【分析】3Dプリンティング：量的変化から質的変化へ

【分析】3Dプリンティング：量的変化から質的変化へ
本文/Financial Weekly すべては実現可能だが、すべてには一定の問題がある - これが 3D プリンティングが人々に与える第一印象です。 「3Dプリントのコンセプトはここ数年で非常に人気が高まったが、国内の3Dプリント業界全体を合わせた時価総額は、3Dプリントコンセプト株の1日の上限に達しない可能性がある」と、中国で最も古い3Dプリンターメーカーの1つである北京ティアタイムズテクノロジー株式会社（以下、ティアテクノロジー）のゼネラルマネージャー、郭歌氏は述べた。
しかし、技術の発展は常に非線形です。不注意によるブレークスルーや長期にわたる蓄積によって臨界点を超えてしまうこともよくあります。 3Dプリンティングは、積層造形とも呼ばれ、「見た目は良いが実用的ではない」という恥ずかしさを払拭し、多くの業界に参入し、従来のプロセスで製造された部品に取って代わっています。複雑性において本来の利点をさらに発揮するだけでなく、その材料性能は従来の部品に匹敵するか、それを上回っています。アメリカ航空宇宙局（NASA）から欧州宇宙機関（ESA）、ボーイングからエアバス、シーメンスからゼネラル・エレクトリックまで、3Dプリントで製造されたエンジン、タービンブレード、燃料ノズルなどの主要部品は、航空宇宙機器の重量を軽減し、燃焼効率を向上させただけでなく、製造速度を数倍に高めました。

かつて「第三次産業革命」と呼ばれた3Dプリンティングは、多くの業界関係者から伝統的な製造業の補足に過ぎないとみなされていましたが、今ではついに伝統に挑戦する自信を得ています。 3D プリント技術は、日本のキヤノンがインクジェット プリンターを発売してからわずか 4 年後の 1980 年代に登場しました。 1984年、アメリカの発明家チャールズ・ハルは、彼の技術の1つに「ステレオリソグラフィー」という斬新な名前を付けました。立体印刷として知られるこの新しい技術は、3D印刷の元祖となりました。

ホールが使用した材料は、紫外線で硬化できる樹脂です。紫外線ビームの動きをコンピューターで制御して樹脂の層を特定のパターンに形成し、それを重ね合わせて立体的な形状を形成します。

「立体印刷」の概念がますます普及するにつれて、科学者はホール光硬化技術とは異なる他の立体成形技術を徐々に開発してきました。その中でも、熱溶解積層法（FDM）と選択的レーザー焼結法（SLS）は、立体成形技術で使用できる材料をより広い分野に拡大しました。ホールの技術は成形精度が高いですが、FDM および SLS 技術では金属からポリスチレンまで幅広い材料を使用できるため、より高い強度を実現できます。

ホール氏の3Dシステムズは、F-35戦闘機やその他の兵器システムの製造に使用されるレーザー溶融技術を使用した3Dプリントシステムを開発するため、2012年末に米国空軍から29億5000万ドルの投資を受けた。アメリカ空軍以前にも、ボーイング社とエアバス社は3Dプリンターを使って航空機の翼やその他の付属品を印刷する実験をすでに始めていた。

2012年国家科学技術賞授賞式において、北京航空航天大学材料科学工学学院材料加工工学科長の王華明氏が率いるチームが、「航空機用チタン合金の大型で複雑な一体型部品のレーザー成形技術」で国家科学技術発明賞の最優秀賞を受賞した。

従来のチタン合金大型構造部品の一体鍛造と比較して、レーザー直接製造は、高出力レーザービームを使用して粉末ワイヤを溶かし、層ごとに材料を追加し、コンピューター支援設計（Computer Aided Design）モデルに基づいて、部品を一度に直接加工して成形します。この方法は、大規模な鍛造工業設備を必要とせず、材料の利用率が高く、生産サイクルが短く、加工設計の柔軟性が高く、製造コストを大幅に削減します。

この技術は航空機の構造部品の製造に使用されています。 2010年、王華明氏のチームはレーザー直接製造技術を使用して国産大型航空機C919の中央翼根リブを製造し、従来の方法に比べて90％以上の材料を節約し、より優れた性能を達成しました。しかし、当時の3Dプリント技術は、再現性や品質の安定性に問題があり、量産には不具合もあったため、試作程度しか使用できませんでした。

王華明教授は当時、財新の記者に対し、3Dプリントは一部の部品の製造にしか使用できないとし、「第三次産業革命だとしても、まだこのレベルには達していない」と語った。

これは郭歌氏の以前の見解でもある。3Dプリント技術は、物理的な開発を伴う限り、さまざまな業界で使用できるが、材料と精度の制限により、生産での使用はまだ比較的まれである。歯科、医療、製品開発、または小ロット部品の生産でより一般的に使用されている。

しかし、郭歌氏の考えは今や変わった。彼が従事するプラスチック印刷の分野では変化がほとんどないが、金属のラピッドプロトタイピング技術は急速に進歩している。これは、航空宇宙産業や軍事産業がコストにそれほど敏感ではなく、印刷された部品の性能がすでに要求を満たすのに十分であるという事実に関係している。

杭州ヒマラヤ情報技術有限公司は、主に完全な3Dプリントソリューションを手掛けており、この分野の新参者です。同社の官民合作投資センター所長、魏旭剛氏の見方では、3Dプリント業界は過去2年間で実際に大きな変化を経験しており、2017年以降、量的変化から質的変化への転換段階に入ったという。

「２、３年前の感覚にとらわれている人が多い。最初は新鮮だったが、しばらく使っていると、まあまあという感じになってしまった」と話す。バブルが終息し、業界関係者も落ち着いて成果を上げやすくなるため、今こそ打開策を講じる時期だとした。

「3Dプリンティングはもはや単なる技術ではない。変化は起こりつつあり、すぐにやってくるだろう」と彼は語った。

より大きく、より強くなる<br /> 1990年代初め、清華大学機械工学部のヤン・ヨンニアン教授は米国でラピッドプロトタイピング技術を学び、中国に帰国後、各地で情報を収集し、海外の専門家を招いて中国で講演を行った。中国の科学者も研究を始めた。清華大学、西安交通大学、華中科技大学もラピッドマニュファクチャリング研究センターを設立した。また、泰爾科技、西安瑞特、武漢濱湖など産業開発に携わる企業も設立されている。

2012年4月、当時74歳だったヤン・ヨンニエン氏は、江蘇省昆山市に3Dプリント技術設備の開発を専門とする昆山永年先進製造技術有限公司（以下、昆山永年）を設立した。 5年以上が経った現在、YLMが製造するレーザー金属3Dプリント装置は、世界最先端のドイツ製装置に匹敵するほどの性能を備えています。その部品は軍事産業で使用され、3Dプリント義歯は保健省が承認した初の製品でもあります。

「ハイテクが一定のレベルまで発展すると、改善のスピードは比較的速くなります。今日の3Dプリント技術は精度と効率の面で大きな改善を遂げ、ほぼ生産ラインに投入できる状態です。もちろん、航空宇宙、軍事産業、高級金型など、人々が購入できる分野では、より広く利用されています」とヤン・ヨンニアン氏は財新の記者に語った。

彼の意見では、3Dプリント部品はまず高温や疲労に耐える必要があり、これが産業用途の保証となります。強度の問題をまず解決する必要がありますが、これは比較的簡単です。2つ目は可塑性を向上させることです。可塑性が高ければ高いほど疲労性能が向上し、構造部品や装飾部品だけでなく、梁などの耐荷重部品の製造にも使用できるようになります。 3D プリントされた部品は可塑性がないため、耐荷重部品として使用することは常に困難でした。

現在、金属 3D プリントには 2 つの主要な技術があります。1 つはレーザー選択溶融技術で、0.15 mm の精度を実現できますが、速度はまだ速くありません。高精度を実現するには、小さなスポットと細かい粉末が必要なので、速度を上げることはできません。もう 1 つのレーザークラッディング技術は高速ですが、精度は劣ります。高精度と高速性を両立するために、Yan Yongnian が採用した解決策は、複数のレーザーを使用することです。

昆山永年の設備の特徴は、精度とスピードを兼ね備え、サイズが比較的小さく、価格が外国製品の半分であることです。同社は、航空鍛造品や原子力発電所鍛造品の生産で、中航重機や中国第一重工業と提携する予定だ。

華中科技大学ラピッドマニュファクチャリングセンターの蔡道勝教授は財新の記者に対し、近年3Dプリンティングはより多くの試みがなされ、多くの経験が得られたことにより、非常に急速に発展したと語った。今では、それは重要なコンポーネントであるだけでなく、生産プロセスにもなっています。

「これまでの技術は原理によって制限されていましたが、今ではこれまでの形成原理に基づかない多くの新しい技術が登場しています。以前は層を形成するのに数分かかると速いと考えられていましたが、今では数秒で行うことができます。」彼は、形成方法が変わり、一度に形成できるのは1つの表面だけであり、レーザーさえも必要ないと述べました。

蔡道勝氏が言及したレーザーフリーの金属3Dプリント技術は複合金属堆積（BMD）技術であり、米国企業Desktop Metalの発明特許である。印刷速度は選択的レーザー溶融（SLM）などの従来の金属設備の50～100倍で、3Dプリンターが大規模製造に参入するための確かな一歩を踏み出したとも言える。

2015年に設立されたばかりのこのスタートアップ企業は、「神のような」企業と呼ばれています。 2017年7月、DMはシリーズDの資金調達で1億1,500万米ドルを調達したことを発表しました。これまでにDMは2億1,200万ドルの資金を調達し、評価額は10億ドルを超え、金属3Dプリント分野のユニコーン企業となった。投資家にはグーグル、ゼネラル・エレクトリック（GE）、BMWなどの大企業が含まれている。

DM の利点は、通常の 3D プリンターが 1 日に 12 個の金属部品を印刷できるのに対し、DM は同じ金属部品を 1 日に 560 個印刷できることです。 2017年、DMは世界経済フォーラムによって世界で最も有望なテクノロジーパイオニアトップ30に選ばれ、MITテクノロジーレビューの「世界で最もスマートな企業50社」のリストにも選ばれました。

DMは、現在のほとんどの3Dプリンターとは全く異なるメカニズムを採用し、レーザーを使用しない2台の金属3Dプリンターを開発しました。これにより、産業用金属3Dプリントはより小型、高速、かつ経済的になります。既存のレーザー技術よりも10倍安価で、100倍高速です。同社は、印刷された金属部品は従来の射出成形プロセスに匹敵するものになると約束しています。

魏旭剛氏は、中国はこうしたユニコーン企業の上場を歓迎すべきであり、プラスチック3Dプリントのユニコーン企業Carbonも同様だと述べた。比較すると、BAT（百度、アリババ、テンセント）などの巨大企業の高度成長期は過ぎ去った。


真の革命<br /> かつてシーメンスに長年勤務していたヴェルナー・コッホ氏は、2016年にドイツ3Dプリンティングネットワークアライアンス3D Netzwerkを設立しました。同アライアンスは、ドイツの産業分野で3Dプリンティングを推進し、従来の産業と統合することを目指しています。

コッホ氏はかつて、インダストリー4.0は革命ではないが、3Dプリンティングは革命であると書いたことがある。彼は、インダストリー 4.0 はいわゆる第 3 次産業革命の延長に過ぎないと考えています。インダストリー 4.0 では、バッチおよびパーソナライズされた大量生産は 3D 印刷技術によってのみ実現できます。3D 印刷は、製品がいつ、どこで、誰が、どのように生産するかという生産方法を変えます。 「高性能、超高速、低コストの新しい3Dプリントプロセスを使用した産業革命が進行中です」と彼は語った。

2014年9月、最初のゼロGプリンターが国際宇宙ステーションに送られました。同年12月には、宇宙の微小重力環境で人類初の積層造形を実現しました。 NASAは、この動きにより国際宇宙ステーションが製造工場に変わり、宇宙ステーションへの供給圧力が緩和されると期待されていると指摘した。

欧州宇宙機関の AMAZ 戦略により、マルチメタル積層造形や軽量で高強度な構造物の設計と成形も可能になります。さらに、彼らは、チェーン屋根構造とセルラー壁構造の最適化された設計と直接形成を実現できる、最大時速3.5メートルの建設速度を備えた3Dプリント月面基地の建設戦略を提案しました。

従来の製造方法を使用すると、いくつかの主要なエンジン部品は、溶接/ろう付けまたはボルトを使用して複数の鋳造または鍛造品から組み立てられます。3D プリント技術を使用すると、これらの複雑な部品を一度に形成できるため、エンジン内のサブコンポーネントの数が大幅に削減されます。

2017年12月27日、GEアビエーションの新世代先進ターボプロップエンジンATPが初の点火テストに成功しました。 GE中国の関係者によると、ATPは3Dプリント技術を最も成熟させた世界初のエンジンだという。エンジン部品の約35％が3Dプリントで製造されており、従来製造技術で製造されていた855個の部品が、ベアリングシート、エンジンケース、排気管、燃焼室ライナー、熱交換器、ガスパスステーターなど12個の3Dプリント部品にまで削減されている。さまざまな新技術の導入により、ATP エンジンの空気出力は 10% 増加し、燃料消費量は 20% 減少し、初回オーバーホール時間は 33% 延長されました。

現在、ボーイング777Xの核となる動力源である世界最大の民間航空機エンジンGE9Xも、燃料ノズルの印刷に3Dプリント技術を採用しています。 2017年半ば、GEは世界最大のレーザー粉末積層造形機「アトラス」の製造計画を発表した。アトラスはレーザーを使用して金属粉末を成形し、最大1立方メートルの部品を製造できる。

GEだけでなく、他の2つの国際的な航空エンジン大手も出席しました。ロールスロイス社のターボ XWB-97 エンジンは、3D プリントされた 1.5 メートルのフロント ベアリング ハウジングとブレードを使用して、97,000 ポンドの離陸推力と 8,000 海里の航続距離を達成し、エンジンの製造時間を 3 分の 1 に短縮しました。プラット アンド ホイットニー社の GTF-PW1000G エンジンは、3D プリントされたコンポーネントを使用することで、燃焼効率が 16% 向上し、騒音が 50%～75% 減少し、製造コストと時間が削減されました。

オバマ元米国大統領はかつて、3Dプリンティングがほぼすべての製品の製造方法に革命をもたらすだろうと述べたことがある。 2017年12月、中国の12の省庁と委員会は共同で「付加製造産業発展行動計画（2017-2020）」を発表し、「国際競争力の強い2～3社以上の大手企業を育成し、国際的に影響力のある2～3つの有名ブランドを創出する」ことを目指した。

2016年12月9日、米国サンフランシスコのスタートアップ企業Apisが、モバイル3Dプリンターを使った住宅の建設に挑戦し、見物人の注目を集めた。


また、2017年12月には、中国航空エンジン株式会社、中国商用飛行機株式会社、国新国際投資株式会社が「中心企業間の金属3Dプリントにおける協業イノベーション枠組み協定」に調印した。3つの中心企業は共同で市場志向の金属3Dプリントにおける協業イノベーション協力を展開し、金属3Dプリント技術の研究開発と産業応用を推進する。

中国証券監督管理委員会は2018年1月31日、新年の業務計画を発表したが、その中の1つは3Dプリンティングと非常に関連が深く、国家発展戦略に沿った「インテリジェント製造」などの産業に関連する企業が特別な支援を受けることになる。 3D プリンティングがインテリジェント製造の典型的な代表例であることは間違いありません。

魏旭剛氏は、現在A株市場に上場している純粋な3Dプリント企業はなく、これは業界大手企業の年間非純利益が3000万元を超えていないことも間接的に示していると述べた。結局のところ、この業界の年間国内生産額は100億人民元を超えたばかりですが、企業数は500社を超えており、人が多すぎて粥が足りないケースと言えます。


中国のユニークなスキル
現在、少なくとも数十の 3D 印刷技術があり、市場で使用されている主流または人気のある技術は約 12 種類あります。技術と応用の面では、米国が第 1 層だとすると、ドイツ、中国、スウェーデンなどの国は第 2 層になります。

金属3Dプリントの主流技術の中で、米国の3D SystemsとドイツのEOSは選択的レーザー焼結（SLS）の代表的な企業であり、国内ではFarsoon High-Techに代表されるSLS装置が良好な成果を上げています。 SLM技術分野では、ドイツのEOS社がこの技術のリーディングカンパニーであり、国内ではポリライト社を代表とする企業が目覚ましい成果を上げています。

西安ポリライトレーザー成形技術有限公司は、中国の3Dプリント設備の新興リーダーの1つです。西北工科大学凝固技術国家重点実験室の技術支援を受け、主にレーザー立体成形と高性能高密度金属部品の製造、および金属部品のレーザー修理と再生に取り組んでおり、チタン合金、耐熱合金、ステンレス鋼、金型鋼、アルミニウム合金などのさまざまな材料をカバーしています。 2017年6月にポリライトの株主改革が初段階に完了し、年間売上高は1億5000万元から2億元になると予想されています。

新興の複合金属堆積（BMD）技術に関しては、アメリカの企業である Desktop Metal が独自であり、その印刷速度は SLM などの従来の金属 3D 印刷装置の 50 ～ 100 倍です。その動作原理は、金属粉末とセラミック粉末を柔らかいポリマーに組み合わせ、それを印刷したい形状に押し出し、焼結炉に移して形状を固定することです。この方法で 3D プリントされたオブジェクトは、再処理せずに直接使用でき、通常の鋳造方法で作られた金属部品と同様に構造的完全性が安定しています。

「構造は模倣しやすいが、製造は難しく、科学はさらに難しい」と南京航空航天大学の顧東東教授は述べた。同氏は、3Dプリント技術の今後の発展に向けた革新的な要素には、大規模設計による新しい構造、多相材料の設計と配置、精密で制御可能な付加製造プロセス、複雑な一体型部品の高性能と多機能性の実現などがあり、構造、材料、プロセスの新たな課題が含まれていると述べた。

多くの 3D プリント部品の性能は鋳造品の性能を上回っていますが、鍛造品の性能に到達することはまだ困難です。華中科技大学デジタル製造設備技術国家重点実験室のプロセス方向の学術リーダーであり、武漢天宇智能製造有限公司の主任科学者でもある張海欧教授は、航空分野で使用されるハイエンドの金属鍛造品の研究開発に重点を置いています。 1998年に中国に帰国後、彼と妻の張桂蘭はチームを率いて15年を費やし、金属3Dプリントを悩ませてきた世界レベルの技術的問題をついに解決し、マイクロ鋳造と鍛造という世界初の破壊的独創的イノベーションを達成しました。

彼らはまず、フライス加工と金属3Dプリントを組み合わせ、プリントしながらフライス加工を行うことで、金属3Dプリント部品の表面が粗いという問題を解決しました。次に、3Dプリントの複合鍛造法を通じて、航空機用チタン合金、高温合金、深海潜水艦、原子力用鋼鉄などの高級金属鍛造品をプリントしました。これらはすべて、従来の部品よりも安定した性能を持っていました。

2016年7月、張海欧氏のチームはマイクロ鋳造・鍛造同期複合設備を開発し、鉄道の主要部品フロッグと航空機エンジンの重要部品のトランジション鍛造品という世界初の鍛造品を印刷しました。 2017年、彼のチームは欧州エアバスと科学研究プロジェクト協力協定を締結した。

現在、「インテリジェントマイクロ鋳造鍛造」で印刷された高性能金属鍛造品は、長さ2.2メートル、重さ約260キログラムに達しており、これは欧米で印刷できる高級金属部品の4倍の大きさです。また、大規模で信頼性の高い金属鍛造品を印刷できる世界で唯一の積層造形技術設備でもあります。

「GEも当社の技術を認めている」と張海欧氏は述べ、GEが航空機エンジンの主要な耐荷重部品をテストするのを支援していると語った。彼の意見では、3D プリンティングは性能面で従来のコンポーネントを上回るだけでなく、デジタルインテリジェント製造の方向性でもある。張海欧氏は、今年後半にさらに多くの主要製品を発売し、産業用途を大きく前進させると明らかにした。

張海欧氏は、3Dプリントだけでは伝統的な製造業と効果的に競争することはできないと考えています。デジタル化を実現するには、伝統的な技術と組み合わせ、低コストと高効率を組み合わせる必要があります。彼らの戦略は、まず国防産業の主要部品を製造し、造血機能を形成し、その後、産業部門に浸透して徐々に拡大することです。

新京河レーザー技術開発有限公司（以下、新京河レーザー）の李光生執行役員は財新の記者に対し、3Dプリント技術の成熟により、実務家は同技術に対する理解が深まったと語った。レーザー技術や粉末技術の進歩だけでなく、鍵となるのはソフトウェアの進歩であり、スキャン戦略はますます成熟しつつある。彼の意見では、3Dプリント部品で鍛造品質を達成することは難しくないが、業界にはこれに関する基準がない。コストが下がり、プロモーション活動が増えるにつれて、業界の受け入れも増加している。

李光勝氏は、新京河レーザーは企業レベルで鍛造品の疲労性能を実現できる国内唯一の企業であり、その技術は国際的にもトップクラスであると紹介した。現在、大型3Dプリンターは主に同軸粉末供給と粉末散布を採用しており、この方法は粉末供給技術であるレーザー直接堆積技術（LDM）に属し、押し出しプロセスと組み合わせることで鍛造レベルに到達できます。

新京河レーザーは遼寧省瀋陽市に3Dプリンター11台を備えた生産拠点を持ち、年間100トン以上のチタン合金部品を生産している。天津に設立した設備会社は今年中に外販を開始する準備を進めている。李光勝は、収益性の面でメインボードへの上場条件を満たしており、2020年に上場する準備をしていることを明らかにした。

しかし、国内の金属3Dプリント設備全体から見ると、まだ多くのギャップがあり、コアアルゴリズムの欠如が最大の欠点です。

Li Guangsheng氏によると、3Dプリントのコアアルゴリズムは現在、ベルギーの企業Materialiseが管理しているという。 「200万～300万元の3Dプリンター機器は20万～30万元の利益を生むが、我々は彼らに15万～20万元を渡す必要がある。これは実際にはCD1枚分に過ぎない。これはCNC工作機械の分野での状況と同じだ。CNC旋盤は8万～10万元、オペレーティングシステムはシーメンスで1万～2万元かかる。結局、我々が得る利益は数千元に過ぎない。」

「ハードウェアの一貫性はどんどん向上していますが、ソフトウェアでブレークスルーを起こすのは依然として困難です。」Li Guangsheng 氏の見解では、3D 印刷のブレークスルーは CNC 工作機械のそれよりも動きが単純なため簡単です。「CNC システムが 30 年遅れているとすれば、3D 印刷システムでは 3 ～ 5 年遅れていることになります。」

出典: ファイナンシャルウィークリー


分析、3D プリント、印刷、定量的変化、定性変化

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