3D打印釋放的粉末冶金的市場(chǎng)潛力

粉末冶金是一種通過(guò)加熱壓實(shí)金屬粉末至低于其熔點(diǎn)進(jìn)行金屬成型過(guò)程的技術(shù)。該技術(shù)已經(jīng)存在超過(guò)100年，在過(guò)去的25年成為了公認(rèn)的生產(chǎn)各種高質(zhì)量零件的優(yōu)質(zhì)技術(shù)。該技術(shù)相較于其他金屬成型技術(shù)，如鍛造、鑄造等，在材料利用率、形狀復(fù)雜度和近凈形尺寸控制等方面均具有優(yōu)勢(shì)，由于其具有促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的性質(zhì)，粉末冶金被公認(rèn)為綠色技術(shù)。
　　1 粉末冶金—高性價(jià)比零部件的首選成型工藝

　　根據(jù)配方不同，粉末冶金零件的抗拉強(qiáng)度在170~1200MPa之間，相比傳統(tǒng)零件制造工藝，具有如下優(yōu)勢(shì)：1)零件接近最終尺寸，具有良好的光潔度，減少后續(xù)加工成本，最大限度地減少?gòu)U品損失;2)能夠生產(chǎn)別的工藝無(wú)法制造的復(fù)雜或獨(dú)特形狀的零件;3)能夠控制產(chǎn)品的孔隙率，以此滿足產(chǎn)品自潤(rùn)滑、耐磨性等方面的需求。相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)加工切削工藝，粉末冶金節(jié)能60%，材料利用率高達(dá)95%，是高性價(jià)比零部件的極佳選擇。也作為增材制造的重要成型工藝，成為中國(guó)制造2025的重要一環(huán)。

　　2 全球年市場(chǎng)規(guī)模八十億美元，龍頭GKN粉末冶金收入規(guī)模逾近百億人民幣

　　據(jù)全球粉末冶金龍頭GKN公司測(cè)算，2016年，全球粉末冶金產(chǎn)品銷售額約80億美元。GKN公司是粉末冶金領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，產(chǎn)品包括用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、泵、車身、底盤、以及壓縮機(jī)、金屬注塑成型等零部件。GKN粉末冶金營(yíng)業(yè)收入近五年一直維持在14億美元左右，營(yíng)業(yè)利潤(rùn)率也穩(wěn)定在10%左右。按用途劃分，汽車零部件其總銷售收入的72%，占其粉末冶金零件的銷售的85%。

　　3 國(guó)內(nèi)汽車領(lǐng)域占比較低，200億以上市場(chǎng)空間尚待開拓

　　我國(guó)目前平均每輛汽車粉末冶金制品用量?jī)H約5kg，遠(yuǎn)低于歐洲的14kg，美國(guó)的19.5kg。另一方面，2016年，我國(guó)國(guó)內(nèi)汽車粉末冶金制品占粉末冶金總產(chǎn)品的比例雖提升至約60%，但仍然遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家80%的比例。與此同時(shí)，我國(guó)汽車粉末冶金產(chǎn)品的種類并不齊全，目前主要應(yīng)用于連桿、墊片等技術(shù)含量較低產(chǎn)品，而技術(shù)要求更高的VVT、VCT、行星齒輪等由于技術(shù)壁壘較高，目前國(guó)內(nèi)絕大部分企業(yè)無(wú)法批量生產(chǎn)。粉末冶金在汽車上主要應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱兩個(gè)領(lǐng)域，假設(shè)2020年乘用車銷量達(dá)3000萬(wàn)輛，發(fā)動(dòng)機(jī)粉末冶金零部件市場(chǎng)規(guī)模約40億元，變速箱粉末冶金零部件市場(chǎng)規(guī)模約150億元。加上用于汽車底盤等的粉末冶金零件，國(guó)內(nèi)汽車粉末冶金市場(chǎng)空間達(dá)200億元。

　　-- 粉末冶金應(yīng)用工藝

　　粉末冶金主要有傳統(tǒng)法、金屬注射成型(MIM)、金屬3D打印(AM)、等靜壓(IP)四種工藝，其中，目前在汽車等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的，是傳統(tǒng)法與MIM法。所需的原材料，即粉末冶金混粉，有兩種類型，零件生產(chǎn)商使用的自混粉及粉末供應(yīng)商提供的預(yù)混粉。

　　- 金屬注射成型(MIM)

　　該工藝為生產(chǎn)制造復(fù)雜形狀的零件提供了可能，利用細(xì)金屬粉末(通常小于20微米)，與粘合劑(各種熱塑性塑料、蠟等材料)配制定制為原料，送入腔(或多腔)的進(jìn)行注射成型。

　　MIM工藝與塑料注射成型和高壓壓鑄非常相似，它可以產(chǎn)生相同的形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。然而，這僅限于相對(duì)小(一般小于250克)，高度復(fù)雜的零件，否則需要大量的精加工或裝配操作。

　　金屬注射成型工藝生產(chǎn)的零件，其機(jī)械性能幾乎相當(dāng)于鍛造材料，提供了幾乎無(wú)限的形狀和幾何特征的能力，具有很高的生產(chǎn)速率。

　　- 等靜壓(IP)

　　適用于所有方向上壓力均等的粉末致密部件，從而達(dá)到最大密度和微觀結(jié)構(gòu)均勻和無(wú)單軸壓的幾何限制。用于生產(chǎn)致密的高性能零部件。

　　等靜壓分為冷和熱等靜壓，冷等靜壓(CIP)是在常溫下壓實(shí)“綠色部件”，而熱等靜壓(HIP)則在高溫下通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散鞏固部件，熱等靜壓也可以用來(lái)消除燒結(jié)粉末冶金零件殘余氣孔率。

　　- 3D打印

　　金屬3D打印包括直接金屬3D打印和間接金屬3D打印。

　　金屬粉末床熔融(PBF)是目前最廣泛被使用的金屬3D打印技術(shù)。包括去年通用電氣投資14億美元收購(gòu)Concept Laser和Arcam，進(jìn)一步加強(qiáng)了金屬粉末床熔融的市場(chǎng)關(guān)注度。 PBF被認(rèn)為是一種直接的金屬3D打印技術(shù)，包括激光熔融和電子束熔融兩種加工方式，目前激光熔融方式被更廣泛的使用。在這個(gè)領(lǐng)域，活躍著眾多的品牌，包括GE收購(gòu)的Concept Laser和Arcam，包括原有的金屬3D打印解決方案商德國(guó)EOS,德國(guó)SLM Solutions, 英國(guó)Renishaw,以及進(jìn)入到PBF領(lǐng)域的機(jī)床廠商德國(guó)通快，以及德馬吉森精機(jī)等。

　　還有一種直接金屬3D打印技術(shù)(LENS - 定向能量沉積技術(shù))是冶金粉末的另一種應(yīng)用工藝。

　　間接金屬3D打印技術(shù)，故名思意是指通過(guò)金屬3D打印過(guò)程所獲得的金屬零件并不是最終的零件，而是需要通過(guò)高溫爐的熱處理過(guò)程將金屬零件中的化學(xué)物質(zhì)去除，從而獲得致密的金屬零件。

　　當(dāng)然，當(dāng)前間接金屬3D打印技術(shù)包括多種不同的技術(shù)，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究一大類是以Desktop Metal, 3DEO, Markforged所代表的binder jetting技術(shù)，另一類是以Xjet為代表的NanoParticle Jetting技術(shù)，第三類是Prodways以樹脂為間接體的金屬3D打印技術(shù)，第四類則是惠普將要推出的金屬3D打印技術(shù)。而GE也將推出金屬零件的粘結(jié)劑噴射3D打印設(shè)備。

　　-- 粉末冶金制備

　　制粉設(shè)備應(yīng)用于原料制粉過(guò)程。制粉方法可劃分為三大類：機(jī)械制粉，物理制粉，化學(xué)制粉，常用的制粉方法有氧化物還原法、霧化法、旋轉(zhuǎn)電極法、電解法和機(jī)械破碎法等，不同制粉方法所使用的設(shè)備也是不同的。根據(jù)不同的制粉方法，主要使用的設(shè)備包括還原爐、離子膜電解槽、球磨機(jī)等。

　　-- 粉末冶金應(yīng)用市場(chǎng)

　　粉末冶金零件的應(yīng)用很廣泛，主要可分為兩大類：第一類是難以用其他方法制造的部件，如鎢、鉬或鎢硬質(zhì)合金。此外，含油軸承，過(guò)濾器和許多類型的硬和軟磁元件都是采用粉末冶金技術(shù)生產(chǎn)。第二類是能為鑄件和鍛件提供一種經(jīng)濟(jì)高效的替代方案，如汽車離合器片、連桿、凸輪軸、行星齒輪載體等。

　　粉末冶金產(chǎn)品廣泛用于汽車行業(yè)、航空航天行業(yè)、家電行業(yè)以及消費(fèi)電子行業(yè)。其中，汽車行業(yè)、航空航天行業(yè)屬于高端的市場(chǎng)，產(chǎn)品附加值很高;目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)粉末冶金企業(yè)主要生產(chǎn)家電、消費(fèi)電子行業(yè)的粉末冶金產(chǎn)品。家電行業(yè)的粉末冶金產(chǎn)品主要有冰箱、空調(diào)使用的壓縮機(jī)，洗衣機(jī)、電風(fēng)扇中使用的多孔自潤(rùn)滑軸承，空調(diào)、吸塵器中的齒輪與磁體等;消費(fèi)電子領(lǐng)域，眾多手機(jī)品牌的金屬外殼、音量按鍵、墊腳、SIM卡托等零部件均為粉末冶金產(chǎn)品。然而，家電與消費(fèi)電子行業(yè)粉末冶金件技術(shù)門檻較低，各類中小廠商爭(zhēng)相進(jìn)入，導(dǎo)致我國(guó)國(guó)內(nèi)低端粉末冶金市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。

　　汽車行業(yè)是主要的應(yīng)用領(lǐng)域，約占70%。其他重要的市場(chǎng)包括娛樂，家用電器，工業(yè)電機(jī)及控制，硬件和商業(yè)機(jī)器等。2016年，我國(guó)國(guó)內(nèi)汽車粉末冶金制品占粉末冶金總產(chǎn)品的比例提升至約60%，但仍然低于發(fā)達(dá)國(guó)家80%的比例。與此同時(shí)，我國(guó)汽車粉末冶金產(chǎn)品的種類并不齊全，目前主要是一些技術(shù)含量較低的連桿、墊片、鏈輪等產(chǎn)品，而絕大多數(shù)企業(yè)無(wú)法批量生產(chǎn)技術(shù)要求更高的VVT、VCT、行星齒輪等產(chǎn)品。

　　粉末冶金汽車零部件主要應(yīng)用于兩大類車輛領(lǐng)域：發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱/分動(dòng)箱。根據(jù)MPIF(金屬粉末工業(yè)聯(lián)合會(huì))的統(tǒng)計(jì)，粉末冶金零件在300多個(gè)單獨(dú)的汽車部件上均有應(yīng)用，零件總數(shù)超過(guò)750個(gè)?？紤]到節(jié)能減排與成本控制因素，國(guó)內(nèi)企業(yè)未來(lái)會(huì)更多使用粉末冶金工藝生產(chǎn)汽車零部件。

　　汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱是粉末冶金零部件應(yīng)用最為廣泛的兩個(gè)領(lǐng)域。在這兩個(gè)領(lǐng)域里，發(fā)動(dòng)機(jī)粉末冶金零部件市場(chǎng)規(guī)模約40億元，變速箱粉末冶金零部件市場(chǎng)規(guī)模約150億元。加上用于汽車底盤等的粉末冶金零件，國(guó)內(nèi)汽車粉末冶金市場(chǎng)空間達(dá)200億元。

　　- 發(fā)動(dòng)機(jī)粉末冶金市場(chǎng)規(guī)模約40億

　　在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，一輛乘用汽車上平均使用兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可變正時(shí)氣門(VVT)，其單價(jià)約70元，即對(duì)應(yīng)每輛汽車的價(jià)值量為140元/輛，按照智研咨詢發(fā)布的《2017-2022年中國(guó)汽車市場(chǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)及投資戰(zhàn)略研究報(bào)告》預(yù)計(jì)，2020年中國(guó)乘用車銷量將達(dá)到3000萬(wàn)輛的規(guī)模，采用粉末冶金技術(shù)制造的VVT約有42億元的發(fā)展空間。

　　- 變速箱粉末冶金市場(chǎng)規(guī)模約150億

　　在汽車變速器領(lǐng)域，汽車變速器分為四大類，手動(dòng)變速器(MT)，約占45%市場(chǎng)份額，自動(dòng)變速器(AT)占30%市場(chǎng)份額，無(wú)級(jí)變速器(CVT)占15%市場(chǎng)份額，雙離合器(DCT)占10%市場(chǎng)份額，其中AT、DCT市場(chǎng)快速發(fā)展，機(jī)會(huì)較多，CVT市場(chǎng)粉末冶金機(jī)會(huì)較少。

　　單個(gè)MT、AT、CVT、DCT變速箱使用的粉末冶金零部件價(jià)格分別約為500元、600元、200元、500元。2020年，預(yù)計(jì)中國(guó)乘用車銷量3000萬(wàn)輛，假設(shè)各類型變速器市場(chǎng)份額不變，則MT、AT、CVT、DCT變速箱的數(shù)量分別為1350萬(wàn)、900萬(wàn)、450萬(wàn)、300萬(wàn)?？傆?jì)變速箱內(nèi)粉末冶金零部件的市場(chǎng)空間約150億元。

　　若粉末冶金行業(yè)能夠取得技術(shù)上的突破，強(qiáng)度、耐磨性等指標(biāo)進(jìn)一步提升，則結(jié)合齒輪、傳動(dòng)齒輪等傳統(tǒng)鍛造零件有望被粉末冶金零件所取代，市場(chǎng)規(guī)模將會(huì)進(jìn)一步爆發(fā)式擴(kuò)張。

　　-- 粉末冶金市場(chǎng)

　　根據(jù)GKN公司測(cè)算，2016年，全球粉末冶金產(chǎn)品銷售額約為80億美元。其中，銷售額前十名的公司總銷售額約為45億美元，市場(chǎng)份額約占60%。前十名的公司中，5家公司為歐洲企業(yè)，4家公司為日本企業(yè)，1家公司為美國(guó)企業(yè)。GKN公司為行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，2016年其粉末部門銷售額達(dá) 10.3億英鎊(14億美元)，市場(chǎng)份額約占18%，遠(yuǎn)高于第二名住友電工9%的市場(chǎng)份額。

　　根據(jù)中國(guó)機(jī)協(xié)粉末冶金分會(huì)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)粉末冶金零件出貨量48萬(wàn)噸，銷售額達(dá)64億元，其中汽車行業(yè)銷售額40億元，占銷售總額62%。2017年，粉末冶金市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)69億，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)。

　　GKN是粉末冶金領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，有著最大的銷售規(guī)模以及最齊全的產(chǎn)品種類。在粉末冶金領(lǐng)域具有很好的參考意義。GKN粉末冶金由兩個(gè)部分組成：GKN Sinter Metals和Hoeganaes。GKN Sinter Metals是粉末冶金成形零件的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，其市場(chǎng)份額世界第一。產(chǎn)品包括用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、泵、車身、底盤、壓縮機(jī)的粉末冶金零部件、粉末冶金制作的軸承與過(guò)濾器、金屬注塑成型組件、其他工業(yè)應(yīng)用的粉末冶金零部件，以及用于電動(dòng)機(jī)的軟磁元件。Hoeganaes是GKN旗下專門提供高質(zhì)量金屬粉末的公司，其產(chǎn)品包括鐵粉、銅粉、鎢粉、鈦粉等金屬粉末，廣泛用于粉末冶金，化工和焊接等工業(yè)。其市場(chǎng)份額世界第二。

　　2016年，GKN粉末冶金部門的營(yíng)業(yè)收入為14億美元。其中Sinter Metals貢獻(xiàn)了11.7億美元的收入，占總收入的83.6%;Hoeganaes貢獻(xiàn)了2.3億美元的收入，占總收入的16.4%。