1、商业航天催化及3D打印应用背景
商业航天领域催化情况：上周商业航天领域出现重要催化事件：中国向ITU提交新增20.3万颗卫星计划申请，美国FCC通过SpaceX新增部署7500颗第二代星链卫星申请；中美均在加速布局卫星轨道，商业航天已成为投资重要主线。
3D打印在商业航天的应用空间：3D打印技术在工业领域应用成熟并形成多种技术路径，在航天领域应用广泛；伴随商业航天关注度提升，其在该领域应用空间广阔。
2、3D打印技术分类与原理
金属增材制造工艺分类：金属增材制造领域在多年发展中形成多种工艺，航空领域内应用广泛的金属增材制造工艺主要包括选区激光熔融技术、激光融化沉积技术、EBM、EBF、WAAM以及其他高能热源或复合热热源的快速成型技术等。这些工艺是基于两种技术路径在不同温度、熔融方式、尺寸及工作环境中的技术细分。
·技术原理与路径差异：3D打印增材制造的原理类似，本质上通过逐层逐粒堆叠制备所需产品。按形式主要分为两大类：a.将金属粉末直接铺放在工作面，该方式精度相对更高，但打印体积更小；b.通过枪头把粉材或丝材融化后直接构建到产品上。不同技术路径以产品需求为牵引，由材料特性与产品构型驱动，通过加工路径与设备工艺差异化形成细分，并无好坏优劣之分，更多是适应客户需求及产品构型。
3、3D打印在航空航天的优势
适配创新设计需求：传统航空制造领域内，制造能力决定设计结构，最低质量、最小成本的设计结构通常仅存在于三维建模软件中，导致最优化结构设计多年来难有突破。增材制造（3D打印）能突破传统制造瓶颈，不受零件复杂度制约，设计即能制造，软件设计中可依据功能最优化原则开展，支撑拓扑优化、整体化设计，实现轻量化制造。
复杂异形构件制造能力：新一代航空航天装备研制大量采用拓扑优化、整体化设计方法，呈现异形复杂、宏微观尺度结构复杂状态，其异形复杂件、多尺度构件、公构一体化构件含大量非标准化空腔，分割空腔的固体材料厚度与形状非标准化，传统锻造、铸造及机加工方式难以满足产品构形需求，模具本身亦为拓扑复杂构形，难以加工。增材制造（3D打印）不受零件外形轮廓复杂程度约束，零件强度基本满足航空航天设计要求。
降本增效数据表现：据论文研究，类似情况下3D打印可显著降低制造成本，尤其在发动机叶片、结构框架、机匣类关键零件制造中，增材制造能将复杂零件制造周期缩短65%，材料利用率从30% 提升至95% 以上，产品力学性能优异。公开数据显示，企业应用3D打印后，废料率降至5% 以下，零部件减重30~60%，交付周期缩短50% 以上。在火箭发动机领域，多重因素叠加使综合生产制造成本降低20%~33%，同时可制造此前无法实现的复杂异形构件。
4、3D打印的技术瓶颈与应用限制
核心技术缺陷：核心技术缺陷主要包括三方面：a. 各向异性，金属3D打印因微小金属液滴熔融凝固，微观晶粒生长方向受打印环境影响，力学性能沿逐层堆叠方向分布不均匀，需通过热处理等加工方式补充；b. 材料瓶颈，3D打印所能利用的材料仅上百种，远少于传统工业的上万种甚至数十万种，且需针对每种材料设计专门机器零部件，但受机器限制材料仍受限；c. 生产效率限制，传统铸造或锻造为流水线模式，有模具可批量生产，结构不复杂、批量大时3D打印无成本优势，更适用于结构复杂、批量不大的产品。
应用场景限制：应用场景存在明显限制，目前机身整体框架、火箭燃料贮箱、大型承力结构、外部蒙皮、整流罩及多材料复合界面（因涉及材料切换问题）均无法用3D打印制造，这些复合材料及承力结构是当前3D打印的技术瓶颈，因此3D打印更多用于发动机高价值的核心部件制造。
5、3D打印在商业航天的实际应用
国外SpaceX的应用案例：SpaceX的Raptor 3发动机采用先进金属3D打印技术，将大量管线整合到引擎中，减少了零部件数量，简化了加工工艺；性能上，Raptor 3推力比前代高21%、比初代高51%，具备优异性能与参数。
国内商业航天应用案例：国内商业航天火箭密集使用3D打印技术。天兵科技开创3D打印液体火箭发动机先河，2023年4月天龙二号运载火箭首飞成功，核心突破是采用3D打印高压补燃发动机，近90%部件通过增材制造完成，制造周期缩短70-80%，成本和重量降低40-50%；星河动力、深蓝航天、星际荣耀、蓝箭航天、东方空间等企业也密集采用3D打印制造火箭发动机。捷龙三号火箭卫星支架和过渡段产品成型用电弧熔丝增材制造技术，长11火箭卫星支架端框和支撑杆成型用电弧熔丝与激光选区融化增材制造技术；微光启航用连续纤维3D打印工艺制造复杂结构支架和部分健体构件，结合全碳纤维复合材料，实现健体90%结构碳纤维化，较传统金属材料减重30%以上。2023年全球首枚全3D打印火箭发射，虽未进入轨道，但展示了其优异性能，能实现高效制造、大幅缩小零部件数量。
其他领域应用探索：3D打印在火箭回收领域助力显著，可快速修复火箭零件因空气摩擦产生的磨损（用熔融金属粉末修复，节省流程时间，普惠公司已尝试该技术），还可生产定制化替换零件，未来或可制造大型回收相关零部件、优化设计减少交付周期。国内团队在模拟微重力环境下实现基于冷阴极电子枪的金属增材制造突破，自主研发长寿命、大功率冷阴极电子枪，通过电源控制算法解决打印过程中液滴流动问题，配比工作气氛促进印记表面材料生成、提升发射功率，解决微重力条件下熔融成型难题；该技术可用于地球轨道内太空3D打印及未来月球基地，能压缩复杂工业制造体系流程、用一台机器替换流水线，高效利用太空载荷。
6、3D打印相关公司标的推荐
3D打印相关标的梳理：3D打印是商业航天上游零部件行业，商业航天领域3D打印渗透率较高，国内诸多商业航天企业已采用3D打印产品，发展受益于下游行业高景气度支撑。未来可关注3D打印相关领域重点标的：打印设备及服务领域包括铂力特、华曙高科、银邦股份、飞沃科技、江顺科技、华工科技；材料领域涵盖有研粉材、豫安新材、四维新材；激光器领域重点关注锐科激光。
热门跟贴