国産レーザーが金属3Dプリントのコスト削減に貢献、アンタークティックベアがJPTにインタビュー

南極のクマの紹介: 3D 印刷業界のコアコンポーネント (レーザーやガルバノメータなど) は、機械全体 (金属) のコストの約 40% を占め、特に歯科用金属 3D プリンターでは 50% を占める可能性が高くなります。国産のコア部品を使用すれば、金属3Dプリンターの価格が大幅に下がる。現在、歯科用機器の価格は、5、6年前の輸入レーザー機器1台当たり200万元から30万元前後に下がり、90％近く減少しました。同時に、加工効率と加工結果も同時に向上しました。歯科技術から得られる収入は、義歯などの製品の製造に大量に使用することができます。 Antarctic Bearが発表したレポート「世界の金属3Dプリンターの設置台数が2万台を超え、中国メーカーのシェアが大幅に増加」によると、多くの国内歯科用金属3Dプリンターメーカーが1,000台以上を出荷しており、金属印刷用途の最大産業の1つとなっている。

2023年12月11日、南極熊は深圳龍華コムロンテクノロジーパーク内の深圳JPTオプトエレクトロニクス株式会社を訪れ、3Dプリント業界の営業部長である羅慧敏氏と独占インタビューを実施しました。

JPTは2006年に設立され、2019年に科学技術イノベーションボードに上場しました。レーザーを主力製品とする初の民間上場企業でもあります。 JPTの主な事業は、各種レーザー、ハイエンド光知能機器、光ファイバーデバイスであり、2022年の売上高は11.7億ドルに達し、国内有数のレーザーメーカーの一つとなっている。レーザー製品には、パルスファイバーレーザー、連続/準連続ファイバーレーザー、固体レーザー、半導体レーザー、固体超高速レーザー、ファイバーフェムト秒レーザー、緑色光レーザーなどがあります。金属 3D プリンターのほとんどは連続ファイバーレーザーを使用しています。

△連続ファイバーレーザー。 JPT 連続ファイバーレーザーは、光学、機械、電気、ソフトウェアの最適化された組み合わせです。制御インターフェースと標準ソフトウェアを使用して、レーザーの動作状態をリアルタイムで監視し、アラームプロンプトを発行したり、動作データを収集して記録したりできます。これに基づいて、実際の出力電力をリアルタイムでフィードバックすることができ、リアルタイムの閉ループ制御を実現して、電力出力の安定性をさらに確保することができます。このレーザーは水冷設計を採用しており、電気光変換効率が高く、エネルギー消費量が少なく、光ファイバー伝送出力が柔軟で、調整やメンテナンスが不要で、顧客が簡単に統合して使用できます。産業用レーザー切断、溶接、3Dプリントなどの用途に最適な光源です。

△Jeptのその他のレーザー製品について、羅慧敏氏はAntarctic Bearに次のように語った。「レーザーは今とても人気があります。価格も非常に透明です。例えば、標準的な切断や溶接を必要とする伝統的な業界のお客様にとって、レーザー部品のコストは明確に計算できます。大手レーザーメーカー間の価格競争は熾烈です。そのため、近年、Jeptはレーザー製品の継続的な研究開発を強化し、主に新エネルギーや太陽光発電などの需要の高い業界での応用に焦点を当ててきました。一方で、3Dプリントなどの潜在的で需要の高いサブ産業を深く掘り下げ、顧客のニーズの問題点を理解し、レーザー側から顧客の製品を強化する方法を見つけました。」

金属3Dプリントにはレーザーに対する高い要件がある

金属 3D プリンターの場合、同じ出力の空冷レーザーよりも水冷レーザーの方が信頼性が高くなります。一部のメーカーは、空冷ファイバーレーザーを使用することで水処理装置を削減し、それによって材料費を数千ドル節約し、金属 3D プリンター全体のサイズを縮小できると考えています。ただし、空冷式レーザーには潜在的なリスクがいくつかあります。たとえば、金属粉末印刷環境では、粉末が浮遊します。エアダクトの設計が適切でない場合、ほこりがレーザーに入り込み、レーザーが重大な損傷を受ける可能性があります。また、空冷式レーザーは基本的にファンを通じて積極的に熱を放散するため、機器の動作中に風切り音が要求される場合は適していません。同じ電力条件下で、空冷式レーザーが水冷式レーザーと同じ出力と高い安定性を実現したい場合、コストは水冷式レーザーよりも高くなります。したがって、空冷式レーザーの全体的なコストは水冷式レーザーよりも有利ではありません。

レーザー用の金属 3D プリンターの要件は、切断や溶接の場合よりもはるかに高くなります。

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出荷されている 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。

そのため、JPT が 3D プリント業界向けに発売したレーザーは、ビーム品質、スポットの真円度、パワーの直線性、パワーの安定性などのパラメータが最適化されており、安定した生産に対する顧客のニーズを満たしています。より高い要件が求められる一部のアプリケーションシナリオに適したハイエンドレーザーもあります。同時に、JPT は顧客と協力して、複数のレーザーと複数のガルバノメーターセットに対応する相同コントローラーを開発し、大判の接合と修正に時間と労力がかかるという現在の問題を解決しています。

3Dプリント業界における国産レーザーの普及の障害

現在、国産レーザーの品質も非常に良くなっています。現在、歯科用機械など、印刷サイズが小さい金属3Dプリンターは国産品に置き換えられており、機器全体の価格も大幅に下がっています。しかし、一部の大型金属加工機械については、ほとんどの人が依然として輸入レーザーの使用を選択しています。

△中国のYijia 3D M1550金属3Dプリンターの成形室。印刷サイズは1550mm×1550mm × 1000mmに達し、 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はすべて輸入品です。国内の機器メーカーは国産レーザーの使用に注目し始めていますが、非常に重要な問題が発生します。レーザーは国産ですが、ガルバノメーターが追いつかないのです。

「多くの設備メーカーが国産レーザーをテストしており、その性能は輸入品に取って代わることができます。レーザーはある程度コストを節約できますが、ほとんどのガルバノメーターは依然として輸入する必要があります。設備メーカーは、特に複数のヘッドを備えた一部の大型設備では、国産ガルバノメーターと輸入品の精度と長期安定性にまだ違いがあると報告しています。その違いはより明白になります。最終顧客はレーザーが国産であることを知ると、国産のコアコンポーネントを備えたデバイスであると言い、これを利用して価格を下げますが、これは設備メーカーがより良い価格で販売するのに役立ちません。そのため、一部の金属3Dプリンターメーカーは、このわずかなお金を節約せず、依然として構成を輸入しています。レーザーとガルバノメーターの両方を国産に置き換えて組み合わせることができ、全体的な価格帯が大幅に削減されない限り、人々はそれらを大規模に使用するでしょう。」

国産レーザーの品質が追いつかないのでしょうか？あまり。多くのメーカーが小ロットで国産レーザーに切り替えていますが、彼らが最も懸念しているのはレーザーの長期安定性です。短期的には、エンドユーザーは大型金属印刷装置の価格にあまり敏感ではないため、大規模な切り替えには長い時間がかかることが多く、国産代替のプロセスが遅れます。 250mmを超えるような大型の金属加工機の場合、ほとんどが依然として輸入レーザーを使用しています。

航空宇宙産業や軍事産業などの下流の高付加価値アプリケーションの顧客は、機器の価格にあまり敏感ではなく、輸入レーザーを使用することをいとわない。歯科などの医療業界は機器の価格に非常に敏感であるため、これらの顧客は国産レーザーソリューションをより積極的に使用しています。現在、歯科業界では基本的に輸入品の国産化が達成されていますが、金型、自動車、電子機器などの産業用途では、国産レーザーが輸入品に取って代わるにはまだまだ長い道のりがあります。

レーザーイノベーションの次のステップ

JPT はレーザーの次の技術開発計画も立てています。

AOB レーザー: レーザー出力スポットは環状で、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。
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て 1 対 4 以上を実現し、応答速度と制御精度が向上するとともに、「マルチヘッド」ジョイント調整の難しさが軽減されます。

金属3Dプリント産業の発展によりレーザー市場が拡大

かつて誰かが Antarctic Bear に「3D プリントレーザーの需要は、従来の産業の需要に劣らないものになるだろう」と言ったことがあります。

大手レーザーメーカーである JPT の金属 3D プリント用レーザーの年間販売台数はわずか 1,000 台程度ですが、他の業界では年間数万台、あるいはそれ以上の販売台数となっています。おそらく、将来的には、3D プリント業界で使用されるレーザーの数が他の業界にゆっくりと追いつき、年間数万、あるいは数十万のレーザーが必要になるかもしれません。

「私たちJeptには特徴があります。盲目的にコスト削減や価格競争を追求することはありません。ブランドと評判を重視し、常に改善とアップグレードを行い、より安定した製品とより良いサービスをお客様に提供しています。まず製品を改善し、業界を洗練させ、次にレーザーコアテクノロジーを駆使して、お客様に価値を創造し続け、お客様に力を与えます。Antarctic BearがJeptの金属3Dプリント市場への関心を伝え、より多くのメーカーが国産レーザーの使用を試みるようになることを願っています。」