Алхимия аддитивной революции
Что уже имеем сегодня?
Аддитивное производство — класс перспективных технологий кастомизированного производства деталей сложной формы по трехмерной компьютерной модели путем последовательного нанесения материала (как правило, послойного) — в противоположность так называемому вычитающему производству (например, традиционной механической обработке). Как следует из приведенных определений, аддитивные технологии позволяют изготавливать деталь или изделие непосредственно по компьютерной 3D-модели, виртуально нарезанной на тонкие слои; файл с этой моделью передается в систему, которая осуществляет послойное формирование конечного изделия.
Развитие аддитивных технологий началось в начале 1980 гг. с быстрого прототипирования (rapid prototyping) — создания прототипа изделия в целях проверки расчетов, доработки и утверждения опытного образца перед началом серийного производства. Стоимость изготовления единичного прототипа была во много раз выше стоимости изготовления единицы продукта при массовом производстве, при этом на изготовление образца уходило несколько недель. Возможность быстрого создания прототипа и оперативной проверки его параметров стала технологическим прорывом для производственных и дизайнерских компаний и послужила толчком к развитию рынка. На новую технологию обратили внимание промышленные компании и начали ее использовать для разработки оснастки, что существенно сократило подготовительный цикл производства и себестоимость. Основные технологические процессы и типы используемых материалов сегодня:
· фотополимеризация в ванне (Vat Photopolymerization, VP) — фотополимеры;
· струйное нанесение материала (Material Jetting, MJ) — фотополимеры, воск, органические материалы;
· струйное нанесение связующего (Binder Jetting, BJ) — металлы, полимеры, керамика;
· синтез на подложке (Powder Bed Fusion, PBF) — металлы, полимеры, керамика;
· экструзия материала (Material Extrusion, ME) — полимеры, керамика/композиционные материалы, органические материалы;
· прямой подвод энергии и материала (Directed Energy Deposition, DED) — металлы в виде порошка и проволоки;
· листовая ламинация (Sheet Lamination, SL) — металлы, полимеры, керамика.
Основные современные технологии:
· CJP (ColorJet Printing) — технология полноцветной 3D-печати путем склеивания специального порошка на основе гипса.
· MJP (MultiJet Printing) — многоструйное моделирование с помощью фотополимера или воска.
· SLA/DLP (Stereolithography Apparatus/Digital Light Processing) — лазерная стереолитография, основана на послойном отверждении жидкого материала под действием излучения лазера.
· SLS (Selective Laser Sintering) — селективное лазерное спекание под лучом лазера частиц порошкообразного материала до образования физического объекта по заданной CAD-модели.
· SLM/DMP (Selective Laser Melting/Direct Metal Printing) — селективное лазерное плавление металлического порошка по математическим CAD-моделям при помощи иттербиевого лазера.
Основные современные материалы аддитивного производства:
· воск;
· гипсовый порошок;
· полистирол;
· полиамиды в виде порошка — стеклонаполненные, угленаполненные и металлонаполненные;
· УФ- и фотоотверждаемые жидкие фотополимеры;
· керамонаполненные жидкие фотополимеры;
· металлические сплавы — нержавеющие, инструментальные, никелевые, цветных металлов, кобальт-хром, алюминиевые, титановые и др.
· термопластичные полимерные материалы, термореактивные полимерные материалы, эластомеры, гидрогели, функциональные полимеры, полимерные смеси, композиционные материалы
Очевидные преимущества аддитивного производства сегодня:
· Гибкость, позволяющая быстро начинать производство сложной кастомизирoванной продукции и запасных частей, которые либо не могут быть изготовлены с помощью традиционных производственных технологий, либо требуются в малых объемах.
· Изготовление деталей сложной конфигурации (например, содержащих внутренние каналы охлаждения), которые нельзя изготовить субтрактивным методом.
· Возможность быстрой передачи компьютерной 3D-модели в любую точку мира, где установлен подходящий принтер, что позволяет организовать локальное производство в мировых масштабах.
· Близость получаемой формы изделия к заданной, что существенно сокращает расходы материала и отходы производства.
· Малую продолжительность стадий разработки и быстрый запуск изделия в производство.
· Возможность оперативного изготовления оснастки.
· Печать конструкций любой сложности без удорожания (принцип “сложность за бесплатно” — когда производство одной детали стоит столько же, сколько и большой партии).
· Экономическую целесообразность мелкосерийного производства и выпуска кастомизированной продукции.
· Возможность оперативного внесения изменений в проект уже на этапе производства.
· Топологическую оптимизацию под специальные требования
· Децентрализацию производства, упрощение логистики, сокращение времени поставок, уменьшение объемов складских запасов.
· Возможность объединения нескольких компонентов в одну деталь, что упрощает сборку и ускоряет производство
· Возможность разработки дизайна продуктов, который ранее был недостижим или был слишком дорогим для изготовления традиционными методами
· Печать запчастей для ремонта в местах его проведения.
· Печать по запросу в момент возникновения потребности.
· Эффективное применение робототехники; роботизированные машины трехмерной печати способны автоматизировать постобработку напечатанных деталей
Ограничения, характерные для аддитивных технологий на современном этапе развития
Несмотря на неоспоримые преимущества 3D-печати, существуют принципиальные ограничения, которые сдерживают расширение сферы применения технологии:
· масштаб производства (крупносерийное производство получается слишком дорогим);
· размер детали (ограничение в размерах изделия);
· точность изготовления (определяется минимально достижимой толщиной слоя);
· скорость (относительно низкая производительность по сравнению, например, с методом формовки);
· себестоимость (дороговизна некоторых материалов, используемых для печати);
· энергозатраты (высокая энергоемкость производства);
· материалы (относительно узкий выбор материалов);
· финишная обработка сложных поверхностей;
· низкая стабильность качества изделий — нет пока единого отраслевого стандарта, нет также заводского стандарта промышленных пользователей
· Проблема сохранения интеллектуальной собственности и капитализация ее стоимости (Возможность печати деталей в любом месте, где установлен подходящий 3D-принтер, вызывает озабоченность по поводу сохранения интеллектуальной собственности)
Финансовые перспективы аддитивной технологии
По данным Frost & Sullivan ежегодные темпы роста мирового рынка аддитивных технологий составляют 15%. При сохранении CAGR (совокупного среднегодового темпа роста) на таком уровне прогнозируется увеличение объема рынка с $5,31 млрд. в 2018 году до $21,5 млрд. в 2025 году. По мнению аналитиков, к тому времени до 51% рынка АП будет приходиться на авиационную промышленность, сферу здравоохранения и автомобилестроение. А проведенный анализ J’son & Partners Consulting показал, что:
ü Рынок 3D-печати находится в самом начале подъема, экспериментов печати в разных отраслях, различной номенклатуры продукции, редизайна изделий; интенсивно совершенствуется ПО, материалы, оборудование, процессы.
ü 3D-печать уверенно занимает свое место практически во всех отраслях реального сектора экономики, введена в коммерческую эксплуатацию, компании продолжают расширять номенклатуру печатаемой продукции.
ü Применение аддитивных технологий в производстве, маркетинге, проектировании, визуализации для клиентов и руководства компании расширяется с каждым годом:
ü К 2030 году 2/3 всей изготавливаемой продукции в мире будет производиться с напечатанным комплектующими.
ü К 2030–2050 гг. в ряде производственных отраслей 3D-печать позволит печатать полностью готовую продукцию.
И все же, насколько перспективы серьезные?
Несмотря на продолжающийся рост рынка, эксперты признают, что их ожидания от аддитивной технологии были «немного перегреты». И связано это, на мой взгляд, с тем, что эти технологии проходили фазу, когда основными драйверами продвижения на рынок были разработчики технологий. Они достаточно долгое время позиционировали аддитивную технологию отдельно от других методов создания изделий, пытаясь презентовать свои результаты не как часть цепочки создания стоимости, а как отдельную возможность, иногда как сервис, иногда как продукты, но всегда отдельно. Вот в этом и был стопор. И сейчас дальнейшее развитие, связанное с организацией бизнеса, идет по двум направлениям: встраивание в общую цепочку создания стоимости на предприятии и углубление системы разделения труда внутри самой аддитивной отрасли. Стало понятно, что на данном этапе развития аддитивное производство занимает важнейшее место в философии Industry 4.0, являясь воплощением эффективной связи цифрового и физического мира.
По сравнению с традиционным производством важнейшие преимущества аддитивного производства проявляются дополнительными возможностями на этапе дизайна и разработки изделий. Несмотря на определенные ограничения, компании все чаще используют ее, чтобы воспользоваться этим ключевым преимуществом, которое позволяет повышать сложность конструкции без пропорционального увеличения цены изготовления детали (complexity– for– free), что невозможно в традиционном производстве.
Другое достоинство проявляется при анализе экономических моделей производства. Производственная цепочка — это процесс превращения сырья в товары. Для преобразования доступных ресурсов в продукты необходим целый ряд шагов: дизайн, планирование, изготовление и продажа. В последние годы создается впечатление, что традиционная цепочка создания ценности претерпевает изменения за счет использования технологий 3D-печати. Пользовательские продукты со сложной геометрией могут быть разработаны и изготовлены с помощью аддитивных технологий. Таким образом, рынки могут быть обеспечены требуемой продукцией в срок, без создания больших складских запасов у компаний, которые обычно влекут за собой большие расходы. Фактически, в отдельных случаях, 3Dпечать создает возможность локализации производства в точке употребления, что снижает (или исключает) расходы на транспорт, делая аддитивные технологии конкурентом не только другим производственным процессам, а и транспорту. Поскольку «вселенная» 3D-печати продолжает расширяться, и для любителей, и для предпринимателей важно понимать количественные и качественные эффекты от новинок, поступающих на рынок. Эти разработки постоянно раздвигают границы аддитивного подхода, как с точки зрения дизайна, так и экономической эффективности.
Переходя к «экономическому» блоку, могу сказать, что аддитивные технологии развивается полностью в соответствии с общемировыми трендами, становясь частью системных платформенных решений по производству и продаже товаров. Свои платформы и «экосистемы», включающие аддитивную составляющую, разрабатывают три типа рыночных игроков:
ü узкоспециализированные производители оборудования для аддитивной промышленности
ü компании, обеспечивающие своих клиентов различными типами оборудования для обработки материалов и создания изделий
ü лидеры сектора PLM систем
Резюмируя экономические эффекты, надо сказать о том, что аддитивные технологии «вмешивается» в жизненный цикл товара на разных этапах — дизайн, цепочки поставок, процесс продажи, трудовые ресурсы, маркетинг и в результате влияют и на конечного потребителя. И все эти элементы взаимосвязаны, и улучшение в одном из них развивает всю бизнес-систему:
· изменения дизайна продукта, которые становятся возможны благодаря использованию аддитивного производства, приводят к возможности изменения (удешевления) материала детали;
· перегруппируя производственные центры, можно сократить время доставки и поменять цепочку поставок;
· упомянутые выше возможности реализуются с целью решения конкретных задач потребителя, и при такой «кастомизации» требуется куда более плотная работа с ним, уже на стадии формирования требований, что раньше было свойственно только специфическим индустриям
· Аддитивное производство заставляет «обрабатывающую промышленность» всерьез заняться маркетингом, так как рынок изготовления сложных изделий, который раньше был довольно узок по исполнителям, демократизируется за счет данной технологии
· изменение рабочей силы, возможно, носят наиболее критический характер
Ключевую роль в «эффективном использовании» аддитивных технологий играет предпринимательская инициатива: формирование предложений для новых и традиционных рынков с глубоким пониманием проблем и возможностей современных высокотехнологичных отраслей и аддитивного производства, позволяют рассчитывать на рост рынка и увеличение числа успешных компаний в данной области.
Аддитивная революция на пороге?
Аддитивное производство меняет весь мир. Оно способствует преобразованию способов проектирования и изготовления изделий. Это совершенно новые возможности для производства изделий, которые были рассмотрены выше. Аддитивное производство относится к революционным технологиям. Они экспоненциально изменяют характеристики изделий: их массу, параметры качества и способы распространения. Дело не в том, что теперь можно быстро напечатать игрушку, уникальный подарок или запасные части для вашей газонокосилки. Важнее, что эти технологии ведут к перевороту в проектировании, изготовлении и поставке изделий. Они влияют на весь жизненный цикл продукта, который заботит руководителей бизнеса. Необходимость печати деталей по запросу — существенный фактор, способствующий внедрению аддитивных технологий, особенно в производстве запасных частей. Если вам необходимо срочно заменить вышедшую из строя деталь, но при этом у вас нет возможности держать целый склад дорогостоящих запчастей, то наилучшим вариантом становится аддитивный технологический процесс. Детали печатаются по мере необходимости — в любое время и в любом месте. В этом революционность процесса- в локализации. Такой подход позволяет учитывать уникальные потребности потребителя и обеспечивает быстрые поставки запчастей в любой момент эксплуатации изделия. Новая технология упрощает производственные процессы, а также дает возможность изготавливать детали на собственных заводах, а не у сторонних поставщиков, что гарантирует строгий контроль качества и пропадает необходимость держать складские запасы.
Очевидна необходимость альтернативных способов изготовления деталей. Предприятия стремятся повысить качество и снизить себестоимость, а также обеспечить возможность изготовления деталей в нужное время в нужном месте. Снижение затрат на производство и поставки продукции играет колоссальную роль для будущего производственных компаний. Аддитивные технологии открывают новые возможности для сокращения сроков поставки и обеспечения складских запасов. Новая революционная технология производства дает возможность выпускать изделия, о которых прежде можно было только мечтать. Аддитивное производство полностью преобразует машиностроительную отрасль и позволяет внедрять самые смелые инновации, выводящие продукцию на принципиально новый уровень. Аддитивное производство не творит чудеса само по себе. Его поддержка требует специальных программных приложений и функций. У аддитивных технологий огромный инновационный потенциал. С их помощью можно быстрее и дешевле выпускать отличные изделия, создавать инновации и обеспечивать конкурентные преимущества.
Еще правда не наступило время, когда умные 3D принтеры будут выпускать изделия с реальными эксплуатационными характеристиками и качеством поверхности со скоростью существующих пластавтоматов, фрезерных и токарных обрабатывающих центров и другого современного производственного оборудования. Но технология развивается, и революция началась! Передовые разработки идут к этой заветной цели. Сейчас уже сотни проектов и старт апов обратили свое внимание на аддитивные технологии и начали этап изучения и диверсификации возможностей. Революционный этап — время проб и ошибок, но именно сейчас, при формировании заказа от промышленности на определенную функциональность машин и материалов — прогресс реален. Главный результат в этой революции — получение твердых изделий высокой детализации из жидких полимеров и появление более широкого спектра материалов с заданными физико — механическими свойствами. Сегодня аддитивная революция уже происходит в ряде отраслей экономики, таких как:
o ювелирное производство, где технология сократили время подготовки прототипа и серии изделий, снизила себестоимость, расширила ассортимент, сняла технологические ограничения при моделировании.
o Стоматология, при зубном протезировании, цифровом моделировании санации полости рта, и моделировании хирургических шаблонов.
o Прототипирование и мелкосерийное производство (сувениры, игрушки, предметы быта и так далее).
o Рынок полимеров и 3D принтеров для медицины. Опять создание протезов, травматология.
o Автомобилестроение, авиационное и ракетно — космическое производство.
Внедрение аддитивных технологий на других ответственных производствах, в связи с повышенными требованиями к качеству изделий рекомендуется для успеха внедрения осуществлять в определенной последовательности:
— предварительный выбор номенклатуры выпускаемой и перспективной продукции;
— предварительный выбор оборудования (тип, производитель, модель) и материалов (вид, марка, поставщик);
— изготовление лабораторных и натурных образцов на смежных предприятиях или у предполагаемого поставщика, проведение комплекса предварительных исследований и испытаний;
— технико-экономический анализ организации аддитивного производства;
— согласование вопросов аттестации оборудования и сертификации продукции;
— приобретение оборудования и материалов, монтаж, наладка, изготовление образцов на собственном производстве;
— повторные испытания и уточненное технико-экономическое обоснование;
— заключение о возможности выпуска опытной партии продукции.
Вышеуказанные отрасли именно по такому алгоритму нашли экономическое обоснование внедрения аддитивного производства.
Современные Бизнес модели аддитивной революции производства
При оценке потенциала преимуществ аддитивного производства для бизнеса важно понимать три базовых принципа, имеющих отношение к сложности, масштабам производства и размеру продукта:
1. Аддитивные технологии делают одновременно и возможным, и экономичным производство сложных форм. Это означает, что чем сложнее продукт или компонент, тем более уместным выглядит применение аддитивного производства вместо традиционных методов.
2. Следующий базовый принцип связан с размером партии. В общем случае, чем больше партия производимых продуктов, тем менее уместным будет аддитивное производство. Согласно экономике классического производства, чем больше партия, тем ниже стоимость единицы продукции. В случае аддитивного производства стоимость единицы не зависит от размера партии. Это позволяет с меньшим риском производить небольшие партии продукции или деталей, например, когда важную роль играет кастомизация.
3. Наконец, аддитивное производство в его нынешнем виде лучше всего подходит для изготовления небольших деталей или продуктов. Это значит, что при производстве крупных деталей предприятиям все же следует обратиться к традиционным технологиям.
Конкретные результаты, уже полученные на основе упомянутых выше принципов, лучше всего классифицировать по критерию повышения ценности процессов и продуктов. Чем большую роль эта ценность играет в решении задач конечного потребителя, тем больше возможностей для появления конкурентных преимуществ, новых бизнес-моделей и предложений. Преимущества для процессов с точки зрения бизнеса:
· Существенно сокращается время выхода на рынок новых деталей и продуктов. Это значительно повышает скорость обновления продукции.
· Упрощается обслуживание и текущий ремонт оборудования: запасные части и специализированная оснастка всегда доступны по требованию.
· Сокращаются время сборки и расходы на оснастку, когда можно выполнить 3D-печать продукта или детали за один подход, без необходимости в дополнительных сборочных единицах.
· Поскольку минимальным количеством продукции является одна единица, реальным решением будет кастомизация, в том числе массовая. Как результат, становится возможным открытие, с низким уровнем риска и затрат, новых вертикалей и региональных рынков с особыми потребностями.
· Быстрое прототипирование и тестирование позволяют эффективно оптимизировать конструкцию и учитывать при разработке продукта мнение потребителей.
Как итог упомянутых выше преимуществ, сегодня сложились такие бизнес модели:
Ø Платформы для совместного создания продуктов на базе аддитивного производства
Аддитивное производство открывает возможности для создания продуктов совместно с потребителями. Совместная работа может осуществляться практически на всех этапах жизненного цикла продукта. На этапе разработки концепции нового продукта можно легко учитывать мнение потребителей путем тестирования небольших партий. Также можно кастомизировать имеющуюся конструкцию или увеличить ценность продукта на протяжении всего срока службы путем выпуска кастомизированных дополнений к нему. В ситуациях, когда кастомизация имеет большое значение для потребителей, будет оправданной стратегия высоких цен.
Ø Максимальная кастомизация
Используя аддитивное производство в сочетании с такими инструментами, как 3D-сканеры, компании теперь могут массово производить кастомизированные продукты с высоким уровнем рентабельности. Поскольку эксплуатационные характеристики таких продуктов, как правило, намного лучше, при этом значительно возрастает и их потребительская ценность. На основе этой формы кастомизации создается множество новых бизнес-моделей в самых разных сферах (от протезов и очков до наушников). Здесь важно отметить, что, несмотря на рост рынка доступных по цене инструментов сканирования, для создания медицинских приспособлений (протезы, слуховые аппараты и пр.) необходимо использовать сложные профессиональные 3D-сканеры, чтобы обеспечить необходимый высокий уровень точности.
Ø Управление жизненным циклом продукта
Управление жизненным циклом продукта на данный момент является одним из основных применений аддитивного производства в промышленности. Увеличение жизненного цикла начинается с этапа разработки продукта или детали. Использование возможностей проектирования, обеспечиваемых аддитивным производством, позволяет обойтись без этапа сборки, что увеличивает длительность жизненного цикла продукта и уменьшает количество неисправностей. На этапе послепродажного обслуживания срок службы эксплуатируемого оборудования может быть увеличен за счет использования заказной оснастки и дефицитных дорогостоящих запчастей, изготовленных на заказ. В целом этот процесс подразумевает совершенствование цепочки поставок (сокращение количества производственных операций, снижение затрат на оснастку и упрощение процедур технического обслуживания). В итоге это приводит к значительному снижению общих затрат в цепочке поставок, а также к повышению уровня обслуживания потребителей.
Ø Предоставление услуг аддитивного производства
Для аддитивного производства требуется большое количество новых ресурсов, которые только начинают формироваться на предприятиях, поэтому для поставщиков услуг имеется перспективная ниша. Понимание возможностей проектирования и потенциальных преимуществ продукта, особенностей проектирования для аддитивного производства, материалов и методов 3D-печати, умение работать на 3D-принтере и выполнять постобработку, а также принимать меры по повышению качества — для всего этого требуются квалифицированные и опытные сотрудники. Самые разные предприятия все чаще задумываются над тем, какую роль они могли бы играть в предоставлении услуг аддитивного производства.
Будущие бизнес модели
По мере освоения аддитивных технологий расширяются и возможности их применения, как с технологической, так и экономической точки зрения. С повышением производительности оборудования соответственно уменьшится уровень амортизационных отчислений и затрат, приходящихся на каждую печатаемую деталь. Это означает, что гораздо больший ассортимент продуктов или деталей станет пригодным для 3D-печати с экономической точки зрения. Увеличение максимального размера печатаемой поверхности также положительно скажется на бизнес-модели. Возможность печатать более крупные детали также позволит производить более крупные партии за одну сессию печати. Это обеспечит сокращение времени изготовления продукта и соответствующее уменьшение совокупной стоимости владения.
Sergey Golubev (Сергей Голубев)
Crynet Marketing Solutions, vtorov.tech, EU structural funds, ICO/STO/IEO projects, NGO & investment projects, project management