陳根：数回の誇大宣伝とその後の寒波を経て、3Dプリンティングは衰退の道を歩み始めている

出典: Blue Whale Finance 著者: Chen Gen

近年になってようやく広く認知されるようになった3Dプリンティングが、1983年に誕生していたとは想像しがたい。

2012年、英国の雑誌「エコノミスト」は、3Dプリント技術を「第三次産業革命」の大きな兆候の一つとみなす記事を掲載し、世界中で大きな注目を集めました。しかし、大流行した後、世界を創造し、産業をひっくり返すほどの力を持っているように思われた3Dプリンティングは、再びどうしようもない技術成熟曲線を辿ってしまいました。近年、3D プリンティングは何度も宣伝されてきましたが、同時に何度も人々の忍耐力を試してきました。

実際、世の中には、なかなか普及しなかった有望な技術があふれています。普及に成功した技術は、多くの場合、外部の出来事から恩恵を受けます。間違いなく、3Dプリンティングにとって、COVID-19パンデミックはその外部イベントです。

実際、これは事実だ。国内のB2C越境ECプラットフォームであるAliExpressのデータによると、同プラットフォームでの3Dプリンターの売上高は、疫病の発生以来、昨年に比べて2倍に増加している。今年に入って3Dプリンターの海外倉庫在庫が大幅に増加したが、疫病の影響でこれらの在庫は完売している。そのうち、中国の3Dプリンター機器の4月の生産量は前年同月比344.7%増加した。

3D プリントはなぜこのようになっているのでしょうか?技術が徐々に成熟するにつれて、3D プリンティングは最盛期を迎えるのでしょうか?ニッチから主流へ、3D プリントには他にどのような道があるのでしょうか?

3Dプリントは変化をもたらす

3D プリントは、その名の通り、3 次元印刷です。一般的な 2 次元印刷と比較すると、3D 印刷には類似点と相違点の両方があります。

2次元印刷であろうと3次元印刷であろうと、本質的には印刷技術です。違いは、フラット印刷では最終的にファイルのコンテンツがフラットな形で印刷されることです。平面印刷は情報を伝達する以外に実用的な機能はありません。平面印刷のファイルと比較して、3D プリントは機能を直接実現できます。

3Dプリントでは、印刷する物体の3次元形状情報を、3Dプリンターが解釈できるファイルに書き込む必要があります。3Dプリンターはファイルを解釈した後、材料を層ごとに積み重ねることで3次元形状を印刷します。立体的な形状は機能の基本とも言え、形状が印刷されると機能も印刷されます。

また、「減算的製造」に対して、3D プリントは「付加的製造」とも呼ばれます。現在の製造業において、一般的に使用されている材料加工技術は、主に「減算型製造」技術であり、原材料を特定の形状にし、特定の機能を発揮できるように、原材料を除去し、切断し、組み立てるなどの加工を行う技術です。「付加製造」とは、原材料を特定の形状に層ごとに直接積み重ね、特定の機能を実現することです。

積層造形プロセスには、主に 3 次元設計とレイヤーごとの印刷という 2 つのプロセスが含まれます。まず、コンピューターモデリングソフトウェアを使用してモデルを構築し、構築された 3 次元モデルをレイヤーごとのセクションに分割して、プリンターがレイヤーごとに印刷できるようにします。従来の減算的製造方法と比較して、付加製造には間違いなく多くの利点があります。

1つ目は、生産時間を短縮し、効率を向上させることです。従来の方法でモデルを作るには、モデルのサイズや複雑さに応じて通常数日かかりますが、3D プリント技術を使用すれば、その時間を数時間に短縮できます。そのため、減算型製造法と比較して、積層型製造法は複雑な形状の部品の製造に特に適しています。もちろん、これはプリンターのパフォーマンスやモデルのサイズと複雑さによっても影響を受けます。

2つ目は原材料の利用効率を向上させることです。付加製造機械は、従来の金属製造技術に比べて、金属を製造する際に生成される副産物が少なくなります。印刷材料が進歩するにつれて、「ネットシェイプ」製造はより環境に優しい加工方法になる可能性があります。

3つ目は、製品のパフォーマンスを向上させるために複雑な構造の実装を完了することです。従来の減算製造法では複雑な形状や腹部内部構造の加工に限界がありましたが、積層造形法では複雑な構造を製造して製品性能を向上させることができ、航空宇宙、金型加工などの分野で減算製造法に比べると比べものにならないほどの利点があります。

たとえば、3D プリンターはさまざまな形状を印刷でき、職人のように毎回異なる部品を作ることができます。従来の工作機械生産ラインでは、さまざまな形状の部品を加工するために、生産ラインの複雑な調整が必要でした。したがって、積層造形は、カスタマイズされた非大量生産品に特に適しています。

実際、当初、3Dプリンティングは主に金型製造、工業デザインなどの分野でモデルを製造するために使用されていましたが、その後、航空宇宙、エンジニアリング建設、医療、教育、地理情報システム、自動車などの垂直分野を含む特定の製品または部品の直接製造に徐々に使用されるようになりました。

2015年、アメリカ航空宇宙局（NASA）は3Dプリント技術に基づいて航空ロケットエンジンのヘッドを印刷しました。これにより、部品と溶接の数が大幅に削減され、ロケットエンジンの故障の可能性が低くなると同時に、反復サイクルが短縮され、コストが削減されます。

ドバイでは、政府は政府の建物を建設するために3Dプリントを使用することを選択しました。 3Dプリント建築の主な作業は機械によって行われ、一体成型で施工速度が速いため、作業員の役割は主に3Dプリンターの操作と作業状況の確認であるため、従来の建築業界に比べて人手の必要性は少ない。

2019年、イスラエルのテルアビブ大学は、同大学の研究室で「心臓」を3Dプリントしたと発表しました。これは見た目だけに印刷された心臓ではなく、患者自身の細胞と生体材料を使用して3Dプリントされた世界初の3次元血管化人工心臓、つまり血管組織を備えた3次元人工心臓です。

今年5月に初飛行に成功した長征5号Bロケットには、我が国の新世代有人宇宙船試験船が搭載されており、「3Dプリンター」も搭載されていた。これは我が国初の宇宙3Dプリント実験であり、宇宙での連続繊維強化複合材料の3Dプリント実験としては世界初となります。

明らかに、技術が徐々に成熟するにつれて、3D プリンティングは商業的価値を示し続けますが、ニッチから主流に移行する前に、3D プリンティングは依然としていくつかの未解決の困難に直面しています。

3Dプリントの未知の道

3Dプリントが徐々に人々の生産と生活に入り込むにつれて、人々はすべてをプリントするという現実を徐々に押し進めており、業界は巨大な発展の見通しと幅広い応用空間を期待しています。しかし同時に、急速に発展している技術として、3D プリンティングがプラスの影響を与えるまでには、まだ長い道のりがあります。

一方、標準製品の加工においては、3D プリントのスケールメリットは従来の加工方法ほど優れていません。従来の加工方法と比較すると、3D プリント製造プロセスの固定費は低く、標準製品を大量生産する場合、3D プリント製造の限界費用削減は従来の加工方法ほど良くありません。

たとえば、従来の射出成形を使用してゴム部品を加工する場合、使用する金型は固定費になります。製品が標準化されているため、部品を一括して処理すると、各部品に割り当てられる固定費が小さくなります。そのため、金型で加工する部品の数は無限大になり、部品ごとの償却費は0に近づく傾向にありますが、部品を3Dプリントで加工すれば金型は不要となるため、全く同じ部品を一括加工する技術を使っても、償却固定費の削減にはつながりません。

一方、現在3Dプリントに使用できる原材料の種類はまだ限られています。現状から見ると、3Dプリント技術で加工できる材料の種類は、従来の加工方法ほど多くありません。主な理由は2つあります。1つ目は、異なる特性を持つ原材料に使用される設備原理が異なることが多いことです。そのため、使用できる原材料の種類の開発は、対応する設備の研究開発の進歩によって制限されます。

第二に、3Dプリントの原材料は特定の形状を必要とすることが多いです。例えば、金属3Dプリントでは金属粉末を原材料として使用することが多く、金属粉末の均一性、酸素含有量、粒子サイズなどに対する要件があります。プロファイルと比較すると、粉末は加工が難しく、対応する産業チェーンは従来の材料ほど広範囲で大規模ではありません。

ABS プラスチックや感光性樹脂などの非金属を使用した印刷に関しては、すでに市場に多くの原材料サプライヤーが存在しており、原材料のコストはもはやこの技術の発展を制限するボトルネックではありません。しかし、金属や高級ポリマー材料に関しては、供給能力の制限により、価格が依然として比較的高価です。

また、3Dプリント部品や金属3Dプリントの機械的特性は、加工精度、表面粗さ、加工効率の面でまだ改善の余地があります。同時に、完成品が頑丈で耐久性があるかどうか、ユーザーの認知度が向上するかどうか、知的財産権がより多くの侵害リスクに直面するかどうかは、3Dプリントの発展において避けられない未解決の問題です。

3Dプリントは未来の製造業の想像力を運ぶ

3Dプリントの商業的応用と市場化の観点から見ると、30年以上の発展を経て、3Dプリント業界は比較的完全な産業チェーンを形成しています。 3Dプリンティング機器の製造に必要な上流部品、印刷工程で使用する各種原材料、設計やリバースエンジニアリングに必要なソフトウェアやハードウェア、中流の3Dプリンティング機器やサービス、そして航空宇宙、自動車、医療、教育などの下流の応用分野が含まれます。

実際、世界的にも国内市場においても、3Dプリンティング産業の規模は急速な成長傾向を示しています。コンサルティング会社Wohlers Associatesの統計によると、世界の3Dプリンティング産業の総生産額は2013年には30億3,000万米ドルだったが、2018年には96億8,000万米ドルに達し、5年間の複合成長率は26.1%となった。同機関はまた、2019年から2024年にかけて、世界の3Dプリンティング業界は年間平均24%前後の複合成長率を維持し続けると予測している。

世界平均と比較すると、わが国の3D産業の市場規模はより高い成長率を誇っています。2013年、国内の3Dプリント産業の規模はわずか3億2000万米ドルでしたが、2018年には23億6000万米ドルに達し、5年間の複合成長率は49.1％でした。 2023年までに、我が国の3Dプリンティング産業の総収益は100億米ドルを超えると予想されています。

明らかに、3Dプリンティングは導入段階から徐々に成長段階に入っており、この流行は間違いなくこのプロセスを加速させました。 3D プリンティングはスペースに制限されず、サプライチェーンのプロセスを短縮し、生産効率を向上させ、製造の閾値を下げることができるため、サプライチェーンからの脱却に実現可能なソリューションを提供します。そのため、海外での医療用防護材不足の影響を受け、3Dプリンター機器を使って作られたマスクや医療用マスク、ゴーグルなどが一時期「命の恩人」となった。

その中で、国内の消費者向け3DプリンターメーカーであるChuangxiang 3Dは、この3Dプリントブームの波の恩恵を受けているだけでなく、国内の3Dプリント業界の主要参加者でもあります。創翔3Dは3月に5万台以上を出荷し、4月初旬には16万台近くの受注を獲得し、4月の売上高は2億2000万元を達成した。さらに、Flashforge、Aiyu Technology、Guanghua Weiye、Chaokuo Electronicsなどの輸出志向の3D企業も、より好ましいニュースを報告しました。

実際、多くの技術革新が画期的な進歩の瀬戸際にありますが、生産性の伸びの低下を逆転させる可能性を秘めているものはほとんどありません。しかし、3D プリントは異なります。生産性の向上に役立つツールとして設計されています。 3Dプリンティングとロボット工学を組み合わせれば、その影響はさらに大きくなります。ロボットは 3D 空間で非常に柔軟であり、3D プリンターは複雑なものを構築できます。これら 2 つを組み合わせれば、あらゆる構造物をゼロから構築できない理由はありません。

過去40年間、我が国の製造業は回復から上昇へと急速な発展を遂げ、総規模は継続的に拡大し、産業構造の転換が加速し、総合力と国際競争力が大幅に向上しました。製造業がインダストリー4.0のインテリジェント製造へと急速に発展するにつれ、インテリジェント製造の最大の課題も量から質へと移行しています。マスカスタマイゼーション、オープンイノベーション、スマートファクトリー、これらの変化は、3D プリンティングによるインテリジェント製造の最も直接的な現れでもあります。

3Dプリント技術は、人々の無限の未来製造モデルの想像力を担っています。デジタル時代に人類の技術が一定の段階まで蓄積されたときに生まれた新しい技術です。3Dプリント技術は人類に未来への大きな想像力を与えました。将来的には、従来の製造業の物理的、空間的な制限はそれほど重要ではなくなり、設計と生産はよりフラットでオープンなものになるでしょう。

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