2020年に3D印刷ハードウェア市場がどのように進化しているか

今年の初めに、AMFGは2回目の公開を行いました アディティブマニュファクチャリングランドスケープ2020レポート 、主要な市場プレーヤーと業界を形作る最大のトレンドを見てください。本日、一連の記事を発表し、ハードウェアから始めて、積層造形（AM）エコシステムの各セグメントをさらに深く掘り下げます。

2020年には、ハードウェアメーカーがAMランドスケープの半分以上を占めており、過去10年間で多くのメーカーが業界に参入しています。

新しい会社の流入により、近年、3Dプリンターはより高速で信頼性が高く、生産能力が向上しているため、急速に進化しています。

以下では、3D印刷ハードウェア市場を形作る最も顕著な開発とトレンドのいくつかを追跡しています。

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金属3D印刷ハードウェア

間違いなく、金属ハードウェア市場は3D印刷の最も急成長しているセグメントの1つです。調査会社のCONTEXTは、金属3Dプリンターの出荷により、前年比で49％を超えるユニットボリュームの成長率が見込まれると予測しています。

業界アナリスト企業、SmarTech Analysisからの最近のレポートによると、金属AMハードウェアセグメントも約40億ドルの収益機会を生み出すと見込まれています。

2020年、 AMPOWERの報告によると、金属3D印刷市場は非常に多様であり、18もの異なる技術がそれを形作っています。

これらのテクノロジーの中で、Powder Bed Fusion（PBF）ファミリーは、メタルAMで最大の役割を果たしており、世界中のすべてのメタルAMシステムインストールの80％を占めています。 PBFファミリーには、レーザーベースおよび電子ビームベースのテクノロジーが含まれます。

PBFハードウェア市場は、EOS、レニショー、3Dシステム、SLMソリューション、トルンプ、GEなどのいくつかの確立された企業に分かれています。

特にGEは、金属AM市場での製品の独自の多様化で際立っています。 GEは、レーザーベースのコンセプトレーザー3Dプリンターを提供するだけでなく、Arcamによって製造された電子ビーム溶解（EBM）装置を提供している数少ない企業の1つでもあります。さらに、同社は金属バインダー噴射3D印刷も開発しており、すでに数人の初期ユーザーに採用されています。

金属3D印刷の焦点が生産アプリケーションにシフトする中、この分野の多くのプレーヤーは、より高速で信頼性の高い要求を満たすためにシステムを進化させてきました。

このレースの共通のテーマの1つは、マルチレーザーシステムの導入です。

複数のレーザー（通常は2つまたは4つ）を使用すると、印刷プロセスを4倍に増やすことができます。さらに、マルチレーザーシステムは生産性が高く、部品のコストを削減したり、より多くの部品をより短い期間で生産したりするのに役立ちます。マルチレーザーマシンを使用すると、一度に複数の部品を印刷できるとも言われています。

このようなシステムを提供している3Dプリンターメーカーには、EOS、Concept Laser（GE）、SLM Solutions、Renishaw、AdditiveIndustriesなどがあります。

確立されたプレーヤー以外では、PBF市場では新規参入者の数が増加し、それぞれが独自のテクノロジーを採用しています。

1つの例として、VELO3Dがあります。これは、高度な再コーティングメカニズムとハードウェアとソフトウェアの緊密な統合のおかげで、ほぼゼロのサポートで印刷できるシステムを開発しました。

Aurora Labsは、もう1つの潜在的なゲームチェンジャーであり、1回のパスで複数の粉末層を同時に印刷できる金属システムを提供します。基本的に、これは印刷速度の大幅な向上に相当します。最近、同社はPMP13Dプリンターが350kg /日の印刷速度に達することができると報告しました。

金属バインダー噴射技術の台頭

もう1つの注目すべき傾向は、金属バインダーの噴射に新たに焦点が当てられていることです。このテクノロジーはしばらく前から存在していましたが、大量のアプリケーションで実行可能な方法として認識されたのはごく最近のことです。一つには、金属バインダー噴射システムは、通常、PBFシステムよりも安価で高速です。

金属バインダー噴射システムの最初のメーカーであるExOneは、現在、Digital Metal、Desktop Metal、HPなどの多くの新参者と競争する必要があります。

特にデスクトップメタルとHPは、特定の用途で従来の製造と競合できる方法でバインダー噴射を行うという積極的な戦略を持っています。これを実現するために、たとえば、Desktop Metalは、最大12,000 cm3 / hrの高解像度印刷を可能にする双方向システム（2方向に印刷）を開発しました。これは、1時間あたり60kgを超える金属部品に相当します。

一方、HPは、部品の印刷時に行われる焼結プロセスをより速く、より安価にする革新的な結合剤を開発しました。

'金属を使用射出成形では、通常、燃え尽きる必要のあるバインダーが10重量％を超えます。私たちの場合、1％未満であり、桁違いに少ないため、より速く、より低コストで、はるかに簡単に焼結できます」と、HPの金属部門のグローバル責任者であるTimWeberはAMFGとのインタビューで述べています。

金属バインダーの噴射は、特に自動車などの大量生産産業において、他の金属3D印刷技術では現在実現不可能な、アプリケーションのロックを解除する可能性があります。これは、このセクターの進化が継続し、 になることを意味します 目を離さないもの。

コンパクトメタル3Dプリンター：成長に満ちた新しいセグメント

PBFおよび金属バインダー噴射システムは生産ニーズを満たすように設計されていますが、金属部品のプロトタイピングをより安価で簡単にするために、コンパクトな金属3Dプリンターの別のセクターが台頭しています。 SmarTech Analysisの最近のレポートによると、コンパクトな工業用金属プリンターの売上は2027年までに10億ドルを超えると予測されています。

現在、MarkforgedとDesktop Metalは、コンパクトメタル3Dプリンターを開発している2大企業です。

MarkforgedのMetalXとDesktopMetalのStudioSystemはどちらも、プラスチックでカプセル化された金属粉末を使用してグリーンパーツを作成し、それを炉で焼結する押出ベースの3Dプリンターです。このアプローチにより、従来のより高価な金属3Dプリンターと比較して、はるかに手頃なオプションになります。これは主に、より安価な金属射出成形材料によって可能になった運用コストの削減によるものです。

コンパクトな金属AMシステムの手頃な価格と簡単なセットアップは、明らかに市場の共感を呼んでいます。 2019年第1四半期には、MarkforgedとDesktop Metalが3Dプリンターの出荷で中心的な役割を果たし、DesktopMetalはこの期間で最も多くの金属3Dプリンターを出荷しました。

コンパクトな3Dプリンターは、手頃な価格の金属プロトタイピングと製品開発のまったく新しい市場に参入できるため、金属3D印刷のこのセグメントは成長し続けると予想されます。これはまた、産業顧客が金属AMの探索を支援するためにこれまで以上に多くのオプションを持っていることを意味します。

金属3D印刷の信頼性の向上

金属3Dプリンターをさらに進歩させるために、企業はプロセスにより高いレベルの再現性を導入する必要があります。これに対する重要な解決策は、センサーとマシンビジョンを備えた3Dプリンターに電力を供給して、インプロセスモニタリングを可能にすることです。

3Dプリンター内に配置されたセンサーとカメラを使用して、ビルドの複数の側面をリアルタイムで測定し、ビルドプロセスを文書化し、要件が満たされていることを確認できます。センサーから取得したデータは、専用のソフトウェアにフィードバックできます。このソフトウェアは、データを分析し、プロセスを改善する方法についてフィードバックを提供します。

このソリューションは、閉ループ制御システムとして知られています。 、そしてそれは金属3Dプリンターにとって不可欠な要件になりつつあります。

閉ループ制御システムを通じてビルドプロセスの制御を維持することで、メーカーは品質を支える一貫した形状、表面仕上げ、および材料特性を実現できます。

ただし、閉ループシステムによって可能になる工程内品質管理は、AMテクノロジーにとってまだ比較的新しいものであり、メーカーが実装する際の障壁となります。 2019年現在、市場に出回っている3Dプリンターのうち、閉ループ制御ユニットを搭載しているのはごくわずかです。

将来的には、すべての金属製3Dプリンターに閉ループ制御システム。ビルドの失敗のリスクを軽減することにより、プロセスの再現性を大幅に向上させます。

ポリマー3Dプリンター

金属3D印刷ハードウェアは急速に成長していますが、ポリマーハードウェアは、使用中のシステムの点で依然として最大のセグメントです。 EYの Global 3D Printing Report 2019 で調査された企業の72％ ポリマーAMシステムを使用しているのに対し、金属システムを使用しているのは49％です。

複雑でないワークフローと手頃な価格は、金属製の3Dプリンターよりもポリマー製の3Dプリンターを選択するための2つの重要な要素です。

金属3D印刷市場と同様に、ポリマー市場は、溶融フィラメント製造（FFF）、ステレオリソグラフィー（SLA）/デジタル光処理（DLP）、選択的レーザー焼結（SLS）、マルチジェットフュージョン（MJF）。今後数年間で多くの新技術が商品化されるのを待っています。

企業は生産とプロトタイピングの両方で信頼性の高いプロフェッショナルなソリューションの開発を目指しているため、これらのテクノロジーはそれぞれ進化を遂げています。

おそらく、最も印象的な開発はSLA / DLPハードウェアセグメントで行われています。これらのテクノロジーは、特に歯科製品や消費者製品などの業界にとって、真の生産ソリューションになりつつあります。たとえば、SLA 3Dプリンターは、歯科用クリアアライナーの金型の大部分を製造するために使用されており、年間数十万台のデバイスを製造しています。

ただし、金型だけでなく、そのようなデバイスを直接製造できるようにするためには、テクノロジーを成熟させる必要があります。

最大の設置ベースを持つハードウェアに関しては、 、FFF3Dプリンターが一番上に残ります。これは、UltimakerやMakerbotなどの企業が提供するアクセシブルなデスクトップFDM3Dプリンターの人気によって説明できます。

SLS3Dプリンターのエキサイティングな開発

SLS 3Dプリンターに移行すると、このセクターでもいくつかの注目すべき開発が見られます。一例として、ベルギーの会社であるAerosintがあり、2つの異なる粉末で印刷できるSLSシステムに取り組んでいます。これにより、機械は安価なサポート材料として1つの粉末を使用できるようになります。

通常、SLSマシンの未溶融サポートパウダーは、部品の印刷に使用されるものと同じ材料であり、高価になる傾向があります。安価なサポート材料と部品印刷用の2番目の材料を使用できるマシンを導入すると、SLSプロセスを使用する人にとってかなりの金額を節約できます。

SLS 3D印刷を再考できる別の開発は、EOSから来ています。 Formnext 2018で、EOSは、ポリマーの3D生産を10倍高速化することを約束する次のLaserProFusionシステムを初公開しました。この偉業を達成するために、同社はプロセスで使用されるレーザー技術の再考に8年以上を費やしました。

現在のSLSマシンは1つまたは少数のCO₂レーザーを使用していますが、LaserProFusionシステムは最大100万個のダイオードレーザーを使用できます。これにより、高解像度だけでなく、はるかに高速な印刷速度で部品を作成できるようになり、射出成形に匹敵する可能性があります。

この技術は、今後数年で商用リリースされる予定です。

HP Multi JetFusionの急成長

MJFは、HPが3D印刷への移行を公表し、最初のポリマー3Dプリンターを発売した2016年に市場に参入しました。それ以来、MJFは最も急速に成長しているポリマー3D印刷プロセスの1つになりました。 2018年には1,000万を超える部品がHPのMJF3Dプリンターを使用して製造されたと言われています。

SLSのような粉末床融合ファミリーに属するMJFは、寸法精度と材料に関して利点があります。特性により、強度と柔軟性の両方に優れた高公差部品の印刷が可能になります。

HPは、MJFテクノロジーの進歩に取り組んでいます。昨年、Jet Fusion5200シリーズを発売しました。この新しいシリーズは、HPの既存のMJFポートフォリオを拡張したものであり、機能的なプロトタイピング用のJet Fusion300 / 500シリーズと短期間の生産用のJetFusion4200シリーズも含まれています。新しい3Dプリンターシリーズはポートフォリオに追加され、大量生産のためのソリューションを提供します。

5200シリーズの最も注目すべき機能の中には、52003Dプリンター内のランプのアップグレードされた電力があります。これにより、以前のシステムの2パスモードとは対照的に、新しいシステムはシングルパスで粉末を溶融することができます。その結果、このシステムの生産性は40％向上し、高温材料の3D印刷の可能性が広がります。

プロフェッショナルデスクトップ3Dプリンター

デスクトップ3D印刷市場は、ハードウェアセクターの中で最も若い市場の1つです。その出現は、2000年代の終わりに「メーカー運動」の始まりにさかのぼることができます。この動きは消費者向け3D印刷革命をもたらしましたが、消費者市場での需要の欠如により急速に崩壊しました。

消費者向け3D印刷を取り巻く誇大宣伝の爆発により、多くのデスクトップ3Dプリンター会社が廃業しました。ただし、消費者市場から専門家および企業市場に移行することで生き残った企業もあります。

これにより、Ultimaker、MakerBot、Formlabsなどのベンダーが参入し、成長し、繁栄することができました。

このシフトにより、より小型で、より大型のシステムの数分の1のコストである産業用システムの必要性が高まっていることも明らかになりました。

プロのユーザーに焦点を移し、デスクトップ3Dプリンターベンダーはソリューションを刷新する必要がありました。その結果、以前はハイエンド3Dプリンターでしか見られなかった産業用機能が導入されました。たとえば、加熱ベッド、エンクロージャー、およびデュアル押出機は、プロフェッショナルアプリケーションを対象としたFFFデスクトップ3Dプリンターの必要な要素になっています。一般的に、企業はコンパクトなフォーマットを維持しながら、システムの生産性と信頼性を高めようとしています。

デスクトップSLAを考慮すると、Formlabsはこの分野の主要企業の1つです。デスクトップSLA3Dプリンターの世界最大の売り手であり、40,000を超えるシステムが販売されていると主張しています。

2019年、FormlabsはLow Force Stereolithography（LFS）と呼ばれる新しいテクノロジーを導入しました。 LFSプロセスは、印刷中の部品への力を軽減すると言われている柔軟なタンクのおかげで、細部と表面仕上げが改善されています。

高度なLFSテクノロジーに基づいて構築された、Formlabsの新しいForm3およびForm3L 3Dプリンターは、デスクトップと産業グレードの3D印刷の間のギャップを埋めるのに役立ちます。

セラミック3Dプリンター

2020年には、セラミック3D印刷は、ポリマーや金属の3D印刷技術ほど確立されていません。この技術はまだ開発の初期段階にありますが、今後5〜6年以内に成熟すると予測されています。

テクノロジーの斬新さにより、セラミックの3Dプリント用のシステムを提供しているベンダーは少数です。その中には、3D Systems、ExOne、Prodways、Lithoz、3DCeram、XJetがあります。

セラミック3D印刷に特に変革をもたらす可能性のある開発のひとつは、XJetのナノ粒子噴射技術（NPJ）の導入です。

2016年にデビューしたNPJは、材料ナノ粒子（セラミックまたは金属の場合があります）を液体製剤に懸濁させる一種のインクジェットです。次に、XJetシステムの数千のノズルが、ビルドとサポート材料の両方で、これらの液体懸濁液の数百万の超微細液滴を噴射します。

XJetプリンターは、印刷プロセス中、内部の高温（最大300°C）を維持します。これにより、液体が堆積するときに液体が燃え尽きて、固体の部品になります。ただし、プリンターから出た部品は緑色のままであり、固化を完了するにはその後の焼結が必要です。

Inkjet 3D印刷は、その精度と高レベルの詳細を実現する機能でよく知られています。これは、XJetシステムが、小さな穴、薄い壁、挑戦的なアーチ、鋭いエッジなど、ほぼすべての形状の完成部品を作成できる可能性があることを意味します。

新しい乳がん治療用のコンポーネントや、 3D印刷されたアンテナは、XJetの3Dプリンターが産業用アプリケーションに適していることをすでに示しています。

最近の進歩にもかかわらず、セラミック3D印刷にはまだ長い道のりがあります。ただし、3D印刷されたセラミック部品の需要が高まるにつれ、セラミックの3D印刷は、最終的には製造業の重要で収益性の高い分野になるでしょう。

電子3Dプリンター

セラミック市場と同様に、電子機器の3D印刷市場はまだ比較的若いですが、大きな期待を抱いている市場です。現在、電子機器の3D印刷用のハードウェアを提供している企業はごくわずかであり、NanoDimensionやOptomecなどが主導権を握っています。

Nano DimensionとOptomecのシステムの背後にある技術は大きく異なりますが、アンテナ、プリント回路基板（PCB）、コンデンサ、センサーなどの電子部品のプロトタイピングと直接製造に同様に刺激的な機会を提供します。

最近注目を集めている開発の1つに、DragonFly Lights-Out Digital Manufacturing（LDM）の導入があります。

このシステムは、2017年に発売されたNanoDimensionのDragonFlyProシステムに基づいて構築されており、エンジニアや設計者が電子部品のプロトタイプをすばやく作成できるようになっています。 LDMは、これらの機能をプロトタイピングを超えて推進し、部品の小さなバッチの短期間の製造を24時間体制で社内で提供すると言われています。

Nano Dimensionの3D印刷システムの以前のバージョンと同様に、このシステムは、PCB基板上に導電性および絶縁性の材料を共蒸着することによって機能します。ただし、違いは、DragonFly Proと比較して40％以上向上したマシンの生産性です。

このような進歩は、プロトタイピングを超えて、電子3D印刷の限界を押し上げるのに役立つため、勇気づけられます。ハードウェアだけでなく、材料やソフトウェアに関しても、やるべきことはまだたくさんありますが、それは間違いなく、電子3D印刷が成熟するための基盤を築きます。

3D印刷ハードウェア：究極の信頼性の実現

企業が利用可能なシステムを絶えず改善し、まったく新しいハードウェアソリューションを開発しているため、3D印刷ハードウェアセクターは急速に進化しています。

とはいえ、機器のコストは依然としてAMへの投資に対する最大の抑止力の1つです。 EY Global 3D Printing Report 2019 によると、 企業の87％は、システムの高価格を3D印刷の採用に対する重大な障壁と見なしています。これは、AM機器のコストを下げることが、テクノロジーの使用を拡大するための鍵となることを意味します。

3D印刷業界は、よりアクセスしやすいデスクトップ3Dプリンターとコンパクトな金属AMマシンを導入することで、この問題を解決しています。

それまでの間、3Dハードウェア業界がパンデミックの発生の影響を受け、出荷量は驚くほど減少しました。市場調査会社のCONTEXTは、3Dプリンター市場全体のハードウェア収益が昨年の数値から-27％減少していることを示しています。欧米のトップ20の産業用プリンター会社のほぼすべてで、出荷される3Dプリンターの数が前年比で大幅に減少しました。

そうは言っても、3D印刷ベンダーは、新しいセクターや既知の市場から、第3四半期を通じてテクノロジーへの新たな関心を報告しています。 CONTEXTによると、この関心が第4四半期の注文に変わることを期待しています。

全体として、より洗練された産業用システムの需要は、AMハードウェアの進化を後押しし続けます。今後5年間で、インプロセス監視ソリューションとソフトウェアとの緊密な統合のおかげで、3D印刷ハードウェアの信頼性が大幅に向上すると予想されます。