В статье сделана попытка анализа рынка аддитивных технологий (АМ) с точки зрения характерных особенностей, присущих АМ на сегодняшнем этапе, тенденций развития, и, что особенно важно, возможностей для применения в промышленном производстве.
   Н.М. Максимов, ООО «Ника-Рус»

ТРЕНДЫ В РАЗВИИ АМ
 

До 2016 года аддитивные технологии достаточно медленно находили применение в промышленности. Прошлый год стал переломным, в связи с чем можно отметить пять основных трендов в развитии АМ для промышленности [1].

1. Повышение степени индустриализации
Основной признак индустриализации — смещение акцента от создания прототипа к производству изделия. Если раньше на заводе можно было иметь 1–3 АМ-машины, то теперь компании устанавливают от 10 до 100 машин.
Еще одна тенденция развития — автоматизация (роботизация) производственных процессов: взаимодействие между обрудованием, переключение функций между отдельными зонами производственной линии. Все это приводит к исключению человеческого фактора и устранению человека из опасных зон, тем самым делая производственный процесс более повторяемым и эффективным. Как пример, можно рассмотреть компанию Michelin, которая печатает около миллиона форм для шин в год. Она не печатает сами шины, а только оснастку, которая помогает выпуску конечного продукта. И это еще одна особенность тренда этого года — печатать что-то, что помогает делать готовое изделие.
Консолидация в отрасли — это тоже признак признания АМ в промышленности, и недавние шаги General Electric (GE) подтверждают эту мысль.

2. Мультиматериалы, специализированные материалы и керамика
Несмотря на огромный интерес к металлическим принтерам в 2016 году, компании продолжают развивать свои технологии для получения большей гибкости в использовании материалов. К примеру, компания ХJet предлагает технологию инжектирования мельчайших металлических частиц в жидкость вместо лазерного спекания металлических порошков, что позволяет получать более тонкую структуру металла при печати, использовать смеси порошков разных металлов, тем самым получая новые свойства металлических изделий (рис. 1). Это совершенно другой подход, как к металлической печати, так и к проектированию, поскольку процесс инжектирования наночастиц дает возможность печатать более сложные внутренние структуры и поддержки.

Рис. 1. Детали из керамики (технология XJet)

В то время как XJet занимается металлами, компания Inkbit работает с полимерами. Ее система инжекционной печати использует проводящие чернила с высоким разрешением, хорошими свойствами материалов и полноцветной печатью. Данная технология открывает дорогу не только функциональным деталям из полимеров, но и высокотехнологичным и эксплуатационным полимерам. Особенно успешным может быть их применение в автомобилестроении.
Теперь появляется возможность компаниям, использующим АМ, особенно таким крупным, как GM и BMW, заказывать материалы с нужными свойствами, и компании-производители материалов берутся за разработку таких материалов. Материалы из керамики также становятся все более популярными в АМ для изготовления литьевых форм и отдельных деталей машин.

3. Использование АМ для производства оснастки
Следует понимать, что означает в промышленности адаптация технологии. Это не изготовление полностью всего изделия с помощью такой технологии, это может быть один элемент в изделии или изготовление изделия с помощью оснастки, полученной при помощи технологии. Определяется уровень адаптации жизненным циклом изделия. Так, для автомобилестроения жизненный цикл может составлять 3 года, для авиастроения — 10 лет, для станкостроения — до 20 лет. Поэтому если в машине, вышедшей с завода в ближайшие 3 года, будут 2–3 детали, изготовленные с помощью АМ, то можно говорить об использовании АМ. Тогда для следующего поколения машин через 10 лет доля применяемых изделий, изготовленных по технологии АМ, будет составлять уже порядка 30 %, поскольку АМ-технология будет признана автопроизводителями и будет понятно, как ее можно использовать максимально эффективно.

4. АМ для производства небольших, сложных и дорогостоящих изделий
Наиболее широко АМ применяется сегодня в медицине, особенно в стоматологии для производства зубных протезов, шаблонов и т. д. На сегодняшний день напечатано более 15 млн вставок для слуховых аппаратов. Развитие наблюдается и в автомобилестроении, и в авиастроении. С увеличением количества АМ-машин и доступных материалов стоимость изготовления изделий по технологии АМ будет падать.

5. К успеху через программные продукты
Для успешного продвижения АМ в производство важно, чтобы все составляющие технологии (оборудование, материалы, программные продукты) были согласованы. Существующее программное обеспечение используется в основном для субтрактивных технологий и не дает возможности конструкторам и инженерам оптимизировать АМ-процессы. Вместе с тем на рынок выходят новые программные продукты типа Netfabb от Autodesk; Magics, Mimics и другие от Materialise, адресованные пользователям АМ и предназначенные для оптимизации, моделирования и подготовки процесса построения для различных сочетаний оборудования и материалов.
Новые программы требуют также и нового формата файлов для передачи информации, необходимой для АМ. Таким форматом предлагается сделать файлы типа 3MF, которые являются более продвинутой версией STL формата, и включают в себя не только представление модели в виде точек и треугольников, но и материалы для построения, структуру поддержек, свойства машины, а также добавление таких опций, которые пока еще отсутствуют в современных машинах. Для разработки такого формата создан консорциум компаний в составе Autodesk, 3D Systems, GE, Materialise, Microsoft и многих других.
По мнению S. Nigro (President HP 3D Printing Business), чтобы стать лидером в АМ, нужно следовать мегатрендам: облачные технологии; единый стандарт файлов в АМ 3mf; для запуска продукта в производство создавать образцы, которые выглядят как реальные изделия.
 

ВАЖНАЯ ТЕНДЕНЦИЯ —

РАСПРЕДЕЛЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО
 

Компания 3D Hubs была создана в 2013 году как крупнейший в мире интегратор услуг в области 3D-печати, а также как платформа для обмена информацией между пользователями и экспертами в АМ. Количество партнеров по оказанию услуг 3D-печати на середину 2016 года составляло более 30 000 в 156 странах, они были готовы обслужить более 1 млрд клиентов. Блестящая идея концепции 3D Hubs выражена словами одного из основателей компании Bram de Zwart: «Зачем вам устанавливать тысячу машин в одном месте, когда вы можете использовать одну машину в тысяче мест?» У вас есть 3D-дизайн изделия, которое вы хотите изготовить. Вы заходите на платформу 3D Hubs, находите ближайший к вам сервис, подходящий под ваши требования, загружаете файл через приложение Teleport API (www.3dhubs.com/teleport) и получаете готовое изделие.
Всемирный экономический форум 2016 года отметил распределенное производство как самую важную современную технологическую тенденцию. Она будет оказывать огромное влияние на рабочие места, геополитику и климат. Сюда же можно отнести и распределенный сервис типа 3D Hubs, а также услуги Airbnb — крупнейшего мирового отеля, и Uber — услуги такси.

На примере производства обуви в компании Nike с использованием АМ и концепции распределенного производства можно наглядно представить недалекое будущее [2]. Сегодня большинство фабрик Nike работает в азиатских странах (Китай, Индонезия). И это имеет смысл, поскольку зарплата там значительно ниже, чем в Европе. Nike размещает заказы на фабриках, изготовленная продукция доставляется ритейлерам по всему миру, те реализуют ее через свои сети, а остатки продукции выбрасываются. В этой схеме значительную часть стоимости продукции составляют транспортные расходы и непомерные отходы. Теперь рассмотрим, как эта модель изменится, если любая модель может быть экономно отпечатана, скажем, за 20 минут. Тогда не понадобится изготавливать ни одной пары обуви, пока не будет сделан заказ. Как только заказ сделан, дизайн будет отправлен на ближайший к заказчику принтер, обувь будет изготовлена и доставлена заказчику в тот же день. Отсутствуют отходы, транспортные расходы, зарплаты работникам гигантских фабрик в Азии. Небольшие фабрики будут концентрироваться вблизи центров потребления. А компании типа Nike будут заниматься дизайном, маркетингом, сертификацией 3D-технологий, чтобы гарантировать качество и надежность. Появляется возможность кастомизации изделий, то есть изготовление изделий в соответствии с запросами покупателя. Естественно, фабрики в Азии уйдут в прошлое, появятся новые места для квалифицированных рабочих на небольших предприятиях, обслуживающих большие компании типа Nike.
 

СОЗДАНИЕ АЛЬЯНСОВ
 

Новая тенденция в АМ — создание альянсов между производителями оборудования для АМ и ведущими компаниями в различных отраслях производства [3]. Такое объединение интересов позволяет наиболее оптимальным образом для производителя создавать оборудование, а для потребителя — с минимальным риском и затратами адаптировать это оборудование для производства готовых изделий. Например, стратегическое партнерстао компаний FIT AG (Германия) и Caterpillar, Inc (USA) направлено на конструирование и изготовление отдельных деталей и узлов из сплавов алюминия и титана для тяжелого машиностроения. Или, например, американская компания с 30‑летним опытом работы среди крупных промышленных предприятий США GoEngineer (USA) и является хорошим проводником новых технологий в области АМ, где компания Concept Laser (Германия) достигла выдающихся результатов, получив несколько главных наград в области инноваций (the Bavarian Innovation Award 2016, Materialica Design + Technology Award 2016, Focus “Growth Champions 2017” Award и the iF Design Award 2017). Одним из результатов такого сотрудничества явилось создание шасси для гоночного автомобиля, детали которого были изготовлены на машине М2 из алюминиевого сплава.
Будущая версия Audi TT Rodster будет содержать детали, изготовленные по технологии AM (рис. 2). На первом этапе кооперации компаний Audi и EOS предполагается использование металлических 3D-принтеров для создания специальных инструментов и приспособлений для производства. Еще одна важная задача — это создание литейных вставок для пресс-форм с охлаждающими каналами сложной формы и не могут быть созданы традиционными технологиями. Внедрение нового способа позволит экономить 20 % времени, не считая экономии косвенных затрат (электроэнергии, зарплаты и т. д.). Одновременно в компании Audi в городе Ingolstadt (Германия) создается центр компетенций АМ, в котором будут отрабатываться материалы и технологии, которые потом пойдут в серийное производство. Там же будет находиться центр обучения специалистов.

Рис. 2. Будущая версия Audi TT Rodster АМ

СТАТИСТИКА, ПРОГНОЗЫ И ЗАДАЧИ
 

В докладе «Годовые прогнозы компании Gartner о будущем 3D-печати» приводятся сведения по 2016 году и оценки к 2020 году [4]. Рынок АM в 2016 году составил $13.2 млрд; прогноз на 2020 год — $28.9 млрд, ежегодный рост — 22.3 %.
Предполагается, что:
— 10 % промышленных операций будут выполнять роботизированные АМ-комплексы;
— 30 % медицинских имплантатов и устройств для установки в теле человека будут изготавливаться по АМ-технологии и чаще всего прямо на месте применения;
— АМ-технологии снизят время на изготовление изделий на 25 %;
— 75 % производственных операций в мире будут использовать АМ-технологии, а также оснастку, инструменты и приспособления, изготовленные с помощью АМ для производства готовых изделий.
Широкое внедрение АМ-технологий в реальное производство не означает, что старое оборудование требуется выбросить и заменить новым из АМ-технологий. Необходимо разумное сочетание традиционных практик и возможностей АМ-технологий.
На конференции в Сан Диего (Inside 3D Printing San Diego) Терри Волерс, президент компании Wohlers Associates, Inc., и признанный гуру в области АМ, также отметил тенденцию активного роста рынка АM [5].
Производство настольных 3D-принтеров в 2015 году составило 278,385 единиц, что на 70 % больше предыдущего года; промышленных 3D-принтеров — 12 558 единиц, и 80 % доля в общей выручке. Количество производителей 3D-принтеров в 2015 году — 62 компании (в 2011 году — 31). Абсолютный рекордсмен по росту продаж — сегмент металлических 3D-принтеров. Количество производителей металлических порошков — 32, для сравнения количество производителей полимерных материалов — 23.
Основными вопросами, которые нужно решать в АМ (применительно к металлическим принтерам), Терри Волерс назвал:
• охлаждение;
• удаление порошка и его очистка;
• снятие температурных напряжений;
• удаление деталей с рабочей платы;
• HIP (горячее изостатическое прессование) для снижения пористости, уменьшения количества микротрещин;
• удаление поддерживающих структур;
• термообработка для повышения прочности, твердости;
• обработка поверхности (ЧПУ, дробеструйная обработка и т. п.);
• контроль качества.
Согласно статистике IDC Worldwide Semiannual 3D Printing Spending Guide в 2016 году максимальный доход от применения AM-технологий пришелся на автомобилестроение — $3,9 млрд и на авиакосмос/оборону — $2,4 млрд (рис. 3) [6].

Рис. 3. Применение AM-технологий в 2016 году (источник IDC Worldwide Semiannual 3D Printing Spending Guide)

Прогнозируемые доходы от использования АМ в медицине составят к 2020 году более $3,1 млрд, в основном за счет инвестиций в США и Западной Европе. При этом одна треть приходится на стоматологию, а остальная часть доходов — примерно в равных долях на изготовление протезов и приборов для медицины, на создание новых продуктов и печать прототипов. С учетом создания новых 3D-принтеров и материалов для них, снижения цен на услуги печати, появится много новых приложений АМ в медицине. Поэтому медицина рассматривается как одно из наиболее быстрорастущих приложений для АМ, обладающее высоким потенциалом роста.
Две трети общего объема мировых доходов в АМ-индустрии будет приходиться на продажу 3D-принтеров и материалов для них. Также ожидается, что выручка от продажи программ CAD и 3D-дизайна вырастет в три раза к 2020 году.
Распределение доходов от АМ в мире в период 2015–2020 годах: США — 25 %; Западная Европа, Азия (Тихоокеанский регион), Япония — более 50 %. Оставшаяся доля приходится на страны Ближнего Востока и Африки (MEA), Центральной и Восточной Европы (CEE).
Производство печатной одежды и обуви в ближайшие 10 лет станет обычным делом. Так предсказывает эксперт Google Ray Kurzweil [7], что связано с растущим количеством материалов для печати, а также с появлением несложных в использовании CAD-
приложений для дизайна одежды. Трудно не поверить ему, поскольку ранее он предсказал рост смартфонов, облачных технологий и самоуправляемых автомобилей. Дизайнер Iris van Herpen создал серию отпечатанных на 3D-принтере платьев. Авторитетные дизайнеры моды, такие как Майкл Шмидт, Фрэнсис Битонти, Айман Ахтар представляют впечатляющие напечатанные платья на различных модных шоу (рис. 4), а обувные гиганты New Balance, Adidas, и Under Armour активно осваивают 3D-печать обуви (рис. 5). Как только будут созданы мягкие и гибкие материалы, 3D-печать позволит создавать практически любую одежду и обувь. И это произойдет в ближайшие 10 лет.

Рис. 4. Первое творение дизайнера Майкла Шмидта — уникальное платье, полностью сделанное с помощью веб-сервиса Shapeways и украшенное кристаллами Сваровски (фото: https://static.independent.co.uk)

 Рис. 5. Adidas предлагает обувь, напечатанную на 3D-принтере, за $333
 

РЕЙТИНГ ПРИНТЕРОВ
 

В регулярном докладе компании 3D Hubs дается оценка состояния рынка АМ с разбивкой и рейтингом по регионам, типам 3D-принтеров [8]. Первые две позиции среди настольных принтеров занимают Original Prusa i3 MK2 (рис. 6) и BCN3D Sigma (технология FDM), третью — принтер Formlabs’ Form 2 (технология SLA), четвертую — PowerSpec 3D Pro (технология FDM), пятую — Ord Bot Hadron компании RepRap (технология FDM). Среди промышленных первые два места занимают принтеры 3D Systems — Vanguard SLS (технология SLS) и Projet 3500 HDMax (технология Material Jetting). Компания Stratasys входит в пятерку лидеров рейтинга с линейкой принтеров Objet Polyjet и принтеров технологии FDM серии Dimension. Компания EOS поднялась на пятое место с принтером EOSINT P 760 и EOS P 396 (технология SLS, рис. 7).

Рис. 6. Принтер Original Prusa i3 MK2 компании Prusa Research

Рис. 7. Принтер EOS P 396
 

ИНВЕСТИЦИИ
 

Новое подразделение компании GE Additive объявило о сотрудничестве с финансовым подразделением GE Capital, которое будет обеспечивать продажу и финансирование клиентов GE, приобретающих металлические 3D-принтеры. GE уже инвестировала $1,5 млрд в передовые технологии, включая АМ, а также в создание и развитие мировой сети АМ-центров. При этом GE предлагает полную линейку металлических принтеров, материалов и инженерных решений для своих клиентов, работающих во многих отраслях, включая аэрокосмическую, медицинскую, автомобильную и производство предметов роскоши. Для реализации этих амбициозных планов GE 8.12.2016 приобрела за $599 млн 75 % доли в компании Concept Laser — одного из основных производителей 3D-машин, работающих по технологии лазерного спекания металлических порошков. Почти одновременно 14.11.2016 GE приобрела контрольный пакет компании Arcam (Швеция) — разработчика и производителя 3D-принтеров на основе сплавления металлических порошков электронным пучком. Arcam также производит металлические порошки для АМ-технологий. При этом GE подтвердила, что будет продавать и поддерживать свои системы даже своим конкурентам. Поэтому около 95 % оборудования в ближайшие 5 лет будет продано не структурным подразделениям GE.
Инвестиции в АМ HP — до $500 млн, Carbon — $220 млн. Другие известные бренды также включились в разработку АМ-технологий: Lenovo, Polaroid, Toshiba, Mattel, Canon, и Ricoh. Airbus планирует ежемесячно печатать до 30 тонн деталей в месяц к концу 2018 года.
 

СОБЫТИЯ
 

Наиболее яркие события в АМ в 2016 году, по мнению компании Autodesk [9].
1. Строительство домов для беженцев в Ираке с помощью строительных 3D-принтеров. Реализует этот проект архитектор из Католического университета Американской школы архитектуры и планирования в Вашингтоне Patricia Andrasik.
2. Изготовление обуви по индивидуальному заказу. Alan Guyan — директор и дизайнер компании Under Armour вдохновился идеей изготовления спортивной обуви на примере мощных корней дерева, создавая тем самым структуру, которая удерживает огромный вес самого дерева и ветровые нагрузки. Задачей дизайнеров было создать структуру подошвы обуви, которая бы обеспечивала гибкость и устойчивость и при этом обувь оставалась легкой и пригодной для любых видов тренировок. Решение было найдено, когда два типа ячеистых структур были «вложены» одна в другую. Использование технологии моделирования «generative design» Dreamcatcher (рис. 8) дает дизайнеру возможность создавать огромное количество вариантов конструкций обуви.

Рис. 8. Технология generative design

Многие думают, что CAD означает computer-aided design — компьютерное конструирование. Сейчас это понимается как компьютерное документирование (computer-aided documentation). Компьютер не создает ваш дизайн. Дизайн находится в вашей голове, а компьютер только документирует его. В технологии generative design вы ставите задачу компьютеру, что вы хотите достичь с учетом ограничений, после чего компьютер исследует область возможных решений для поиска и создания идей, которые вы никогда бы не придумали. При этом компьютер из тысяч вариантов выбирает несколько, исходя из стоимости изготовления, материалов и доступных технологий.
3. Медицинские имплантаты из титана. Многие медицинские центры успешно практикуют создание на металлических 3D-принтерах индивидуальных имплантатов пациентам, которым необходимо заменить разрушенные в результате болезни или травмы суставы, отдельные костные элементы. Используются для этих целей сплавы на основе титана, кобальта, хрома, стали. АМ-технологии позволяют создавать сложные объемные формы с пористой структурой поверхности, которая улучшает процесс остеоинтеграции (рис. 9).
По мнению основателя компании Novax DMA доктора Daniel Fiz, после освоения аддитивного производства, биомедицинской инженерии и медицинских имплантатов следующим шагом будет внедрение концепции 4D. Это позволит использовать минимально инвазивный подход к имплантированию, а в долгосрочной перспективе имплантаты будут иметь возможность изменять свою геометрию в зависимости от механических требований организма.

Рис. 9. Челюстно-лицевой имплантат Novax DMA (Бразилия), CEIT Biomedical Engineering (Словакия)

4. Использование бионического дизайна и 3D-печати в Airbus позволяет снизить вес изделий в среднем на 45 %. Сотрудничество с архитектурной компанией The Living, использование трех различных АМ-технологий при изготовлении деталей самолета приводит к значительной экономии топлива, меньшему загрязнению углеродом и предвещает возможность в будущем полностью изготавливать самолет на основе АМ-технологий/

5. Новое в питании. Будущее напечатанных с помощью АМ-технологий продуктов питания не просто преходящее увлечение для Anjan Contractor и Jordan French из компании Beehex, Inc., для Jason Mosbrucker и Luis Rodriguez из 3Digital Cooks, для специалистов Sonia Holland и Kjeld van Bommel. Для этих новаторов речь идет о концепции создания новых продуктов питания с меньшими затратами времени и рабочего пространства, с сокращением отходов, появлением новых диетических продуктов и т. п. Можно вообразить, утверждает Mosbrucker, как в недалеком будущем вы даете задание своему холодильнику, тот пообщается с плитой, которая в свою очередь связывается с 3D-принтером для печати продуктов. В результате к вашему пробуждению или возвращению с работы оптимизированная по составу еда будет готова.
6. Восстановление красоты. Итальянская компания Cesare Ragazzi Laboratories предложила с помощью 3D-печати изготавливать индивидуальные протезы волос для людей, страдающих от их выпадения (рис. 10). Вся процедура состоит из 39 этапов — создание цифровой модели головы, печать копии черепа, изготовление «дышащей» мембраны и шитье из натуральных волос, после чего клиент получает шиньон, который он чувствует как свои собственные волосы. «Клиенты счастливы, — говорит стилист Danielle Grillo. — Они становятся тем, кем хотели бы быть».

Рис. 10.  Печать индивидуальных протезов волос

7. Умная фармацевтика. Мартин Уоллес, директор компании GlaxoSmithKline, говорит о будущем медицины и роли АМ-технологий в исследованиях и разработках. Отпечатанные на 3D-принтерах образцы тканей уменьшают необходимость тестирования на животных, а отпечатанные сложные по форме таблетки позволяют доставлять нужное количество препарата в нужное время.
8. Копии органов. Доктор Maki Sugimoto создал метод моделирования биоструктур с помощью 3D-печати. При этом копии органов анатомически аналогичны реальным органам, имеют близкую структуру, массу и другие физические свойства. Хирурги могут с помощью таких моделей планировать оптимальные решения для малоинвазивных операций. И, конечно, не за горами изготовление с помощью АМ-технологий готовых органов и тканей для пересадки пациентам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
 

Пожалуй, одним из важных итогов прошлого года является принятие большинством специалистов и экспертов в области АМ понимания, что технологии реально могут применяться в промышленном производстве, что разговоры о скорой смерти традиционных технологий металлообработки и очередного технологического передела или промышленной революции, прекратились. Вместо этого идет постоянная кропотливая работа по использованию реальных преимуществ АМ в производстве. Где-то прогресс будет огромным, как в стоматологии или в производстве обуви, в других приложениях не столь заметным.

Литература:

1. https://redshift.autodesk.com/industrial-additive-manufacturing-trends/.
2. http://www.newsweek.com/2016/04/15/3d-hubs‑3‑d‑printers-manufacturing-china‑443350.html.
3. http://www.3ders.org//3d-print-technology.html.
4. Годовые прогнозы компании Gartner о будущем 3D-печати (www.gartner.com/Published:15 November 2016 ID: G00316164 Авторы: Pete Basiliere | Jim Burton | Dale Kutnick | Vi Shaffer | Michael Shanler).
5. https://3dprint.com/158895/terry-wohlers-keynote-i3dp/by Sarah Anderson Goehrke | Dec 15, 2016).
6. http://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=prUS42211417.
7. http://www.kurzweilai.net.
8. https://www.3dhubs.com.
9. https://redshift.autodesk.com/.
 

Источник: Журнал АТ №2'2017, стр. 16-23