金属 3D プリントはファイバーレーザーアプリケーションに新たな扉を開きます。

著者: フェイ・ゲ

暗闇の後には必ず夜明けの光が差し込む。これが2023年の国内レーザー産業の最大の期待かもしれない。 10年以上の急速な発展を経て、国内のレーザー産業は突然ボトルネックに遭遇しました。材料加工はレーザー応用の最も重要な分野ですが、近年、市場の需要が低迷し、価格競争が激化しているため、レーザー企業の利益率は継続的に圧縮されています。新たな時代の節目に立つ国内レーザー産業は、緊急に新たなブルーオーシャン市場を見つける必要があります。

政府からの重要な支援により、次の1000億市場が出現している

レーザー切断などの減算的製造技術と比較すると、3D プリントに代表される加法的な技術は常に非常に人気がありますが、特に工業用途の分野では、常に非常に「ニッチ」であるように見えます。発展の歴史から見ると、3Dプリント技術は19世紀後半に米国で生まれ、1980年代後半に成熟して広く使用されるようになり、その中でも金属材料の3Dプリント技術は特に急速に発展しました。

金属3Dプリント技術は、3Dプリントシステム全体の中で最も最先端かつ有望な技術として、先進製造技術の重要な発展方向であり、航空宇宙、自動車、消費財、医療、一般産業などの分野で徐々に大規模に応用され始めています。過去30年間で、我が国の金属3Dプリント技術、特に設備技術は急速に進歩しました。

金属3Dプリントはヨーロッパとアメリカで登場しました。わが国は1990年代半ばから、エネルギー堆積法（DED）と粉末床溶融結合法（PBF）に重点を置いて、金属3Dプリント技術の研究を行ってきました。西北工科大学、北京航空航天大学、華中科技大学、華南理工大学、清華大学などが多くの研究を行ってきました。 1997年、西北工科大学は「金属粉末レーザー立体成形の溶融構造と特性に関する研究」を実施しました。これは我が国で正式に承認された最初の科学研究プロジェクトでした。 2012年、北京航空航天大学のDED-Lに関する研究成果は国家技術発明賞の最優秀賞を受賞しました。 2017年に、我が国の金属3Dプリント分野における最初の材料規格（GB/T 34508-2017）が制定されました。

△2021年から2023年まで毎年印刷される金属積層造形製品の数積層造形業界の市場データとコンサルティングサービスの有名プロバイダーであるSmarTechの最新レポートによると、金属3Dプリント技術は2031年までに年間750億ドル以上の部品を生産すると予想されています。金属積層造形はサプライチェーンの不足を補う上で大きな役割を果たしているため、この技術の採用を重視し、投資を増やす傾向は変わらず、市場全体は急速に発展し続けるでしょう。

最近、科学技術部「第14次5カ年計画」国家重点研究開発計画「付加製造とレーザー製造」重点プロジェクトが発表されました。これは、高融点金属材料の付加製造や超高速レーザー製造などの技術方向に焦点を当て、基礎理論と最先端技術、コア機能部品、キーテクノロジーと設備、典型的なアプリケーションデモンストレーションの全チェーンに焦点を当て、我が国の付加製造技術が全体として世界トップレベルに到達することを推進し、基本的にグローバルリーダーシップの全体目標を実現します。

さらに、「第14次インテリジェント製造発展5カ年計画」、「付加製造産業発展行動計画（2017-2020年）」、「国家付加製造産業発展促進計画（2015-2016年）」、「付加製造標準試行行動計画（2020-2022年）」など、多くの国家計画が付加製造産業の発展を明確に支援しています。主要技術の継続的な進歩とそれを支える産業チェーンの継続的な改善により、金属 3D プリントに代表される付加製造は、インテリジェント製造の分野における次の重要な方向性となるでしょう。

ファイバーレーザーは金属3Dプリントの理想的な熱源となる

積層造形技術は、CAD設計ソフトウェアを使用して3Dモデルを作成し、それを積層造形の標準形式のSTLファイルに変換します。このシステムは、コンピュータ上で処理しやすい特定の方向に部品を複数の層に分割します。最後に、特殊な印刷装置に依存し、金属粉末、樹脂、セラミック粉末などのさまざまな材料を使用して、層ごとに蓄積、積み重ね、結合し、最終的に部品全体を形成します。プロセス全体を通して、熱源の選択は処理効果にとって非常に重要です。

長年の開発を経て、レーザービームは金属 3D プリントの最も主流の熱源になりました。電子ビームやマイクロビームプラズマと比較すると、レーザービームはスポットが細かく、コストが低く、指定された材料位置に向けることができるという利点があり、金属材料の瞬間溶融を実現し、溶融パスのオーバーラップと部品成形の要件を満たすことができます。

金属 3D プリントで使用されるレーザーは、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レーザー自体は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。 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、加工性能が優れており、実効出力はCO2レーザーよりもはるかに高いです。ファイバーレーザーが商業的に大規模に使用され始めると、そのコストはさらに低下します。統合が容易、電気光変換率が高い、性能がより安定しているなどの利点により、ファイバーレーザーは金属3Dプリントの最も主流の熱源となっています。

金属 3D プリントプロセスは、主にレーザーの熱効果を利用して金属粉末を層ごとに溶かして成形し、最終的に層ごとに積み重ねて蓄積することで部品の加工を完了します。処理中、部品は通常、多くの層で印刷され、印刷時間は非常に長くなるため、レーザー出力の安定性に対する要求は非常に高くなります。さらに、レーザービームの品質とスポットサイズも印刷精度に重要です。そのため、産業発展の初期段階では、金属 3D プリントレーザーは主に海外からの輸入に依存していました。

近年、国産ファイバーレーザー製品の出力レベルと信頼性が大幅に向上したため、金属3Dプリント用途のニーズを満たすことができるようになりました。一般的な選択的レーザー溶融 (SLM) を例にとると、ファイバーレーザーの平均電力要件はおよそ 200W から 1000W の間です。 JPTは国内有数のファイバーレーザーメーカーとして、連続ファイバーレーザーに関して200W～40000Wの範囲を完全にカバーしており、金属3Dプリント光源の多様な選択肢を提供できます。

製品面では、JPT 連続ファイバーレーザーは、制御インターフェースと標準ソフトウェアを通じ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提供し、動作データを収集して記録することができます。このレーザーは水冷とラックマウントシャーシ設計を採用しており、電気光変換効率が高く、エネルギー消費が少なく、構造がコンパクトで、調整やメンテナンスが不要で、光ファイバー伝送出力が柔軟で、顧客による統合や使用が容易など、多くの利点があります。金属 3D プリントにとって理想的な光源の選択肢となります。

より優れた3Dプリント効果を実現し、市場の需要に適応するために、JPTは3Dプリント業界向けに500W/1000Wレーザーのハイエンドバージョンを特別に発売し、その性能を最適化して、3Dプリントアプリケーションにさらにうまく組み込めるようにし、顧客のプロセス要件に応じてカスタマイズできるようにしました。

△Jept 500W / 1000Wレーザー Jeptハイエンドバージョンレーザーは、状態信号負荷の駆動能力を向上させ、より高い電流リレーを駆動し、アナログ量の応答速度を向上させ、光遅延を大幅に圧縮します。ビーム品質を向上させてM2≤1.1を確保します。電力安定性を向上させ、長期的な電力安定性は1％未満に達します。ネットワークポート機能を追加して、レーザーの通信制御をより便利にします。変調周波数の調整範囲を50KHzに拡張し、さまざまなアプリケーションシナリオに適応しやすくしました。

△Jeptのハイエンドファイバーレーザーの顧客現場での応用 △Jeptのレーザー3Dプリントの応用応用分野の観点から見ると、金属3Dプリントは当初、主に航空宇宙分野で使用されていました。他の応用分野のさらなる普及に伴い、国内のファイバーレーザーもより多くの応用空間を獲得し、業界の継続的な発展を促進するでしょう。

金属3Dプリントは徐々にローカライズ化のプロセスを開始

近年の流行病の影響にもかかわらず、世界の金属3Dプリンティングは急速な成長傾向を維持しています。 SmarTech Analysisのデータによると、世界の金属付加製造市場規模は2019年に33億米ドルで、2019年から2024年にかけてCAGR 27.2%で成長し、2024年までに110億米ドルに拡大する見込みです。

産業チェーンの流通の観点から見ると、上流の金属材料は価値が高く、生産障壁も高くなります。金属材料は通常、金属粉末であり、主にチタン合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金、その他の高温合金を含み、主に航空宇宙、軍事、自動車などの分野で使用され、材料特性に対する要求が非常に高くなっています。現在、中国では高級金属粉末を供給できるメーカーは比較的少なく、依然として主に輸入に頼っています。逆に、設備面では国内メーカーの入れ替えが加速している。

金属 3D 印刷装置には、主にレーザー、ガルバノメーター、マザーボード、DLP 光エンジン、スキャナーなどのコンポーネントが含まれます。価値シェアで見ると、レーザーは一般的に設備コスト全体の20％以上を占めています。設備がアップグレードされるにつれて、同じ3Dプリンターに搭載されるレーザーの量と品質も増加し、その価値シェアはさらに高くなります。国内の金属3Dプリンター機器メーカーの現状製品から判断すると、レーザーは安定性や品質を考慮して輸入ブランドを使用するのが一般的であり、国産品への代替の余地は大きい。

製品の出力から判断すると、国産ファイバーレーザー製品は海外製品を上回り、基本的に同レベルにあり、薄板切断用途の分野ではほとんどの海外製品に取って代わっています。近年、国内のレーザー産業が新たな段階に入ったため、国内メーカーは製品の品質にますます注意を払い、研究開発への投資を増やし続け、ハイエンドの応用分野で徐々に国産化を開始しました。

JPTは長年にわたり発展を続けてきましたが、市場がどのように変化しても、製品の強力な安定性を頼りに、ハイエンド製造分野で独自の道を切り開いてきました。MOPAファイバーレーザーで海外ブランドを追い越したことから、世界有数の携帯電話メーカーのサプライチェーンに参入したこと、そして大手のパワーバッテリーメーカーのサプライヤーになったことまで、これらはすべて、製品の品質の良い例です。国内の金属3Dプリント産業のさらなる発展に伴い、JPTもこのブルーオーシャン市場における国産代替の推進を加速してまいります。

現在、わが国は産業の転換と高度化の重要な時期にあり、新技術、新産業、新モデルの出現が製造業の持続的な発展を推進しています。近年、3Dプリンティングは、航空宇宙、自動車製造、バイオメディカルなどの分野における複雑な構造部品の開発と生産の中核技術として徐々に定着しつつあります。ますます内向きの課題に直面する中、金属 3D プリントは、国内ファイバーレーザーの新たな潜在的市場になると期待されています。

金属 3D プリントはファイバーレーザーアプリケーションに新たな扉を開きます。

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