2017年、金属3Dプリント企業は、販売ネットワークからソリューション、技術サービスまで、あらゆる範囲の競争に直面しました。積層造形市場の構造は川から海へと流れ込むように変化し、市場競争はトラック上の競争からスタジアム規模の競争へと直接移行しました。
GE、GKN、アルコアなどの企業は、積層造形技術の深化を促進する上で重要な役割を果たしています。これは、金属 3D プリントが歴史上かつてない段階に入ったことも意味します。
チャンスに備えるには？市場調査会社SmarTechは、機器側から金属粉末メーカーに至るまで、金属3Dプリントの競争環境の変化と、アプリケーション側の発展見通しについて一連の分析と予測を行っています。この号では、3D Science Valley とその仲間たちが一緒に SmarTech の見解を評価します。
産業アプリケーション
航空宇宙産業や医療産業における金属 3D プリントの応用見通しはすでに比較的明確であり、SmarTech は自動車、歯科、石油・ガス産業を含む他の 3 つの応用産業も高い成長率を維持すると予測しています。その中で、SmarTechは、石油・ガス産業における金属3Dプリント技術の導入が2017年に80%以上の成長率に達すると予測しています。この成長率は2018年以降若干低下するものの、2025年までは40%を超えると予想されています。 3D Science Valleyは、SmarTechがこのような予測を立てた理由は、石油・ガス採掘装置の小ロット化と複雑さに深く関係していると推測している。
▲SmarTechによる金属3Dプリントの主要応用分野の成長率予測
航空宇宙産業における金属3Dプリント技術の導入は、2024年まで年間30%以上の成長率を維持するでしょう。 3D Science Valley は、これは疑いの余地がないと考えています。2017 年に GE が承認した特許では、タービン部品にひずみセンサーを製造する方法が公開されました。その直後、GEは1月24日に燃料噴射装置本体と冷却システムの製造技術に関する新たな特許を承認された。航空分野で 3D プリントがますます重要になってきているのなら、航空宇宙分野では 3D プリント技術はすでに「バックボーン」になっています。 NASAは、3Dプリントが液体水素ロケットエンジンの製造に大きな可能性を秘めていると考えています。NASAのAMDE-Additive Manufacturing Demonstrator Engine積層造形検証機プロジェクトでは、チームは3年以内に積層造形を通じて100個以上の部品を製造し、3Dプリントで完成できるエンジンプロトタイプを設計しました。 3D プリントでは部品数を 80% 削減でき、必要な溶接は 30 箇所だけです。 SpaceX、Blue Origin、Marshall Space Flight Center、Aerojet Rocketdyne、Rocket Labは、3Dプリントがロケット打ち上げ装置の性能を向上させるだけでなく、ロケット打ち上げのコストも削減することを2016年に再び証明しました。
医療分野において、SmarTechは金属3Dプリントの応用成長が2018年までは30％以上の高成長率を維持し、2019年以降と2021年以降は20％程度の中速成長率に入ると予測している。 2015年から2016年にかけて、Zimmer、Smith & Nephew、Stryker、Johnson & Johnsonなど、世界的に有名な整形外科用医療機器メーカーが次々と3Dプリント製品を発売しました。長年の研究開発と検証を経て、これらの製品はFDAの承認を取得し、正式に医療市場に参入しました。
歯科分野では、北京大学口腔科学院と成都歯科病院が歯科技術を積極的に応用しています。その中で、成都デント歯科科技は、金属3Dプリント技術を固定式ポーセリンクラウンやブリッジ、金属クラウンやブリッジ、ポストやコアの成形に使用しており、取り外し可能なステントの成形にも成功しています。 SmarTechの予測によると、金属3Dプリント技術の業界導入は他の業界ほど速くはないものの、2026年まで年間10％以上の成長率を維持すると予想されています。
自動車業界における金属 3D プリント技術の導入は今後も急速に拡大するでしょう。SmarTech の予測によると、この成長率は 2026 年まで 30% を超えると予想されています。 2021年には爆発的な成長率50%に達するでしょう。
販売量
SmarTechのレポートによると、2014年の金属設備の売上高は4億4,500万米ドル、金属粉末の売上高は1億2,000万米ドルでした。2015年には、金属設備の売上高は5億7,500万米ドル、金属粉末の売上高は1億9,000万米ドルでした。2016年には、金属設備の売上高は7億6,000万米ドル、金属粉末の売上高は2億7,500万米ドルでした。2017年には、金属設備の売上高は8億2,000万米ドル、金属粉末の売上高は3億8,000万米ドルに達すると予測されています。
▲SmarTechの金属3Dプリンター機器と粉末の販売レポートと予測
調査機関によってデータは異なる場合があります。市場調査会社 IDTechEx は、3D プリント金属粉末市場が 2016 年に 2 億 5,000 万ドルに達し、予想を上回ったと発表しました。 3D プリント金属粉末市場は高い成長傾向を維持するでしょう。IDTechEx は、市場規模が 2025 年までに 50 億米ドルに達し、年平均成長率は 39.5% になると予測しています。
Wholers と VDW のレポートによると、金属付加製造の市場シェアは付加製造全体の約 10% に過ぎませんが、この割合は 2023 年には約 51% に達すると予想されています。
新しい技術
SmarTech は、さまざまな金属 3D プリント技術の間には、一定レベルの競争または補完関係があると指摘しています。新しい金属 3D 印刷技術には、ナノ粒子噴射、原子拡散積層造形、タイルレーザー溶融などがあります。競争は、高い精度と部品の複雑さを実現しながら、より高い効率と低コストを達成することを中心に展開されます。
▲SmarTechによる金属3Dプリント技術の特性分析
ナノ粒子噴射：代表企業Xjet
毎秒数千滴の「インク」が噴射されます。これは、大判デジタル印刷やテキスタイル印刷に少し似ています。Xjet の特別な点は、ジェット ヘッドが同じ領域を何度も通過し、そのたびに少しずつずれるため、各ノズルがいくつかのわずかに異なる位置で噴射されることです。
Xjet のタングステンカーバイド/コバルトインク組成物には、キャリアとして機能する液体媒体、サブミクロン粒子またはナノ粒子の形のタングステンカーバイド (WC) およびコバルト (Co) が含まれています。コバルトは、可溶性有機コバルト化合物、塩、または錯体などの前駆物質の形でインク内に存在する場合もあります。
インクが Xjet で 3D プリントされた後、グリーンボディは焼結プロセスに送られ、真空および低温 (数百℃) で加熱され、有機材料が除去され (脱結合段階)、その後、Co の融点に近い温度で液相焼結されます。焼結後、切削工具に必要な機械的強度と硬度を達成できます。
Xjet のキーワードには、ナノメタルジェット技術、金属混合インク、新しいインクジェット装置と噴射方法 (高温処理)、優れた解像度、SLS レーザー焼結の 5 倍の速度などがあります。
原子拡散積層造形：代表企業Markforged
Metal X は、Atomic Diffusion Additive Manufacturing (ADAM) と呼ばれる画期的な技術を採用しています。チタンからアルミニウムまで幅広い材料を扱うこの技術は、部品を層ごとに印刷しますが、FDMとは異なり、印刷後に除去されるプラスチックバインダーに包まれた金属粉末を使用します。 3D プリントされた部品はその後焼結されて人工金属になります。興味深いことに、ADAM テクノロジーは部品全体を一度に焼結し、金属結晶が結合層に浸透できるようにすることで、強度を最大限に高めました。最終結果は、産業、自動車、医療、航空宇宙の用途に使用できる、完全に構築された高密度の金属部品です。
タイルレーザー溶融：代表会社アディラ
ヨーロッパの板金加工機器メーカー、アディラ社の新しいハイブリッド工作機械は、粉末床溶融（PBF）と直接エネルギー堆積（DED）という2つのレーザー積層製造技術とレーザー切断技術を組み合わせています。アディラのハイブリッド工作機械に統合された新しい技術はタイルレーザー溶融と呼ばれ、既存の作業領域をいくつかの小さなセグメントに順番に分割し、最終的に製造チャンバーよりも大きい単一の大きな部品または複数の小さな部品を製造します。レーザー スキャナーの動きと焦点外れ機能を組み合わせることで、部品の詳細や非常に複雑な輪郭形状に対してさまざまなスキャン戦略を確立し、生産性と処理速度を向上させることができます。
Adira 複合工作機械はモジュール式供給システムを採用しています。この独立したダブルホッパー供給システムは 2 種類の異なる加工材料を提供でき、ユーザーは最終的に必要な材料を選択できます。送り装置の洗浄と準備中でも、工作機械の加工は継続できます。この動作原理により、装置のダウンタイムの待機時間が最小限に抑えられます。
新たな競争環境
GE自体は3Dプリントの下流アプリケーション企業です。ArcamとConcept Laserを買収した後、GEは上流の3Dプリント機器メーカーの1つになりました。同社はまた、2～3年以内に3Dプリントの速度を上げることを提案した。長期的には、GEは現在の速度の100倍に到達することを望んでいる。 GEの下流事業部門のアプリケーション開発ニーズを通じて、GEの上流設備研究開発に継続的にフィードバックしています。資金面でもノウハウ面でも、同社が買収した設備ブランドは他社が得るのが難しい優位性を獲得しています。
▲GEのコンセプトレーザーとアーカム機器の売上に関するSmarTechの予測
このうち、薄い赤はGEが社内で消費する金属3Dプリンター機器の販売予測を表し、濃い赤はGEが社外に販売する金属3Dプリンター機器の販売予測を表しています。同時に、 2026年までにGEの金属印刷装置市場におけるシェアは16％を超えるでしょう。
アルコアはまた、粉末から印刷サービスまで3D印刷事業を扱う別会社、アルコニックを設立すると発表しました。アルコニックは、航空技術から金属粉末製造、さらには製品認証に至るまで、専門的なサービスをユーザーに提供できます。アルコアの技術力を頼りに、アルコニックは伝統的な金属製造技術と3Dプリンティングの両方で独自の強みを持つ強力なブランドになるでしょう。
別の企業である GKN は、強力な航空宇宙および動力車両事業を中心に、米国シンシナティの GKN Additive Manufacturing Center of Excellence、スウェーデンのトロルハッテンの GKN Additive Manufacturing Center of Excellence、および英国のフィルトンの GKN Additive Manufacturing Center of Excellence の 3 つの Additive Manufacturing Center of Excellence を構築しました。
DMG MORIは、Realizerの経営権を取得すると同時に、新しいオープンソースの革新的なデジタルソフトウェアであるISTOS（Innovative Software Technologies for Open Solutions）の発売も発表しました。現在、DMG MORIはISTOSの85%を所有しています。 ISTOS の R&D センターはドイツのデュッセルドルフにあり、DMG MORI やその他のパートナー向けのデジタル生産プロジェクトの開発を担当しています。 ISTOS は、DMG MORI のネットワーク化されたデバイスと統合デジタル工場間のリンクとして機能します。
▲SmarTechは、新しい金属3Dプリントエコシステムが大きな歴史的価値を持っていると考えている
金属粉末
金属粉末の主な市場応用分野は航空宇宙であり、特にニッケルベースの高温合金、コバルトクロム合金、チタン合金が使用されています。最も一般的に使用される合金粉末は、チタン合金 Ti6Al4V または Ti64 です。SmarTech は、チタン金属の消費量 (体積ベース) が金属粉末消費量全体の約 30% を占めると予測しています。
チタン合金は、非常に用途が広く、多くの業界で広く使用されています。強度が高く、鋼鉄に匹敵しながらも重量はほぼ半分であるため、最も人気のある合金の 1 つとなっています。この合金には実際には 2 つの主なグレード、より一般的なグレード 5 と、超低クリアランスのグレード 23 があります。後者は酸素と窒素の含有量を制御するためのより厳しい要件があります。
▲SmarTechによる金属粉末のさまざまな産業への応用の変化の説明
▲ SmarTech がリストアップした高複合年間成長率を誇る金属粉末と、それに対応する産業用途
▲チタン合金とアルミニウム合金の消費量と成長率に関するSmarTech
最も用途の広い合金はコバルト・クロム・モリブデン（CoCr）で、歯科分野で最も一般的です。これは ISO 5832 合金、または ASTM F75 の派生品であり、その歴史的起源は Stellite® 合金にあり、もともとは整形外科用インプラントの鋳造合金として開発されました。しかし、歯科で使用される合金は、ニッケル（Ni）ラジカルを含み、タングステン（W）の含有量が多いため、インプラントに使用されるコバルトクロム合金とは異なります。歯科用合金は強度（応力緩和後、>1300MPa）と生体適合性に優れており、セラミックコーティングから簡単には分離しません。 3D金属プリントは、この材料を歯科用ブリッジやクラウンなどの製品にすることができます。従来の製造技術と比較して、製造工程の短縮、精度の向上、コストの削減などの利点があります。しかし、SmarTech は、コバルトクロムの用途が主に医療および歯科用途から航空宇宙産業へと移行すると予測しています。
銅は熱伝導性と反射性に優れた材料であるため、銅合金粉末の選択的レーザー溶融 3D プリントには多くの課題が伴います。レーザー溶融プロセス中の銅金属の吸収率が低く、レーザーが銅金属粉末を連続的に溶融することが困難であり、その結果、成形効率が低下し、冶金品質の制御が困難になります。 SmarTech は、10 年以内に航空宇宙分野における銅の応用が年平均 49.35% の成長率を維持すると予測しています。
全金属粉末消費量（体積ベース）に占めるアルミニウム合金の割合は、2014年の5.1％から2026年には11.7％程度まで徐々に増加し、自動車産業におけるアルミニウム合金の10年間の複合成長率は51.2％となる。アルミニウム シリコン AlSi12 - アルミニウム シリコン 12 は、優れた熱特性を備えた軽量の積層造形金属粉末です。代表的な用途としては、熱交換器などの薄肉部品、または自動車、航空宇宙、航空産業向けのその他の試作部品や生産部品などがあります。 AlSi10Mg とシリコン/マグネシウムの組み合わせにより、強度と硬度が大幅に向上します。このアルミニウム合金は、薄肉で複雑な形状の部品に適しており、優れた熱特性と軽量化が求められる用途に最適です。部品は緻密な構造をしており、鋳造部品や鍛造部品に似ています。
さらに読む： 「世界的な製造革命が到来し、金属 3D プリント市場は巨大化しています」
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出典: 3Dサイエンスバレー
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航空、航空宇宙、歯科、医療、アディラ |
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