BMFの新素材、マイクロナノ3Dプリントはより「正確」に

出典: Manager Media の Manager Magazine

■本誌記者／江新

「3D プリントはもう人気がないのに、なぜ注目する必要があるのか？」

これは、業界外の専門家の多くが抱く疑問です。おそらく短編小説からインスピレーションを得ることができるでしょう。

高精度積層造形の先駆者である深センBMFマテリアルテクノロジー株式会社（英文名称：BMF Material Technology Inc、略称：BMF Material）は、かつて訪問に来た顧客を迎え入れました。上海のこの日用化学品会社は、ダイヤモンド工具を使用して口紅に加工された精密な模様に、明らかなナイフの跡があることを発見しました。より良い製品品質と顧客体験を求めて、彼らはこの問題を解決するための技術的なソリューションを模索してきました。しばらく探した後、顧客は最終的にMofang New Materialsから3台の印刷装置を購入しました。

「これは、私たち自身がカバーできるとは思っていなかった市場です。それはすべて、顧客がニーズを持ち、市場でソリューションを積極的に探すからです」と、BFM New MaterialsのR&D副ゼネラルマネージャー、Zhao Zhuo博士は述べています。

交通手段の選択に例えると、現在の計画では13キロメートル以内ではシェアサイクルが主な交通手段、35キロメートル以内では電動バイクが主な交通手段、5キロメートル以上では車が主な交通手段となっている。同様に、工業用 3D プリントにもさまざまな技術分野があります。工業製造における利点を見つけ、商業的なアプリケーションを実現できることが、この技術に注目する最も基本的な理由です。

BMF New Materialsは2016年に設立され、主な事業は高精度マイクロナノスケール3D印刷設備と各種高精度デバイスの研究開発、生産、販売です。2μmと10μmの超高精度印刷と高精度加工公差制御機能（±10μm/±25μm/±50μm）を備えた、マイクロナノ3D印刷技術と破壊的精密加工能力ソリューションの世界的なプロバイダーです。現在、産業面では、Mofang New Materialsは、GEヘルスケア、メルク、ジョンソン・エンド・ジョンソン3Dプリンティングセンター、デンソー、アンフェノール、3M、タイコ、ファーウェイ、Luxshare Precision、中国石油天然気集団など、多くのフォーチュン500企業とビジネス協力関係を築いています。

長年にわたる技術研究開発と市場調査を経て、Mofang New Materials は超高精度 3D プリントの商業的な答えを見つけました。

「私たちは、現在のライフサイエンスやヘルスケア分野のように、今後はますますパーソナライズされた製品設計コンセプトが生まれると考えています。つまり、処理される製品の数はますます少なくなり、そのライフサイクルは数千から数万に過ぎません。金型生産を使用すると、コストが非常に高くなります。」趙卓氏はまた、製品の数が数十万、数百万に増えると、モロッコの優位性がなくなると認めました（詳細は下の図を参照）。

現状実際、3D プリンティングは産業分野で大きな応用可能性を秘めています。まず第一に、専門家、教授、業界企業を問わず、3D プリントは工業製造の補助手段であり、減算型製造とは矛盾しないという点で一致しています。 3Dプリントの利点は、第一に、くり抜きや逆三角形などの特殊な構造など、減算方式では製造できない製品を製造できること、第二に、パーソナライズされたカスタマイズの柔軟性が高いこと、第三に、応答速度が速いことに集中しています。減算製造と比較して、3Dプリントには金型がないため、処理サイクルを考慮する必要がありません。

世界の産業レベルが4.0に向かって進化するにつれて、生産精度と製品の専門的なカスタマイズに対する要求はますます高まります。従来の減算型製造方法では、製造ニーズを満たすことがますます困難になり、生産コストと応答速度の利点が得られなくなります。ここで 3D プリントが役立ちます。

さらに、中国には 3D プリント技術に追いつく、あるいはリードできる市場とチャンスがあります。国内の3Dプリンティングは、開始や応用の面では海外に比べて遅れています。資本市場だけから判断すると、工業用3Dプリント企業は中国よりも海外に多く上場しており、技術ルートもより充実している。しかし、近年、国内企業は基本的にベンチマーク企業を見つけることができ、一部の個別セグメントでも国内3Dプリント企業が追い上げの勢いを見せている。

マイクロナノレベルの3Dプリントに関しては、Mofang New Materialsはすでに世界的に有名です。同社の技術的成果は、MITからの帰国者チームの研究から生まれたものである。同チームの技術は、2014年と2015年にMITテクノロジーレビューによって「マイクロ3Dプリンティング」や「ナノアーキテクチャ複合材料」など、画期的な技術トップ10の1つに挙げられた。このマイクロナノ3Dプリント技術チーム、すなわちMofang New Materials Teamは、2015年に同誌によってこの分野で最も最先端のチームの一つとして認められ、その年に選ばれた唯一の中国チームでした。

Mofang New Materials は、技術チームが開発した科学研究の成果を実践することに尽力しています。現在、実験の観点から、同社は200ナノメートルまでの超精密部品を製造する能力を持っています。「しかし、市場にはそれを応用できる場所がありません。」趙卓氏は、市場を探索した結果、最終的にいくつかの空白領域を見つけたと紹介した。

顧客は国内の携帯電話メーカーと協力し、必要な構造部品をマイクロナノ3Dプリントで製造することを提案した。携帯電話はますますインテリジェントになり、複数のレンズを搭載するようになるにつれて、これらのレンズを構造部品を使用して組み合わせる必要があります。これまで、顧客にとって従来のソリューションは、金型製造を利用して構造部品を作ることでした。投資額で言えば、金型加工のコストは約2万元です。「当時、当社は印刷サービスを提供していました。構造部品を20個印刷しましたが、総コストはわずか数千元で、金型投資額よりも低かったです。また、対応も非常に迅速でした。緊急部品であれば、需要が入り次第、翌日には製品を印刷することができました。」

全体的に顧客構造から見ると、莫芳新材料は科学研究側＋産業応用側の二重らせん顧客構造を呈しており、興味深いのは前者の顧客がほとんど国内であるのに対し、後者の顧客の80％が海外、特に米国と日本からの顧客であることだ。実は、3D プリント会社である Mofang New Materials が直面した状況はこれだけではありません。さまざまな市場をカバーするために、Mofang New Materials の製品ラインは 2μm と 10μm の 2 つに分かれています。モファング・ニューマテリアルの「3段階」戦略によれば、大学などの科学研究顧客への機器販売が第1段階であり、同社の現在のキャッシュフローの源泉でもある。現在、同社が独自に開発した3Dプリントシステムは、米国のヒューズ研究所、マサチューセッツ工科大学、シンガポールの南洋理工大学、英国のノッティンガム大学、ドイツのドレスデン工科大学、清華大学、北京大学、浙江大学、北航大学、西安交通大学、華中科技大学、香港中文大学、香港城市大学、アラブ首長国連邦のカリファ大学、デンマーク工科大学、ドイツのユーリッヒ研究センターなど、世界中の多くの一流大学や研究機関で使用されています。

第二段階、つまり現在の段階は、産業分野への推進を加速することです。具体的には、印刷機器を直接購入するタイプと、印刷サービスを提供するタイプの2つに分かれます。例えば、Mofang New Materialsは、核融合などの我が国の主要プロジェクト向けの主要部品の研究開発、検証、加工、製造を行っています。第3段階では、莫芳新材料は技術蓄積を継続的に改善・拡大していく予定です。多くのスタートアップ企業と比較すると、莫芳新材料は戦略と方向性に関して回り道が少なく、疑問も少ないことがわかります。この自信は技術的な障壁の構築から生まれます。

Pili Mofang New Materialsの独自技術は「PμLSE」（Projection Micro Litho Stereo Exposure）と呼ばれ、「表面投影マイクロステレオリソグラフィー」を意味します。公式紹介によると、これは表面投影マイクロスケールの超高精度光硬化積層製造技術であり、高精度の紫外線フォトリソグラフィー投影システムを使用して、印刷する3次元モデルを樹脂液表面に層ごとに投影します。積層製造は層ごとに積み重ねられ、金型なしで迅速に光硬化が行われます。最後に、デジタルモデルから直接3次元サンプルが処理されます。

「3Dプリントは『3D』と呼ばれていますが、その原理は簡単に言えば、3Dモデルを無数の2次元画像に切り取り、それを積み重ねて3次元構造にすることです。では、この2次元画像はどのように形成されるのでしょうか。既存のスキャン方法は、実際には絵画の方法に似ており、1つの点と1本のペンで絵を描くようなものです。」趙卓氏は、「MMFの『表面投影』技術は、その名前が示すように、ディスプレイと完全に同等の表面によって形成され、画像を直接表示します。同時に、いくつかの光学処理により、高精度の単一ピクセルが実現され、処理精度が考慮されるだけでなく、処理効率も向上します。」と説明しました。

Mofang New Materialsの「PμLSE」技術は、表面イメージングを利用して、加工精度と加工効率という相反する要素の調和のとれたバランスを見つけることができることがわかります。パートナーの 3M はかつて BFM を「サブミリメートル 3D プリンティングにおける世界最高のテクノロジー企業」と呼んだことがあります。

3次元の複雑な構造のマイクロ加工の分野において、モロッコのチームは科学研究とエンジニアリングの実践において20年以上の経験を持っています。 Mofang New Materialsは、小型精密部品の製造に注力しながら、内視鏡の端部構造など、医療機器などの業界で求められるレベルを超える生産レベルを達成しています。 BMF の 3D プリント装置は、直径約 1 mm のレンズを 1 時間以内に数百個製造できるため、年間の生産量は数十万個に達し、内視鏡メーカーの数量ニーズを満たすことができます。さらに、製造されたデバイスのバッチ内では、総製造数量に関係なく、各コンポーネントをカスタマイズできます。このような生産能力は、小型の精密機器を必要とする産業顧客の数量需要を満たすことができます。

話題になる事例としては、莫芳新材料と北京の有名病院が協力して緑内障治療用の医療機器を開発した事例がある。趙卓氏は、同病院の緑内障治療の解決策として、圧力調整装置を備えた器具を設計することを紹介した。眼圧が一定レベルに達すると、器具のバネを押して眼液を排出し、眼圧が正常レベルに戻ると、バネが眼の弁を閉じることができる。しかし、病院は厄介な問題に直面した。「これは非ネストマイクロスプリングで、従来の（加工方法）では作れません。主な理由は、わずか20μmと細かすぎることです。」単位換算を使用すると、直感的に理解できます。1cm = 10000μmで、一般的に言えば、2μmは髪の毛の約40分の1で、顕微鏡でしか見ることができません。

「3Dプリントは普及していない」という外界の悲観的な状況下では、Mofang New Materialsのような国内の工業用3Dプリント設備サービスプロバイダーのグループの出現は容易ではないと言わざるを得ません。また、国内の3Dプリンター機器メーカーはさまざまな技術分野で市場の応用範囲を発見したか、まだ模索中ですが、印刷材料の制約という無視できないつながりがあることも注目に値します。

趙卓氏によると、印刷材料の限界は、大量生産ができないとか特許の壁があるということではなく、3Dプリントの世界市場の需要が大規模大量生産の段階に達するには不十分だという。世界的に有名な材料大手の多くは、これらの印刷材料の開発と生産にあまり積極的ではない。材料の強度、靭性、耐候性などの性能パラメータは、既存のエンジニアリング材料のレベルに達していない。そのため、材料も産業グレードの 3D プリンティングの開発の障害となっています。同時に、セラミック材料などの既存の技術的経路では、高粘度や 3D 印刷プロセス中に正確な層を実現するのが難しいなどの技術的な困難が十分に克服されていません。

そのため、BMF New Materials は独自の材料研究開発チームを設立し、知的財産権の保護についても独自の計画を持っています。しかし、MFN New Materialsの創設者兼CEOであるHe Xiaoning氏は、マイクロデバイスの製造の課題について語る際、業界用語を使って次のように表現した。「追求が極端であればあるほど、課題は大きくなります。」国内の産業グレードの3Dプリンティングへの道のりは長いが、だからこそ、真剣に取り組み、孤独に耐えられる企業が必要なのだ。

注: 3D プリントは主に産業グレードと消費者グレードに分けられます。この記事で特に指定がない限り、3D プリントは産業グレードを指します。

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