CITIC建設投資:金属積層造形への投資機会

CITIC建設投資:金属積層造形への投資機会
出典:淘陽軍事産業ハイエンド製造サロン 著者:CITIC建設投資軍事産業チーム


金属積層造形プロセスの原理は、主に粉末床溶融結合法(PBF)と指向性エネルギー堆積法(DED)の2つに分けられます。現在、PBFが最も広く使用されており、DEDの市場シェアは徐々に増加しています。新興技術である積層造形は、従来の積層造形にはない利点があり、徐々に人々の注目を集めています。各国は積層造形を支援する産業政策を導入し、業界は急速な発展期を迎えています。今後の発展の傾向も徐々に明らかになりつつあります。金属積層造形は、マルチマテリアル、高効率、高精度、大型、インテリジェント、局在化率の向上、浸透率の向上、積層材料と切削材料の統合、サポートフリー、システムレベルの製造といったトレンドに向かって発展していきます。

1 金属積層造形:勢いを増す、明るい未来(パート 1)

要点<br /> 積層造形の主な応用シナリオは、小ロット、複雑、軽量、カスタマイズ、機能的に統合された部品の製造です。金属積層造形プロセスの原理は、主に粉末床溶融結合法(PBF)と指向性エネルギー堆積法(DED)の2つに分けられます。現在、PBFが最も広く使用されており、DEDの市場シェアは徐々に増加しています。新興技術である積層造形は、従来の積層造形にはない利点があり、徐々に人々の注目を集めています。各国は積層造形を支援する産業政策を導入し、業界は急速な発展期を迎えています。今後の発展の傾向も徐々に明らかになりつつあります。金属積層造形は、マルチマテリアル、高効率、高精度、大型、インテリジェント、局在化率の向上、浸透率の向上、積層材料と切削材料の統合、サポートフリー、システムレベルの製造といったトレンドに向かって発展していきます。

付加製造 - 従来の製造業を補完する重要な先進製造技術<br /> 付加製造(AM、一般に「3D プリンティング」と呼ばれる)は、破壊的な先進製造技術です。積層造形は 3 次元デジタル モデルに基づいており、材料を層ごとに製造および積み重ねることで物理的な部品に製造されます。その利点は、短い研究開発サイクル、複雑な構造の製造、軽量、高い材料利用率、強力な機械的特性などにあります。逆に、金属積層造形は、加工可能な材料の種類、加工精度、表面粗さ、加工効率の点で従来の精密加工に劣り、大規模生産ではコスト面で不利です。そのため、積層造形の主な応用シナリオは、小ロット、複雑、軽量、カスタマイズ、機能統合部品の製造です。


金属積層造形技術は主にPBFとDEDを主なルートとして利用している

金属積層造形プロセスの原理は、主に粉末床溶融結合法 (PBF) と指向性エネルギー堆積法 (DED) の 2 つのカテゴリに分けられます。前者は精密成形に適しており、後者は高効率の大型アプリケーションシナリオに適しています。現在、PBFが最も広く使用されており、DEDの市場シェアは徐々に増加しています。 2021年、PBFとDEDは金属積層造形市場においてそれぞれ83.8%と9.1%の市場シェアを占めました。2026年までに、PBFとDEDの市場シェアはそれぞれ74%と8.6%に低下すると予想されています。さらに、金属積層造形において最も成熟度と産業化レベルの高い技術ルートは主にPBFとDEDに集中しており、その中でもL-PBF(レーザーベースのPBF、代表はSLM)が業界で最も広く使用されており、E-PBF(電子ビームベースのPBF、代表はEBM)が2番目に多く使用されています。


SLMは現在最も広く使用されている金属積層造形技術であり、航空宇宙、自動車金型などの分野における精密部品の製造に広く使用されています。 SpaceXは、第2世代ドラゴン宇宙船のエンジンルームの製造にSLM技術を採用し、複雑な構造の製造の問題を解決し、ロケットエンジンの納期を短縮し、製造コストを削減しました。


電子ビーム溶融技術は、ラピッドプロトタイピング、ラピッドマニュファクチャリング、ツール作成、バイオメディカルエンジニアリングで広く使用されている、新興の高度な金属付加製造技術です。 EBM 技術の応用は、航空宇宙部品の生産の発展に役立ち、エンジン部品の重量を軽減し、燃費を向上させ、航空宇宙分野における積層造形技術の浸透率を効果的に高めます。

レーザーニアネットシェーピング技術は、後処理を必要としない直接金属成形方法であり、DED で最も広く研究され、応用されている技術でもあります。この技術は、立体的な金属部品を直接印刷できるだけでなく、既存の部品の上に印刷することもできます。そのため、航空機エンジンや工作機械部品など、付加価値の高い製品の製造や修理に広く使用されています。 LENS(レーザーニアネットシェーピング)技術は、傾斜材料や複雑な表面の修復を実現でき、大型デバイスの修復においてますます重要な役割を果たしています。これは、従来の製造と3Dプリントの架け橋です。
電子ビームワイヤデポジション(EBWD)は、電子ビームを活性化源として使用する最先端のDED技術です。高速、低コスト、大判印刷などの利点があります。 Sciaky が発表した EBAM テクノロジーにより、堆積速度が大幅に向上しました。
ワイヤおよびアーク積層造形 (WAAM) は、電気アークを活性化源として使用し、コストを大幅に削減した大規模で高効率な金属積層造形技術です。 WAAM は精度は低くなりますが、印刷サイズは大きくなります。 WAAM の特性により、高価値の材料を使用して中程度の複雑さを持つ大規模な部品を製造するのに最適です。
金属付加製造:マルチマテリアル、高効率、高精度、大型、インテリジェント、局在化率の向上、浸透率の向上、付加材料と除去材料の統合、サポートフリー、システムレベルの製造などに向けて開発を進めています。

新興技術である積層造形は、従来の切削造形にはない利点があり、徐々に人々の注目を集めています。各国は積層造形を支援する産業政策を導入しており、業界は急速な発展期を迎えています。金属積層造形の今後の発展動向は次のとおりです。

1) マルチマテリアル:マルチマテリアルには、印刷可能な材料の多様化とマルチマテリアル混合印刷という 2 つの側面が含まれます。

2) 高効率と高精度:金属積層造形の効率をさらに向上させる必要があります。印刷効率と印刷精度は、積層造形技術において同時に達成することが難しい2つの目標です。将来的には、高精度製造の下で高効率の積層造形を実現したいと考えています。

3) 大型サイズ: 印刷可能なサイズのさらなる拡大は、積層造形装置の現在の開発動向です。現在、積層造形印刷物のサイズは「メートル」の時代に入りました。

4) インテリジェンス: 積層造形プロセスでは、品質管理と、コンポーネントの開始、監視、取り外しを行う高度な訓練を受けた技術者が必要です。将来的には、積層造形はインテリジェント化され、自動化される必要があります。
5) ローカライズ率の向上: 中国の 3D プリンター機器メーカーは輸入ソフトウェアとハ​​ードウェアへの依存度がさまざまなため、コアコンポーネント (主にレーザー、ガルバノメーター、産業用ソフトウェア) のローカライズを促進することが重要です。

6)浸透の強化:一般産業分野におけるカスタマイズされた金属3Dプリント製品の浸透を強化し、3Dプリントの応用シナリオを改善し、すでに積層造形を導入している下流分野における3Dプリントの割合を増加させる。

7) 付加的および減算的統合:付加的および減算的複合製造技術は、付加的なニアネット成形と減算的精度保証の利点を組み合わせ、高精度の複雑な表面や内孔および空洞を持つ部品の統合製造および修理および再製造に適しています。


8) サポートフリー 3D プリント: サポート構造が存在するとモデルの表面品質が低下し、サポートを除去するために必要な後処理によってコストが増加します。サポートフリー 3D プリントは、材料の無駄を減らし、モデルの品質を向上させることができます。

9) システムレベルの製造: システムレベルの製造とは、3D 印刷技術を使用して個々の部品を単純に印刷するのではなく、積層造形に基づいてシステム コンポーネント全体を設計および製造することを指します。積層造形は、従来のプロセスよりも複雑な部品をより良く製造することができ、システムレベルの製造アプリケーションもますます増えているため、積層造形技術の大きなトレンドとなっています。


リスク警告: 軍の注文は予想よりも少ない。国内の金属積層造形産業の下流顧客は軍事産業に集中しており、収益は最終的には主に国の防衛装備支出から得られます。軍事産業は特殊な経済分野に属し、主に国際環境、国家安全保障情勢、地政学、国防発展レベルなどのさまざまな要因の影響を受けます。今後、国際情勢に大きな変化があり、国防費の削減につながり、軍需受注が期待を下回れば、業界各社の収益に影響が出る可能性もある。

産業政策リスク。付加製造産業は、国家が支援する戦略的新興産業であり、国家産業政策はこの産業の発展に積極的な指導的役割を果たしてきました。今後、政府の産業支援政策が変更され、財政・税制優遇措置、政府補助金、技術支援などが削減または中止された場合、産業の生産や運営に悪影響を及ぼすことになります。

技術の反復によるリスク。積層造形技術の発展、その応用分野の拡大、技術のアップグレードと反復の加速、異なる技術間の競争の激化に伴い、技術革新と新製品開発は依然として業界競争の鍵となっています。企業が技術の進歩を維持できない場合、その競争力は低下する可能性があります。

サプライチェーンのリスク。国内の積層造形分野は、ガルバノメータやレーザーなどのコア部品の輸入に大きく依存しています。地政学的な理由により輸入が制限され、国内で代替品を短期的に生産できない場合、企業製品の納品に影響を及ぼす可能性があります。

2. 金属積層造形:成長著しい、明るい未来が待っています(パート 2)

要点<br /> 世界の付加製造市場規模は急速に拡大しており、付加製造市場全体は安定した成長率で流行期から回復しました。金属積層造形市場の成長率は積層造形業界をリードしています。世界中の政府は、産業面で優位に立つための支援政策の導入を競っている。金属積層造形産業チェーンは完成しており、積層造形装置製造は産業チェーン全体の中核実体です。積層造形の下流工程は、主に産業グレードのアプリケーションのニーズによって推進されています。すでに産業化段階にあり、航空宇宙、医療、自動車の分野で最も広範囲に応用されています。

金属積層造形産業は国内外で急速に拡大している

世界の積層造形市場規模は急速に拡大しており、積層造形市場全体は安定した成長率で流行期から回復しました。世界の付加製造産業の生産額は、2003 年の 5 億 2,900 万米ドルから 2022 年には 180 億米ドルに増加し、CAGR は 19.58% になります。 2020年は流行の影響で前年比成長率が一時7.51%まで落ち込んだが、2021年にはすぐに19.49%まで回復した。 2025年には298億米ドル、2030年には853億米ドルに達すると予想されています。
金属積層造形市場の成長率は積層造形業界をリードしています。 2021年、世界の金属積層造形市場規模は25億ユーロに達しました。需要側からは、2026年には75億8000万ユーロに達し、CAGR 25%になると予測されています。供給側からは、2026年には78億1000万ユーロに達し、CAGR 26%で成長し、積層造形市場の平均成長率をリードすると予測されています。世界の積層造形市場は非金属印刷から金属印刷へと移行しており、積層造形業界は 1 兆ドル規模の金属部品製造市場をターゲットにすべきです。
中国の付加製造産業の規模は急速に拡大している。 2021年末現在、中国の積層造形装置の累計設置容量は世界全体の約10.6%を占め、世界第2位となっている。中国の付加製造業の生産額は、2017年の96億元から2020年には208億元に増加し、前年比32.06%増、年平均成長率29.40%となった。わが国の付加製造市場の規模は2021年から2025年にかけて20%以上のCAGRで成長し、2025年には630億人民元を超えると予測されています。
世界中の政府は、産業面で優位に立つための支援政策の導入を競っている。最新の「米国付加製造標準化ロードマップ草案 V3.0」では、米国は付加製造分野における関連する公開済みおよび開発中の標準に注釈を付け、標準化プロセスを進めるために必要な予備的な研究開発ガイドラインを含む付加製造の標準と仕様のギャップに対処するための提案を行っています。欧州は早くも2014年に「ホライズン2020」で付加製造を重要な実用技術の一つに挙げており、我が国の「中国製造2025」や「第14次インテリジェント製造業発展5カ年計画」などの重要文書にも付加製造が計画に含まれていました。
金属積層造形産業チェーンは完成しており、コアリンクは大きな価値を生み出しています。 金属付加製造産業チェーンが完成しました。積層造形産業の上流には、原材料、部品、3Dスキャン機器、3Dソフトウェアを扱う企業が含まれます。中流は主に積層造形機器メーカーで構成されており、そのほとんどは印刷サービスや原材料供給も提供しています。下流産業のアプリケーションは、航空宇宙、自動車、工業、家電、医療、教育などの分野に及びます。金属積層造形技術はコストが高いため、積層造形装置は研究開発、製造技術の応用、製品サービスの提供において決定的な役割を果たしており、印刷生産能力や装置製造能力を真に習得した中流メーカーが業界を支配しています。
上流:積層造形用粉末の要求が高く、ソフトウェアとハ​​ードウェアのローカライズ率が低い<br /> 従来の冶金用金属粉末と比較すると、積層造形専用に使用される金属粉末には、より高い性能要件があり、製造プロセスも大きく異なります。積層造形で使用される金属粉末は、一般的に、高純度、良好な球形性、狭い粒度分布、および低酸素含有量が求められます。現在、3D プリントで使用されている金属粉末材料には、主にチタン合金、耐熱合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金などがあります。現在、国産の金属3Dプリント材料は、基本的に国産設備と国産下流積層造形のニーズを満たしています。設備メーカーは一般的にサードパーティの材料メーカーと協力して、さまざまな金属材料の溶解プロセスを研究開発しています。少数の3Dプリントサービスメーカーも独自に金属3Dプリント材料を生産しています。
私の国の産業グレードの付加製造装置の中核となる光学ハードウェアは、輸入に大きく依存しています。積層造形装置に必要なコア部品には、ガルバノメータとレーザーがあります。レーザーは主に米国とドイツから輸入されており、ガルバノメータは主にドイツから輸入されています。どちらも輸入に大きく依存しています。積層造形には主に500Wなどの中低出力レーザーが使用されています。中国の中出力ファイバーレーザーの国産化率は安定しており、ほぼ60%前後を維持しており、国内代替の大部分を達成しています。輸入ガルバノメータは業界での応用歴史が長く、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、国産ガルバノメータの技術的成熟度は、輸入ガルバノメータに比べてまだやや遅れています。レーザー市場は基本的にTrumpfやIPGなどの3~4社の外資系企業によって占められており、走査型ガルバノメータ市場は主にドイツのScanlabによって占められています。
業界のほとんどの 3D 印刷機器メーカーは、3D 印刷機器の産業用ソフトウェア システムをサードパーティから購入しています。ソフトウェアのパフォーマンスの向上はソフトウェア サービス プロバイダーに依存しており、その影響を受けているため、機器のパフォーマンスと材料のパフォーマンスの適用が制限され、顧客のソフトウェア ニーズに迅速に対応することが困難になっています。したがって、完全に独立した知的財産権を持つ 3D プリンター機器産業用ソフトウェア システムを所有することは、機器製造企業の競争力向上に役立ちます。中国で有名な産業用ソフトウェア サービス プロバイダーとしては、Anshi Asia Pacific と Voxeldance があり、業界で有名な外国のソフトウェア メーカーとしては、Altair、Materialise、Hexagon などがあります。

ミッドストリーム: 印刷機器は産業チェーンの中核であり、粉末塗布技術は産業用途の大部分を占めています<br /> 積層造形装置メーカーは、下流の顧客が使用するための印刷装置を開発・製造し、顧客からのフィードバックに基づいて継続的に更新・反復することで、市場の需要を上流に伝え、産業チェーンのレベルを前進させます。産業用プリンターは技術的な障壁が高く、設備投資も大きいため、これまで発展が遅れていました。しかし、現在の産業用積層造形産業は国家政策によって強力に支援されており、市場全体が急速な成長を見せ始めています。金属積層製造装置の主要メーカーとしては、EOS、SLM Solutions、Polylite、Farsoon High-Tech、Easyplus 3D などがあります。
付加製造装置の製造は、産業チェーン全体の中核をなすものです。付加製造装置メーカーは、下流の顧客が使用するための装置を開発、製造、印刷します。そのうち、工業用プリンターは技術的な障壁が高く、設備投資が大きく、発展が比較的遅い。しかし、現在の工業用積層造形産業は国家政策によって強力に支援されており、市場全体が急速な成長を見せ始めている。2017年以降、金属工業用積層造形装置の販売台数は2016年の983台から2017年には1768台へと爆発的な成長を見せている。18A/19A/20A/21Aの販売台数はそれぞれ2297台/2327台/2169台/2390台で、いずれも年間販売台数2000台を維持している。
3D プリントサービスは、主に 3D プリント機器を通じて顧客にプリントサービスとさまざまな派生技術サービスを提供します。サービス収益は世界の付加製造産業チェーンの約 60% を占めており、3D 印刷サービスは付加製造のミッドストリームにおいて最も速く、最も安定して成長しているセグメントです。 2021年、世界の積層造形市場規模(製品・サービスを含む)は152億4,400万米ドルに達し、前年比19.5%増、2017年から2021年までの年平均成長率は20.06%でした。うち、製品売上高は62億2,900万米ドルで前年同期比17.5%増、サービス売上高は90億1,500万米ドルで前年同期比20.9%増となった。
下流: 産業用途で広く使用されており、航空宇宙産業が最大の用途産業です。<br /> 積層造形の下流工程は、主に産業グレードのアプリケーションのニーズによって推進されています。すでに産業化段階にあり、航空宇宙、医療、自動車の分野で最も広範囲に応用されています。航空宇宙/医療/自動車は、世界における積層造形の下流顧客グループのトップ3であり、市場シェアはそれぞれ17Aの18.9%/11.3%/16.0%から21Aでは16.8%/15.6%/14.6%に変化しました。全体のシェアに大きな変化はなく、航空宇宙と医療がわずかに増加しました。主な変化は、17Aの下流の産業分野から生じており、最大の割合を占め、20%に達しましたが、21Aでは、この下流での付加製造の割合が大幅に減少しました。
付加製造は航空機器の分野で幅広い応用が期待されています。中国の航空機製造業界は、今後 10 年間で付加製造に約 1,000 億ドルの市場価値をもたらすと予測されています。 2019年、中国の航空機製造業の市場価値は約698億ドル(約4,886億人民元)でした。中国の航空機製造業の今後10年間(2020~2029年)の年平均成長率は10%になると予測されています。今後10年間で、中国の航空機製造業の市場価値は約9兆500億人民元、年間平均9,054億3,300万人民元となります。今後10年間で航空機製造業における積層造形のシェアが1%に増加すると仮定すると、今後10年間で中国の航空機製造業が3Dプリントにもたらす市場価値は約905億4,300万人民元、年間平均約90億5,400万人民元と計算できます。

航空宇宙産業において積層造形が広く使用されているのは、さまざまな利点があるためです。 1) 軽量化は航空宇宙分野にとって非常に重要です。2) 金属積層造形は、トポロジカル設計を通じて性能を確保しながら部品の質量を最小限に抑えることができます。3) 積層造形は材料損失率を大幅に削減し、材料コストを節約できます。4) 金属積層造形は部品の納期を大幅に短縮できます。5) 積層造形は設計が柔軟で、必要な部品が少なく、製品の納期を大幅に短縮できます。5) 金属積層造形は、軽量化、部品の統合、納期の短縮において、従来の製造プロセスに比べて比類のない利点があります。
付加製造技術は医療分野で広く利用されており、医療用インプラントや医療機器の製造は臨床現場で大規模に利用されており、大きな展望が開けています。付加製造技術はカスタム医療機器の製造に使用でき、最終製品を患者に合わせてカスタマイズし、非常に低コストで実現できます。パーソナライズされた医療用インプラントや人工装具の設計と印刷は、現在では標準的な手法となっています。付加製造技術は、歯科部品、外傷医療インプラント、整形外科用医療機器の製造に広く使用されています。世界の 3D プリント医療機器市場は、2021 年の 22 億 9,000 万米ドルから 2022 年には 27 億 6,000 万米ドルに成長し、年間複合成長率 (CAGR) は 20.4% になると予想されています。市場は2026年までに13.0%のCAGRで44億9,000万米ドルまで成長すると予想されています。
自動車業界では積層造形技術が広く活用されており、将来的には3Dプリント部品が100億個近くに達する規模になると予想されています。自動車業界における金属積層造形の応用は、コンセプトモデルの印刷から機能モデルの印刷、機能部品の製造、そして最終的には完成車の製造へと発展のプロセスを経てきました。現在、自動車業界における積層造形は、自動車の設計、部品開発、内外装の装飾用途などのシナリオをカバーしています。 2029年には、自動車市場は3Dプリントされた完成部品だけで90億米ドルの収益を生み出し、2019年比8倍の増加、年平均成長率20.64%になると予測されています。
付加製造技術は金型分野で広く利用されており、幅広い展望を持っています。 3D プリントは、複雑な金型、接木金型、コンフォーマル冷却金型などの分野で広く使用されています。CNC 加工は、金型製造で最も一般的に使用される技術です。信頼性の高い結果が得られますが、非常に高価で時間がかかります。そのため、多くの金型製造会社はより効果的な代替手段を模索し始めており、3D プリント技術は優れた代替手段です。 3D プリントされた金型には、1) 金型製造サイクルの短縮、2) 製造コストの削減、3) 金型設計の改善により、適応型水冷などの最終製品の機能が強化される、4) 最適化されたツールは人間工学に基づいて設計され、最小限のパフォーマンスが向上する、5) カスタマイズされた金型により、最終製品のカスタマイズが可能になり、射出成形金型の生産効率と金型寿命が向上するなど、多くの利点があります。

リスク警告: 軍の注文は予想よりも少ない。国内の金属積層造形産業の下流顧客は軍事産業に集中しており、収益は最終的には主に国の防衛装備支出から得られます。軍事産業は特殊な経済分野に属し、主に国際環境、国家安全保障情勢、地政学、国防発展レベルなどのさまざまな要因の影響を受けます。今後、国際情勢に大きな変化があり、国防費の削減につながり、軍需受注が期待を下回れば、業界各社の収益に影響が出る可能性もある。

産業政策リスク。付加製造産業は、国家が支援する戦略的新興産業であり、国家産業政策はこの産業の発展に積極的な指導的役割を果たしてきました。今後、政府の産業支援政策が変更され、財政・税制優遇措置、政府補助金、技術支援などが削減または中止された場合、産業の生産や運営に悪影響を及ぼすことになります。

技術の反復によるリスク。積層造形技術の発展、その応用分野の拡大、技術のアップグレードと反復の加速、異なる技術間の競争の激化に伴い、技術革新と新製品開発は依然として業界競争の鍵となっています。企業が技術の進歩を維持できない場合、その競争力は低下する可能性があります。
サプライチェーンのリスク。国内の積層造形分野は、ガルバノメータやレーザーなどのコア部品の輸入に大きく依存しています。地政学的な理由により輸入が制限され、国内で代替品を短期的に生産できない場合、企業製品の納品に影響を及ぼす可能性があります。

リスク、ポリシー、金属

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