【詳細解説】なぜ積層造形を開発するのか？（優れた）

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-6-13 13:51 に最後に編集されました。

3D プリンティングは製造業の発展の将来の方向性の 1 つですが、既存の技術の限界と材料の不足により、3D プリンティング技術は現時点では実用的応用よりも実験的な用途の方が多い状況です。コペンハーゲン未来研究所（CIFS）名誉所長のヨハン・ピーター・パルタン氏は、私たちの社会は新しい技術の可能性を過大評価する一方で、その長期的な潜在力を過小評価する傾向があると述べている。 Antarctic Bear は、3D プリント技術の今後の発展には無限の可能性があると考えています。次に、なぜ積層造形を開発する必要があるのかを見てみましょう。（記事は2部に分かれており、これは前半です）

1. 積層造形開発の背景環境

1. 国際的な文脈<br /> 2008年の国際金融危機以降、米国や欧州連合に代表される西側先進国は、経済危機からの脱却と実体経済と仮想経済の関係の再検討に向けた方策を積極的に模索し始めた。これらの先進国は経済発展戦略を調整し、「再工業化」の概念を提唱し、製造業の活性化によって経済回復を推進し、中核科学技術分野における先進国の優位性を維持し、国家競争力を再構築することを望んでいる。米国を例にとると、2009年以降、「米国製造業活性化大綱」、「製造業振興法」、「先進製造業パートナーシップ（AMP）プログラム」、「先進製造業国家戦略計画」などが相次いで策定・公布され、図1に示すように、国家戦略レベルからイノベーションを加速し、米国における先進製造業の発展を促進するための具体的な提案や対策が打ち出されている。

2012年3月、オバマ大統領は10億ドルを投資して国家製造業革新ネットワーク（NNMI）プログラムの実施を発表し、製造分野における最先端かつ将来を見据えた製造技術15件を選定し、米国製造業の競争力を総合的に強化するための製造業革新センターを設立しました。同年 4 月、付加製造技術 (3D プリンティングとも呼ばれる) が最初の製造イノベーションセンターとして認定され、8 月には総額 7,000 万ドルを投資した国立付加製造イノベーション研究所がオハイオ州ヤングスタウンの小さな町に開設されました。国家付加製造イノベーションセンターは、初の「モデル実証」センターとして、産業界、学界、連邦政府、州政府の3者で構成される官民パートナーシップであり、付加製造技術と製品の開発に注力しており、新技術の研究、開発、実証、移転、推進のための基本プラットフォームとなっています。
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現在、センターには、ボーイング、ゼネラル・エレクトリック、ハネウェル、3M、3Dシステム、ストラタシス、アレゲニー・テクノロジーズ、バイエル・マテリアルサイエンスなどの世界的に有名な企業、カーネギーメロン大学、アクロン大学、MITリンカーン研究所などの世界的に有名な研究機関、NASA、エネルギー省、教育省などの米国政府部門を含む84を超える会員がいます。付加製造は新興技術としてみなされているだけでなく、他の先進製造技術とともに、米国の製造業を活性化させる希望を担っており、米国が先進製造という国家戦略を達成するための技術的な保証でもあることがわかります。

オバマ大統領は2013年と2014年の一般教書演説で積層造形の重要性について語り、「3Dプリンティングは、ほとんどあらゆるものを作る方法に革命をもたらす可能性がある」と述べ、「ハイテク製造業の雇用をめぐる次の競争で、我々は今や他国に勝つチャンスがある。我々はすでにローリーとヤングスタウンでハイテク製造センター（国立積層造形イノベーションセンター）の運営を開始しており、ビジネス大学と研究大学を結び付けて、米国が先進技術の開発で世界をリードできるよう支援している」と述べた。米国政府が積層造形の開発を強力に推進する中、米国の民間製造業協会、コンサルティング会社、学者、メディアも報告書や記事を発表し、世論のプロパガンダを行い、良好な社会環境を作り出している。

2012年3月、米国防総省防衛分析研究所（IDA）は「付加製造：現状と機会」と題する研究報告書を発表し、付加製造の現状と主要技術の研究進捗、直面する技術的課題、政府が果たすべき役割などを包括的に紹介した。同年4月、イギリスの雑誌『エコノミスト』は「第三次産業革命」と題する特集号を刊行した。7つの短い記事を通じて、製造業の今後の発展動向を展望し、積層造形が「他のデジタル生産モデルとともに第三次産業革命を推進し実現する」と確信している。

ガートナーは8月に「ガートナー2012年新興技術ハイプサイクル」レポートを発表し、デジタルモデリング、材料と化学、自動制御、情報技術などの知識を統合した付加製造技術が、既存の生産モデルとビジネスモデルを完全に覆すだろうと述べている。デジタル写真の印刷と同様の方法で製造され、顧客は自宅で物理的なオブジェクトを印刷することができます。 3Dスキャン技術と組み合わせることで、スマートフォンで特定の物体をスキャンし、それに近いレプリカを印刷することが可能になります。この技術は初期段階から期待が膨らんだ時期まで発展し、ビッグデータとともに、今日の市場で最も注目を集める新しい技術の 1 つになりました。バイオ 3D プリンティングも、10 年以内に期待インフレ期のピークに達するでしょう (図 2 参照)。

短期間でメディアに大きく取り上げられたことで、この技術は世界的な注目を集め、積層造形は世界中で急速に人気を博しました。米国に続き、欧州などの国々でも積層造形技術の研究開発と応用が積極的に推進されています。英国、ドイツ、カナダ、日本、オーストラリア、シンガポールなどの国々は、付加製造技術研究センターを設立し、大学、企業、政府の間で付加製造同盟を結成し、研究資金を提供して大規模プロジェクトの協力を支援し、付加製造ロードマップと関連標準を策定し、自国における付加製造技術の研究開発と産業応用を促進し、戦略的な主導権を握り始めています。

2. 国内情勢私の国では、1990 年代初頭からラピッドプロトタイピング技術/付加製造技術の研究と応用が始まりました。中国国家自然科学基金、科学技術部、工業情報化部などの部門の継続的な支援により、わが国は設備製造、材料技術、ソフトウェア開発、産業応用などの分野で積極的な探究を展開し、良好な基盤を築いてきました。最近、国際的な注目が高まるにつれ、この技術は国内のメディア、研究機関、企業、地方自治体でも話題となり、全国の多くの大学に積層造形センターが設立され、産業は活況を呈しています。 2012 年 10 月には中国 3D プリント技術産業連盟が設立され、2013 年 3 月には中国初の 3D プリント研究機関が南京に設立されました。

珠海、青島、武漢、成都などの都市も付加製造産業団地の建設を開始し、資金、土地、支援政策の面で支援を提供している。同時に、付加製造は徐々に国家戦略レベルにまで高められてきました。 2013年、中国工程院は「付加製造技術の工学科学技術発展戦略研究報告」を策定し、同年、科学技術部は「国家ハイテク研究開発計画（863計画）及び国家科学技術支援計画製造分野2014年度代替プロジェクト収集ガイド」に付加製造を初めて含めました。工業情報化部も付加製造のトップレベルの設計と全体計画を策定し、技術ロードマップと産業発展のための特別政策を策定しています。

2013年12月、中国共産党中央政治局委員で国務院副総理の馬凱氏が北京航空航天大学を訪問し、積層造形技術の開発が成功すれば、わが国の伝統産業の変革に大きな役割を果たすだけでなく、中国製造業の国際競争力にも大きな影響を与えるだろうと指摘した。彼は、高性能積層造形技術研究への支援と指導を重視し、市場志向、企業本位、政府主導の産業発展方向を堅持し、イノベーション主導、業界主導、人材支援の産業発展戦略を堅持し、設備、材料、関連ソフトウェアに関する科学技術研究に重点を置く必要があると強調した。

2. 積層造形技術の開発の意義

1. 積層造形が設計者、製造業者、消費者の注目を集めているのはなぜですか?
積層造形は、コンピュータ支援設計、材料加工、成形技術を統合した製造技術です。デジタルモデルファイルを基礎として、ソフトウェアと数値制御システムを使用して、特殊な材料を層ごとに積み重ねて固め、物理的な製品を生産します。従来の原材料の切断と組み立ての加工方式とは異なり、材料の蓄積の原則に基づいてゼロから生産されます。これにより、従来の加工方法の制約によりこれまで不可能だった複雑な構造の製造が可能になります。これにより、製品設計が大幅に簡素化され、コンポーネントの統合が改善され、製品開発サイクルが加速されます。

まずは、新しい生産モデル。ツール不要のデジタル製造技術である積層造形は、特定の製品の生産モデルを変え、企業や消費者に多大な経済的・社会的利益をもたらす可能性を秘めています。現在、大規模な工場での生産には、多数の機械と多数の専門的な設計・加工技術者が必要です。積層造形に関しては、設計者は工場で働く必要がなくなり、設計したデジタルファイルを自宅からインターネットに送信できます。顧客はファイルをダウンロードし、3Dプリンターを使用してニーズに合った製品を製造できます。これにより、従来の製造業のバッチ式、大規模、標準化された製造から、カスタマイズされた、パーソナライズされた、分散型の製造へと、生産モデルの根本的な変化が実現します (図 3 を参照)。

2つ目は、新しいデザインコンセプトです。積層造形技術は層ごとに積み重ねて製造するため、非常に複雑な形状の製品も製造可能です。これにより、従来の加工方法の制約によりこれまで不可能だった複雑な構造の製造が可能になります。これにより、製品設計が大幅に簡素化され、コンポーネントの統合が改善され、製品開発サイクルが加速されます。たとえば、航空宇宙産業では、製品の形状を最適化することで部品の重量を軽減し、強度対重量比を向上させて燃料消費を削減することができます。実際のニーズに合わせて複数の材料の局所領域の成分を調整することで、単一部品の多機能性（つまり、部品の異なる部分で異なる機械的特性を実現）を実現することも可能です。同時に、積層造形は製錬、鍛造、機械加工などの工程を必要としないため、製品の研究開発サイクルを30%～50%短縮することができ、製品開発コストとサイクルを大幅に短縮することができます。

3つ目は、新しいビジネスモデルです。デジタル技術の発展に伴い、積層造形とインターネットを組み合わせることで、消費者は初期の設計プロセスから生産、製造、その後の製品メンテナンスに至るまで、製品ライフサイクルに直接参加できるようになり、インターネットを使用してデジタルファイルの共有と取引を実現できるようになります。これにより、従来の製造業や小売業のバリューチェーンが大きく迂回され、新たな製品設計モデル、販売ビジネスモデル、サプライチェーン管理モデルの出現が促進され、関連企業に利益をもたらしました（図4）。消費者の参加により、企業のイノベーション能力と研究開発力が大幅に向上し、イノベーションの限界が広がります。また、製品が市場の需要に適応しやすくなり、ビジネスリスクも軽減されます。

4番目に、パーソナライズされた製品の製造を実現します。「自由な設計」と「ツールが不要」という利点により、付加製造は、X線コンピューター断層撮影（CT）と磁気共鳴画像（MRI）スキャンデータを使用して患者のニーズに100％一致するインプラントを印刷することから、靴、宝石、家庭用品などのパーソナライズされた消費者製品まで、商業的なパーソナライズ製造を可能にします。科学技術のさらなる発展により、積層造形技術を利用して生体組織を直接印刷し、人体のニーズを満たす人工臓器を作成することもできます。人工臓器の再構築は、現代医学に革命的な変化をもたらすでしょう。

第五に、グリーン経済発展モデルに適応する。切削工作機械を使用してブランクを加工する「減算型製造」と比較して、付加製造では原材料の使用量が削減され、天然資源と環境への負担が軽減されます。さらに、付加製造によりサプライチェーンを大幅に圧縮できるため、従来のオフショア経済モデルを変えることができます。消費地に近い場所での同期生産が可能になり、分散型製造が可能になります。これにより、大量生産された商品を生産現場から消費現場に輸送する際に消費される大量のエネルギーが大幅に削減され、地域経済、環境、消費者に利益をもたらします。

2. 付加製造は中国に何をもたらすのでしょうか?
積層造形は当初は試作品の製造に使用されていましたが、長年の開発を経て、その応用分野は電子機器、自動車、医療、産業・商業機械、航空宇宙など多くの業界に拡大しました。 Wohlers Report 2013 で発表された情報によると、2012 年の付加製造の世界生産額は 22 億 400 万米ドルで、2011 年の 17 億 1,400 万米ドルから 28.6% 増加しました。業界規模は2015年に2倍の40億米ドルに達すると予想されています。近年、積層造形技術は急速に発展しているが、業界関係者によると、この技術の現在の市場浸透率はまだ8％未満である。その理由の一部は、この技術に対する認知度が低いことに起因していますが、さらに重要なのは、この技術が現在いくつかの技術的なボトルネックに直面しており、それが大規模な適用を制限していることです。これらのボトルネックを克服できれば、この技術の市場浸透率は92％に達し、その生産額は2020年に1,000億米ドルを超えることになるでしょう。比較すると、世界の航空宇宙産業の現在の年間価値は約3,300億ドルです。

高付加価値製造経済として、付加製造業は巨大な産業に成長し、中国の将来の経済発展において重要な役割を果たす可能性があることがわかります。現在、この技術は航空宇宙、医療機器、クリエイティブ産業などの分野で小規模に応用されており、他の産業にも拡大し始めています。計測機器や設備、材料生産、ソフトウェア開発、クリエイティブデザインなどの関連産業も、大きな市場機会をもたらすでしょう。さらに、積層造形には他の戦略的価値もあります。

まず、付加製造は製造業の発展レベルを向上させ、国の先進的な製造技術の国際競争力を高めることができます。私の国の製造業は世界一位ですが、一般的に規模は大きいものの、強力ではありません。製造業が徐々にデジタル化を実現し、パーソナライズされた需要が徐々に高まるにつれ、新たな変化が静かに訪れています。これは、一部の伝統的な工場が徐々に消滅し、製造業が大規模で複雑、高価で時間のかかる産業プロセスから切り離されることを意味します。一部の高付加価値製品の生産方法は、大量生産からパーソナライズ生産へと円環のように原点に戻るでしょう。

生産目標はもはや規模の経済性を追求することではなく、より迅速かつ柔軟に生産することになるでしょう。この変化により、新興市場における一部の生産職が先進国に戻る可能性が高くなるだろう。さらに、付加製造と従来の製造プロセスを組み合わせることで、産業の高度化が促進されます。たとえば、機械部品の製造に使用される複雑な金型は、積層造形技術を使用して製造できます。ドイツのEOS社がこの技術を用いて生産した製品は、コストを約85％削減し、生産サイクルを50％削減し、複雑な金型や機械部品の製造技術の進歩を効果的に促進しました。そのため、先進国が推進する「製造業復興計画」に鑑み、付加製造業に代表される先進的な製造技術を積極的に開発し、伝統的製造業の転換とアップグレードを推進し、わが国の製造大国から製造強国への転換を推進し、わが国が世界最大の製造国としての地位を固めることが戦略的必要性である。

第二に、積層造形は貴重な資源の消費を削減し、希少な材料やその他の資源の効率的な使用を実現します。積層造形は積層方式で製品を製造するため、原材料の90％以上をリサイクル・再利用することができ、材料の節約、省エネ、環境保護を特徴とする技術です。これは、国家経済や防衛産業で大量に使用される希少資源にとって、大きな戦略的意義を持ちます。例えば、航空宇宙分野では、部品の高性能化を実現するために、チタン合金やニッケル基合金などの高価な戦略材料が大量に必要となります。しかし、これらの材料は加工が非常に難しく、従来の鍛造工程では再利用が難しい大量の廃棄チップが生成され、結果として原材料が大量に無駄になります。例えば、F22戦闘機のチタン合金フレームの重量は144kgですが、元の鍛造質量は2,980kgにも達し、材料利用率はわずか4.8％です。積層造形技術を活用することで、高性能金属部品の材料利用率を大幅に向上させ、高価な原材料を 2/3 以上節約できます。

3つ目に、将来的には付加製造によって「生きた」印刷が可能になり、バイオメディカル業界に変化をもたらすでしょう。付加製造技術の最も画期的で革命的な応用は、人間の組織の「生きた」印刷です。現在、世界中で臓器移植の需要が非常に高まっています。米国だけでも、適合する臓器を待っている人が 114,000 人おり、待機中に毎年 6,600 人以上の患者が亡くなっています。 3Dプリント技術を使えば、患者の細胞を使って臓器移植用の「生体組織」を作り、この問題を解決することができます。道のりは長いですが、見通しは非常に刺激的です。生きた人間の組織、さらには臓器の設計と製造は、生命科学の最先端の研究における重要な方向となっています。その開発と応用により、再生医療という新しい分野が生まれています。今後20年間で、再生医療の年間生産額は5,000億ドルを超え、従来のバイオマテリアルに取って代わり、バイオメディカル材料産業の主体となるでしょう。したがって、付加製造の発展は、わが国のバイオ医薬品産業の急速かつ健全な発展を促進するだけでなく、国民の健康レベルの向上にも大きな意義を持っています。

4つ目に、積層造形がもたらす新しい設計コンセプト、生産方法、ビジネスモデルにより、より優れたバリューチェーンシステムが生まれます。付加製造は高度な製造技術であるだけでなく、既存の設計コンセプト、生産方法、ビジネスモデルにも影響を与え、製造と設計を「リーン設計」モデルに統合します。これは製造業そのものに影響を与えるだけでなく、経済発展のパターンや私たちのライフスタイルも変えることになるでしょう。付加製造により製造プロセスの複雑さが最小限に抑えられ、無駄のない設計を通じて製造の柔軟性が向上することが業界の発展トレンドになるでしょう。製造のための設計と組み立てのための設計の概念は徐々に人々に受け入れられ、業界をリードする企業がイノベーションを実現するためのモデルとなるでしょう。この変化は、情報技術の急速な発展のトレンドに合致しています。iTunesなどのデジタル製品の台頭が伝統的な音楽、映画、テレビ業界を活性化させ、Taobaoなどの電子商取引の台頭が大量消費の潜在力を解放したのと同様に、積層造形により、多数の既存製品のデジタルファイル（3Dモデルファイル）を認証および取引できるようになります。

今後、インターネットの普及が進むにつれ、ヒューマンネットワーク、モノのインターネット、サービスネットワークの統合によって生み出される「スマートファクトリー」が、従来の閉鎖型製造モデルに取って代わり、情報通信技術とサイバースペースの仮想システムを駆使してインテリジェント製造を実現することになるだろう（図5参照）。これにより、社内のスタッフがイノベーションや付加価値サービスに集中できるようになるだけでなく、リモートコラボレーションを通じてクラウドソーシングされたクリエイティブリソースを最大限に活用できるようになり、企業はより広い視点から製品開発を検討できるようになります。

このモデルは、社会全体の英知を解き放ち、共同製造とパーソナライズされデジタル化された製品やサービスの構築への完全な参加を通じて、新たな活動分野と協力形態を生み出し、より柔軟でダイナミックなビジネスモデルを進化させ、産業チェーンにおける分業体制を再構築し、新たな収益モデルとバリューチェーンシステムを生み出します。我が国の製造業の今後の発展のためには、情報化による製造方法の変化に適応し、先端技術を通じて「Made in China」から「Created in China」への変革を実現することが特に重要となるでしょう。

編集者: 南極熊著者: 于昊 (北京新材料開発センター)、黄耀 (北京石油機械工場)

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