$天工股份(SZ920068)$  钛合金赋能机器人轻量化与高性能：天工股份与北京天工机器人技术交流深度研究

一、项目背景与核心价值

2025年5月，天工股份与北京天工机器人技术有限公司进行了深入技术交流，重点探讨钛合金材料在机器人轻量化、电池续航能力提升及结构件强度增强等方面的应用潜力 。此次交流标志着天工股份正式进军机器人领域，为其钛合金材料业务开辟了新的应用场景，同时也为北京天工机器人的产品创新提供了材料技术支持 。钛合金作为一种轻质高强的战略性材料，正成为人形机器人产业突破技术瓶颈的关键要素，双方的合作有望推动机器人领域的技术革新和产业化进程 。

二、钛合金材料特性与机器人应用优势

2.1 钛合金的物理与机械性能优势

钛合金因其卓越的综合性能被誉为"太空金属"和"海洋金属"，是航天、航空、航海等高端制造领域不可或缺的核心材料 。在机器人应用中，钛合金展现出以下关键优势：

1. 高比强度：钛合金密度约为4.5g/cm³，仅为钢的57%，但强度可达普通钢的1.5~3倍，实现了轻量化与高强度的完美平衡 。

2. 耐腐蚀性：钛合金表面能形成致密氧化膜，具有极强的抗腐蚀能力，尤其适合在恶劣环境中工作的机器人 。

3. 抗疲劳性能：钛合金在循环载荷下表现出色，抗疲劳寿命可达传统不锈钢的3倍，特别适合机器人关节等需要频繁运动的部件 。

4. 生物相容性：钛合金与人体组织相容性良好，适用于医疗辅助机器人和可穿戴外骨骼设备 。

2.2 钛合金在机器人轻量化中的关键作用

轻量化是机器人性能提升的关键路径，钛合金在这方面发挥着不可替代的作用：

1. 降低整体重量：通过使用钛合金替代传统钢材，机器人整体重量可降低30%-40%，显著提升运动灵活性和能效 。

2. 提高负载自重比：钛合金材料使机器人能够在减轻自身重量的同时保持高负载能力。例如，凯富博科的"土星"深海机械臂采用钛合金主体材料，本体重量仅60kg，却能实现末端持重力455kg，持重自重比达到7.6:1 。

3. 优化能源效率：轻量化设计减少了机器人的运动负荷，从而降低了能源消耗，延长了续航时间，提高了能源利用效率 。

三、钛合金在机器人关键部件中的应用案例

3.1 关节系统应用

关节是机器人运动的核心部件，钛合金在这一领域的应用尤为广泛：

1. 特斯拉Optimus Gen3：其髋、膝关节采用Ti-6Al-4V合金齿轮组，配合3D打印镂空结构，使单个关节组件重量降低40%，同时抗疲劳寿命提升至传统不锈钢的3倍 。

2. 人形机器人承重关节：在机器人核心承力部位（如髋关节、膝关节），钛合金（TC4）与马氏体时效钢共同承担关键作用。钛合金强度是钢的1.5倍，耐腐蚀性提升3倍，能有效应对长期运动的疲劳损耗 。

3. 3D打印钛合金关节：北京天工机器人采用3D打印钛合金技术制造个性化关节，不仅实现了减重效果，还能根据不同体型用户进行定制化生产，生产成本下降40% 。

3.2 骨架与结构件应用

钛合金在机器人骨架和结构件中的应用也取得了突破性进展：

1. 天工Ultra机器人：采用碳纤维复合材料骨架和钛合金关键部件，身高1.8米、体重仅55公斤，相比前代减重15%，同时保持了优异的结构强度 。

2. 拓扑优化钛合金骨架：采用激光选区熔化（SLM）3D打印技术制造的拓扑优化结构钛合金骨架，在保证1300MPa抗拉强度的同时，实现40%减重突破。

3. 波士顿动力Atlas V11：其嵴柱支撑架采用网状钛合金框架，在保持25kg负载能力下，将整体刚性提升18% 。

3.3 外骨骼机器人应用

外骨骼机器人作为钛合金应用的重要场景，展现出巨大潜力：

1. 碳纤维+钛合金复合结构：使外骨骼整机重量降至2.2kg（较2023年减轻55%），穿戴舒适度媲美运动护具，同时保持了足够的支撑强度 。

2. 钛合金关节个性化定制：3D打印钛合金关节实现个性化定制，适配不同体型用户，生产成本下降40% 。

3. 可穿戴机器人：结合钛合金和碳纤维等轻质材料，可穿戴机器人实现了轻量化与高强度的平衡，能够在复杂环境中提供有效支撑 。

四、钛合金应用对机器人电池续航能力的影响

4.1 轻量化对电池续航的直接影响

钛合金轻量化设计对机器人电池续航能力的提升主要体现在以下几个方面：

1. 降耗需求：机器人轻量化可以降耗，对电机功率需求相对降低，从而提升机器人整体续航能力 。

2. 减轻电池负担：机器人重量降低可以减弱对电池能量密度的需求，使相同容量的电池能够支持更长时间的运行 。

3. 实际应用案例：卓益得人形机器人通过减重40%，将续航时间从2小时提高至6小时，显著提升了工作效率 。

4.2 钛合金在电池系统中的直接应用

除了通过轻量化间接提升续航外，钛合金在电池系统中也有直接应用：

1. 钛酸锂电池技术：钛酸锂电池具有长寿命、高安全性和快速充电特性，虽然能量密度目前不及三元锂电池，但其循环寿命可达6000-45000次，远高于普通锂电池 。

2. 电池结构优化：使用钛合金材料制作电池外壳和结构件，在保证强度的同时减轻重量，进一步提升电池系统的能量密度 。

3. 电池管理系统优化：结合钛合金轻量化设计和先进的电池管理技术，天工机器人实现了更高效的能源利用，延长了续航时间 。

五、天工股份在钛合金领域的技术实力与布局

5.1 天工股份钛合金业务概况

天工股份作为国家级专精特新"小巨人"企业和高新技术企业，在钛合金领域拥有深厚的技术积累：

1. 产品布局：公司专注于钛及钛合金材料的研发、生产与销售，产品涵盖板材、管材、线材等，广泛应用于化工、能源、消费电子等行业 。

2. 技术创新：天工股份不断强化钛及钛合金研发与生产工艺革新，以高端的板材、管材及线材产品为开发方向，向钛及钛合金新材料高端产品市场稳步迈进 。

3. 产业链整合：公司已形成从原材料海绵钛与其他金属元素配比、熔炼、锻造及各种精加工的完整产业链，能够最大程度发挥钛及钛合金材料技术性能 。

5.2 天工股份在机器人领域的布局

天工股份积极布局机器人领域，已取得多项技术突破：

1. 材料创新：天工国际与润福合作开发了高氮不锈钢丝杠材料，解决了传统材料中碳含量高易生锈的问题。公司已通过粉末冶金工艺成功研发出类似材料，并申请了相关专利 。

2. 产品验证：天工股份的TPM330牌号粉末高速钢已应用于机器人领域，并经过近一年的测试，成功通过了舍弗勒的验证，有望替代进口材料 。

3. 技术交流与合作：公司与北京天工机器人进行了深入交流，探讨了钛合金在机器人轻量化方面的应用，以及电池续航能力和结构件强度等问题，为公司在机器人领域的进一步发展奠定了基础 。

5.3 天工股份在消费电子与航天领域的钛合金应用

天工股份在消费电子和航天领域的钛合金应用已取得显著成果：

1. 消费电子领域：天工股份的钛合金材料已进入苹果、三星等头部消费电子厂商供应链，应用于iPhone 15和16的Pro及Pro Max型号边框，以及三星S24Ultra到S25 Ultra的边框材料 。

2. 航天领域：公司首个航天级紧固件用钛合金丝材订单已正式交付，产品直径精准控制在客户要求的3毫米范围内，生产能力覆盖0.9毫米至14毫米的全规格需求 。

3. 未来发展：天工股份计划募资4亿元投向《年产3000吨高端钛及钛合金棒、丝材生产线建设项目》，以满足快速增长的消费电子、3D打印、医疗器械等高端市场应用需求 。

六、北京天工机器人技术有限公司概况

6.1 公司背景与技术定位

北京天工机器人技术有限公司是国内人形机器人领域的领军企业，其背景和技术定位具有显著优势：

1. 成立背景：北京天工机器人由北京人形机器人创新中心研发，该中心于2023年11月在北京经济技术开发区成立，是国内首家聚焦于具身智能机器人核心技术、产品研发、应用生态建设的创新中心 。

2. 股东结构：创新中心由优必选、京城机电、小米机器人、亦庄机器人等机器人行业领军企事业单位联合组建，其中优必选、小米机器人、京城机电持股比例均为28.57% 。

3. 技术定位：北京天工机器人专注于具身智能机器人核心技术研发，汇聚了全球具身智能机器人产业顶尖的科学家和工程师，研发人员占比70%以上 。

6.2 北京天工机器人的核心产品与技术

北京天工机器人已推出多款具有行业影响力的产品，并在多个技术领域取得突破：

1. 天工Ultra机器人：全球首个纯电驱拟人奔跑的全尺寸人形机器人，身高约1.8米、体重约55公斤，最高奔跑速度达12千米/小时，在2025年北京亦庄半程马拉松中以2小时40分42秒的成绩夺得冠军 。

2. 天工行者机器人：售价29.9万元，在关键部位采用钛合金材质，充分降低整机重量，配合大扭矩密度关节模组，保证结构强度同时抗摔耐冲击，非常适合科研场景下的设备反复调试 。

3. 技术创新：公司自主研发的"慧思开物"具身智能平台实现"大脑"（任务规划）与"小脑"（运动控制）协同优化步态，采用"基于状态记忆的预测型强化模仿学习"运动控制方法，实现高精度控制各关节协调运动 。

6.3 北京天工机器人的应用场景与商业化进展

北京天工机器人积极拓展应用场景，推动人形机器人的商业化落地：

1. 工业巡检："天工"已作为电力巡检员上岗，手持检测仪对多台电柜进行多点位局部放电检测，高效完成巡检任务 。

2. 救援与勘探：天工机器人在复杂地形和极限环境中的运动能力，为救援、勘探和极地科考等场景铺平道路 。

3. 商业合作：2025年7月4日，北京人形机器人创新中心与哈森商贸(中国)股份有限公司正式签署战略合作协议，双方将在智能制造、仓储物流、零售门店三大场景展开合作，共同推进人形机器人技术的产业化落地 。

4. 商业化布局：优必选宣布在北京亦庄成立行者天工机器人全资子公司，负责行者(Walker)系列、天工系列及天工行者(科研教育版)等系列人形机器人的全面商业化及全球销售 。

七、钛合金在机器人领域的市场前景与发展趋势

7.1 钛合金在机器人领域的市场规模预测

随着人形机器人产业的快速发展，钛合金在该领域的市场规模预计将呈现爆发式增长：

1. 市场规模预测：根据Market Research Future 2025年1月报告，全球人形机器人用钛合金市场规模将从2024年的12.8亿元激增至2030年的187亿元，年复合增长率达49.3% 。

2. 单机用量增长：以特斯拉Optimus为例，其钛合金用量从Gen2的1.2kg提升至Gen3的4.5kg，占整机材料成本比重从7%增至19%，显示出单机钛合金用量的快速增长趋势 。

3. 行业需求驱动：2025年一季度国内机器人用钛合金订单量同比激增217%，单月产能突破80吨，较2023年同期提升3倍，反映出市场需求的强劲增长 。

7.2 钛合金在机器人领域的技术发展趋势

钛合金在机器人领域的应用技术正朝着多个方向快速发展：

1. 3D打印技术应用：激光选区熔化（SLM）3D打印技术可实现复杂拓扑优化结构的一体成型，显著提升钛合金部件的性能和轻量化程度 。

2. 材料创新：钛-铝层压材料已实现比传统钛合金轻20%的性能，无钒钛合金在保持强度的同时将生物毒性风险降低90%，这些新材料将为机器人领域带来新的可能性 。

3. 工艺降本突破：电子束熔丝沉积技术使钛合金构件打印效率提升400%，单位能耗降低65%，推动3D打印钛件价格从2023年的3500元/kg降至2025年预期的1800元/kg，大幅降低应用成本 。

4. 回收体系完善：《人形机器人用钛合金废料再生标准》的实施，预计到2026年再生钛在机器人领域的应用比例将达30%，进一步压缩原材料成本 。

7.3 政策环境与产业生态建设

政策支持和产业生态建设对钛合金在机器人领域的应用具有重要推动作用：

1. 国家政策支持：2024年12月，中国《人形机器人创新发展指导意见》首次将"钛合金精密成形技术"列为十大攻关工程，并明确要求到2027年实现3D打印钛关节成本下降50% 。

2. 地方产业集群：陕西省依托宝鸡"中国钛谷"产业集群，设立20亿元专项基金支持钛合金3D打印、超塑性成形等工艺开发，推动钛合金在机器人领域的应用 。

3. 产业生态构建：北京人形机器人创新中心联合京东、中兴、均普研究院等企业，在仓储物流、工厂分拣、汽车制造等领域优先开展试点应用，推动钛合金在机器人领域的产业化落地 。

八、天工股份与北京天工机器人合作的战略意义与前景展望

8.1 合作的技术协同效应

天工股份与北京天工机器人的合作具有显著的技术协同效应：

1. 材料与应用的协同：天工股份在钛合金材料领域的技术积累与北京天工机器人在机器人设计制造方面的经验相结合，能够加速钛合金在机器人领域的创新应用 。

2. 轻量化与结构优化的协同：双方合作可实现钛合金材料特性与机器人结构设计的深度融合，进一步提升机器人的轻量化程度和结构性能 。

3. 电池续航与材料应用的协同：天工股份与北京天工机器人探讨钛合金在电池续航能力提升方面的应用，有望通过材料创新和结构优化，实现机器人续航能力的突破 。

8.2 合作的产业化前景

天工股份与北京天工机器人的合作有望在多个领域实现产业化突破：

1. 人形机器人领域：双方合作开发的钛合金轻量化技术有望应用于北京天工机器人的多款产品，提升产品性能，降低生产成本 。

2. 外骨骼机器人领域：钛合金在可穿戴外骨骼设备中的应用具有广阔前景，双方合作可推动该领域的技术创新和产业化落地 。

3. 特种机器人领域：在深海探测、极地科考等特种机器人领域，钛合金的优异性能将发挥重要作用，双方合作有望在这些领域取得突破 。

8.3 未来发展路径与挑战

天工股份与北京天工机器人的合作面临机遇与挑战并存的局面：

1. 技术挑战：钛合金在机器人领域的大规模应用仍面临材料成本高、加工难度大、连接工艺复杂等挑战，需要双方共同攻关 。

2. 市场挑战：人形机器人市场仍处于发展初期，规模化应用尚未实现，需要双方共同培育市场，推动应用场景的拓展 。

3. 发展路径：双方未来可在材料研发、产品设计、应用场景开发等方面深化合作，逐步构建从材料到产品的完整产业链，推动钛合金在机器人领域的规模化应用 。

九、结论与建议

9.1 核心结论

1. 钛合金是机器人轻量化与高性能的关键材料：钛合金具有高比强度、耐腐蚀性、抗疲劳性等优势，是机器人轻量化和提升性能的理想材料，已在关节系统、骨架结构和外骨骼机器人等领域得到广泛应用 。

2. 天工股份与北京天工机器人的合作具有战略意义：双方在钛合金材料与机器人应用方面的合作，将加速钛合金在机器人领域的创新应用，推动机器人轻量化和高性能化发展 。

3. 钛合金在机器人领域的市场前景广阔：全球人形机器人用钛合金市场规模预计将从2024年的12.8亿元激增至2030年的187亿元，年复合增长率达49.3%，市场前景广阔 。

9.2 对天工股份的建议

1. 加强钛合金材料研发：继续加大在钛合金材料研发方面的投入，特别是针对机器人应用场景的专用钛合金材料，提升材料性能和降低成本 。

2. 深化与北京天工机器人的合作：在技术研发、产品应用和市场拓展等方面与北京天工机器人深化合作，共同推动钛合金在机器人领域的应用 。

3. 拓展产业链布局：积极向上游钛矿资源和下游钛合金深加工领域拓展，构建完整的钛合金产业链，增强市场竞争力 。

9.3 对北京天工机器人的建议

1. 加速钛合金应用技术创新：加大在钛合金应用技术方面的研发投入，特别是3D打印、拓扑优化等先进制造技术，提升钛合金部件的性能和轻量化程度 。

2. 拓展应用场景：积极拓展钛合金在工业巡检、医疗康复、特种作业等领域的应用场景，推动人形机器人的商业化落地 。

3. 构建产业生态：联合钛合金材料供应商、机器人零部件厂商和应用场景客户，构建开放共赢的产业生态，共同推动人形机器人产业发展 。

天工股份与北京天工机器人在钛合金领域的合作，有望成为推动机器人产业轻量化和高性能化发展的重要力量，为中国机器人产业的创新发展贡献力量。