中国における3Dプリントの5つの主要な応用展望の分析

3D プリントは米国で生まれました。チャールズハルは 1986 年に初めて光硬化技術を開発し、3D Systems を設立しました。以来、20年以上の開発を経て技術は向上し、3Dプリント関連の製品やサービスの売上は増加し続けています。 Wohlers Associates によれば、過去 25 年間の 3D プリント製品およびサービスの収益の複合年間成長率は 25.4% で、2013 年の売上高は 284.3 億ドルに達し、2012 年の 22.04 億ドルから 29% 増加しました。

世界的に見て、3Dプリンターを最も多く生産・購入している国は米国であり、中国のシェアはまだ非常に小さい。そのうち約4分の1は米国製で、イスラエルと欧州諸国はそれぞれ9.3％と10.2％を占めている一方、中国製の3Dプリンター機器はわずか3.6％を占めている。

中国市場は今のところ小さいが、最も急速に成長している
2013年、世界の3Dプリント市場規模は28億4,300万米ドルでしたが、中国の3Dプリント市場規模はわずか14億人民元でした。しかし、近年では中国が世界最大の3Dプリント市場になると予想されています。

中国3Dプリント技術産業連盟の事務局長であり、アジア製造業協会のCEOである羅軍氏は、中国の3Dプリント市場は約3年以内に現在の14億元から100億元に成長すると予測している。

世界の3Dプリント業界の権威ある研究機関ウォーラーズのテリー・ウォーラーズ社長は会議で、中国の3Dプリント市場の可能性についても楽観的だが、中国がこの分野で世界最大の市場になるにはまだ時間がかかるかもしれないと考えていると述べた。同社は18年連続で世界の3Dプリンティング業界レポートを発表しており、世界の3Dプリンティング業界の風見鶏として評価されています。報告書によると、3Dプリント機器・サービスの世界市場は28億ドルで、そのうち米国が約60％、ドイツ、日本、中国などがそれぞれ約10％を占めている。

世界の3Dプリンティング業界は、今後5～10年間で年平均20%以上の成長を続けるだろう。
2013 年、世界の 3D プリンティング業界の総生産額は約 28 億米ドルで、前年比 29% 増加しました。歴史を振り返ると、3Dプリント業界は1990年代初頭に年間40％を超える急成長を遂げましたが、その後成長率は徐々に鈍化しました。21世紀の最初の10年間、世界の3Dプリント業界の年間平均複合成長率はわずか7.76％で、インターネットバブル後の2001～2002年と金融危機後の2009年には、3Dプリント業界はマイナス成長を経験しました。しかし、2010年以降、3Dプリント技術の進歩と個人の需要の爆発的な増加により、3Dプリント業界は再び急成長期に入りました。

過去3年間、3Dプリント業界の成長加速は企業レベルでも確認されており、世界の3Dプリント業界の主要企業の収益成長率は2010年以降大幅に増加しています。今後5〜10年間、3Dプリンティング業界は年平均20％以上の成長を続け、業界全体の生産額は2021年までに108億米ドルに達すると予測されています。

中国の3Dプリント技術は特定の分野では国際的なリーダーシップを獲得しているものの、全体的には依然として米国に大きく遅れをとっている。 3Dプリンター設備の生産量から判断すると、世界で販売されている3Dプリンターの4分の3近くが米国製であるのに対し、中国製の3Dプリンター設備はわずか3.6％を占めています。3Dプリンター設備の所有台数から判断すると、米国は依然としてシェアが40％近くと大きくリードしており、ドイツと日本もそれぞれ10％近くを占めていますが、中国のシェアはまだ9％未満です。

中国の3Dプリント産業はまだ発展の初期段階にあり、一部のコア技術と材料は依然として輸入に依存しており、産業資源は小規模で分散しており、工業化のレベルは低い。しかし、世界最大の製造国であり、最大の人口を有する国として、工業用途と個人消費の両面におけるその成長の可能性は、国内外の専門家やビジネス界によって満場一致で認められています。英国積層造形連盟のグラハム・トロマス会長は、中国は3～5年以内に世界最大の3Dプリント市場になる可能性があると語った。中国3Dプリント技術産業連盟の羅軍事務局長は「2013年世界3Dプリント技術産業会議」で、中国は世界最大の3Dプリント市場になる潜在力があり、今後3～5年で少なくとも年間2倍の成長が見込まれると述べた。中国の3Dプリント産業の市場規模は約100億人民元に達するだろう。

3Dプリンティング：応用分野が拡大し、消費者の需要が爆発的に増加
1. 産業応用分野は拡大を続け、個人消費需要は爆発的に増加し始める
3D プリンティングは、製造の自由度、原材料の利用率などに明らかな利点があり、小ロットのカスタマイズされた加工や製造に特に適しています。近年、3Dプリンティングは産業応用と個人消費市場の両方で大きな発展を遂げています。産業応用の下流産業は拡大を続け、直接部品製造の割合も年々増加しています。個人消費市場は遅れて始まったものの、近年急速に爆発的な成長傾向を示しています。
統計によると、3Dプリント技術の産業応用は主に家電、自動車、医療、航空宇宙、建築、科学研究などの分野に分布しており、具体的な応用分野の観点から見ると、3Dプリント技術は現在、主に設計サンプル、展示モデル、金型の製造に使用されていますが、直接部品加工の割合は2003年の4％未満から2013年に約29％に急速に増加しました。

自動抽選機、トラッククレーン、港湾機械、防爆電気機器、電動モーター、鋳造機械、スマートグリッド、フィルタープレス、ホイールモーター、健康計、刈払機、高低圧配電盤

2. 医療機器のカスタマイズされた需要はまさに3Dプリントの利点であり、「バイオプリンティング」は刺激的です。医療業界はカスタマイズされた要求が多く、標準化や大量生産が困難ですが、これがまさに 3D プリント技術の利点です。現在、3Dプリント技術は補聴器製造、歯科矯正・修復、義歯製造などの分野で成功裏に応用されており、比較的成熟しています。 3D プリントを使用して製造される歯科用ブリッジなどの製品は、従来の製造方法よりも正確で精細であり、またより便利で高速です。同様に、3D プリント技術は残存肢の複製にも使用でき、生産される義肢はより人間工学に基づいたものになります。ヨーロッパでは、30,000 人以上の患者が 3D プリントされたチタン合金の骨を使用しています。米国のある病院では、患者の損傷した骨の最大 75% を 3D プリントされた頭蓋骨で置き換えました。

3D プリント技術は、上記の医療修復分野以外にも、患者の状態を把握したり、医師と患者のコミュニケーションを支援したりするためにも使用できます。たとえば、3D プリンターは患者の 3 次元骨格モデルを印刷できます。医師は骨格モデルを使用して、治療プロセスについて話し合ったり、手術計画を患者に伝えたりすることができます。医療スタッフは、3D プリントされたレプリカを使用して患者の臓器の内部構造を理解し、これらのレプリカでシミュレーション手術を行うこともできます。現在、ストラタシスと3Dシステムズは、人間の臓器モデルを複製する機器を提供することができます。CTスキャンなどの医療画像を通じて、患者の臓器のモデルを直接印刷することができます。これらのモデルは、見た目がリアルなだけでなく、臓器のようにしっとりとした質感があります。

3D プリントされたモデルや生命のない人工器官はほんの始まりに過ぎません。最も興味深い応用は、生体組織や臓器を直接プリントする、いわゆる「バイオプリンティング」です。既存のアイデアとしては、3D 技術を使用して骨格を印刷し、その骨格上で幹細胞を培養して組織の形成を促すこと、さらに別のアプローチとして移植用の組織や臓器を直接印刷すること、最も独創的な選択肢として人体の活性組織や活性臓器を直接印刷して移植の必要性をなくすことなどが挙げられます。

オルガノボはバイオプリンティングの分野でいくつかのブレークスルーを達成し、心筋組織、肺、血管などの印刷に成功しました。米国コーネル大学の生物学者バッチャー氏は、バイオポリマー材料を使用して機能する心臓弁を印刷しました。このとき、幹細胞がポリマー材料に混合され、徐々に人間の細胞に変換されることができました。現在、「バイオプリンティング」はまだ実験段階にあり、その応用上の障壁は技術分野だけでなく、倫理的問題、規制手続きなどの側面にも関係しています。しかし、バイオテクノロジーの発展とサポートシステムの改善により、3Dプリントされた人間の臓器は徐々に実際の応用に導入されるでしょう。

3. 航空宇宙は3Dプリントの最も有望な応用分野の1つです。中国のチタン合金レーザーラピッドプロトタイピング技術は国際的にリードしています。航空宇宙機器の製造は、3Dプリントの最も有望な応用分野の1つです。主な理由は次のとおりです。第一に、航空宇宙機器は多くの場合、「多品種少量生産」という特徴を持っています。特に試作段階では、多くの部品を1つずつカスタマイズする必要があります。従来のプロセスを採用すると、サイクルが長くなり、コストが高くなります。3Dプリントは、低コストのラピッドプロトタイピングを実現できます。第二に、軽量化と強度要件により、航空宇宙機器における複雑な構造部品や大型の特殊部品の割合が増加しています。従来の「鍛造+機械加工」方法を採用すると、必要なプロセスが多く、プロセスが複雑になり、直接処理することが不可能になる場合もあります。3Dプリントは、複雑な部品の加工において明らかな利点があります。第三に、従来のプロセスで加工された航空機部品の原材料利用率は約10％に過ぎず、残りは鋳造、鍛造、切断、研削の過程で無駄になりますが、3Dプリントの増分製造方法は、原材料利用率を90％以上に高めることができます。

ボーイングは、航空機の設計と製造に3Dプリント技術を採用した最初の国際航空機メーカーであり、3Dプリント技術を使用して300種類以上の小型部品を製造しています。 GEアビエーションは2012年に、Leapシリーズエンジンの部品を製造するレーザー焼結金属粉末技術を開発したモリス・テクノロジーズを買収した。プラット・アンド・ホイットニー社はまた、コネチカット大学と共同で付加製造センターを設立するために数百万ドルを投資した。 NASAは宇宙船のエンジン部品の製造に3Dプリンターを使用しており、宇宙飛行士が自給自足し、宇宙ステーションの原材料を使用して必要なものを直接製造し、地上の供給に完全に依存している供給モデルを変えることを期待して、国際宇宙ステーションに印刷装置を打ち上げる計画を立てています。

我が国の大型チタン合金構造部品のレーザー成形技術は国際的にトップレベルにあり、航空機用チタン合金の大型主荷重構造部品のレーザー急速成形技術を習得し、実用化を実現した世界で唯一の国です。メディアの報道によると、3Dプリント技術は艦載機や第4世代機など新型軍用機の開発に重要な役割を果たしており、着陸装置を含むチタン合金の主要荷重支持部品の試作も行っている。

4. 家電製品や自動車業界では、3Dプリント技術は主に設計試作製造や金型開発に使用されています。<br /> 世界的に見ると、民生用電子機器と自動車産業が 3D プリント技術の 2 つの主要な応用分野であり、それぞれ市場シェアの約 20% を占めています。具体的な用途について言えば、上記2つの業界における3Dプリント技術の応用は、主に設計試作製造と生産工程における金型加工に集中しています。設計とテストを支援する 3D プリント技術の助けにより、新製品の開発サイクルを大幅に短縮し、試作とテストのコストを削減できます。たとえば、ノキアはかつて3Dプリント技術を使用して、携帯電話のシェルと構造部品の設計とサンプル製造を完了しました。ゼネラルモーターズは3Dプリント技術を使用して、テスト用の2万を超える部品と金型を印刷しました。ヒュンダイ、BMWなどの自動車メーカーも、新車の開発に3Dプリント技術を適用しています。

製品の製造プロセスでは、家電業界と自動車業界はどちらも標準化と大規模生産を特徴としているため、3Dプリント技術は直接部品製造における処理速度と経済性の要件を満たすことができず、短期的には従来の製造モデルを置き換えることは困難です。しかし、一部のパーソナライズされたニッチ市場では、3D プリントによって直接加工された製品が依然として一定の顧客を獲得しています。例えば、ユーザーがカスタマイズした携帯電話ケースや、ユーザーがデザインに参加できる自動車など。

5. 建設業界や衣料業界では、3Dプリントにより複雑な構造を実現し、デザイナーの想像力を大きく広げることができます。建築分野では、3D プリント技術は当初主に設計モデルの製造に使用されていましたが、最近では複数の建築家が物理的な建物を 3D プリントするというアイデアを提案しています。オランダのアムステルダム建築大学のデザイナー、ヤンヤップ・ルイセナールス氏が設計した3Dプリント建築物「ランドスケープ・ハウス」は、メビウスの輪を具体的にシミュレートしたもので、3Dプリンターを使用してピースごとに印刷される予定。各ピースは6×9メートルの大きさで、その後建物全体が組み立てられる。完成まで1年半かかると見込まれている。ロンドンを拠点とする建築デザインスタジオ Softkill Design の 3D プリント建築提案はさらにインパクトがあります。この建物は従来の堅固な壁を完全に廃止し、代わりにレーザー焼結バイオプラスチック製のコンポーネントを備えたスケルトンベースの繊維ナイロン構造を採用しています。

衣服製造の面では、3D プリントは従来の技術では実現が難しい複雑なスタイルを生み出すことができ、デザイナーの想像力を大きく広げます。ナイキとアディダスは、スポーツシューズの一部の機能部品の製造に3Dプリンターを使い始めており、スポーツウェアを直接製造することも計画している。

個人向け3Dプリンター機器の販売が急増、「メーカー」時代の到来 2008 年以降、個人用 3D プリンター機器の販売が爆発的に増加しました。個人消費需要の爆発的な増加は、主に2つの原動力から来ています。1つ目は、「デジタル設計+ラピッドプロトタイピング」の組み合わせにより、創造から製品までのプロセスが大幅に簡素化され、さまざまなパーソナライズされたニーズの解放が促進されたことです。2つ目は、テクノロジーの発展に伴い、3Dプリンター機器の価格が一般の人々が購入できるレベルまで下がったことです。個人用3Dプリンターの価格は通常5,000ドル以下で、最も安いものは1〜2,000ドルまで下がっています。おそらく近い将来、3D プリンターは PC と同じように何千もの家庭に普及するでしょう。

現在、個人用3Dプリント設備の応用は主に人々のパーソナライズされたニーズを満たすことです。たとえば、ユーザーは自宅でユニークなジュエリー、おもちゃ、食器などの製品を作ることができます。3Dプリント技術に基づく「3Dフォトスタジオ」は、人々にリアルな立体写真を残すことができます。

3Dプリンター機器とインターネットの組み合わせにより、ビジネスモデルに革新がもたらされました。たとえば、3D プリントのサービスと取引を提供するオンラインプラットフォームである Shapeways は、6 年足らずで 6,000 人の独立したデザイナーと 100,000 人を超えるユーザーを登録しました。同様のウェブサイトとしては、Ponoko、i.materialise などがあります。これらのウェブサイトを通じて、ユーザーはデザインモデルを購入したり、3D プリント製品を注文したり、独自のストアを開いて 3D プリント製品、デザイン、または材料を販売したりすることができます。設計者、工場、ユーザー間のコミュニケーションと取引のコストが大幅に削減され、それらの間の境界さえも曖昧になりました。この新しいビジネスモデルは、個人の創造的欲求を満たすだけでなく、それを商業的利益に変換することができ、ひいては個人の3Dプリント需要の成長をさらに促進するでしょう。クリス・アンダーソンが語った「メーカー」の時代が徐々に現実になりつつあります。

すべての主要技術は短期的には過大評価され、長期的には過小評価されている<br /> 技術の継続的な進歩に伴い、3Dプリントは家電、自動車、医療、航空宇宙などの業界に成功裏に応用され、直接部品加工の割合が増加し続けており、個人消費市場も爆発的な成長を見せています。しかし、3D プリント技術に対する市場の期待はこれを超えています。オバマ大統領は一般教書演説で、3Dプリンティングを米国の製造業を活性化させる重要な技術として国家戦略のレベルにまで高めた。

ここ1年ほどで、国内の産業市場や資本市場における3Dプリンティングへの熱意は劇的に高まっています。専門家の中には、破壊的な製造技術として、3D プリントを最大限に開発し、応用できる者が、製造業、さらには産業の発展において主導権を握ることができるとさえ考えている人もいます。

3D プリント技術が短期的にこれほど大々的に宣伝されているという事実は、3D プリント業界の長期的な発展にはつながらないかもしれません。多くの業界専門家も同様の懸念を表明しています。クリス・アンダーソンはかつてこう言いました。「すべての主要な技術は短期的には過大評価され、長期的には過小評価される。」3D プリント技術の現状についても同じことが言えます。

客観的に見ると、3D プリント技術は大きな可能性を秘めていますが、既存の技術条件下では従来のプロセスを置き換えるほどの力はなく、規模の経済性、処理精度、材料などの面で依然として明らかな欠点があります。 3D プリント技術の利点は、依然として主に小ロット、カスタマイズ、複雑な構造の製品製造の分野に反映されています。したがって、今後かなりの期間、3D プリンティングは従来の製造プロセスを破壊するものではなく、補完するものとなるでしょう。この判断は、実は業界内の一般的なコンセンサスです。Stratasys Chinaのゼネラルマネージャーは、世界の主流の3Dプリント企業の中で、最終製品のプリントを主な市場方向と見なしている企業は実際には一つもないと述べました。西安交通大学の呂炳恒院士や華中科技大学の石宇勝教授など国内の3Dプリント専門家は、現時点では3Dプリントが従来の製造工程に取って代わる可能性はないと述べた。

もちろん、長い期間にわたって考えれば、3D プリンティングが新たな産業革命をもたらす可能性を完全に否定することはできません。エコノミスト誌は次のように述べている。「1750 年の蒸気機関、1450 年の印刷、1950 年のトランジスタなど、偉大な発明の影響は当時は予測不可能でした。3D プリンターが今後どのように世界を変えるのかは、いまだに予測できません。」

出典：宝鶏チタン産業研究所

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