中国は3Dプリンティングの研究でリードしているが、応用では遅れをとっている。国有企業はどのようにしてニッチ市場を獲得できるのだろうか？

「3D 印刷技術の市場潜在力は非常に大きく、将来の製造業のトレンドをリードする多くのブレークスルーの 1 つとなることは間違いありません。」 2012 年 4 月、英国の「エコノミスト」誌は特集記事「第三次産業革命」で 3D 印刷を変革技術として位置付け、世界の製造業の焦点を再び 3D 印刷に当てました。

現在、GE、シーメンス、エアバスなどを中心に製造業の「大物」たちが3Dプリント市場に積極的に取り組んでいます。変革とアップグレードの過程にある中心企業は、3D プリント業界に世界クラスの競争をもたらすことになるでしょう。

3D プリントの革命的な性質とは何ですか?

3D プリンティングとはいったい何なのでしょうか。そして、なぜ 3D プリンティングには産業革命をリードする変革力があるのでしょうか。この質問の答えを見つけるには、もちろん、テクノロジーそのものを理解することから始めなければなりません。

「当初、3Dプリンティングは学術界では積層造形と呼ばれていました。2013年か2014年ごろから、この2つの用語は徐々に互換可能になり、現在では互換的に使用されています」と、国家製造情報化訓練センター3Dオフィスのディレクター、陸俊尚氏は国有資産レポートの記者とのインタビューで述べた。

「3Dプリンティング」という装いで、専門用語として強い専門的色合いを持つ付加製造が世間の注目を集め、広く普及し、認知されるようになりました。付加製造は、主に従来の製造における「減算製造」または「等方性製造」と対比されます。「均質化製造」とは、その名の通り、鋳造、溶接、鍛造などの技術を用いて材料を加工することであり、製造工程は基本的に材料の量を変えないか、ほとんど変えないものです。「減算的製造」では、切削工作機械を使用してブランクを加工し、大きいものから小さいものへと減らして、最終的に必要な形状の部品を形成します。

しかし、「積層造形」は、上記 2 つの従来の製造技術とは異なり、デジタルモデルをベースとして、粉末金属やプラスチックなどの接着可能な材料を使用して層ごとに印刷することでオブジェクトを構築する技術です。簡単に言えば、3D プリントは「何もないところから何かを加える」ことと同じです。

「家を建てる時、壁を作るためにレンガを一層ずつ積み上げていくようなものだ。ただし、四角いレンガとセメントの代わりに、エンジニアリングプラスチック、粉末、ナイロン、感光性樹脂、さらには金属やセラミックなど、さまざまな材料を使う」と、清華大学教授で中国3Dプリント技術産業連盟の主任コンサルタントであるヤン・ヨンニアン氏は3Dプリントについて例え話をした。

したがって、3D プリントの 3 つの特徴は注目に値します。第 1 に、モデルの構築にはデジタルソフトウェアの使用が必要です。第 2 に、製造プロセスで「廃棄物」は発生しません。第 3 に、3D プリントの原材料は大規模で複雑な材料システムです。 3Dプリントの3つの重要な特性に基づいて、自動車、航空、電子機器、医療機器、歯科機器、玩具、家具製造、建築、芸術、ファッションなど、多くの分野で幅広く使用され、製造業における設計と生産のあらゆる側面に徐々に組み込まれています。

世界的に権威のある3Dプリンティング研究機関であるWohlers Associatesの統計によると、世界の3Dプリンティング製品およびサービス市場は2014年に35.2%成長して41億300万米ドルに達し、付加製造業界で最高の成長ピークに達しました。この業界は2019年までに69億ドルの収益を生み出すと予想されています。

英国の『エコノミスト』誌が次のように評したのも不思議ではない。産業用ロボット技術が成熟し、組立ラインの作業員に取って代わり、大規模製造業は徐々に分散化して直接製造や3Dプリントによる個別カスタマイズ生産へと移行している...3Dプリント技術の出現により、工場は旋盤、ドリル、スタンピングマシン、成形機などの従来の工具に完全に別れを告げ、より柔軟で投資集約度の低い生産方法に転換するため、第三次産業革命の到来の兆しと言われている。

中国が科学研究でリードしながら応用で遅れをとる理由

しかし、大きな変革力と市場展望を持つ同じ新興技術に直面しているにもかかわらず、中国と米国の工業化プロセスの違いは、ある程度、中国の3Dプリンティングの工業化の比較的弱く、分散したジレンマを反映している。

アメリカの科学者チャールズ・ハルが世界初の 3D プリンターを発明して以来、アメリカの科学界や学界は、この新興技術の応用の見通しについて楽観的な見方を続けています。 1990 年代初頭、マサチューセッツ工科大学 (MIT) が 3D 印刷技術の特許を取得しました。その後すぐに、MIT と 3D Systems がそれぞれ 3D 印刷システムを開発しました。その後、ZCorp、ObjetGeometries、Stratasys も積層造形技術に基づく 3D 印刷製品を市場に投入しました。

近年、ストラタシスや3Dシステムズに代表される新興企業が米国の3Dプリンティング市場の半分を占めています。かつては伝統的な製造業の上流と下流に分布していたソフトウェアおよびハードウェアの大手企業は、遅れをとるつもりはない。

3Dプリントの上流ソフトウェアサプライヤーの観点から見ると、マイクロソフトは最近、3Dプリント専用の新しいファイル形式3MFをリリースすると発表しました。このデータファイル形式は、3Dプリントソフトウェアとハードウェア操作の基礎であり、3Dプリントソフトウェア標準の策定をリードしています。中流の3Dプリント材料分野については、米国の大手化学会社デュポンが3Dプリント用の商用樹脂Somosシリーズを発売しました。3Dプリント産業チェーンの下流のアプリケーションプロバイダーとして、GEの3Dプリント計画は10年前からすでに策定され始めています。GEの石油およびガス部門は、2015年までにすべての石油ノズルが3Dプリント技術を使用して製造されると予想しています。

米国の 3D プリンティング業界は、産業需要に牽引され、膨大な独自の特許技術に支えられ、明確な産業チェーンを形成しています。対照的に、中国では3Dプリントの産業化は勢いを欠いているようだ。

「研究レベルから見ると、中国と米国は一般的にそれほど違いはありません。しかし、工業化にはまだ距離があります。」中国の3Dプリントの先駆者として、ヤン・ヨンニアン氏は両国の工業化プロセスに明らかなギャップを感じています。

近年、西安交通大学、華中科技大学、清華大学、北航大学など国内の大学は、技術分野において基本的に西側先進国と同等のレベルに達している。しかし、応用分野において、中国の3Dプリンティング応用供給は市場の需要に大きく遅れをとっています。

3Dプリント業界に早くから参入した中国航空工業集団（AVIC）を例に挙げると、2011年7月、同社の上場企業である中航重機は、持株会社である中航（瀋陽）高科技有限公司および王華明の研究開発チームと共同で投資し、中航レーザー成型製造有限公司（以下、「中航レーザー」）を設立し、3Dプリント業界の開拓に着手した。

その後の市場開発において、AVIC Heavy Machinery は費用を惜しみませんでしたが、市場における 3D プリントの適用範囲が極めて限られていたため制約を受け、収益性が開発を制限する重要な要因となりました。

さらに、中国における 3D プリントの産業化を制限しているもう 1 つの要因は、企業が金儲けのために流行や誇大広告に盲目的に従っていることです。複数の上場企業の調査レポートを比較したところ、3Dプリントのコンセプトを持つ上場企業のほとんどが、3Dプリント機器を購入したり、小規模な関連技術の研究開発を行ったりすることで、この業界で試してみることを選択していることがわかった。

統計によると、中国で3Dプリントの生産、サービス、プロセスに携わる約100社の企業のうち、コア技術を持つのはわずか20～30社で、2012年通年の市場規模は1億ドル未満でした。十分な収益性を持つ一部の完全市場志向型企業を除き、その他の企業は厳しい生存環境に直面しています。

ブレークスルーのための最も価値のあるアプリケーションの方向性を見つける

産業応用を基盤としていないため、中国の3Dプリンティング企業は革新への意欲を欠き、その技術には明確な方向性がなく、その結果、業界全体の競争状況は「散在し、混沌とし、弱い」ものとなっている。

「現在、我々が直面している主な問題は、3Dプリンティングがその価値を最も発揮できる方向と点で飛躍的な進歩を遂げる必要があることだ」と呂俊尚氏は記者団に語った。「3Dの現在の難しさは産業応用にある。技術推進は一面のみで、需要喚起が基本だ」

では、中国の 3D プリント企業が本当に投資し、注目する価値がある側面とは何でしょうか?ここでは、認知上の誤解を明らかにすることが特に重要です。 Lu Junshang 氏の見解では、3D プリンティングは従来の製造技術を完全に覆す可能性は低く、新しい生産方式としてのみ存在できる。将来的には、両者はそれぞれのアプリケーション領域で長期的な補完関係を形成することになるでしょう。

これを認識した後、中央企業の3Dプリントの配置の方向性が徐々に明らかになるでしょう。 3Dプリントの個性化、複雑化、難解化の特性と、伝統的な設備製造業が得意とする規模、バッチ生産、スリム化を組み合わせ、伝統的な設備製造業が形成してきた技術、設備、人材、市場などの優位性に依拠してこそ、3Dプリントの産業化と商品化を迅速かつ明確に推進し、完全な産業チェーンを形成し、設備製造業の転換とアップグレードを促進することができます。

「中央企業のリーダーの多くは3Dプリントブームに言及し、それを避けることはできないと考えているが、それを理解しているのはほんの一握りだ」と西北工科大学教授で国家凝固技術重点実験室長の黄衛東氏は国有資産報告の記者とのインタビューで語った。

この目的のために、黄衛東氏は、中央企業が産業用3Dプリンティングにおいて大きな発展の可能性を秘めている3つの方向を指摘しました。

まず、特定の工業部品の製造と生産について詳しく調べます。エアバスは2014年に、A300/A310シリーズの航空機と次世代のA350ワイドボディ航空機に3Dプリントされたプラスチック部品を使用しました。エアバスは、3Dプリント技術を使用して製造された航空機部品は重量を33～55％削減できると同時に、原材料の使用量を90％削減できると述べた。また、従来の製造方法と比較して、この破壊的技術により、製造時の総エネルギー消費量も最大90％削減できるという。

この点において、AVIC は長年にわたり 3D プリント技術を適用してきました。 AVICの情報によると、我が国は2001年からレーザー3Dプリント技術、主にチタン合金部品のレーザーラピッドプロトタイピング技術の開発に注力し始めた。しかし、黄衛東氏の見解では、AVIC のアプリケーションはまだ大規模な段階に達していない。

第二に、新製品の開発段階では、3D プリント技術を使用して設計時間を短縮します。従来の研究開発方法と比較して、3D プリント技術は自動車部品を迅速に生産できます。ラピッドプロトタイピング技術を使用して設計の初期段階で製品組み立ての実現可能性を検証すると、製品設計のエラーをタイムリーに発見し、重要な複雑な部品やプロトタイプの原理を迅速に検証できます。調査によると、現在の国内部品の金型開発サイクルは一般的に45日以上ですが、3Dプリント技術により、工具、金型、固定具なしで部品の一体生産を迅速に実現できます。部品の複雑さに応じて、完成までに1〜7日かかります。

米国のフォード・モーター社は、3Dプリント技術を大規模に活用しようと試みている。中国では、FAW無錫ディーゼルエンジン工場が3Dプリントのラピッドプロトタイピング技術を使用してディーゼルエンジン試験装置の鋳造品の試作に成功し、製品開発サイクルを効果的に短縮し始めました。

3つ目は、部品の修理を実現することです。 3D プリントの最も注目すべき特徴は、パーソナライズされた設計と製造を実現できることです。これを基に、3Dプリント技術はローター、金型、ガスタービンブレード、ローラー、ギアなどの製品の表面修復を実現できます。修復コストは交換価格の1/5以下です。さらに重要なのは、メンテナンス時間を短縮し、大企業の主要な設備一式の回転部品の迅速な修理の問題を解決します。

この点について、ヤン・ヨンニエン氏は重機製造分野における広大なビジネスチャンスについて何度も語ってきた。同氏は「3Dコア産業プロジェクトは非常に大きく、産業投資も非常に大きく、我が国の外交の武器でもある。原子力は重機製造に属し、宇宙ロケットよりも重い。未来の3Dプリントの『未開地』だ」と述べている。

産業レイアウトは急ぐことはできない

3Dプリント産業のハイエンド応用方向を明確にした後、資本、技術備蓄、市場応用などで一定の優位性を持つ中心企業がどのように3Dプリント産業チェーンを中心としたレイアウトを展開するかが、中国の製造業のモデルチェンジとアップグレードを成功に導く重要な要素となっている。

「今こそ中央企業が3Dプリント業界に参入するのに最適な時期だ」と、世界3Dプリント技術産業協会のCEOであり、中国3Dプリント技術産業連盟のエグゼクティブディレクターである羅軍氏は、本紙記者とのインタビューで語った。同氏の意見では、「3Dプリンティングの開発において中心企業が直面する主な困難と課題は、独自の技術の欠如と中核技術人材の不足である。企業は自社の比較優位性を発揮し、自社の実際の状況に基づいて適切な突破口を選択すべきである」としている。

3Dプリンティング産業チェーンの上流には、主に精密機械、CNC技術、情報技術、材料科学、レーザー技術が含まれます。この点では、航空宇宙、造船・重工業、軍事産業の企業は大きな潜在力を持っています。

2015年、CSIC第705研究所は技術研究期間を経て、3Dプリンター技術分野で大きな進歩を遂げ、直接金属レーザー焼結ラピッドプロトタイピング技術を使用して3Dプリントを実現し、米国とドイツの3Dプリント大手に次いで世界で4番目にこの技術を習得した企業となりました。
産業チェーンの中流では、3Dプリント材料の問題が緊急に解決される必要があるため、シノペックを代表とする石油化学産業の中心企業は、同社の2015年年次仕事会議で、3Dプリント事業を将来の経済成長ポイントにするために、「3Dプリント事業の発展を研究・模索し、3Dプリント材料の発展のための条件を整える」ことを提案した。

産業チェーンの下流における3Dモデル設計サービス、印刷サービス、印刷製品の応用分野については、2015年8月にCGN傘下の原子力工事建設管理会社として、CGNエンジニアリング株式会社、渭南ハイテクゾーン、陝西付加製造研究所が3Dプリントと原子力設備応用技術協力に関する協力枠組み協定を締結し、中国の原子力設備付属品3Dプリント技術研究開発・生産拠点を設立し、中国の原子力設備製造分野で3Dプリント事業をテストしました。

3Dプリント重機製造の分野では中心企業の発展余地が大きいものの、産業チェーンの上流、中流、下流を貫く基本要因としての人材不足問題は無視できない。西安交通大学機械製造システム工学国家重点実験室長の李迪塵教授は、「人材という点だけで言えば、国内に3Dプリント技術に本当に熟練した40～50人のチームは7～8チームしかない。深刻な人材不足だ」と考えている。

この点について、陸俊尚氏は「人材の長期的戦略配置も、中央企業が3Dプリント産業を計画する際に注意すべき問題である」と強調した。同氏の見解では、従来の産業は主に「製造のための設計」であり、現在は「設計のための製造」となっている。将来、3D プリンティングが業界の 3 分の 1 を占めるようになると、業界全体でそれに相当する割合の専門家が必要になります。しかし、現在の教育システムではこのギャップを埋めることができず、企業はそのような人材を育成し確保する必要があります。

現在、ドイツが提唱するインダストリー4.0構想にせよ、米国の産業振興計画にせよ、3Dプリンティングを特徴とする世界的なハイエンド製造競争はますます熾烈になっています。 2015年2月に発表された「国家付加製造産業発展促進計画（2015-2016）」は、間違いなく「中国製造2025」の実現に弾みをつけるものとなった。

今後3～5年は3Dプリント技術にとって重要なチャンスの時期になると予測されており、3Dプリントの生産額は2016年に100億元に達すると予想されています。伝統的な製造業がチャンスを喜んで迎える一方で、潜在的な「新興産業危機」に直面している羅軍氏は次のように警告している。「中心企業は3Dプリントを急いで開発することはできず、参入点を見つけなければなりません。例えば、材料産業の中心企業は3Dプリント分野での材料のブレークスルーを見つけることに重点を置くべきです。軍事および航空宇宙企業は産業用3Dプリントの応用から始め、協力、合併、買収などの方法で3Dプリント分野に介入することができます。伝統的な産業と比較すると、3Dプリントはニッチな市場です。ほとんどの企業が3Dプリント分野に参入すると、新たな過剰生産能力が形成されます。」
出典：国有資産報告書

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