推力室“心脏”喷注器是火箭推力室“心脏”来源：深空探测技术，国金证券研究所 2015 年，美国 Rocketdyne 公司采用 3D 打印技术制造 AR1 火箭发动机的主要单喷嘴，并成功完成一系列液体火箭发动机高压点火试验测试，其中部分离心式喷嘴采用