机床之硬脆材料精密加工机床设备行业发展分析

机床之硬脆材料精密加工机床设备行业发展分析

1 、机床及数控机床行业发展概况

（1）我国已成为世界第一机床生产大国

21 世纪初，日本和德国系占据着世界机床产值前两位的传统强国，但两国的机床产业均在 2008 年爆发的金融危机中受到较大影响。彼时，机床行业高速发展中的中国受金融危机的影响相对较小，机床产值于 2009 年一跃成为世界首位，并在随后的七年中一直保持着世界第一机床生产大国的地位。

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相关报告：北京普华有策信息咨询有限公司《2018-2025年国内外硬脆材料精密加工机床设备行业供需格局及竞争趋势预测研究报告》

（2）数控机床已成为机床市场的主流产品

数控机床系数字控制机床的简称，它是在普通机床上发展而来的，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。

数控机床较好地解决了复杂、精密、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。数控机床集高效、柔性、精密、复合、集成诸多优点于一身，已成为现代化智能装备制造业的主力加工设备和机床市场的主流产品。近年来，我国数控机床行业的发展呈现以下特点：

①工业转型升级与消费升级带动数控机床行业发展

近年来，随着我国工业转型升级和战略性新兴产业高速发展，以智能制造、绿色制造和服务型制造为代表的装备制造业已经成为国民经济的支柱产业，实现我国装备制造业由大到强的转变，已成为国家发展装备制造业的主要目标。与此同时，随着全面建设小康社会战略的实施，人们对生活品质有了更高的要求，消费电子行业、汽车工业等反映“消费娱乐化”趋势的领域正迎来高速发展期。在上述工业转型升级的大背景下，数控机床行业作为上述行业重要的加工设备也在消费升级的大趋势中迎来新的增长点。

②行业进口替代市场潜力及数控化率提升空间巨大

数控机床行业属于技术密集、资金密集、人才密集的产业，具有多门类、多品种、小批量、高社会效益等产业特性。目前行业配套的中高档数控系统和关键功能部件主要依赖进口。根据中国海关的统计数据显示，2016年中国机床进口总额约为75亿美元，进口替代空间巨大。同时，相比日本、德国及美国发达国家的60%-70%的制造设备数控化率，我国机床的数控化率仍然较低。随着未来下游产业的升级，我国机床工具产业将进行结构性调整，数控机床将逐渐替代普通机床，占据主导地位。

③高端数控机床关键技术仍有差距

精密制造技术的进步使机械加工实现了亚微米、纳米级超精加工，精密机床制造进入了微纳时代。集信息技术、系统控制技术、电子技术、光电子技术、通信技术、传感技术、软件技术和专家系统等为一体，实现扩展和替代脑力劳动的智能化控制技术，成为驱动数字化工厂建设的技术基础。但高端数控机床设备中有些关键技术（如高速、高精运动控制技术，动态、热态综合补偿技术，多轴联动和复合加工技术，智能化控制技术，高精度直驱技术及可靠性技术等）尚需进一步突破，有些重大技术离产业化还有相当距离。以市场为导向、以企业为主体，产、学、研、用相结合的研发体系尚未真正建立，行业的自主创新发展缺乏基础支撑。

2 、硬脆材料精密加工机床设备行业发展概况

（1）硬脆材料加工行业

玻璃、蓝宝石、硅材料、磁性材料、陶瓷材料等硬脆材料是公司精密数控机床设备加工的主要材料，由于硬脆材料在韧性和强度方面相互之间差异较大，既不同于高脆性材料的纯断裂过程，又不同于金属材料的塑性剪切过程，其磨削难度大、效率低，加工成本较高。这些加工后的硬脆材料是生产消费电子产品、LED 产品、太阳能光伏设备、航空航天设备及集成电路工业主要或关键元器件的基本材料，因此硬脆材料加工水平成为制约多种行业发展的关键因素之一。为突破这一技术难题，许多国家加大对硬脆材料加工技术的研发投入，使硬脆材料的加工标准日益提升，精密加工数控机床设备也随着工艺要求的不断进步而取得了不断突破。

（2）硬脆材料精密加工机床设备行业发展概况

我国从 20 世纪 60 年代起开始发展精密加工行业，早期对硬脆材料的切割加工设备主要依赖进口，自第一台多线切割机问世至今，国产多线切割机取得了迅速发展：2006 年 12 月 30 日，我国第一代具有自主知识产权的多线切割机床诞生；2007 年 10 月 27 日，我国第二代通过科技成果鉴定的多线切割机床诞生；2008 年至今，为第三代高精度、高速度及专用多线切割机开发阶段；2010 年国家重大专项之一、具有世界领先水平的 300mm 硅片多线切割机研发成功。从国产数控多线切割机床与国外产品主要技术指标对比来看，当前国产多线切割机以中小型尺寸加工为主，并在该领域各项主要指标达到或超过国际先进水平，应用范围也从单纯的半导体单晶硅加工快速推广至多晶硅、石英晶体、宝石、玻璃及压电陶瓷等其他材料的加工行业。

我国20世纪80年代开始研磨抛光机等硬脆材料高端精密加工设备自主研发生产，90 年代逐步实现研磨抛光机的规模化生产，但国内产品与国外高端产品在精密控制方面尚存在一定的差距。

近年来，随着国家《中国制造 2015》发展战略的提出，国际高端精密加工数控机床设备厂商已呈现向中国转移的趋势，一些国际性企业已在中国设立了子公司或计划寻求合作伙伴。国际高端精密数控机床设备制造产业向中国转移，为中国企业的发展提供了更大的平台和机遇，有利于我国高端精密数控机床行业更好地参与国际化竞争，促进行业整体技术水平和盈利能力的提升。

3、数控机床行业情况分析

数控机床作为机床行业的重要分支，属于高端制造装备，是国家培育和发展战略性新兴产业的重要领域，在国家工业发展过程中具有重要的战略意义。《中国制造2025》规划中明确提出，“高端数控机床与基础设施装备”之具体目标如下：到2020年，高档数控机床与基础制造装备国内市场占有率超过70%；数控系统标准型、智能型国内市场占有率分别达到60%、10%，主轴、丝杠、导轨等中高档功能部件国内市场占有率达到50%；到2025年，高档数控机床与基础制造装备国内市场占有率超过80%。高档数控机床与基础制造装备总体进入世界强国行列。

根据《2016-2022年中国智能制造装备行业分析及投资战略研究报告》，自2010年以来，我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得高速发展，在一些关键技术方面也取得重大突破。

我国目前正处于工业化进程的中期阶段，是从解决短缺为主的脱贫到发展经济强国致富之路的关键阶段，下游强劲的发展势头带动了对数控机床的巨大需求，中国已经超过德国，成为世界第一大机床市场，数控机床已成为机床消费的主流。我国未来数控机床市场巨大，中高档数控机床的比例将显著增加，经济型数控机床比例将基本持平，而非数控普通机床的需求将大幅降低。国务院《中国制造2025》战略纲领中明确提出：“2025年中国的关键工序数控化率将从现在的33%提升到64%”，这对我国数控机床行业的发展起到了极大的助推作用。2015年，中国数控机床市场规模已达到1,355亿元 ，预计到2020年我国数控机床行业的资产规模将到达2,720亿元，行业未来发展空间巨大。此外，我国数控机床设备行业经过数年的发展，技术、工艺等都已处于成熟阶段，数控化率有了明显提升，机床产值数控化率从2004年的11%、27%提升至2014年的38.7%、61.5% ；发达国家的数控化率通常平均在70%以上，产值数控化率在80%-90%，相比于发达国家，我国机床产业整体数控化率偏低，未来发展潜力巨大。同时，我国自主研发生产的机床设备仍以中低端产品为主，数控机床高端产品仍主要依赖进口。2014年国内高端数控机床自给率不足10%，还有90%的高端数控机床来自于进口。随着我国数控机床设备技术的不断升级，未来高端数控机床设备领域进口替代空间广阔。

4 、硬脆材料精密加工机床设备行业

近年来，随着《德国2020高技术战略》和《中国制造2025》战略纲领的提出，高端智能装备制造成为了世界关注的重心，我国也将大力发展高端数控机床行业作为打造制造强国的重要举措之一，硬脆材料精密加工机床设备作为高端数控机床领域的重要分支，得到了国家政策的大力支持。尤其随着消费电子产品、LED产品、太阳能光伏设备、航空航天设备及集成电路工业等产业的高速发展，多种硬脆材料精密加工需求正在不断地增长。

外资企业曾凭借其技术的先进性，在市场中长期处于垄断地位，但随着我国制造生产技术的不断进步，国产精密加工机床设备凭借性能的稳定性、功能的齐备性以及较高的性价比打破了市场被外企垄断的局面，产品逐步实现进口替代。随着全球制造中心向中国的集中，未来硬脆材料精密加工机床设备的需求将会不断加大。

硬脆材料精密加工机床设备主要应用于玻璃、蓝宝石、硅材料、磁性材料和陶瓷材料等硬脆材料的切割、研磨和抛光加工，这些硬脆材料是生产消费电子产品、LED产品、太阳能光伏设备、航空航天设备以及集成电路工业主要或关键元器件的基本材料。随着下游行业的快速发展以及上述材料应用领域的扩大，硬脆材料精密加工机床设备的需求量有较大提升。

（1）玻璃

视窗防护玻璃的切割、研磨和抛光加工是切割机和研磨抛光机在玻璃行业的主要应用。

视窗防护玻璃是一种具有强度高、透光率高、韧性好、抗划伤、憎污性好、聚水性强等特点的玻璃镜片，其内表面须能与触控模组和显示屏紧密贴合、外表面有足够的强度，达到对平板显示屏、触控模组等的保护、产品标识和装饰功能，是消费电子产品的重要零部件，广泛应用于手机、平板电脑、笔记本电脑、桌上电脑、数码相机、播放器、GPS导航仪、汽车仪表等产品。

随着平板显示器和触摸屏在消费电子产品上的应用和普及，视窗防护玻璃行业快速发展，已形成了具有一定规模的产业体系。每部手机、平板电脑等至少需要一块视窗防护玻璃，同时由于触摸屏生产过程中的贴合损耗和维修备货等因素的影响，视窗防护屏与智能手机出货量的数量比例大于1：1。此外，随着5G通信来临、无线充电技术将被广泛使用，技术上而言，没有电磁屏蔽效应的玻璃和陶瓷等非金属材料取代金属材料作为机壳将是大趋势。机壳材质的更换将对研磨抛光设备的市场规模有较大的提升。目前，部分手机供应链厂商开始增加手机防护玻璃的产能，以应对行业的变化。

视窗防护玻璃生产设备一般使用年限为3-5年，前几年随着手机出货量快速增长而大量投入的研磨抛光设备逐步进入更换期；同时，随着电子消费品行业的快速发展，消费者对产品工艺、外观要求也越来越高（比如，近年来2.5D/3D手机屏幕设计成为主流，2.5D/3D视窗防护玻璃需求也大幅增长），切割机和研磨抛光机也将随着下游产品工艺变化不断升级迭代，而机壳材质由金属向非金属转变也将增加大量的市场需求。此外，消费者的需求导致生产厂商对于生产设备的工艺精度以及性能要求也越来越高，因此精密数控机床设备行业迎来了良好的发展契机。

（2）蓝宝石

蓝宝石最大特点是硬度非常高，在自然材料中其硬度仅次于金刚石。由于具有高硬度、耐磨性、高温稳定性等特点，蓝宝石逐渐成为现代工业重要的基础材料，目前广泛应用于LED衬底、消费电子产品、航空航天装备以及医疗植入品等领域；蓝宝石在上述行业的应用均需经过特定工艺的切割、研磨、抛光加工。LED衬底材料主要应用于LED照明，高亮度蓝白光LED衬底约90%系由蓝宝石材料制成，而LED照明由于其优越的性能和高效绿色的特征，在照明产业中逐渐确立了重要地位。

蓝宝石凭借优越的光学性和电学性等性能优势，有望成为高端消费电子领域保护玻璃材料的新宠。目前，蓝宝石在消费电子产品上的应用领域主要包括：部分手机产品的摄像头镜头保护盖与手机按键指纹识别保护镜片；部分智能可穿戴设备的窗口；部分高端手机的视窗盖板。现阶段，苹果、华为等公司的部分智能手机、平板电脑、智能穿戴设备已经使用蓝宝石材质的摄像头保护镜片、指纹识别保护镜片、显示屏防护镜片和红外感应探头保护镜片等；同时，随着大块蓝宝石长晶和后加工技术的成熟，蓝宝石有望在中大尺寸显示屏防护镜片方面得到批量应用。预计到2020年，全球蓝宝石材料消费市场将增长到341.5亿元。

此外，蓝宝石材料还可应用于军工特种窗口及光电功能材料，是整流罩、光电窗口、护板、陀螺、耐磨轴承等部件不可替代的材料。随着导弹、战机、军舰、雷达、电子对抗等武器装备的升级换代，要求军用光电窗口及器件适应高速化、耐极端环境能力、多功能复合、智能化；作为透波材料，蓝宝石在紫外、可见光、红外、微波等波段都具有良好的透过率，可以满足多模式复合制导（电视、红外成像、雷达等）以及作为超高音速导弹对透波部件的苛刻要求。

综合来看，理论上任何对硬度、耐磨等有较高要求的领域都可以用蓝宝石来替代。蓝宝石在军工、医疗器械、航空航天等行业都可能得到大规模的应用。因此，蓝宝石与玻璃在应用领域以及加工工艺方面的差异也将对切割、研磨、抛光设备行业的发展带来新的驱动力。

目前全球两大玻璃盖板和蓝宝石加工厂商蓝思科技与伯恩光学均位于我国大陆，大陆的蓝宝石供应商具有较强的本土供货优势，进口蓝宝石因税收等一系列原因优势逐步消失，未来大陆将有望成为全球蓝宝石产业的中心。蓝宝石加工环节因具备本土供应优势，对国内加工的需求将不断加大，成本的降低将近一步带来国内切割、研磨、抛光加工设备的市场优势。

（3）硅材料

硅材料是最主要的元素半导体材料，包括硅多晶、硅单晶、硅片、硅外延片、非晶硅薄膜等，可直接或间接用于制备半导体器件。半导体广泛应用于制作晶体管、集成电路、电力电子器件、光电子器件等领域，支撑着通信、计算机、信息家电、网络技术、国防军工以及近年来兴起的光伏、LED 等行业的发展。目前公司的多线切割机产品主要应用于太阳能硅片的切割领域。

近年来，随着世界各国对新能源开发的重视、光伏发电技术的提高以及光伏组件、多晶硅价格下降，全球光伏产业迅猛发展。随着我国光伏发电装机容量的迅速提升，光伏发电的应用成本对上游硅片等原材料精密加工机床设备的加工效率也提出了更高的要求。切割硅片是电池片加工的重要步骤，硅片制造过程可能出现断线、停机、厚度不均匀、粗糙度过大等问题，同时在硅片切割过程中材料损失较大，因此硅片切割技术对光伏发电成本有重要影响。公司主要产品多线切割机采用的多线切割技术是硅加工行业、太阳能光伏行业内的标志性革新，它替代了原有的内圆切割设备，所切晶片与内圆切片工艺相比具有弯曲度（BOW）、翘曲度（WARP）小，平行度（TAPER）好，总厚度公差（TTA）离散性小，刃口切割损耗小，表面损伤层浅，晶片表面粗糙度小等等诸多优点，加工效率的大幅提高，对光伏发电成本的降低起到了关键作用。

目前国产硬脆材料精密加工数控机床设备在技术上已经达到国外产品的水平，应用于硅材料的切方、切断和切片等加工领域的相关设备将逐步实现进口替代，未来光伏行业庞大的市场容量、巨大的新增需求与进口替代需求都将会给国内精密加工数控机床设备生产商带来巨大商机。

同时，用于加工太阳能硅片的精密加工数控机床设备通常在运行 3-5 年后进入自然更替周期，光伏行业过去大量投入的固定资产开始进入更换周期，这也将为光伏行业配套的相关设备制造业带来大量的市场需求。因此，光伏行业对于精密加工数控机床设备的升级换代需求将随着行业的发展不断增加，精密加工数控机床设备供应仍然存在巨大缺口。

此外，硅材料也是集成电路中最重要的材料。在我国，集成电路工业是信息产业的基础和核心。目前 90%以上的芯片和传感器是基于半导体单晶硅片制造而成，随着集成电路市场的快速发展，硅材料的需求亦将大幅提升。

（4 ）磁性材料、陶瓷材料

磁性材料主要是指由过渡元素钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质。磁性材料作为电子信息产业重要基础功能材料，是电能与动能转化的核心材料，其制品广泛应用于汽车、家用电器、计算机、通讯、工业自动化控制、航天航空及国防等领域，属于国家重点支持和鼓励发展产业。二十一世纪经济全球化和国际产业结构的调整，我国正在形成全球最大的电子元件消费市场，这带动我国磁性材料的持速发展。

陶瓷是用天然或人工合成的无机粉状物料，经过成型和高温烧结而制成的一种多相固体材料，与金属材料、高分子材料并称三大固定材料，是人类生活和现代化建设中不可缺少的一种材料，兼有金属材料和高分子材料的共同优点。而现代先进陶瓷材料的性能稳定、强度高、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐酸碱、耐磨损、抗氧化，并具有良好的光学性能、声学性能、电磁性能、敏感性等，远优于金属材料和高分子材料。陶瓷材料广泛应用于通讯行业、传感器行业、电子消费品行业等：

① 通讯行业

光纤通信网络中最常用、数量最多的精密定位件即为陶瓷插芯，其被广泛应用于光纤连接器的制造、器件的光耦合等。

② 传感器行业

当前以传感网、物联网为代表的信息获取或信息感知正在推动信息产业进入新的发展阶段，物联网行业已经被各国政府提升为国家战略，而传感器作为物联网感知层的主要设备也将迎来巨大的发展机遇。全球物联网的市场规模在 2025 年将达到 11 万亿美元，相应的传感器市场也将达到数千亿美元规模。相对于其他材料，陶瓷材料传感器具有测量的高精度、高稳定性以及价格优势，在欧美国家有全面替代其它类型传感器的趋势。因此，针对陶瓷材料的精密加工机床设备行业亦将随着陶瓷材料传感器的广泛应用而迎来良好的发展机遇。

③ 电子消费品行业

近年来，得益于互联网技术的发展、消费电子产品制造水平的提高、居民收入水平的增加，消费电子产品与互联网相融合逐步成为趋势，使用消费电子产品逐步成为居民日常生活的一部分。相比金属与玻璃，氧化锆陶瓷和微晶锆陶瓷等具有更出色的外观、更细腻的质感、更强的耐磨抗刮性和更小的电磁屏蔽性，并拥有接近金属的优异散热性。随着陶瓷机壳工艺逐渐成熟，手机品牌和供应链众多大厂商开始跟进，小米、一加、华为等众多手机厂商纷纷选择陶瓷作为主要机型的材质。市场需求将带动陶瓷材料应用领域的进一步扩大，陶瓷材料精密加工机床设备行业未来发展具有较大潜力。

来源：普华有策咨询