3Dプリントは国宝

出典：西岩、金端研究所

中国の比較優位と中核的利益は製造業であり、それが中国の経済発展と安全保障の礎となっている。

世界の近代商業文明が始まってからほぼ200年が経ちますが、製造業を中核とした「産業の離陸」は、ほんの数カ国で一度だけ起こっただけで、それらの国は例外なく世界大国となっています。 200年以上の歴史を振り返ると、米国を除いて、製造業の比較優位を失った国は、世界経済の舞台の中心を占め続けることはできない。

2023 年までに、製造業の中核要素は大きな変化を遂げます。

1. 生産ツールは蒸気や電気機械から自動化設備やインテリジェントロボットへと変化しています。

2. 生産手段は、従来のエネルギーから、従来のエネルギー、新エネルギー、データの統合へと変化しています。

3. 生産性は人から人、ロボット、AI の共生へと移行しています。

4. 推進メカニズムは、社内企業やギルド組織から国家の意志とベンチャーキャピタルへと変化しています。

このように、汎用人工知能の炎が燃え始めると、製造業の根底にある技術競争のロジックも再構築され始めるというロジックは、私たちにとって理解しにくいものではありません。「新エネルギー＋新素材＋AI＋データ」の統合先進製造技術コードを最初に習得した国が、次の100年という新たなサイクルにおいて、世界経済の舞台の中心へと移行するか、あるいはそこに留まり続けることになるだろう。

偶然にも、3D プリンティングは、前述の生産要素を統合し、理論的には既存の製造環境を覆すのに十分な最先端の生産性プラットフォームおよびツールテクノロジーです。ここでは、このロジックを深く理解するために 2 つの例のみを取り上げます。

狭義の自動車業界では、3Dプリントの原型ともいえるテスラが主導する一体鋳造が自動車製造業の急速な発展を牽引している。

広い意味では、世界で最も人気のあるテクノロジー企業であり、「AIの王」であるNvidiaは、3Dプリントの変種である「cuLitho計算リソグラフィー技術」の推進に注力しており、「人類の技術の頂点」であるリソグラフィーマシンのコア技術の反復と指数関数的な効率向上に革命を起こすことを期待しています。

市場には、ストーリーテラーとストーリーリスナーの 2 種類の人がいます。一般的に言えば、前者は鎌、後者はネギです。そして、一時期人気があった話のほとんどは結局詐欺だったのです。しかし、3Dプリントの話に関して言えば、たとえ最も悲観的な結末が最終的に訪れるとしても、結末が明らかになる前に、中国の製造業にとって進むべき道は飽和した研究開発投資だけであり、絶対的な核心利益に関しては、間違いは許されない。

一言で言えば、3D プリントは国家の武器です。

01. 3Dプリントはまだ「ブラックバリア期」にある

最先端の技術分野への道は、困難に満ちているに違いありません。 3D プリントに関しては、何十年も前から技術的なコンセプトとして存在しており、産業化されるまでにはまだ長い道のりが残っています。

3D プリンティングは、積層造形 (AM) とも呼ばれ、3 次元モデルデータに基づいて材料を積み重ねて部品やオブジェクトを製造するプロセスを指します。

従来の製造方法は、切削、フライス加工、研削などの機械加工方法を使用して余分な材料を取り除き、必要な部品を形成する「減算型」製造方法です。3D プリントはまさにその逆で、3D プリント装置を使用してデジタルモデルファイルを階層化し、3 次元エンティティを複数の 2 次元平面に変換し、金属粉末、熱可塑性材料、樹脂などの特殊材料を下から上に 1 層ずつ重ね合わせて 3 次元全体を形成し、製造の複雑さを大幅に軽減します。

簡単に言えば、従来の技術と比較して、3D プリントは、生産コスト、パーソナライゼーション、複雑な設計、材料の利用、小ロット生産時の処理の利便性において明らかな利点があります。しかし、一部の製品が大量生産可能で、複雑な設計を必要とせず、従来の技術を使用して簡単に処理できる場合、3D プリントには利点がありません。

単一の製品を大量生産することで規模の経済性を実現する従来の製造会社とは異なり、3D プリンティングでは同じ機器を使用してさまざまな製品を生産します。企業は、製品の種類を増やし、生産単位コストを削減することで範囲の経済を実現します。生産の主なコストは、材料費、機械の減価償却費と消耗品費、人件費など、いくつかの側面に分けることができます。

現在、3D プリンティングは主に航空宇宙、自動車、医療分野の一部のサブセクターで使用されており、応用分野の構造は長年にわたってあまり変わっていません。複雑な部品に対する需要は、多かれ少なかれあらゆる分野で存在します。それが満たされない主な理由は、材料費と設計費の制約です。

1. 素材の制限

3D プリントの材料基盤として、材料の開発度合いが、3D プリントが将来広く利用されるかどうかを決定します。従来の機械加工とは異なり、現段階では、3Dプリントに使用される原材料は主にプラスチック材料、金属粉末、セラミック材料であり、3Dプリント原材料の国内メーカーは比較的少ないです。

金属粉末の場合、その製造プロセスは主にレーザー焼結であり、粉末の粒子サイズと純度に対する要件が厳しくなっています。金属粉末の品質が良く、粒子サイズが小さいほど、印刷された部品の機械的特性は向上します。現在、国内の金属材料の性能と海外の金属材料の性能の間には依然として差があり、原材料のほとんどは依然として輸入に頼っています。

しかし、高品質の金属粉末を準備するためのコストは非常に高く、性能基準を満たす完成した金属粉末の価格は、一般的に使用する原材料の価格の10〜20倍になります。製造方法も価格に影響を与える重要な要素です。一般的に使用されている製造方法の場合、エアロゾル法による金属粉末の製造コストは電気分解法の約2〜3倍、機械法のコストはエアロゾル法の約2〜5倍です。

現在主流の印刷材料の価格は、チタン合金粉末が1,500～1,800元/kg、アルミニウム合金粉末が300～500元/kg、プラスチックABSが19～23元/kgです。

2. 設計上の制限

テクノロジーオタクの分野では、一人のデザイナーがモデルを設計するのにかかるコストは1日あたり約800元です。一般的なモデルの設計サイクルは約1〜2週間で、設計コストは約8,000元です。

モデルが複雑で高精度が求められる場合、設計サイクルは1～2か月、あるいはそれ以上かかります。この場合、数万ドル、数十万ドルの設計コストを小規模生産に分散させることは困難であり、これが3Dプリントの普及のボトルネックとなっています。

02. なぜ今、3Dプリンティングに特別な注意を払うべきなのでしょうか?

1. 原材料費と製造工程の大幅な改善により価格が下落した

初期の準備プロセスが成熟しておらず、完了していない場合、あらゆる材料の準備コストは非常に高くなります。例えば、古代人が初めて製鉄法を習得したとき、彼らはブロック製錬法を使用して鉄を製錬しました。耐火材料と爆破技術の制限により、準備コストは非常に高くなりました。そのため、「甘江と莫野は楚王のために剣を鍛造し、完成までに3年かかりました」などの暗示があります。軍隊だけが大規模に鉄の武器を装備することができ、人々は依然として農業に青銅の道具を使用していました。

しかし、我が国の金属3Dプリント産業の発展に伴い、3Dプリント金属粉末の価格は年々低下しています。

大手上場企業を例にとると、同社の金属3Dプリント用粉末の価格は2020年の144.48万元/トンから2022年には78.19万元/トンに下落した（同社は2023年資金調達プロジェクトの運営初年度の金属3Dプリント用粉末の販売価格を61.95万元/トンに設定）。同期間に価格引き下げにより市場はさらに拡大し、販売量は2020年の2.94トンから2022年には31.36トンに急増した。同時に、技術の成熟と規模の経済の段階的な出現により、同社の金属3Dプリント粉末事業の粗利益率は2020年の29.38%から2022年には38.98%に増加しました。

もともと3Dプリントの産業化を妨げていたコアコストは大幅に削減され、今後は、民生用電子機器などの下流の応用シナリオに基づいて、性能要件に適応した新しいプロセスが開発され、業界規模の継続的な拡大と相まって、コストはさらに削減されるでしょう。

一方、印刷設備メーカーの上流コア部品は、程度の差はあれ、いずれも価格が下落傾向にある。その中でも、3kWファイバーレーザーなど、最も大きな割合を占める光学部品と熱部品の価格は、2018年の40万元/台から2021年には10万元/台にまで下落し、75％も下落した。

技術とプロセスの進歩も効率の向上をもたらします。2017年に積層造形業界がマルチレーザー印刷戦略を開発して以来、レーザーヘッド装置を追加するごとに印刷効率は20%～50%向上します。市販されている同サイズの4レーザーヘッド装置と比較すると、最新の6レーザーヘッド装置は印刷効率を約30%向上させることができます。

3D プリント機器のメーカーに加えて、業界チェーンに関連するサポートサービスプロバイダーも成長し、発展しています。一般的に、3Dプリント部品の表面は比較的粗く、表面処理には通常、従来の加工方法が必要です。以前は、後処理を行う協力的なサービスメーカーを見つけるのは困難でしたが、今では簡単に解決できます。産業チェーンの相乗効果により、各リンクのコストと効率が大幅に最適化されました。

2. AIGCの開発はデザインの壁を打ち破る

ほとんどの業界では単純で反復的な作業がありますが、デザイン分野も例外ではありません。 5年前の業界は、新人や研修生でもできる簡単な作業がまだたくさんありましたが、現在はソフトウェアの効率化に伴い、単純な反復作業の作業時間が大幅に短縮され、設計サイクルが短くなり、それに伴う設計コストが徐々に低下しています。

AIビッグモデルが汎用人工知能への扉を開くにつれて、AIGC技術の出現と応用は力を発揮し始めており、将来的には設計業界全体にさらに破壊的な変化をもたらすでしょう。収束設計の80％はAIによって完成され、人間は革新的な作業の20％を担当します。また、設計参加者の敷居を下げることができ、簡単なモデルは個人でより短い時間で作成できます。

現在、業界企業は人工知能と3Dプリントの組み合わせを模索し始めており、近い将来、3Dプリント設計にもAIによる新たな革新がもたらされるでしょう。

03. 製造業は、新たな反復とアップグレードを完了するために3Dプリントを必要としている

社会の継続的な発展と進歩に伴い、産業の発展は「持つこと」から「卓越すること」への向上傾向を示しています。たとえば、鋼鉄やアルミニウムの部品をチタン合金に置き換えると、強度、耐腐食性、耐高温性、重量が大幅に向上します。これは、工業製造の向上に必要な道筋です。

しかし、チタン合金は硬度が高く弾性が低いため、加工中に工具や刃が摩耗し、工具の寿命が短くなり、従来のチタン合金の CNC 加工コストが高くなります。 3D プリンティングは、従来の切削加工方法によって発生する問題を回避し、材料の無駄を削減できるため、製造業におけるさらなる反復的なアップグレードに役立ちます。

金型を必要としない 3D プリントの直接製造機能により、製造リンクへのコスト投資、人員の関与、材料の損失も大幅に削減でき、複雑な部品の製造において比類のない利点があります。従来の製造業と比較して、複雑な部品製造の研究開発サイクルを1/3に短縮し、材料利用率を5〜10倍に高め、90％以上を達成できます。

米国のRelativity Space社が最近打ち上げたTerran-1ロケットの質量の85%以上は、ロケット本体全体とほぼすべてのエンジン部品を含め、3Dプリントを使用して製造された。矢全体の製造コストが大幅に削減されます。ロケット燃焼室の製造を例にとると、3Dプリントレーザー粉末床溶融結合技術（L-PBF）を使用すると、従来の製造における18か月の建設期間が5〜8か月に短縮され、コストが35％〜60％削減されます。将来的には、3D プリントがロケット製造にもたらす利点が連鎖反応を起こし、サプライチェーンを再形成する可能性があります。

3D プリントのもう一つの大きな特徴は、構造強度が高く、重量が軽いことです。自動車業界は、省エネ、消費量の削減、走行距離の延長という目標を追求しており、軽量化は最も重要な技術的道筋の1つです。「自動車工学における軽量化技術と材料の応用」のデータによると、燃料車の場合、車両質量が10％減少するごとに車両の燃費が6％～8％向上し、新エネルギー車の場合、重量が10％減少するごとに航続距離が5％～6％増加します。

3D プリンティングの大規模な応用は、自動車分野の開発、設計、製造プロセスに大きな変化をもたらし、より軽量な設計、より安全な構造、そして研究開発サイクルの短縮を実現します。

現在、BMW、ダイムラー、GM、フォルクスワーゲンなど多くの有名自動車会社が、自動車部品の大量生産に3Dプリント技術を適用しています。 MakerBotの3Dプリンティングトレンドレポートは、2020年と比較して、2021年に3Dプリンティングの利用を増やした自動車メーカーがほぼ2倍になったことを指摘した。

医療分野におけるパーソナライゼーションとカスタマイズの需要は、医療分野における3Dプリントの応用の急速な成長にもつながっています。2019年から2021年にかけて、世界の医療業界の付加製造市場規模は16億5,000万米ドルから23億7,800万米ドルに増加し、CAGRは20.07%でした。

3D プリントは、体外臓器モデル、バイオニックモデル、手術ガイド、パーソナライズされたインプラントの製造におけるコストを削減し、効率を高めることができます。義歯金属冠に 3D プリント技術を使用すると、人件費を 70% 削減できます。義歯業界向けにカスタマイズされた 3D プリント装置 FS121M-E は、6 時間で 150 個の義歯をプリントでき、年間 100 万個以上の義歯をプリントできます。

Wohlersの統計によると、2022年の世界の3Dプリント市場規模は180億米ドルとなり、前年比18.3%の増加となる見込みです。中国の3Dプリント市場の規模は米国ほど大きくはないが、成長率は比較的速い。中国ビジネス情報ネットワークのデータによると、中国の3Dプリント産業の規模は2022年に330億元に達し、前年比52％増加する見込みだ。

現在、世界の3Dプリント市場は主に北米、欧州、アジア太平洋の3つの地域に集中しています。2021年、米国と中国の積層造形装置の設置量はそれぞれ33％と10.6％を占めました。中国市場における主流の機器ブランドには、Liantai、EOS、Farsoon、Polylite、3D Systems、GE、Stratasys、HP などがあります。 3Dプリント業界では、Luen Thaiが16.4%で最大の市場シェアを誇り、これにStratasysとEOSがそれぞれ14.8%と13.1%で続いている。

中国を振り返ると、中国の3Dプリント産業チェーンのメーカーは主に、Polylite、Golden Orange、Farsoon High-Tech、Raycus Laser、YUYAN Powder Materialsです。

Polylite: 3D プリント業界チェーン全体を網羅し、有名な航空宇宙大学であるノースウェスタン工科大学の支援を受け、急速に発展している企業です。同社は工業用グレードの金属3Dプリント（3Dプリント）に重点を置くハイテク企業であり、顧客に金属3Dプリントと再生技術のフルセットソリューションを提供しています。その業務は、金属3Dプリント機器の研究開発と製造、カスタマイズされた金属3Dプリント製品サービス、金属3Dプリント原材料の研究開発と製造、金属3Dプリント構造最適化設計開発とプロセス技術サービス（金属3Dプリント用のカスタマイズされたエンジニアリングソフトウェアの開発などを含む）をカバーしています。同社は比較的完全な金属3Dプリント産業エコロジカルチェーンを構築しており、その総合的な実力は国内外の金属3Dプリント分野で主導的な地位にあります。

Farsoon Technology: 3D プリント業界チェーンの中流製造装置会社。 Farsoon High-Tech は 10 年以上にわたり、産業グレードの 3D 印刷機器の研究開発、生産、販売に注力しており、世界中のお客様に金属 (SLM) 3D 印刷機器とポリマー (SLS) 3D 印刷機器のほか、3D 印刷材料、プロセス、サービスを提供することに尽力しています。

同社は20種類以上の設備と40種類以上の特殊材料・プロセスを開発しており、航空宇宙、自動車、医療、金型などの分野での応用を加速しています。当社は、3Dプリント設備、材料、ソフトウェアの自主研究開発・生産能力を持つ世界でも数少ない3Dプリント企業の一つであり、その売上高規模は世界でもトップクラスであり、我が国の産業用3Dプリント設備のリーディングカンパニーの一つです。

レイカスレーザー：国内有数のファイバーレーザー企業。

レイカスレーザー株式会社は、国家トーチ計画の重点ハイテク企業であり、ファイバーレーザーとその主要部品および材料の研究開発、生産、販売を専門としています。国家重点分野の高出力ファイバーレーザーの革新チームと、ファイバーレーザー技術の国家および地方の共同エンジニアリング研究センターを有しています。材料、部品から完成機までの垂直統合機能を備えた、世界的に影響力のあるファイバーレーザーの研究開発、生産、サービスプロバイダーです。

同社の主な事業は、レーザー製造装置インテグレーター向けにさまざまなファイバーレーザー製品とアプリケーションソリューションを提供することです。 2021年には、同社の製品はレーザー溶接、レーザークラッディング、新エネルギー、3Dプリント、造船、航空宇宙などのハイエンドの応用分野で使用される予定です。

JINCHENGZI: 業界チェーンにおける 3D プリント機器の中流メーカーである JINCHENGZI。

金城子のレーザーシステム統合ハードウェア製品には、高精度ガルバノメータ、レーザー、フィールドレンズなどのハードウェアが含まれます。金城子はガルバノメータハードウェアの研究開発に注力しており、ガルバノメータハードウェア製品の独立した研究開発の割合を継続的に向上させ、差別化された優位性を強化し、生産コストを削減しています。金城子のソフトウェアとハードウェアのマッチング率は急速な増加を維持すると予想されており、ガルバノメータ事業は大きな成長ポイントになると予想されています。さらに、Jinchengzi は技術とチャネルの相乗効果の優位性を活用して、レーザーサーボ制御事業を水平展開します。

Youyan Powder Materials: 3D プリント業界チェーンの上流に位置する金属粉末材料会社。長年にわたる噴霧球状粉末製造技術の研究を通じて、Youyan は球状金属粉末製造の主要技術一式を習得し、球状金属粉末に適した噴霧装置を設計・製造し、新しい噴霧器構造設計、噴霧システムの革新、噴霧プロセスパラメータの最適化を通じて、完成粉末の収率を大幅に向上させ、粉末の品質をさらに向上させました。

3Dプリント球状金属粉末を例にとると、噴霧調製技術の革新と技術蓄積を通じて、3Dプリント粉末の球形度が悪い、中空粉末が多い、粒度分布が集中していないという業界の技術問題が解決されました。流動性が良く、球形度が高く、ゆるい密度が高く、粒度分布が狭く、サテライトボールが少なく、印刷部品の機械的特性が優れているアルミニウム合金3Dプリント粉末材料が開発され、3Dプリント金属粉末の国内代替プロセスが効果的に促進されました。

同社はガスアトマイズ法を主な工程として、アルミニウム、銅、チタン、耐熱合金、ダイス鋼、コバルトクロム合金などの粉末材料を生産しています。製品は不純物含有量が少なく、球形度が良く、組成が均一で、主に航空宇宙、医療修理などに使用されます。

今後、設備、材料、サービスプロバイダーの技術が継続的に進歩することで、3Dプリンティングはより大規模に経済的になり、製造業界は「Additive Manufacturing 2.0時代」を迎えることになります。

以上のことから、どの国にとっても製造業の重要性は明らかです。 3D プリントの最先端技術の進歩または偽造については、投資家としてこの技術を長期的に追跡する時期が来ています。

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