3Dプリンティング：新たな産業チェーンの開発を推進

3Dプリントは、21世紀で最も有望な新興技術の一つとして、その独特な設計方法と破壊的なプロセス技術により、製造業にトレンドを生み出し、急速に製造市場を占領しています。原材料市場、工業デザイン、ソフトウェアシミュレーション、3Dスキャン、3Dプリントを中心としたサービスが活況を呈し、3Dプリントを中心とした新しい産業クラスターを形成しています。本稿では、3Dプリント産業チェーンに焦点を当て、3Dプリント産業チェーンの構成と市場発展の概要、破壊的技術が伝統的な製造業の基盤を揺るがす可能性があるかどうか、そして3Dプリントの将来が直面する課題について紹介します。

1. 3Dプリント技術の概要
3D プリント技術は、「付加製造」または「増分製造」とも呼ばれます。 3D CADモデルデータを基に、層ごとに材料を追加しながら製造する製造方法で、対応する数学モデルと完全に一致する3D物理実体モデルを直接製造する製造方法です。製品ライフサイクルの前端における「ラピッドプロトタイピング」と生産サイクル全体にわたる「ラピッドマニュファクチャリング」に関連するすべての印刷プロセス、テクノロジー、機器カテゴリ、アプリケーションを網羅しています。

付加製造技術は 1980 年に初めて登場し、最初の応用は自動車の試作でした。過去 30 年間の研究者と企業の努力により、3D プリント技術は徐々に成熟し、図 1 に示すように 7 つの重要なサブ技術が生まれました。3D プリントによる直接製造は、技術開発の歴史において重要なマイルストーンとなるでしょう。

図1 3Dプリンティング技術の7つの原理の概略図出典: EY
2. 3Dプリンティング産業チェーンの構成
1. 3Dプリンターメーカー
3D プリンティングメーカーは、主に 3D プリンターを製造し、付加製造のサブテクノロジーを開発しています。機器製造は 3D 市場の最も重要な構成要素であり、最大の市場シェアを占めています。著名なメーカーとしては、Stratasys、3Dsystems、EOS、Concept Laser、SLM Solutions、ExOne、Ultimaker などがあります。これらのメーカーは、3D プリント支援機器の製造に加えて、関連するソフトウェア、材料、技術、コンサルティングなどのサービスも提供しています。

3D プリント機器メーカーは、ソフトウェア、材料、コンサルティングサービスなどの他のサプライヤーとバンドルすることで、顧客のニーズに基づいて機器とソフトウェアをより適切にカスタマイズできます。

2. 原材料サプライヤー 原材料サプライヤーは、材料の準備、材料の熱処理、その後の焼結プロセスなど、3D プリントに必要なすべての側面をカバーする原材料を提供します。材料の種類にはポリマー材料と金属材料があり、金属材料には粉末やワイヤーが含まれます。

現在、デスクトップ 3D プリンターでは主にポリマー原料が使用され、産業グレードの 3D プリントでは主に金属原料が使用されています。 3D プリンティングの用途がますます産業化されるにつれて、金属材料の 3D プリンティングには幅広い展望が生まれます。

3. 3Dプリントソフトウェア
3D プリンターで使用されるソフトウェアは、主に大手ソフトウェア会社と特定の 3D 印刷サービスプロバイダーから提供されています。たとえば、シーメンスは PLM NX ソフトウェアに 3D 印刷モジュールを追加しました。 HP の 3D プリンターは、シーメンスの付加製造ソフトウェアを使用しています。 Autodesk、Dassault Systemes、Adobeもこの市場に参入し始めており、3DプリントサービスプロバイダーのMaterialiseも3Dプリント用のソフトウェアソリューションを提供し始めています。

4. 3Dスキャン/リバースエンジニアリング こうした企業は主に、物理的な製品をコンピューターにスキャンして、3D プリントの設計モデルに変換します。この技術は、建築、自動車、エンジニアリングの分野で広く使用されています。この技術の目的は主にテストと製品の検証であり、3D プリント産業チェーンに欠かせない要素です。

5. 製品サービスプロバイダー
3D プリントサービスプロバイダーは、主に 3D プリントされたプロトタイプと製品の配送を担当し、3D プリントサプライチェーン全体の真ん中に位置します。製品サプライヤーの顧客であるだけでなく、他の企業や個人に 3D プリントされた製品を提供します。

2. 3Dプリンティング市場の発展
Canalys は、世界の 3D プリンティング市場の価値 (原材料とサービスを含む) が 2016 年末までに 49 億米ドルに達すると予測しています。2015 年から 2020 年にかけて、世界の市場は年間 43.5% の成長率で 224 億米ドルに達すると予想されています。 3D プリンターの年間成長率は 67.2% と予想され、図 2 に示すように 2020 年までに 240 万台に達すると予想されています。

図2 3Dプリント機器の年間需要出典：Canalys
2015年、世界の3Dプリンターサプライヤーは合計182,000台の3Dプリンターを販売し、前年比37%増加しました。その中で、企業と個人からの需要が大幅に増加しました。

研究者らは、主に3Dプリンター、材料、コンサルティング、サービスを含む3Dプリンティング市場は2016年に73億米ドルに達し、2012年から2014年にかけて少なくとも年間30%の割合で成長すると予測している。

市場シェアで見ると、図3に示すように、欧米諸国が3Dプリント市場全体の3分の2（68％）を占め、アジア太平洋地域はわずか27％を占めています。業界別に見ると、家電業界と自動車業界がそれぞれ 3D プリンティングの総収益の 20% を占めており、これらの業界では 3D プリンティング技術が製品の試作に応用されています。さらに、携帯電話メーカーは、製品部品の製造に徐々に 3D 技術を採用し始めています。 3D プリント市場で第 3 位の規模を誇る医療機器業界では、需要が急速に伸びています。医療機器業界では、補聴器などの製品を大量カスタマイズするために 3D プリント技術が使用されています。

図3 3Dプリンティング市場の分布出典：UPS
著しい成長にもかかわらず、3D 市場の潜在力はまだ十分に活用されていません。実際、3D は世界の製造市場のわずか 0.04% を占めるに過ぎず、3D 印刷市場で大きなシェアを占めているのは少数の 3D 機器メーカーだけです。たとえば、2015 年には、Stratasys、3D Systems、EOS が 3D プリント市場全体の 70% を占めていました。同様に、Materialise と ProtoLabs という 2 つの主要な 3D プリントサービスプロバイダーが市場シェア 10% を占めていました。図 4 は、3D プリント機器メーカーとサービスプロバイダーの市場シェア分布を詳細に示しています。

図4 3Dプリント機器メーカーとサービスプロバイダーの市場シェア分布出典：EY
現在、3D プリントアプリケーションの最大の市場は部品製造です。 2003年には3Dプリントによる部品生産はほとんど成長傾向を示しませんでしたが、2014年時点では3D部品生産が世界の3Dプリント製品およびサービス収益の43％（約18億米ドル）を占めています。

部品生産では、図5に示すように、機能部品が29％、試作設計が10％、金型設計が10％、完成品組立が18％を占めています。

図5 製品カテゴリー別3Dプリント部品の市場シェア出典：UPS
3D プリント市場はますます成熟し、3D プリントの使用により生産プロセスが合理化され、生産効率が向上しました。これは間違いなく会社にとって大きなチャンスです。

4. 3D プリンティングと従来の製造方法 3D プリンティングは急速に発展していますが、万能のソリューションではありません。従来の製造方法は、大量生産や標準化されたアプリケーションにおいてかけがえのない利点を持っています。現在、3D プリントの主な用途は、図 6 に示すように、プロトタイピング (25%)、製品開発 (16%)、アイデア検証 (11%) です。

図6 3Dプリントの利点と応用範囲出典：UPS
3D プリントの利点は次のとおりです。①カスタマイズされた製品の開発と提供を加速します。②在庫の柔軟性を向上させ、需要が変動する製品をリアルタイムで生産できるようにします。③小ロット製造における明らかな利点があります。④特定のアプリケーション開発における高効率と低コストです。⑤新しい市場を開拓する際の高い柔軟性があります。さらに、3D プリントにより、軽量製品の品質が向上し、人間工学に基づいた設計が可能になり、設計の自由度も高まります。

しかし、プロセスの安定性と再現性が低いと、製品の品質と耐久性に大きな悪影響を及ぼします。

最後に、伝統的な産業と 3D プリンティングは、さまざまな用途においてそれぞれ独自の利点を持っています。したがって、企業は自社のニーズと製品の性質に基づいて、3D プリントを選択するか、従来の製造方法を選択するかを決定する必要があります。図 7 は、さまざまな側面における 3D プリントの従来の産業に対する利点を示しています。

図7 3Dプリンティングと従来産業の比較V. 3Dプリンティング産業の将来の発展機会
1. 家電業界
3D プリンティングは、新製品開発、製品コンセプト設計、コンポーネントプロトタイプ製造の面で、すでに家電業界にプラスの影響を与えています。例えば、大手家電メーカーでは、3D プリントを使用して製品設計の検証時間を 1 週間から 1 日に短縮し、製品設計の完了効率を大幅に向上させ、3D プリントを通じてより短い時間でより良い製品を作成しています。大手コンピューター部品会社は、3D プリント技術を活用して、わずか 8 か月で収益化を達成しました。

今後、次の3Dプリントの機会は携帯電話業界に現れ、家電市場全体の35％を占めることになる。先進的な材料と製造技術が成熟すると、スマートフォンメーカーは試作から3Dプリント製品へと徐々に移行するだろう。

2.自動車産業 自動車業界は3Dプリントを最初に商業化した業界です。現在、自動車メーカーは主に試作にこの技術を使用していますが、部品の製造では3Dプリント技術を大規模に使用していません。これは主に、3Dプリントのサイズ制限により、現在大型部品の直接印刷が実現できないためです。しかし、3D プリンティングは他の方法で自動車業界に利便性をもたらしています。例えば、自動車エンジンの試作品の製造サイクルが短縮され、製品のコンセプトプロトタイプ、試作プロトタイプ、最終製品モデルのデモンストレーションに 3D プリントが使用されるようになりました。

自動車部品をより安価に、より軽く、より速く製造することが自動車産業の将来の発展の目標となり、自動車産業における 3D プリンティングの発展に幅広い展望をもたらします。

6. 3Dプリンティングの今後の発展方向
1. 生産速度の向上 将来的には、3Dプリントは製品サプライチェーン全体において幅広い展望を持っています。2023年までに、3Dプリントの平均生産速度は88％増加すると予想されています。また、印刷速度が上がるにつれて、印刷サイズと容量もそれに応じて増加する可能性があります。

2. 新しい3Dプリント材料
新しい複合材料や改良された既存材料の 3D プリントは、これまでにない 3D プリントアプリケーションを可能にするだけでなく、製品価格の削減にも役立ちます。この点で、金属材料の 3D プリントの需要は急速に増加するでしょう。

2015 年の Stratasys の調査レポートによると、金属 3D プリントはプラスチックよりも急速に成長すると予想されており、回答者の 84% が将来的に金属 3D プリントのさらなる発展を望んでいると回答しています (図 8)。

3. 高度な印刷技術と付加製造能力 設備製造能力の発展に伴い、3D プリント技術と積層造形能力が向上し、3D プリントの応用範囲がさらに拡大します。

図8 3Dプリント材料の今後の開発動向出典：UPS
7. 3Dプリンティングの今後の発展における課題 3D プリント技術は現在、革新的な開発のニーズを満たすことができますが、関連する主要な技術的問題はまだ完全に解決されていません。印刷プロセス中、モデルスキャンとモーションキャプチャツールには、モデル収集デバイスとソフトウェア、シミュレーション技術、コンピューターグラフィックス技術、データ転送技術など、複数の技術のサポートが必要です。これらの技術はまだ 3D 印刷と完全には統合されていません。これらの技術的応用がなければ、3D プリンティングはプロトタイプのレベルにとどまるでしょう。したがって、企業は 3D プリントを使用すると同時に、これらのサポート技術への研究投資にも重点を置き、3D プリント製品の研究、生産、実用化の効率を向上させる必要があります。

関連する工業デザイン、芸術デザイン、インテリジェント製造が 3D プリンティングに与える影響は、もはや無視できません。ソフトウェア業界にとって、グラフィックソフトウェアの発展に伴い、3Dプリントはモデルデザイナーが業界の主流になるよう促し、製品モデリング業界が3Dプリント業界チェーン全体の上流に位置するように促しました。

3Dプリンティングは発展の過程で、これらの産業資源、サービスを共有し、産業チェーンを完成させて、産業クラスター全体の発展を促進する必要があります。

我が国の3Dプリンティング産業はすでに国際市場での足場を築いていますが、革新的な産業の長期的な発展は技術競争だけでなく、国家環境の影響にも左右されます。国内の3Dプリント産業は、商業化の過程においてまだ比較的ゆっくりと発展しており、完全な産業チェーンはまだ形成されていません。急速な発展の過程では、依然として多くの問題が露呈しており、国家政策と財政支援が緊急に必要とされています。

文責：張鵬（AVIC冶金科技（北京）有限公司）
出典: New Materials Online

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