レーザーやガルバノメーターなどの産業用3Dプリンターのコアコンポーネントのローカライズが進行中

南極熊の紹介：中国では工業グレードの 3D プリント（特に金属）の開発が本格的に進んでいますが、何か「ボトルネック」の問題はありますか?
今日の高度な製造分野では、3D プリント技術はその驚くべき革新性と応用の可能性により大きな注目を集めています。この技術の破壊的な利点は、製造業に新たな可能性を再定義するだけでなく、多くの分野で大きな応用可能性を実証しています。 3D プリント技術の応用が成熟するにつれて、より効率的な処理が可能になり、精度の飛躍的な向上が見られます。 3Dプリント技術の産業化にとって、印刷効率は極めて重要です。近年、印刷装置のレーザー数の増加、レーザースキャンシステムの速度の向上、レーザー出力の増加、最大成形サイズの拡大、粉末出力方法のアップグレード、プロセス計画ソフトウェアのアップグレードなど、技術の反復的な進歩により、金属3Dプリント装置の生産効率は大幅に向上しました。

3D プリントに適した国内レーザーメーカーには、Raycus Laser、Changfei Optoelectronics、JPT Laser、Baochenxin (Chuangxin) Laser、Han's Laser、Gongda Laser、Kaplin、SiChuang Laser などがあります。
3D プリントに適した国内ガルバノメーターメーカー: Han's Laser、Filatech、Hanbang Laser (自社開発、自社使用)、Timing Precision Control、Century Sunny、Anshan Precision、Saipusen、Zhibotech、Xuxin Intelligent など。

南極熊の統計によると、現在、国産のレーザーとガルバノメーターが最も頻繁に使用されている分野には、歯科用金属3Dプリント、靴型/金型金属3Dプリントなどが含まれます。これらの分野は技術指標の要件が比較的低く、コストに非常に敏感です。国産品はコストを大幅に削減できるため、広く使用されています。

印刷の効率と精度を向上させるには、レーザーやガルバノメータなどの 3D 印刷装置のコアコンポーネントが重要な役割を果たします。レーザーが光を放射した後、視野レンズまたはダイナミックフォーカスレンズの高い集束能力とガルバノメータの精密な制御が組み合わさって、金属 3D プリント技術の精度と効率が生まれます。したがって、金属 3D プリント技術の本質を探求するには、関連するコアコンポーネントの機能と利点を深く理解することが重要です。

△中国のYijia 3D M1550金属3Dプリンターの成形室は、印刷サイズが1550mm×1550mm×1000mmで、16本のレーザービームが同時にスキャンして印刷します。使用されるレーザーとガルバノメーターは輸入品である
レーザー レーザーは誘導放射によって生成される光です。指向性が強く、エネルギー密度が高いため、加工精度と加工速度が速いという利点があります。レーザー加工は、従来の加工方法に常に取って代わりつつあります。産業チェーンの観点から見ると、レーザー業界は比較的完全な産業チェーン分布を形成しています。さらに、3Dプリント、精密機械加工、レーザー溶接、レーザークリーニングなどのサブセクターの発展により、レーザー業界の需要がさらに増加しました。レーザーはレーザー産業の中核部品であり、レーザーを生成するための中核ユニットであり、その価値は装置の中で比較的高い割合を占めています。
現在、市場で 3D プリントに使用される主流のレーザーの種類には、ファイバーレーザー、固体レーザー、半導体レーザー、二酸化炭素レーザーなどがあります。3D プリンターは、さまざまな成形材料に応じてさまざまなレーザーを使用します。しかし、独立した産業としてのレーザー製造の継続的な発展は、3D 印刷プロセスとのマッチングにも大きな変化をもたらしました。
△CO2レーザー光硬化に使用される紫外線レーザーには、初期のヘリウムカドミウムレーザー（波長325nm、出力15〜50mw）やアルゴンイオンレーザー（波長351〜365nm、出力100〜500mw）など、多くの種類があります。これらのレーザーは初期のSLA装置で使用され、レーザービームのスポットサイズは0.05〜3mmでした。現在、固体紫外線レーザーは光硬化に広く使用されています。出力波長は355nmで安定し、出力は800mwに近く、調整可能で、寿命が大幅に延びています。レーザーダイオードを交換するだけで、使い続けることができます。
△紫外線レーザー焼結技術は、出力波長10.6μmの二酸化炭素レーザーを使用します。出力は数ワットから数十キロワットまでの範囲です。ビーム品質は非常に高く、非金属材料（この波長の吸収率が高い）の加工によく使用されます。レーザー焼結技術では、CO2レーザーの出力は数十ワットまで選択でき、スポット径は約0.4〜0.5mmです。ナイロン、コーティング砂、セラミック、PS粉末などの非金属材料の焼結に使用できます。さらに、初期の LOM では輪郭切断に CO2 レーザーも使用されていました。 △深センJPT連続ファイバーレーザー 金属印刷用のレーザーは、主に CO2 レーザー、YAG レーザー、ファイバーレーザーなど、いくつかの開発段階を経てきました。 CO2レーザー自体の出力波長が非常に長く、金属材料の吸収率が低いため、初期の金属印刷に使用されていたCO2レーザーの出力は数キロワットのものが多かったです。 YAGレーザーは1.06μmの波長を出力でき、金属との結合効率が高く、加工性能に優れています。800W YAGレーザーの有効出力は3KW CO2レーザー出力に相当します。その後、ファイバーレーザーが徐々に商業市場に導入されるにつれて、YAGレーザーの欠点がますます明らかになり、より高い電気光変換率とより安定した性能を備えた、より統合されたファイバーレーザーの使用が金属印刷の開発における大きなトレンドになりました。
現在、金属印刷では少数の YAG レーザーが使用されていますが、市場の大部分はファイバーレーザーによって占められています。 SLM 用ファイバーレーザーの出力波長は通常 1.07μm で、ピーク電力は 200w、400w、500w、1000w などいくつかのレベルがあります。スキャンスポットは通常 80～150μm 以内です。 △海外IPGレーザーが2023年に新発売するYLR-U-SMシリーズ500w-2000wシングルモードレーザー 2023年12月中旬、国内レーザー産業と技術の発展状況をさらに把握するために、南極熊は国内レーザー産業のリーダーであるJeptとの独占インタビューを実施しました：国産レーザーは金属3Dプリントのコストを突破するのに役立ちます、南極熊Jeptとの独占インタビュー-南極熊3Dプリントネットワーク-プラットフォーム（nanjixiong.com）。 Jeptの責任者はAntarctic Bearに対し、現在のレーザー市場の競争は非常に激しいと語った。特に金属 3D プリンターの場合、レーザーに対する要件は切断や溶接よりもはるかに高く、出力ビーム品質 M2 は 1.1 未満である必要があります。現在、3D 印刷業界向けにバッチで出荷される JPT のレーザーは、一般的に 1.06 ～ 1.09 を達成しています。市販の一般的なレーザーの長期的な出力変動は約 3% ～ 5% ですが、3D プリントは一般的に長期にわたる作業が必要であり、出力変動は 2% 以内、さらには 1% 以内に抑える必要があります。特に、1 台の金属加工機に 2 台または 4 台のレーザーが装備されており、それぞれに一定の誤差がある場合、印刷効果は非常に悪く、一貫性の要件は非常に高くなります。 JPTは、次世代レーザー技術のアップデートについても計画しています。(1)AOBレーザー：レーザー出力スポットはリング状で、内側と外側のリングレーザーは独立して制御可能であり、出力スポットはシングルモード/マルチモードに調整可能です。現在主流の 500 ワットレーザーソリューションと比較すると、金属 3D プリントの充填効率は数倍に向上します。（２）複数のレーザーと複数のガルバノメータを１つのコントローラで制御し、１対４以上を実現。これにより、応答速度と制御精度が向上し、「マルチヘッド」ジョイント調整の難しさが軽減されます。

ガルバノメータ 走査型ガルバノメータは、レーザー加工の分野で使用されるベクトル走査装置であり、慣性が小さく、走査速度が速く、位置決めが正確で、閉ループフィードバック制御などの特徴を備えています。光学走査ヘッド、電子駆動アンプ、光学反射レンズで構成されています。2 つのガルバノメータを使用してレーザーを反射し、XY 平面での動きを形成します。主にガルバノメータ制御システムと組み合わせて使用され、レーザー加工の分野で特に使用される特殊なモーションデバイスです。慣性が非常に小さく、移動時の負荷も非常に小さいです。2 つの小さな反射レンズのみがあり、それぞれ異なるモーターによって偏向します。このシステムは非常に迅速に応答し、高速スキャン、正確な位置決め、閉ループフィードバック制御などの特徴を備えています。
△ ガルバノメータの動作原理 3D プリントのシナリオでは、ガルバノメータのジャンプ速度と精度が非常に重要です。特に、軽量構造やサポート構造を作成する場合は、印刷面の滑らかさと精度を確保するために頻繁なジャンプと高精度が求められます。さらに、3Dプリントは層ごとのスキャンを使用するため、ワークピースの累積処理時間は新エネルギー電池の溶接よりも長くなり、ガルバノメータの安定性と熱制御の要件は比較的高くなります。南極熊3D印刷ネットワークは、中国の3D印刷業界の専門プラットフォームです。3D印刷市場の需要が継続的に増加しているため、この業界で使用されるガルバノメータの年間複合成長率は30％を超えると予想されています。

2000 年から現在に至るまで、ガルバノメータは多くの技術的改良を経て、その応用範囲は継続的に拡大してきました。当初、国内でのアプリケーションは主に中低価格帯の市場、特にマーキング業界に集中していました。中国の家電、半導体、太陽光発電技術の台頭により、より高速で高精度な高性能ガルバノメータがより広く使用されるようになりました。
レーザー加工制御システムはレーザー先進製造の中核であり、複数の分野の技術を統合したモーション制御ソフトウェアとカードで構成されています。その中で、ガルバノメータシステムはガルバノメータモーターを使用してレーザービームの正確な偏向を実現し、マイクロナノ加工の分野で使用され、高速性と精度に優れています。ガルバノメータ制御システムは、サーボシステムと比較して、速度と精度が高く、小型のマイクロナノ処理に適しています。レーザー加工制御システムは、レーザー加工設備の中核となるCNC頭脳であり、コンピューター、レーザーと光学、動作制御と自動化、視覚追跡など、複数の分野の先進技術を統合し、レーザー、高精度ガルバノメーターなどのコンポーネントを備え、先進的なレーザー製造のニーズを満たしています。レーザー先進製造を統合した新世代の情報技術産業に属します。
ガルバノメータ制御システムは、ガルバノメータモーター、レーザー反射レンズ、制御駆動ボードで構成されるレーザー加工制御システムの一種です。ガルバノメータ制御システムは、レーザービームをガルバノメータに導き、コンピュータを介してガルバノメータの反射角度を制御して、レーザービームの偏向を実現し、一定の出力密度のレーザー焦点が必要に応じてマーキング材料上を移動し、材料の表面に永久的なマークを残します。ガルバノメータモーターは特殊なスイングモーターで、その設計コンセプトは電流計の設計方法に従っています。ガルバノメータモーターは偏向運動のみを実行でき、偏向角度は電流に比例します。ガルバノメータモーターは回転可能な低慣性レンズを駆動してレーザービームを配置し、位置センサーと負帰還ループ設計を採用して、ガルバノメータシステムが高レベルのスキャン速度と繰り返し位置決め精度を備えていることを完全に保証します。サーボ制御システムと比較すると、ガルバノメータ制御システムの最大移動速度は 3,600 メートル/分以上に達する可能性がありますが、サーボ制御システムの最大移動速度は通常 120 メートル/分を超えません。精度に関して言えば、ガルバノメータ制御システムの精度要件は 0.5um ～ 10um の間ですが、サーボ制御システムの精度要件は若干低く、通常は約 50um です。ガルバノメータ制御システムは高精度、高速という特徴があり、主に小型フォーマットのマイクロナノ加工分野で使用されています。サーボ制御システムは、大面積のマクロ処理に適しており、板金加工、自動車製造、航空宇宙などの分野を含む大判の切断や溶接に広く使用されています。
ガルバノメータのスキャン速度も、印刷効率に影響を与える主要な要因の 1 つです。ガルバノメータモジュールのスキャン効率が速いほど、レーザースキャンの調整時間を効果的に短縮でき、生産効率が高まります。また、最大加工形式と成形サイズが大きいほど、より大きなサイズの部品をより多く適応でき、同時に、1枚の基板でより多くの部品を量産できるため、単一部品の出力効率が向上し、コストが削減されます。さらに、レーザーの最大出力や加工層の厚さなどの性能パラメータも向上しており、プロセス計画ソフトウェアのセグメンテーション効率、印刷効率、使いやすさも向上しており、金属3Dプリント技術の産業化に貢献しています。

中国における3Dプリンター機器のコア部品開発の現状 我が国では、工業用付加製造装置の中核部品を輸入に大きく依存しているという問題が依然として顕著です。高品質レーザーとビーム成形システム、高速スキャンシステム、高出力レーザースキャンガルバノメーター、ダイナミックフォーカスミラーなどの精密光学装置や一部の電気部品など、積層造形装置のコアコンポーネントは輸入製品に依存しています。輸入コアコンポーネントは主にレーザー、スキャンガルバノメーター、モーションコントロールシステムの電気部品です。同社の機器のかなりの部分は、その中核部品の一部を外国ブランドにある程度依存している。
3D プリント装置に必要なコアコンポーネントには、ガルバノメータとレーザーが含まれます。華樹ハイテックが2022年に発表した目論見書には、

同社のレーザーは主に米国とドイツから輸入されており、同社が購入した輸入レーザーの割合はそれぞれレーザー総購入額の82.88%、88.01%、86.08%、69.90%を占めています。検流計は主にドイツから輸入されており、同社が購入した輸入検流計の割合はそれぞれ検流計総購入額の100.00%、98.02%、100.00%、99.13%を占めています。報告期間後、輸入検流計の購入割合は低下しましたが、輸入コア部品の割合は依然として高く、輸入依存のリスクがあります。同社のコア部品であるレーザーと検流計は、輸入に大きく依存しています。輸入検流計とレーザーは業界での使用歴史が長く、性能が成熟して安定しており、比較的よく知られています。しかし、国産の検流計とレーザーの技術的成熟度は、輸入品と比べてまだ一定の差があります。同社は、中小型設備の一部に国産のレーザーやガルバノメーターを徐々に採用しているが、長期安定性は輸入部品に比べて劣っており、短期的には有効かつ全面的な国産代替を完了することができない。

△Farsoon High-Techの目論見書では、ガルバノメータとレーザーの購入額が比較的高い△2019-2022H1 Farsoon High-Techの3Dプリント機器事業状況。出典：Farsoon High-Techの目論見書。現在、中国のガルバノメータ制御システムの市場規模は約20億人民元で、そのうちハイエンド市場は15億人民元を占めています。2025年には25億人民元に達すると予想されています。 2021年、ガルバノメータ制御システムの販売量は35％増加し、売上高は3億8,600万元に達しました。「2021年中国レーザー産業発展報告」によると、2020年の低電力精密加工制御システムの販売量は238,500セットでした。レーザー加工装置の需要が継続的に高成長している恩恵を受けて、ガルバノメータ制御システムの販売量は2021年に35％増加しました。ガルバノメータの平均価格が1,200元/セットであるため、2021年のガルバノメータの販売量は3億8,600万元に達しました。
Veken産業研究センターの統計によると、2014年から2022年にかけて、わが国のガルバノメータ製造業者の数は10社未満から20社以上に増加しました。ガルバノメータ制御システムの中低価格帯市場は国内生産が進んでいますが、ハイエンドのアプリケーションは依然として外国企業が主導しており、高精度のマーキング、スクライビング、ドリリングの分野ではギャップがあります。国内の高出力レーザー制御システムの市場規模は前年比85.7％増加し、中低価格帯レーザーコントローラーの成長率を上回りました。近年、国内サプライヤーが急速に発展し、ガルバノメータ制御システムの中低価格帯市場は基本的に国産化されています。ハイエンドアプリケーションの分野では、現在、米国のCTI、ドイツのScanlab、Raylaseなどの外国企業が市場を独占しています。高精度のマーキング、スクライビング、ドリリングの分野では、国産ガルバノメータと海外メーカーのガルバノメータの間には依然として大きな差があります。
ガルバノメータ制御システムは産業チェーンの中間に位置し、その用途は家電製品、自動車製造、機械製造、リチウム電池などの分野に及びます。政策支援とレーザー技術の発展が市場の成長を牽引しています。太陽光発電、新エネルギー、3D 印刷の分野はガルバノメータの用途に新たな機会をもたらし、市場の見通しは広範です。ガルバノメータ制御システムは、レーザー、機械システムなどと連携して、産業チェーンの中流における重要なコンポーネントです。ガルバノメータ制御システムの上流には、光源材料、光学部品、およびコンデンサや抵抗器などのその他の材料が含まれます。直接上流の観点から見ると、レーザー制御システムサプライヤーは、チップメーカー、PCBメーカー、および関連ワイヤサプライヤーと連携する必要があります。現在の国内代替状況から判断すると、一部のチップは国内で生産できますが、一部は依然としてTexas Instrumentsなどの国際サプライヤーに依存しています。 PCBや配線材料は基本的に国内生産されており、供給量は十分で価格も透明です。ガルバノメータ制御システムの下流には、レーザー切断、溶接、マーキング、洗浄、3Dプリントなどのレーザー機器があります。そのうち、レーザー切断装置、レーザー溶接装置、レーザーマーキング装置の生産量はそれぞれ38％、28％、15％を占め、合計で80％以上を占めています。下流アプリケーションの観点から見ると、ガルバノメータ制御システムは主に民生用電子機器、自動車製造、機械製造、リチウム電池生産、航空宇宙、鉄道輸送、医療などの分野で使用されています。
我が国のレーザー/ガルバノメータ製品はまだ国際市場で有効な競争状況を形成していないが、多くの国内メーカーがガルバノメータ制御システムの分野で画期的な進歩を遂げており、その代表的なものは以下のとおりである。

金城子：安定した資本構造と深い技術的背景を持つ創業者を擁する国内有数のガルバノメータ制御システム企業。2020年のガルバノメータ制御システムの出荷台数に基づくと、金城の子会社の市場シェアは32％、Dazzle Siteの市場シェアは9％、海外企業の合計市場シェアはわずか9％でした。同社の事業はレーザー加工制御システム、レーザーシステム統合ハードウェア、レーザー精密加工設備をカバーしており、そのうちレーザー加工制御システムが売上高の約70％を占めています。高精度ガルバノメータ製品とレーザーシンクロトロン制御システム製品は現在、市場促進段階にあります。
Dazzle Star: 中国で初めてデジタルドライバーボードの開発に成功したガルバノメーター会社であり、ガルバノメーターの上級専門家による研究開発チームを擁するガルバノメーター会社です。コアコンポーネントの国産化と主要技術の自主研究開発を基本的に達成しています。大聚サイトは研究開発指向と市場サービスという理念を堅持し、中高級品の道を歩み、海外に進出し、中高級市場で海外の同業他社と競争できるようになりました。 Han's Site 製品は、精密マーキング、溶接、切断、3D 印刷、ディスプレイパネル、タブ切断、PCB 処理、太陽光発電、医療美容、テスト業界など、多くのハイエンドアプリケーションシナリオで輸入製品に取って代わることに成功しています。
金海創：2001年に設立され、光学走査ガルバノメータとその制御システムの研究開発、生産、販売を専門とするハイテク企業です。同社の製品は、レーザーマーキング、医療美容、レーザー3Dプリント、レーザークリーニング、レーザー溶接、レーザー切断などの分野で広く使用されており、ガルバノメーター業界の重要な参加者の1つです。同社の製品には、一連の光電デジタルガルバノメーターシステムとその他の関連技術ソリューションが含まれます。
博初電子：国内レーザー切断制御ソフトウェアのリーダーであり、中低出力レーザー切断ソフトウェアで最大の市場シェアを持ち、高出力レーザー切断ソフトウェアの市場シェアが急速に拡大しています。同時に、インテリジェントレーザー切断ヘッドと鉄骨構造インテリジェント溶接システムを拡張し、中長期的な成長スペースを開拓しています。
Raycus Laser：国内有数の産業用レーザー企業であり、主な業務は強力な市場競争力を維持しています。業界の価格競争は鈍化し、同社は積極的にコストを削減し、収益性は底を打った。同時に、ハイエンド製造、海外輸出、専用市場などを積極的に展開し、業界での主導的地位を強化しています。
光大華鑫：国内有数のレーザーチップ企業であり、高出力半導体レーザーチップの国内代替プロセスを強化し続けており、レーザーレーダーや光通信チップなどのシーン製品の開発・検証も行っている。
威鴻株式会社：国内有数の制御システム会社。近年、粗利益率は高水準を維持している。同社は現在、レーザー切断市場の開拓に注力している。

△ 大足サイト
3Dプリントコア部品のローカライズの今後の開発動向
2020年、科学技術部、国家発展改革委員会およびその他5つの部門は、3Dプリントやレーザー製造などの主要なコア技術の研究を長期的に支援するための政策を発表しました。アンタークティックベアは、レーザー加工装置の市場規模が拡大し続け、レーザー装置の先端分野への応用が増加するにつれて、ガルバノメータの市場規模は今後も拡大し続けると予想しています。これは主に以下の理由によるものです。

政策強化：2020年、科学技術部、国家発展改革委員会など5つの部門は「基礎研究を0から1に強化するための作業計画」を発行し、主要なコアテクノロジーにおける主要な科学的課題に長期的なサポートを提供しました。当社は、3Dプリンティングやレーザー製造、主要基礎材料、先端電子材料、製造技術と主要部品、ハイエンド医療機器、主要な科学機器や設備などの主要分野への支援に注力し、主要なコア技術のブレークスルーを推進します。
レーザー技術が需要の成長を牽引: 下流産業からの需要に牽引され、レーザー加工制御システムには大きな発展の余地があります。「2021年中国レーザー産業発展報告」によると、レーザー技術の継続的な発展により、レーザー加工の普及率が継続的に上昇しています。2012年から2021年まで、中国のレーザー加工装置市場規模のCAGRは19.2％に達しました。そのうち、2021年の市場規模は821億元に達し、前年比18.5％増加しました。
先進分野が市場規模の拡大を牽引：レーザー機器の現在の応用分野のうち、レーザー切断は依然として中核応用分野であり、全体規模の40％以上を占めています。溶接、マーキング、半導体の応用は第2層にあり、それぞれ約13％、13％、12％を占めています。今後、レーザー機器が複雑な加工分野で広く使用されるようになると、切断の割合は若干減少し、3Dプリントなどの先端分野が増加し、ガルバノメータ市場規模の拡大を牽引するでしょう。

一般的に、3Dプリントレーザーなどのコアコンポーネントの独自の研究開発と国内代替は、我が国が将来にわたって長期にわたって投資し、継続する必要がある分野です。コア部品の技術革新は、わが国の3Dプリント技術と関連産業の急速な発展を促進し、技術の安全性と制御性を確保し、外部サプライチェーンへの潜在的なリスクを軽減し、技術の自立性を高め、国内の関連産業の競争力を高め、同時に国内製造業の持続可能な発展のための強固な基盤を築くことになる。
関連参考文献: 1. 国産レーザーが金属3Dプリントのコストを突破、南極熊がJeptにインタビュー - 南極雄3Dプリントネットワークプラットフォーム（nanjixiong.com） 2. 3Dプリントの主流レーザーの種類と特徴 - 南極雄3Dプリントネットワークプラットフォーム（nanjixiong.com） 3. レーザーガルバノメーター：ハイエンド市場へのチャンス 4. レーザー機器シリーズ特別レポート（II）：3Dプリント-新しいトラックはまばゆいばかり