11月1日,三星宣布将在明年初发布的全新Galaxy S24系列的部分型号上采用钛金属框架。目前,3D打印与钛合金的结合成为产业发展新趋势,在消费电子的市场空间超百亿。
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2023年起苹果、荣耀、小米、三星、华为等均开启导入钛合金材料:10月26日,小米发布14 Pro推出钛金属特别版,采用99%钛金属中框;10月12日,荣耀发布轻薄大内折旗舰手机荣耀Magic Vs2,采用鲁班钛金饺链、荣耀自研盾构钢、航天级稀土镁合金等一系列创新材料;9月13日,苹果发布了iPhone 15系列产品,Pro版本采用全钛金属机身。
为什么各大手机厂商纷纷采用钛合金?
钛合金是以钛为基础加入铝、锡、钒、钼、铌等其他元素组成的合金,具有比强度高、抗疲劳性强、耐蚀耐热性好等优异性能,在化工、航空航天、船舶、海洋工程、冶金、体育休闲等领域具有广泛的应用。
钛合金优势:高强度、轻量化
相比传统不锈钢(硬但不轻)、铝合金(轻但不硬),钛金属能更好兼顾硬度和重量,做到又轻又硬、满足3C轻薄需求,这也是它能够成功推广的重要原因。
根据相关数据,TC4钛合金的抗拉强度和屈服强度分别可达到960Mpa和892Mpa,高于304不锈钢的520Mpa和和205Mpal以及A380铝合金的320Mpa和160Mpa。
同时,钛合金的密度比不锈钢材料低,TC4与304不锈钢的密度分别为4.51g/cm2和7.93g/cm3,这使钛合金在同体积下重量更小。相比使用不锈钢,苹果Ultra手表使用钛合金表壳能够减轻全机重量的12.9%。
钛合金优劣势对比及钛合金与铝、镁、锌合金性能参数对比
3C领域成钛材新需求增长点,渗透率加速提升
2022年全球钛矿产量约867.3万吨,同比增长4.9%,我国2022年钛矿产量达314.4万吨,占全球产量的36%,同比增长10.05%。2020年以来海绵钛、钛锭和钛加工材产量维持高增长,我国海绵钛产量复合增速超28%,钛加工材产量同期复合增速达27%。
从需求角度看,钛白粉仍是钛矿的最大用途,但地产需求萎缩压制涂料需求,海绵钛占需求的8%;钛加工材的使用场景中,化工、航空航天、医药、电力和船舶等领域占比较高。
2022年,化工和航空航天两大领域占钛加工材需求的73%,且近年来需求占比持续提升,预计消费电子领域需求占比有望从2023年开始显著提升,2025年达到12%。
2022年全球和中国钛材产量及应用需求占比分析
由于钛合金材料的加工难度大且材料良率较低,其在消费电子领域一直没被广泛使用,但随着3D金属打印工艺和材料结构的创新,以及苹果、小米等消费电子龙头旗舰产品应用,钛合金有望成为3C电子领域重要的材料创新方向。
3D打印加工钛合金有何优势?
增材制造俗称3D打印技术,有别于传统减材制造,是一种快速成型技术,通过对模型数字化立体扫描、分层处理,借助于类似打印机的数字化制造设备,利用材料不断叠加形成所需的实体模型。
目前已经广泛应用到航空航天、医疗器械、建筑、汽车、能源、珠宝设计等领域,美国《时代》周刊将增材制造列为“美国十大增长最快的工业”,英国《经济学人》杂志则认为它将“与其他数字化生产模式一起推动实现第三次工业革命”。
钛合金加工工艺:CNC切削磨削与3D金属打印对比
由于钛合金材料特性,使得加工环节(成形、研磨抛相较铝合金,采用切削磨削加工钛合金制品存在良率低、耗时长,设备需求量大等难点。以手机中框为例,根据艾邦高分子数据,钛合金手机中框整体良率约为30%-40%,远低于铝合金中框的80%;且加工时间长,约为铝合金的3-4倍。
而作为钛合金加工新方向,金属3D打印依据零件三维模型快速制造,不需要专用型模具,应用粉状金属材料,用逐层打印的方法来建构物件,具有便捷性高、高精度、低成本的特点。另外在钛合金领域,热等静压能够有效提高钛合金工件力学性能,降低钛合金成本,提高生产效率及材料利用率。
钛合金TC4(Ti-6Al-4V)3D打印与传统锻造工艺力学性能(塑性变形能力)对比
3D打印能够节省材料、降低能耗。据美国能效和可再生能源局,相较于传统制造方法,增材制造可以将材料成本和浪费降低近90%,同时将能耗降低25%。同时,目前越来越多的3D打印支持材料回收循环,进而减少材料浪费。
3D打印制造过程环境污染小。传统工艺所产生的废渣、废水、废气有害物质会对环境造成污染,而3D打印机可以可再生生物降解材料为原料,通过电源产生的高温熔化喷出熔融物并逐层堆积而成,减少毒气、噪声和化学物质等污染。
3D打印技术相比传统CNC制造能耗对比
“3D打印+钛合金”——3C产业发展新趋势
荣耀引入钛合金3D打印技术,引领行业技术更迭
2023年7月,荣耀发布的折叠屏手机Magic V2,第一次大规模使用钛合金3D打印技术,该技术主要用于铰链的轴盖部分,这是3D金属工艺结构件首次在手机上大规模使用。相比此前的不锈钢和铝合金材质,钛合金能够更好地兼具坚固和轻薄的特点,从而降低手机的厚度和重量,并提高强度。3D打印首次大规模在消费电子中进行应用,具有里程碑式的战略意义,未来有望打开成长空间。
钛合金3D打印在消费电子领域的市场空间有望超百亿元
经测算,针对全球市场,若3D打印保持在钛合金折叠屏饺链轴盖这一细分领域90%的渗透率,伴随着钛合金材料端的渗透率不断提升,市场空间有望从2023年预计的4亿元提升至2027年的18亿元,2023-2027年CAGR达45.6%。
若3D打印保持在钛合金折叠屏较链轴盖这一细分领域80%的渗透率,则对应市场规模有望从2023年预计的近6亿元提升至2027年的21亿元,2023-2027年CAGR达37.7%。
全球市场钛合金折叠屏饺链轴盖领域3D打印市场规模预测
如果苹果采用3D打印工艺,假设初期Ultra表壳和Pro中框分别有30%和10%采用3D打印工艺,则对应的市场空间将达到31亿元;长期看若Ultra表壳和Pro中框分别有90%和30%采用3D打印,则对应空间约93亿元。
3D打印行业企业迎来增长机遇
华曙高科现已开发20余款金属与高分子工业级3D打印设备,并配套40余款专用材料及工艺;采用国际化战略,持续开拓海外市场,在全球范围内开展合作与产业化应用。
公司产品和技术可为多领域提供创新设计、一体化制造、异型复杂结构件精密制造、个性化批量制造等解决方案。未来公司会以市场化和产业化为导向进入特定行业的3D打印服务,根据客户的需求,为特定应用场景对象提供3D打印服务。
2022年营收为4.57亿元,较上年同期的3.34亿元增长36.67%;净利为9918万元,较上年同期的1.17亿元下降15.52%。
铂力特覆盖3D金属打印“设备+产品+原材料”全产业链,深耕行业超20年,技术团队实力行业领先。
2022年度公司营业收入9.18亿元,同比增长66.32%,营业利润5847.92万元,营业毛利率54.55%,较上年增长6.32个百分点。其中,3D打印定制化产品、自研3D打印设备及3D打印原材料营业收入同比分别增长68.26%、91.71%、96.67%。
华曙高科、铂力特近四年营收统计
3D打印机关键零部件包括激光器、扫描振镜等。
炬光科技主要从事光子行业上游的高功率半导体激光元器件和原材料(“产生光子”)、激光光学元器件(“调控光子”)的研发、生产和销售。向不同客户提供上游核心元器件和中游光子应用解决方案,公司是工业制造设备等核心部件生产商。
大族激光主要业务为智能制造装备及其关键器件的研发、生产和销售,公司产品包括信息产业设备、新能源设备、半导体设备、通用工业激光加工设备等。2022年公司“3D打印用金属球形粉末雾化法制备工艺及设备项目”获得资助款100万元。
总结
目前,钛合金因其突出优势成为3C电子领域重要发展方向。
钛合金开启大规模在手机中进行应用,未来如钛合金材料进一步在各3C消费电子品牌(苹果、荣耀、三星、华为、小米、VIVO、OPPO等)、及产品类型(手机—手表—Pad—笔记本电脑)中逐步渗透,成长空间有望持续打开。
产业辐射:3D打印产业链收益
在主要消费电子厂商纷纷布局钛合金材料的同时,3D打印与钛合金的结合成为产业发展的新趋势。2022年全球增材制造(3D打印)市场规模约180亿美元,2012-2022年CAGR约23%,2025年和2030年全球3D打印收入规模将分别达到298亿美元和853亿美元。
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