【詳細解説】3Dプリント技術とMIM技術の分析と比較

金属粉末冶金射出成形 (MIM) は、従来の粉末冶金技術と最新のプラスチック射出成形技術を組み合わせた、新しいニアネットシェイプ成形技術です。 MIM 技術は、複雑な形状、均一な構造、優れた性能を備えたニアネットシェイプ部品の製造において独自の利点を持っています。 MIM 技術は、体積が小さく、形状が複雑で、材料要件が高いさまざまな特殊形状部品の加工に有利であり、高精度の低侵襲医療機器の主要部品の製造にも適しています。また、セラミック、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン、ニッケルチタン合金など、さまざまな材料で作られた精密構造部品も製造できます。

金属粉末射出成形は大量生産に適しており、製品の製造コストが低く、3D プリントは航空宇宙、医療、その他のパーソナライズされた小ロット製造のニーズに適していますが、3D プリント技術と金属粉末射出成形プロセスを組み合わせると、より大きな経済的メリットが得られます。

MIM の定義と展望<br /> まずMIM（Metal Injection Molding）についてご説明します。MIMは金属射出成形技術の第5世代であり、携帯電話、自動車、医療などの分野で急速に発展しています。いわゆるMIMとは、簡単に言えば、金属部品をプラスチック射出成形部品のように設計することです。プラスチック射出成形の迅速な複製の利点を活かして、金属部品を射出成形し、その後熱処理によって金属固体部品にします。もっとわかりやすく言うと、金属粉末をプラスチックの力で射出成形するので、「砂を金に変える」とも呼ばれています。

高精度、均一な構造、優れた性能、高バッチ生産などの特徴を備え、国際粉末冶金分野で急速に発展し、将来性のある新しいタイプの「ニアネット成形」技術であり、「現在最もホットな部品成形技術」として国際的に知られています。

現在、アジア市場では主にエレクトロニクス業界で使用され、北米市場では主に医療機器などの分野で使用され、ヨーロッパでは自動車や消費財業界に重点を置いています。わが国のMINI市場は2000年以降、徐々に成長を続け、2011年には10億台を突破しました。2016年には市場規模が60億台近くに達し、世界市場の25％を占めています。2018年までに70億台を超えると予想されています。

つまり、MIM は高精度、優れた経済性、成長の可能性を秘めた新しい技術です。これはインテリジェント製造とは言えませんが、真の精密製造です。中国には現在、インテリジェント製造が欠けているわけではないが、精密製造が欠けている。ロケット、高速列車、チップは製造できますが、ボールペンのリフィルや高級ドリルビットは製造できません。覚えておいてください、製造業は国の屋台骨です!しかし、MIM プロセス中に粉末/バインダープラスチックは複数の物理的および化学的状態変化を受けるため、さまざまな段階でさまざまな欠陥が簡単に導入されます。そのため、MIM 技術は現在、欠陥に敏感で機械的特性に対する要件が高い材料システムや製品にはあまり使用されていません。

しかし、市場で求められる各種部品のサイズ範囲は一般的に 10mm より大きく、最小厚さは 10 ～ 30mm の範囲であることがほとんどです。 MIM 製品が 30mm のサイズ範囲に到達できれば、MIM の応用分野は大幅に広がり、特にサブマシンガン、機関銃、大砲、自動車エンジン、ロボットアーム部品など、銃器、自動車、精密機械などの分野で応用が広がります。金属射出成形技術の寸法精度は±0.3%～0.5%と精密鋳造製品よりは優れていますが、粉末冶金プレス/焼結の加工には遅れをとっています。サイズを±0.1%～0.05%に改善できれば、従来の粉末冶金プレス/焼結プロセスの寸法精度に達し、機械加工製品のレベルに近づくため、MIM技術の応用分野と活力も大幅に拡大するでしょう。

技術応用分野
1. コンピュータおよびその付属設備：プリンタ部品、磁気コア、ストライカーピン、駆動部品など。
2. 工具：ドリルビット、カッタービット、ノズル、ガンドリル、スパイラルフライスカッター、パンチ、ソケット、レンチ、電気工具、手工具など。
3. 家庭用電化製品：時計ケース、時計チェーン、電動歯ブラシ、はさみ、扇風機、ゴルフヘッド、ジュエリーリンク、ボールペンクランプ、ブレードヘッドおよびその他の部品など。
4. 医療機器部品：歯科矯正用フレーム、はさみ、ピンセットなど
5. 軍用部品：ミサイル尾部、支持部品、弾頭、チャージキャップ、信管部品。
6. 電気部品：電子パッケージ、マイクロモーター、電子部品、センサー。
7. 機械部品：綿ほぐし機、紡績機械、圧着機、事務機械など。
8. 自動車・船舶部品：クラッチ内輪、フォークスリーブ、ディストリビュータースリーブ、バルブガイド、シンクロナイザーハブ、エアバッグ部品など。

中国には100社以上のMIM生産会社があり、不完全な統計によると、主に揚子江デルタ（32社）、珠江デルタ（38社）、山東省（16社）、北京・天津（12社）、台湾（45社）に分布しています。
MIM 生産企業は、その総合力に応じて、大規模、中規模、小規模、零細の 4 つのカテゴリに分類されます。
大企業には、上海富池、常州静岩、杭州アンフェノール、安泰科技、長連金属などがあり、生産規模が大きく、年間生産額が高く（数億元）、技術力が強く、管理チームが優秀です。
中規模企業には、北京佳潤、英傑高科技、上海番禺、深セン盛飛寺、東莞盛明、深セン星地などがあり、強力な生産能力と新製品開発能力、そして充実した分析・試験方法を備えています。
中小企業は数が比較的多く、一般的に生産ラインが2本以上あり、新製品開発能力は平均的で、年間生産額は200万以上です。
射出成形機2台と焼結炉1台を有する小規模企業。新製品開発能力が非常に低く、年間生産額は200万元未満。

研究ユニット<br /> 国内のMIM研究機関には科学研究に従事する多数の技術者がおり、毎年多数の科学研究テーマに取り組み、毎年多数の科学研究成果を生み出しています。しかし、これらの研究テーマのほとんどは国際的なMIM開発の最前線を追うものであり、実際の国内生産からは程遠いものです。近年、MIM研究の成果が生産応用に転化されているものはほとんどありません。

主な科学研究機関としては、安泰科学技術大学、北京科技大学、中南大学、広州非鉄金属研究所、北京非鉄金属研究所、南方科技大学などがあります。

当社の完成品生産能力は海外と大差ありません。原材料が十分に安定しておらず、設備も比較的遅れていますが、製品の外観や性能は米国やヨーロッパの製品と大差ありません。そのため、国際的に有名な大企業はMIM部品の購入を中国に頼るようになりました。携帯電話ブランドのアップルは中国のMIM部品生産を認めており、現在アップルのMIM部品のほとんどは中国で製造されている。さらに、中国のMIM業界は大胆に革新を続けています。外国のMIM製品の単位重量は一般的に50グラムに制限されていますが、国産品の単位重量は2,700グラムに達することもあります。この画期的な進歩は、外国の同業者の手の届かないところにあります。

金属射出成形のさらなる研究、開発、応用により、MIM技術は近い将来、機械加工、精密鋳造、プレス/焼結工程と並行して開発できる魅力的なニアネットシェイプ製造技術に真に発展することが予測されます。この技術はますます多くの部品設計者に理解され、受け入れられ、国内の通信、機械、自動車、兵器、医療、航空宇宙などの産業の高性能な特殊形状の重要な精密部品の需要を満たし、わが国の部品加工製造産業を新たなレベルに引き上げるでしょう。

ここでは、3D プリントの典型的な欠点を 3 つだけ挙げます。
1. 生産モデルの効率性の問題。
一体成形の効率は、確かに「業界内でのグレード別部品加工＋組立」の効率ほど良くはありません。後者は、製造システム全体の生産能力を動員しているからです。半製品加工とグレード別加工は、ほぼプロセス効率を最大化することができ、業界全体の組立ラインを形成するのと同等です。しかし、一体成型ではワークフローが完全に固定されており、このような工業的効果を生み出せません。また、現在の3Dプリントボディは、長期間の高強度負荷に耐えることができません。さらに、単一の機械の生産、メンテナンスのコストと難易度は、産業チェーンを展開する従来の方法よりもはるかに高くなります。

2. 材料の問題。
1 つ目は、材料の適用によって発生するプロセス上の問題です。
特殊な金属粉末を事前に製造する必要があるため、印刷された金属製品の密度は低く、鋳造品の密度の98％に達することもあります。場合によっては、機械的特性が鍛造品よりも低くなります。もちろん、大型チタン合金部品（ホット航空業界など）などの一部の部品では、機械的特性を十分に満たすことができますが、全体的な状況は疑問です。一部の印刷製品の表面品質は悪く、精度は2〜10μmであり、研削機や研磨機などの後処理が必要です。複雑な表面を持つ部品を3D印刷する場合、サポート材料を除去するのは困難です。

第二に、資料の適用範囲の問題があります。

現在、工業分野で使用できる金属材料は10種類余りしかなく、アルミニウムシリコン合金、チタン合金、ニッケル合金、ステンレス鋼が比較的成熟しています。もう少し新しいものとしては、3DXNano ESD カーボンナノチューブフィラメントがあります。3DXNano は CNT (カーボンナノチューブ) ベースのテクノロジーで、自動車、電子/電気、工業、およびその他の市場で高レベルの静電放電 (ESD) 保護とクリーニングを必要とする重要な部品の印刷に使用できます。素材は100%純粋なABS（アクリロニトリルブタジエンスチレン）樹脂と多層カーボンナノチューブで作られています。それがどの程度適用できるかはまだわかりません。。

例えば、生体材料の分野では、RegenHu が開発した INK はゼラチン、コラーゲン、合成ポリマー混合物などの少数の材料しかサポートしていません。完成品の点では、印刷された構造は生体適合性が低く、多孔性が小さく、細孔分布が不均一で、細胞の付着、成長、再生率が低いという問題があります。つまり、模倣にしか使用できず、特定の機能を実現することはできません。

家庭用の分野でも状況はそれほど良くありません。主流は石膏、感光性樹脂、ABSプラスチックなどです。Objectは、14の基本材料に基づいて107の材料を組み合わせることができると主張しています。待ちましょう。

3. コストの問題。
もちろん、このコストは主に、前述の単一のマシンを長時間高負荷で稼働させた場合のメンテナンスコストによるものであり、大規模生産ではコストが過度に高くなります。
もう 1 つは、材料や部品の種類を細かくカスタマイズするモデルは、実際には低コストで幅広い市場に対応する生産モデルではないということです。。

3D プリントの開発においてさらに興味深い 2 つの企業、 Han’s Laser と Golden Laser を見てみましょう。

Han's Laser の現在の産業レイアウトにおける 3D プリントに対する姿勢:
「3Dプリントの核心は物質世界であり、レーザー加工は二次的なものです。ハンズレーザーは何年も前から3Dプリントの研究を始めましたが、ハンズレーザーはいかなる機会にも3Dプリントを宣伝していません。なぜなら、どの企業もそれを大きな産業にできないからです。」陳毅氏は、「3Dプリントは実際には『詐欺』プロジェクトであり、一部の人々を狂わせています。3Dプリントは新しい技術ですが、それが『第三次産業革命』を引き起こすと言うのは業界の過大評価です。これは主に、3Dプリントがカスタマイズされており、効率が低すぎるためです。製品の標準化と大量生産には使用できず、コストが高くなります。大量生産できなければ産業化できず、産業化できなければ大規模に推進することはできません。現在の技術と市場から判断すると、この技術が数年後に大きな進歩を遂げない限り、3Dプリントはプロトタイプとして研究室にとどまるだけです。」と述べました。

現在の産業レイアウトにおける Jinyun Laser の 3D プリントに対する姿勢:
特別な産業投資基金を設立し、B2B2C モードで 3D プリントクラウドプラットフォームを立ち上げます。これは、Jinyun Laser が構築しようとしている Jinyun 3D+ プラットフォームシステムの一部です。金雲3D+プラットフォームシステムは「パーソナライズされた生活の創造」に重点を置き、金雲3D+デザイナークラブ、金雲3D+クラウドプラットフォーム（B2B2CプラットフォームとC2B2Cプラットフォーム）、金雲3D+デジタルクラウドファクトリー、金雲3D+トレンドテクノロジー体験ストリートの4つの主要モジュールを作成し、O2Oに基づく完全な3Dプリントアプリケーションサービスシステムを形成します。民間市場への展開に向けて抜本的な対策が講じられていることが伺える。

数年が経過し、株価の動向から誰が大当たりしたかは明らかです。3Dプリントはまだ大規模な応用の段階に達していないことは明らかです。コンセプトは美しいですが、現実は残酷です。 Han's Laserが述べたように、主な理由は、3Dプリントがカスタマイズされており、標準化された大量生産製品に使用するには効率が悪すぎるため、コストが高くなることです。

出典: ラオアイリアルマーケット

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