チタン金属は1000億元の潜在力を持つ3Dプリント市場を爆発させ、臨界点に到達

出典: Panorama.com

チタン金属の積層技術のアップグレードにより、3D プリントの爆発的な普及が近づいているのでしょうか?

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3Dプリントは古くから存在してきた

大規模な標準化生産はまだ達成されていない

3D プリンティングは、積層造形 (AM) とも呼ばれ、複数の分野をカバーする高度な製造技術です。 3D プリントは、コンピューターの 3 次元設計モデルを設計図として使用する技術です。ソフトウェアによる階層化離散化と CNC 成形システムにより、3 次元エンティティを複数の 2 次元平面に変換し、粉末金属、プラスチック、セラミック、樹脂などの結合した原材料を使用して、層ごとの印刷によってオブジェクトを構築します。

全体的に、3D プリンティングは情報ネットワーク技術、先進材料技術、デジタル製造技術を組み合わせたものです。製造プロセスは、機械、材料、ソフトウェア、電子機器、設計、コンピュータービジョンなど、複数の分野にわたります。 3Dプリンティングは、材料を2次元的に層ごとに積み重ねることで、複雑な3次元構造を直接形成するデジタル製造技術です。従来の製造方法と比較して、積層造形は小ロット、複雑な設計、速度が重要なアプリケーションに最適です。

出典: ハブ

従来の製造方法と比較した3Dプリントの利点としては、(1)新製品の研究開発および実現サイクルの短縮、(2)より複雑な構造の効率的な形成、(3)統合型軽量設計の実現、(4)材料利用率が高く、高価な金属材料の3Dプリントにより大幅なコスト削減が可能、(5)優れた機械的特性の実現などが挙げられます。 3Dプリント急速凝固法で形成された部品の内部冶金品質は均一かつ緻密で、その他の冶金欠陥はありません。同時に、急速凝固法によって材料の内部組織が微細な下部構造になり、可塑性を失うことなく形成された部品の強度が大幅に向上します。

現在、我が国の 3D プリントは、依然として主にエンジニアリングプラスチック、樹脂、およびいくつかの一般的な金属材料に基づいています。 3D プリントで使用される原材料は、3D プリントの機器とプロセス用に特別に開発されており、通常のプラスチック、石膏、樹脂などとは異なります。その形状は、一般的に粉末、フィラメント、層、液体などです。わが国における3Dプリント用粉末材料の現在の使用状況から判断すると、非金属材料と金属材料はおおよそ6:4のパターンを形成しており、非金属材料が材料市場の大部分を占めています。

そのうち、金属粉末は主に一般的な金属材料であり、ボウル合金、アルミニウム合金、ステンレス鋼が大きな割合を占めています。非金属粉末はエンジニアリングプラスチック、ナイロン、樹脂、および継続的に開発されているバイオベースの分解性材料、複合材料などです。現在の金属 3D プリント技術は、加工可能な材料、加工精度、表面粗さ、加工効率の点で、従来の精密加工技術と比較してまだ一定のギャップがあります。

Wohlers Associatesによると、世界の3Dプリント生産額は2022年に180億米ドルに達し、下流産業の上位3つは航空宇宙（17％）、医療（16％）、自動車（15％）です。わが国の3Dプリント生産額は2021年に265億元に達し、主に航空宇宙、軍事産業などに使用され、大規模な標準化生産はまだ形成されていません。

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なぜこの時点で 3D プリントが話題になっているのでしょうか?

家電製品におけるチタン合金のトレンドと国内技術の成熟により、3Dプリンティングは大規模な産業用途の到来を告げるでしょう。

チタン合金の熱伝導率が低いため、従来のCNC技術ではチタン合金を加工する際に工具の損失が大きくなります。Aibon Polymerによると、従来のCNCチタン合金加工の歩留まり率はわずか30～40％です。 3D プリント技術は工具の切削工程を回避し、レーザーと金属粉末の価格低下により、チタン合金の 3D プリントのコストは徐々に CNC 処理と同等になってきました。

Counterpointによると、Apple Watchシリーズ6のケースの加工コストは約132元、3Dプリントされた超チタン合金のコストは約109元で、コスト面で競争上の優位性があるという。

出典: IT Home、Sina Technology、Huawei公式サイト、OPPO公式サイト

3Dプリントされたチタン合金は、AppleやHonorなどの製品に使用され始めています。

2023年7月、Huawei Honor Magic V2折りたたみスクリーン携帯電話ヒンジがチタン合金3Dプリント技術を使用して製造されることが発表され、コンシューマーエレクトロニクス分野での3Dプリントの初の大規模応用が実現しました。ブルームバーグによると、Apple Watch Series 9のケースはステンレススチールバインダージェッティング（Binder Jetting）金属3Dプリントで作られており、Apple Watch Ultraのデジタルクラウン、サイドボタン、その他の操作ボタンはチタン合金粉末床レーザー溶融（L-PBF）金属3Dプリントで製造されている。スマートウォッチのテストが成功すれば、Apple は今後数年間でさらに多くの製品にこの技術を採用することを検討するかもしれない。

2023年9月、Appleは秋のカンファレンスで新型iPhone 15Pro携帯電話とApple Watch Ultra2腕時計を発表しました。どちらもフレームにチタン合金素材を使用しています。今年10月、XiaomiはXiaomi 14シリーズの携帯電話をリリースし、そのうちXiaomi 14Proにはチタン特別版が提供されています。上記のチタンを使用した3C製品のうち、Honor折りたたみ式スクリーンヒンジカバーとApple Watch Ultra 2ケースはどちらも単一のチタン合金で作られていますが、AppleとXiaomiの携帯電話はチタンとアルミニウムの複合材料を使用しており、つまり、内部ベースプレートはアルミニウムで、外部フレームはチタンです。Appleの携帯電話はチタン合金を使用し、Xiaomiの携帯電話は99％の純チタンを使用しています。 3C業界でこれまで広く使用されていたアルミニウム合金やステンレス鋼と比較して、チタン合金のCNC加工の難易度は大幅に増加しており、3Dプリントはもう一つの有望なオプション加工方法となっています。

大手メーカーの実証効果により、3Dプリント技術は今後さらに多くの民生用電子製品に拡大すると予想されており、3C業界ではチタン合金の応用がトレンドとなっている。

同時に、国内メーカーの技術の成熟も、国内産業の爆発的な成長の基盤を築いてきました。

3Dプリントは金属3Dプリントと非金属3Dプリントに分けられ、その中で金属3Dプリント技術PBFは業界で広く使用されており、DEDは産業応用を形成しています。積層造形プロセスは 7 つのカテゴリに分けられます。通常、技術によって材料、エネルギー源、成形方法が異なります。そのうち 4 つは金属 3D プリントです。粉末床溶融結合法 PBF (SLS、SLM、EBM、MJF を含む) と指向性エネルギー堆積法 DED (LSF、WAAM を含む) はどちらも鍛造基準を満たす金属部品を製造でき、成熟した応用技術ルートです。

Wohlers 2022 Senvolデータベースによると、世界の金属積層造形製品1,026個のうち94%がPBF（902個）とDED（61個）の技術を使用して製造されました。

最も広く使用されている金属 3D 印刷技術ルートである SLM を例にとると、その処理原理は、粉末敷設システムが処理プラットフォーム上に金属粉末の層を広げ、レーザーが金属粉末粒子を一度に 1 層ずつ焼結することです。複雑な構造部品の加工・製造上の問題を解決し、特に加工が難しいチタン合金、高温合金、内部空洞構造が複雑な部品の製造に適しています。

SLM テクノロジールートの主な機器メーカーには、EOS、Trumpf、SLM Solutions、Concept Laser (GE)、Polylite、Hanbang、Shining/Easy3D、Farsoon などがあります。国内の設備メーカーであるFarsoon社とPolylite社は、成形サイズ、スキャン速度などの指標において国際的に先進的なレベルに達しています。

出典: SLMSOLUTION、Apple、3Dプリンティング業界、Facebook

さらに、3D プリントのコストは引き続き低下するでしょう。

現在、原材料となる金属3Dプリント粉末の価格は下落し続けています。ポリライトを例にとると、自社製の金属3Dプリント用粉末の販売価格は、2020年から2022年にかけて144.5万元/トンから78.2万元/トンに下落し、46％減少した。今後も下落傾向が続くと予想されます。

また、レーザーの現地化が進むにつれて、部品調達の単価が下落傾向にあり、3Dプリント装置の単価も下落傾向にあります。ポリライトが2023年にリリースしたBLT-A400、BLT-S400、BLT-S450などのマルチレーザー構成ソリューションは、装置内のレーザー数、粉末循環システム、サポートソフトウェアの面で、生産効率と装置の安定性を向上させます。チタン合金3Dプリントには、まだコスト削減の余地がたくさんあります。

専門組織がチタン合金3Dプリントのコストを分析し、3Dプリント粉末材料と3Dプリント設備の価格が将来どの程度下がるか、また3Dプリントの効率がどの程度上がるかを慎重に想定した結果、チタン合金3Dプリントの価格は現在の7元/gから2027年には3.64元/gに下がり、約50％低下すると予測されました。コスト削減により、3Cチタン合金製品の製造における3Dプリントの普及率は今後も増加し続けると予想されます。

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市場規模はどのくらいですか？

まず、チタン合金技術が家電分野に参入する3D市場空間を見てみましょう。現在、チタン合金を使用する機器部品は3種類あります。専門機関は、2027年までに3Dプリントチタン合金ヒンジの普及率が50％に達すると、市場空間は60億元に達すると予測しています。携帯電話のミッドフレームとスマートウォッチに関しては、スマートフォン/ウォッチの出荷台数を推定し、普及率、価値シェア、携帯電話1台あたりの使用量、チタン合金価格、粉末利用率について合理的な仮定を置いた結果、3Dプリントの普及率が20％となる2027年には、世界のスマートフォンとスマートウォッチの市場規模はそれぞれ486億3,500万元と63億4,200万元となり、中国市場はそれぞれ108億2,000万元と31億8,000万元になると結論付けられました。

一部の機関は、2027年に3Dプリントされた折りたたみ式スクリーンチタン合金シャフトカバーの普及率が80％に達し、3DプリントされたApple Watchチタン合金ケースの普及率が80％に達し、3DプリントされたiPhoneチタン合金ミドルフレームの普及率が25％に達すると仮定すると、2023年から2027年までのチタン合金3Dプリント製品、3Dプリント設備、3Dプリントパウダー、3Dプリントレーザー、3Dプリントガルバノメータの累計市場規模は、それぞれ198.43億元、164.40億元、24.19億元、9.41億元、12.22億元になると考えています。

3Dプリント技術の発展に伴い、その応用分野はますます広くなり、新製品の研究開発と製造が下流の継続的な拡大を推進し、ますます多くの分野が積層造形生産へと転換しています。

付加製造業界の研究を行っているアメリカのコンサルティング会社、ウォーラーズ・アソシエイツの統計によると、2021年の世界付加製造生産額（製品・サービスを含む）は152億4,400万米ドルで、前年比19.50％増加した。 30年以上の発展を経て、積層造形業界は立ち上げ段階から成長段階へと移行しており、近年全体として急速な成長傾向を示しています。 Wohlers の予測によると、積層造形の収益規模は 2021 年から 2025 年にかけて 18.24% の CAGR で成長し、2025 年までに 298 億米ドルに達すると予想されています。また、2025 年から 2030 年にかけて 23.41% の CAGR で成長し、2030 年までに 853 億米ドルに達すると予想されています。

世界の付加製造市場規模出典: Farsoon Technology の IPO 目論見書

現在、世界をリードする3Dプリント企業は主に米国に集中しており、わが国の3Dプリント産業はまだ成長の初期段階にあります。2021年、わが国の3Dプリント産業の規模は世界全体の約17％を占めました。多くの国内特許が申請されていますが、具体的な応用には至っていません。コアテクノロジーと最先端の人材は、わが国の3Dプリント産業の現在の発展を制限する重要な要因です。

わが国は積層造形産業の発展を非常に重視しており、近年、国内の3Dプリント市場の応用は深化し続け、さまざまな業界でますます広く利用されるようになりました。 2017年から2020年にかけて、中国の3Dプリント産業の規模は毎年成長傾向を示しました。2020年の中国の3Dプリント産業の規模は208億元で、前年比32.06％増加しました。未来産業研究所の予測によると、わが国の3Dプリント市場の規模は2026年に1000億人民元を超え、2021年から2026年までの年平均成長率は20％を超えると予想されています。

中国の付加製造産業の規模に関するデータの出典：Farsoon High-Techの目論見書、Edu Data

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関連会社は何ですか？

3D プリント産業チェーンの上流は、印刷原材料、コアハードウェア、補助的なオペレーティングソフトウェアの 3 つの主要セクターに分かれています。原材料は3Dプリント産業チェーンの要であり、参加者は主に完全な産業チェーンレイアウトを備えた大手企業と粉末材料サプライヤーです。現在、業界で一般的に使用されている印刷材料には、金属、プラスチック、感光性樹脂、セラミック、複合材料の5つのカテゴリがあります。金属材料と複合材料は、将来の開発トレンドです。国内と海外のコアハードウェアと補助オペレーティングソフトウェアの間には明らかなギャップがあり、現在、国内の競争は多様化しており、国内での代替の可能性は大きい。

ミッドストリームには、3D プリント機器の製造と技術サービスが含まれており、産業チェーン全体の中核をなしています。国内メーカーは主にデスクトップレベルのプリンターサプライヤーです。産業用プリンターは技術的に難しく、プロセス要件も高いです。国内メーカーは少ないですが、一般的に業界チェーン全体に供給する能力を持っています。

下流の応用方法は、主に直接製造、設計検証、試作品製造に分かれており、現在では航空宇宙、自動車、医療などの分野に広く浸透しています。その中でも、金属工業グレードの3Dプリントは、今後の重要な成長の柱となっています。

3Dプリンティング業界チェーンデータソース: Farsoon High-Tech IPO目論見書、Polylite IPO目論見書

その中で、ポリライトは国内の中核的な金属3Dプリント企業であり、金属3Dプリント産業チェーン全体を統括しています。同社の創立チームは、中国で最も初期の 3D プリント研究開発チームの一つであり、20 年以上にわたり金属付加製造の分野に深く携わり、現在では 3D プリントの上流原材料、中流設備、下流製造を網羅する完全な製品サービスシステムを形成しています。

同社は自社開発設備を頼りに、航空宇宙、医療などの分野で下流顧客を積極的に開拓しており、カスタマイズ製品は小ロット生産段階に入っている。当社は国内数少ない3Dプリント総合ソリューションプロバイダーとして、業界チェーン全体に供給する能力を備えており、その技術力は国内トップクラスです。わが国が3Dプリント業界への投資と政策支援を継続的に強化する中、当社は大きな恩恵を受けることが期待されます。

Farsoon High-Tech は、我が国の産業グレード 3D 印刷機器の大手企業であり、材料とソフトウェアの独立した研究開発および製造能力も備えています。同社は主に工業用積層造形装置の研究開発、生産、販売に従事し、3Dプリント材料、プロセス、サービスを提供しています。同社の製品は航空宇宙、自動車、医療、金型などの分野で使用されています。同社は、積層造形用の産業用ソフトウェアと制御システムを自主開発し、SLMおよびSLS装置の工業化された大量生産と販売を実現する能力を備えた国内数少ない企業の一つであり、世界の3Dプリント業界の急速な発展の恩恵を受けています。

Shining 3Dは中国国内では珍しい歯科用3Dデジタル化企業であり、その3Dスキャン技術は中国をリードしています。同社は17年間にわたり3Dプリント業界に深く関わり、3Dデジタル設計から3Dプリント製造まで、ソフトウェアとハードウェアを統合した完全なテクノロジーチェーンを独自に開発してきました。同社は、3D口腔スキャナー、3Dテーブルスキャナー、歯科用DLPプリンター（材料を含む）、CAD/CAMシステムなど、デジタル歯科製品を豊富に取り揃えています。同社の技術的優位性は、フロントエンドスキャンにあります。現在、粗利益率の高い自社開発のスキャナーが同社の主力製品となっています。

Yinbang Co., Ltd.は、ハイエンドの金属複合材料のリーディングカンパニーです。子会社のFalcontechは、中国で最も早く金属3Dプリント応用サービスに携わったメーカーの1つです。10年以上にわたり航空宇宙事業に深く携わり、工業生産工場を建設し、3Dプリントの工業化応用を積極的に推進してきました。 FalconTechは中国で初めて金属3Dプリント耐空認証に合格した企業であり、金属粉末の準備 - 金属3Dプリント部品の製造 - 熱間静水圧プレス - 性能試験という完全な生産プロセスを備えています。同社が製造する3Dプリント部品は、C919航空機の生産で量産されています。

広雲達の完全子会社である通宇航空は、航空機器の製造と管理で10年の経験を持っています。その製品には、マルチモデルの機械加工と3Dプリントの航空部品が含まれます。主な顧客は成都飛機工業（グループ）有限公司です。 Tongyu Aviation は、Chengfei Group の主要顧客に隣接しており、航空部品と 3D プリントのサプライヤーです。Chengfei Group との長年にわたる協力関係の中で、同社は Chengfei のサプライチェーンに統合され、重要なサプライヤーの 1 つになりました。

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