AVIC証券：付加製造が大量生産の新たな段階を開く

出典: AVIC Securities 著者: Deng Ke

積層造形技術の発展の振り返り：科学研究や教育用に少数のテンプレートを製造する初期段階から、家庭用の一般向けプリンターで少数の製品を生産する成長段階、航空・航空分野で年間数千個、数万個の生産量を誇る製品を発売する急速な発展段階まで、積層造形技術は、未知の段階から認知される段階、未成熟段階から成熟段階、大量生産、産業化へと歩んできました。

年間数万個から数百万個への飛躍を達成:積層造形はさまざまな業界で普及していますが、特定の用途に基づいて、修復ニーズ、パーソナライズニーズ、小バッチニーズの 3 つのカテゴリに分けることができます。年間数万個の小バッチニーズから、年間数百万個、さらには数千万個の大バッチニーズに移行するには、低コスト、高効率、一貫性という 3 つの重要な要素が必要です。

3 つの要素は不可欠です。上記の 3 つの要件を達成するには、設備、プロセス、材料の改善が必要です。コスト削減の面では、設備と粉末の価格を下げ、印刷効率、稼働率、歩留まり率を向上させることで、すべて良い結果が得られます。効率向上の面では、組立ライン操作、光源の数の増加、印刷層の厚さの増加により、効率が大幅に向上します。一貫性の面では、粉末から設備、印刷サービス、無人工場までの標準システムを確立することで、製品の大規模生産における一貫性の問題を効果的に解決します。

評価アンカーの切り替え、付加製造は天井を突破する鍵です。単品の模倣と修理から数百のサンプルの試作まで、数万個の小ロット供給から数百万個の安定した一貫性のある製品の納品まで、付加製造は自身のプロセスのボトルネックを突破しながら、潜在的な代替空間も継続的に拡大しています。民生市場での大量応用の出現により、業界の天井はさらに開かれ、関連企業の業績を飛躍的に成長させ、企業の評価アンカーが切り替わります。注目すべきは、2つの航空分野で大規模な経験データベースを蓄積し、バッチで納品する能力を備えた金属付加製造装置およびサービスプロバイダーであるPolylite、および民間市場に長年参入し、多様化と国際化で優れた実績を持つ大手付加製造装置メーカーであるFarsoon High-Techです。

リスク警告：下流の需要が予想より低い、技術ルートの中断のリスク、資金調達と投資プロジェクトの生産開始が予想より低い、コアコンポーネントの現地化プロセスが予想より低い、市場競争が激化するリスクなど。

1. 量産化への道

業界の発展を見ると、新しい技術の出現には多くの場合、いくつかの段階が伴うことがわかります。

1. 芽生え期

新しい技術は、その初期段階では、従来の技術とはまったく異なる特性を示すことが多いですが、同時に、安定性、コスト、セキュリティなど、従来の技術よりも多くの問題を抱えています。そのため、この段階での主な参加者は、主要大学の研究室、大企業の研究機関、および国家政府部門の研究機関です。実験段階の技術はコスト効率が良いため、この段階は新しい技術が生まれる肥沃な土壌となります。

2. 成長段階

すべての新しいテクノロジーが成功するわけではありません。おそらく、業界大手の注目を集め、需要を生み出したのはほんのわずかでしょう。この分野には巨額の資金が投資されてきましたが、それは一方では新技術の反復を加速するためであり、さらに重要なのは新技術の産業化を可能にすることです。産業化できる技術だけが実際の商業的価値を持ちますが、ほとんどの技術は産業化の段階で問題が生じて途中で失敗します。欧米諸国はイノベーションに大きな優位性を持っているため、この段階の技術は一般的に海外から導入され、国内企業によって育成・実装されており、産業チェーンの現地化率は比較的低いです。

3. 低迷期

発展は紆余曲折があり、工業化の道の途中では、新技術は短期的に過熱する傾向があります。人々の新技術に対する期待は大きく、資本と人材の投資額は大きいものの、生産量は比較的低いです。その後、開発の初期段階では新技術が比較的未熟であったり、適用範囲が狭いなどの問題が徐々に現れ、業界の衰退につながりました。通関手続きの過程で、高価な輸入設備や資材がコスト削減の障害となったため、国内企業は国産化を試み始め、国産化率は着実に増加しました。業界は需要の減少や供給のクリアランスなどの不利な要因に直面しているが、同時に力を蓄えている。厳しい冬の時期をうまく乗り切った企業は、コスト管理、顧客チャネル、技術力などの面でより大きな優位性を持っているため、業界の回復期に真っ先に利益を得ることになるだろう。

4. 開発段階

寒い冬の時期の混乱を経験した後、業界はようやくいくつかの分野で適切な用途を見つけ、この段階の企業は急速な発展を迎えました。この段階では、下流需要の急速な成長、産業チェーン全体の生産能力の急速な拡大、設備投資の高成長に伴い、関連企業の業績が徐々に向上し、一次・二次の投資・融資活動が活発化し始めました。同時に、現地化率がさらに高まり、産業チェーン内の関連企業の技術の急速な発展を促進しました。

V. 成熟

成熟段階では、基本的な業界と企業の競争環境が決定され、技術ルートが成熟しているため、既存のプレーヤーはより高い堀を築き、業界全体の利益を抑制することで新規参入者を締め出す傾向があります。同時に、業界の高速成長段階が過ぎたため、業界企業の粗利益率は通常の段階に戻り、次の一連の技術革新を待っている。

積層造形業界は、おおよそ上記の段階を経てきたと考えています。同時に、業界規模の拡大、ローカライズ率の向上、技術の成熟、コストの低下に伴い、積層造形が直接生産できる製品の規模も、当初の数個または数百個の修理可能でカスタマイズされた部品から、数千個または数万個の小規模なバッチ生産部品へと徐々に発展してきました。

初期の3Dプリントは比較的高価でしたが、金型が不要という利点がありました。需要は主に単品カスタマイズや部品の修理の分野に集中していました。この分野の需要は低頻度で少量であることが特徴であったため、市場空間は小さく、技術は成熟しておらず、大規模生産はまだ実現されていませんでした。私の国では、現段階の経営者のほとんどは大学教授、海外帰国者、その他前向きな起業家です。

技術の発展に伴い、3Dプリントは次第に複雑性と軽量性という特徴を示し、設計者にも徐々に認められるようになりました。3Dプリントにより、プロセスの実現可能性はもはや設計者のイノベーション能力を制限する束縛ではなくなりました。部品構造の再設計と設計ユニットの性能最適化により、積層造形は特定の武器や装備の性能向上に欠かせないものとなりました。購入される武器や装備の数は数千から数万に及び、積層造形技術は長年の開発を経て効率とコストのバランスが取れたため、航空宇宙分野では積層造形が急速な成長を遂げています。

当社が過去3年間にまとめた入札データベースによると、2020～2022年の工業分野の入札総額はそれぞれ8,000万、1億、3.1億で、大幅に増加しています。入札プロジェクトは初期の修理部品や印刷アクセサリから、現在の印刷設備の大規模調達に変わりました。参加単位も初期の印刷サービス会社から現在の大手設備会社に進化し、科学研究・教育分野の印刷の割合は低下しています。

カスタマイズや修復のニーズから小規模および大量生産のニーズまで、付加製造業界は供給側と需要側の両方で画期的な進歩を遂げてきました。供給面では、粉末から設備、サービスまでの産業チェーンの全プロセスが改善され、参加者は海外の大手企業から国内メーカーに移行し、コア部品の国内代替が加速し、レーザーヘッドの数は単光から多光に倍増しました。多者間の最適化の下で、3Dプリントサプライヤーは大規模生産の技術、効率、コストの条件を満たしています。需要面では、下流の顧客による積層造形技術の設計受け入れが徐々に高まり、武器や装備の軽量化と高性能化の要求が、積層造形などの新しいプロセスに対する需要の増加をもたらしました。同時に、航空宇宙分野の需要の爆発的な増加も、積層造形の急速な成長の基礎を築きました。3Dプリントの需要者は、産業の変化に対応する準備ができています。それ以来、3Dプリンティングは徐々に認知度が高まり、技術も成熟しながら大量生産の道を歩んできました。

1.1 生産規模による分類

これまで、付加製造は技術ルート、応用分野などによって分類される傾向があり、生産規模の観点から分類されることはありませんでした。主な理由は、それ以前には大規模な量産の応用がなく、主に単品修理や金型であったためです。航空宇宙分野での需要の爆発的な増加は、付加製造がもはや単純な修理やカスタマイズのニッチ産業ではなく、真に大規模生産を実現できる産業であることを証明しました。

技術の進歩、効率の向上、コストの削減により、製品の一貫性の問題を解決した積層造形技術は、数万個の大量生産から数百万個の大量生産へと徐々に移行していきます。現段階では、歯科分野では年間生産量が数千万台に達するアプリケーションがすでに存在しますが、プロモーション効果はまだ形成されていません。主な理由は次のとおりです。1）歯科製品は比較的小型で、製品の一貫性要件は高くありません。印刷機器は主に低濃度の小型機器であるため、火花が草原火災を引き起こすことはありません。2）歯科アプリケーションの主なアイデアは、3Dプリントを使用して元のプロセスを置き換えることであり、設計側から業界を実際に変えていません。したがって、製造業において、真に百万個レベルの大規模アプリケーションを実現するには、設計、製造、端末アプリケーション形態の面で、従来のプロセスから真に独立する必要があります。

1.2 3つの主要な要件がコア競争力を生み出す

年間生産量が数百万個、あるいは数千万個に及ぶアプリケーションのほとんどは民間分野であるため、アプリケーションのバックエンドテストでは、航空宇宙産業のようにすべての製品をテストする必要はなく、多くの場合、サンプリングやその他の方法で完了します。年間生産量が数百万個の民生用途の場合、低コスト、高効率、一貫性という3つの主な要件があります。低コストとは、主に従来のプロセスと比較して、3Dプリントの設計、加工、バックエンドの熱処理、テストのコストが従来の製造と同じかそれ以下である必要があることを意味します。もちろん、一部の領域では、再設計などの手段を通じてライフサイクル全体の同等性を実現できます。高効率とは、3Dプリントが大規模生産に必要な生産能力を持つ必要があるため、設備のクラスタリングに対する要件が高いことを意味します。最後に、一貫性とは、印刷された複数の部品の最終成形における誤差が小さいことを指し、設備には高い印刷精度と安定性が求められます。民間分野における数多くの要件は、3D プリンティングが数万個から数百万個への飛躍を実現するために、その推進プロセス中に上記の問題を解決しなければならないことを意味します。大手企業は、独自のデータベースと長年の実践で蓄積された経験に頼ることで、上記の問題をより簡単に解決し、民生分野でのコア競争力を構築することができます。

2. 大量生産への道筋

これまでの業界および業界チェーン研究の理解に基づいて、コストの削減、効率性の向上、製品の一貫性の問題の解決という 3 つの側面で、可能な実装パスについて説明します。

2.1 コスト削減

コストは製造業の中核です。積層造形に関する前回の詳細なレポートのコスト分析によると、製造費、粉末コスト、人件費が積層造形コストの主な構成要素です。そこで、次の 3 つの観点からコスト削減の方法を検討します。

製造コストの見積りは通常、機械時間あたりのコストと印刷時間によって決定されます。機械時間当たりのコストは、設備のコストと減価償却期間によって決まります。1) 設備のコア部品の大量生産と現地化の傾向により、欧米企業が独占していた初期に比べて設備の価格が大幅に低下しました。2) 同一構造の大量生産のニーズを満たすために、専用のサブ構造印刷設備が登場し、設備コストを効果的に削減します。3) 設備の安定性が向上したため、減価償却費とメンテナンス関連コストが減少し、今後も安定した状態が続くと予想されます。印刷時間に関しては、印刷効率と印刷作業負荷が関係しています。印刷効率についてはここでは詳しく説明しません。一方、印刷作業負荷は、基本的にワークピースの印刷に使用される粉末の量とその複雑さによって決まります。トポロジー最適化により、冗長な構造が削除されながら複雑さが増しますが、トポロジー最適化後のモデルの平均印刷時間は短縮されます。

粉末コストは原材料選択の重要な部分であり、主に単位粉末の価格と全体的な使用量によって決まります。粉末単価については、量産の可否、粉末収率、粉末製造設備のコストが重要な要素となる。1) 現在の年間粉末生産量は比較的少なく、粉末収率にはまだ改善の余地があるため、コスト最適化の余地がある。2) 国内生産率の上昇と大型粉末製造設備の出現により、粉末製造設備の減価償却費は減少傾向を示す。全体的な使用量の面では、最適化後に粉末使用量が削減されました。同時に、サポート構造と歩留まり率も全体的な粉末使用量に影響を与えるため、今後の最適化の焦点になります。最近、業界では30度以下のサポートフリー印刷の事例があり、粉末の消費量が大幅に削減されています。

印刷プロセスでは人件費も避けられない要素です。インテリジェント化とデジタル化により、無人管理能力を効果的に向上させることができます。同時に、プロセスをリアルタイムでオンライン監視することで、不良率と人件費を効果的に削減することもできます。業界大手各社は、それぞれ独自の無人工場ソリューションを提案しており、顧客設備クラスターの出現により、ダークファクトリーソリューションが実現する可能性が高まっています。

要約すると、印刷のコスト項目は多くの要因に関連しています。細かく分類すると、コストの各項目に関連する複数の要因があります。たとえば、歩留まり率は、製造コスト、材料費、人件費と強く相関しています。これは、さまざまな印刷サービスプロバイダーの競争力を示す重要な指標にもなっています。

2.2 効率性の向上

効率は、製造においてコストに次いで 2 番目に重要な要素です。 3Dプリンティング業界にとって、効率の向上は特に重要です。また、積層造形業界の製造ユニットのほとんどは単一デバイスであり、スケール効果はそれほど大きくないため、下流の顧客は生産能力に対して高い要求を持っています。効率を向上させることで、顧客の生産能力のニーズを満たしながら、コストを効果的に削減できます。現在、印刷時間に影響を与える主な要因は、粉末の配置時間と粉末の供給時間です。

粉末散布時間の短縮は、主に粉末散布戦略と組立ライン操作に依存します。現在、業界では双方向粉末敷設技術の普及が完了していますが、ソフトウェアを独自にカスタマイズできる企業は、可変速粉末敷設の戦略を研究し始めています。可変速粉末敷設は、部品の輪郭に応じて粉末敷設速度をインテリジェントに調整できるため、粉末敷設速度と粉末敷設品質のバランスを実現できます。また、組立ライン操作は近年業界で提案された新しい印刷方法であり、印刷、粉末敷設などのリンクを分離し、マルチステーション処理を採用して設備の連続生産を実現します。

粉末供給時間は、実際には粉末堆積効率の問題であり、光源の数と印刷層の厚さを増やすことが業界の主な解決策です。

光源の数に関して言えば、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、各追加レーザーヘッドデバイスの印刷効率は20〜50％増加しました。これはまた、2017年以来、業界で「大きいほど強い」という軍拡競争をもたらしました。プラチナを例にとると、理論上の堆積速度はS210の最大15cm3 / hからS1000の最大300cm3 / hに増加し、効率は20倍になりました。しかし、レーザーヘッドの数が増えるにつれて、業界では光源の干渉、風場制御、継ぎ目の重なりなどの問題が設備と印刷コストの急激な増加につながることを発見しました。同時に、超大型設備と10個以上のレーザーヘッドの限界効率の向上が急速に収束しています。そのため、民生分野では、業界が一致して「400-500サイズ」（ここでは、キャビティサイズが400mm×400mm×400mm～500mm×500mmを指す）の中型装置に注目しています。コストと効率のバランスに優れているため、このタイプの装置は業界のヒットモデルになると予想されています。

さらに、業界では表面レーザー印刷などの新しい印刷方法も登場しています。表面レーザー印刷はエリア印刷技術とも呼ばれます。従来のレーザー選択溶融技術は点光源を使用しますが、エリア印刷技術はパルスビーム（約数百万個の点光源）の形で光源を作業面に投影し、粉末の急速な焼結を実現します。従来の方式に比べ、印刷速度が大幅に向上し、高解像度を維持しながら高速印刷を実現できます。もちろん、重ね合わせの工程は非連続なのでエラーが発生しやすく、この技術はまだ産業化されていません。技術的なブレークスルーの後、印刷効率は質的な飛躍をもたらすと信じています。

印刷層の厚さに関しては、業界の大手企業が超厚層印刷の研究を始めています。層厚を厚くすると、印刷部品の精度がある程度低下し、レーザー出力に対する要件が高くなりますが、高出力レーザーの高精度制御と粉末飛散の問題を解決することで、一部の民生分野では単層印刷の厚さが50μmから140μmに増加し、大幅に増加しました。層厚が増加すると、装置の制御精度、高出力レーザーの安定性などにも要求が高まります。層の厚さが増すにつれて、粉末の敷設と粉末の供給時間が効果的に短縮されます。

2.3 一貫性ソリューション

一貫性の問題は、3D 印刷技術が付加的な「製造」へと移行する中核をなしています。初期の 3D 印刷技術の利点は、迅速なプロトタイピングにあり、これはまた、需要が真の「大量生産」ではなく、単発生産から生じることが多いことも意味します。工業化の過程で、顧客は低い収率、悪い一貫性、高いコストを受け入れることができず、そのため、業界は長く苦しい工業化を経験し、最終的に手工芸品から小ロットの工業製品への移行を達成し、2つの航空分野に適用されました。航空宇宙分野では、印刷プロセス中に製品の性能を検出するために、各印刷製品にテストロッドを取り付ける必要があり、テストコストは製造コストに近い場合がよくあります。しかし、民間部門は高いテストコストを受け入れることができず、通常はサンプルテストを採用して製品の合格率を確保しています。そのため、工業製品の小ロットから工業製品の大ロット、さらにはバルク商品に移行するには、一貫性のソリューションが核心となっています。

1) 一貫性は、まず材料標準システムの確立に反映されます。積層造形業界ではまだ標準材料体系が形成されていないため、サードパーティの粉末は汎用性が低く、それぞれ独自のブランド名やその他の関連特許を持っているため、粉末の互換性が低くなっています。現在、ほとんどの印刷サービス会社は自社生産または特許ライセンス処理を通じて粉末を入手していますが、原材料の一貫性が低いという問題が依然として残っています。将来的には、粉末規格の統一と粉末会社の統合と合併により、粉末の一貫性の問題は徐々に解決されるでしょう。

2) 一貫性を保つには、機器自体も十分に優れている必要があります。印刷設備は生産の基本単位であり、製品出力の一貫性に大きな影響を与えます。大手企業は設備の安定性、印刷精度、重なり誤差について深い理解を持っています。同時に、継続的な反復最適化を通じてノウハウのプロセスルートを形成し、設備の安定性と一貫性に対する顧客の要求を満たしています。

3) 次に、一貫性を保つには、印刷サービス会社が印刷プロセスについて独自の理解を持つ必要があります。印刷サービスには、モデリング、スライス、印刷、後処理が含まれます。印刷の豊富な経験を持つ企業は、独自のデータベース経験と、トポロジー最適化、サポート設計、スライス方法、プロセス監視、後処理におけるプロセスパラメータの理解を持っています。印刷製品の一貫性の問題を解決するには、関連する企業チームの豊富な印刷経験が必要です。

4) 最後に、無人工場を構築することで、人的要因による干渉を効果的に減らすことができます。印刷工程では、粉末充填、印刷、粉末洗浄、テスト、後処理などの工程はすべて手作業で行われ、主観的な要素が強いため、生産工程がデジタル化され無人化されると、人的介入が最大限に排除され、製品の納品の一貫性が確保されます。

3. 評価アンカーの切り替えにより業界の天井が開く

評価のピークは過ぎ、業績の実現が市場の注目の的となっている。積層造形産業の急速な発展に伴い、一次市場と二次市場はますます注目を浴びており、投資家は関連企業に対して収益性、情報開示、社会的責任など、より高い要求を突きつけている。同社の市場における影響力が徐々に拡大し、流通市場の業界に対する理解が深まるにつれ、あらゆる面でのパフォーマンスが同社自身の評価にも影響を与えるようになるだろう。今後、市場は業績実現に重点を置き、関連企業の評価に対する許容度は徐々に低下するでしょう。

航空宇宙分野の積層造形産業は、現在、0から1への段階を経て、新たな道へと歩みを進めています。業界では、積層造形技術がハイエンドの航空宇宙製造の主流技術の1つであるというコンセンサスが最初に形成されました。研究部品の量産部品への転換と普及率の向上に伴い、業界は1からNへの急速な成長期に向かって歩みを進めています。

民間部門はまだ発展途上なので、辛抱強く待つ必要があります。民間部門では価格、生産能力、大規模生産に対する要求が高いため、この産業の民間部門への応用はまだ大規模には達していません。新興の付加製造業界が成長を遂げるには、まだ 3 つの疑問に答える必要があります。コストはどの程度削減できるでしょうか?効率はどの程度まで改善できるでしょうか?一貫性は保証できますか?これら3つの問題は一夜にして解決できるものではないが、市場が十分に忍耐強くあることを期待する。同時に、業界は顧客と緊密に協力し、自らも改善しながら、顧客の問題解決を支援する必要がある。ある日、蝶が繭から飛び出すとき、3D プリントの天井が開かれると信じています。

投資アドバイス：新時代、新技術。緊迫した世界情勢、国家の戦略的支援、産業のますますの改善、需要拡大の加速を背景に、独立して制御可能な特性と幅広い潜在力を持つ付加製造産業の投資価値を重視する必要があります。交渉力の強い設備メーカーが目立ち、強いマシュー効果を形成するため、業界をリードする設備会社や主要部品メーカーに注目することをお勧めします。焦点: 完全な産業チェーンの優位性と航空宇宙分野での深いレイアウトを備えた金属付加製造のリーダーである Polylite、金属と非金属の両方の印刷分野で多様なレイアウトと主導的な優位性を持つ企業である Farsoon High-tech。

IV. リスク警告

下流の需要が予想より低い：積層造形は新しいプロセスであるため、市場を開拓する必要があり、顧客にまだ広く認知されていません。そのため、コストの高さや下流の顧客の認知度が不十分などの要因により、下流の需要が予想より低くなるリスクがあります。

技術ルートの混乱のリスク：積層造形業界はまだ未成熟であるため、技術ルートは多数存在します。当社は状況に応じて複数のルートの配置を多様化していますが、新しいプロセスや技術によって技術ルートが混乱するリスクが依然として存在します。

資金調達および投資プロジェクトの立ち上げは予想よりも遅れています。印刷機器の製造現場は主に鉄骨工場であり、建設は難しくなく、建設期間も短いですが、さまざまな要因によりプロジェクトの建設進捗が妨げられ、期待に応えられないリスクが依然としてあります。

コア部品の現地化の進捗が予想より遅い：同社はすでに現地化代替ソリューション一式を持っているが、コア部品の現地化には下流顧客の認識と国内サプライヤーの技術レベルの継続的な向上が依然として必要であり、そのため、コア部品の現地化の進捗が予想より遅くなるリスクがある。

市場競争激化のリスク：積層造形業界は、経験とデータベースに大きく依存し、マシュー効果やブランド効果を持つノウハウプロセスですが、競合他社の増加に伴い、競争の激化や粗利益率の低下などのリスクがあります。

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