CC BY
110АНАЛИЗ РЫНКА 3Р-ПЕЧАТИ: ТЕХНОЛОГИИ И ИГРОКИ
Токарев Борис Евгеньевич,
к. т. н., доцент кафедры маркетинга Государственного университета управления, 109542, Москва,
Рязанский просп. д. 99
tokarevboris@gmail.com
Токарев Роман Борисович,
патентный специалист, компания Yandex, 119021, Москва, ул. Льва Толстого, д. 16 romulpo@yandex.ru
Статья посвящена анализу состояния и перспектив рынка 3D-печати. В ней отражены результаты первой части инициативного исследования, представляющего результаты изучения ретроспективы развития и текущего состояния достижений технологий в данной области. Определены основные мировые игроки рынка, выявлены компании-разработчики и производители за рубежом и в России. Применение возможностей патентной поисковой системы Orbit позволило определить ключевые технологические области развития рынка.
Ключевые слова: патент; заявка на патент; технология; 3D-печать; прототипирование; рынок; игроки рынка.
Повышенный оптимизм, который проявляется в публикациях средств массовой информации относительно перспектив рынка 3D-печати (3 Dimensional), требует более глубокого понимания того, что за этим скрывается. Мы знаем много ситуаций, когда раздаваемые большие авансы не приводили к ожидаемому положительному результату по тем или иным причинам.
Рост интереса к данной теме отражается в лавинообразной статистике публикаций в России, которая приведена на рисунке 1(Источник: [1]).
В феврале 2014 года запланировано проведение первой отечественной выставки передовых технологий 3D Print Expo, что также свидетельствует о нарастании критической массы компаний, заинтересованных в развитии отрасли.
Не все эксперты разделяют оптимистичную точку зрения на этот рынок. На высокотехнологическом
рынке надувается пузырь, считают некоторые специалисты. Эксперты компании Citron Research выяснили, что за последние два года прорывов в данной области нет, а технические решения можно отнести к разряду «улучшающие».
Так ли рынок 3D-печати хорош, как его описывают? Можно ли утверждать, что он станет одним из серьезных драйверов развития мировой и нашей, в том числе, экономики? Попытаемся разобраться в этом,используя открытые источники информации в Ин-
тернете и в периодическом печати. Начнем с технологической составляющей, характеризующей рынок, а в следующей работе опишем состояние рынка и его перспективы.
В 1995 году студенты Массачу-сетского технологического университета Tim Anderson и Jim Bredt предложили решение для создания объемного объекта и предложили соответствующий термин. Они зарегистрировали компанию Z Corporation, пионера в этой области, которая длитель-
Рис. 1. Динамика публикаций по тематике 3D-печати в российских СМИ
ное время была монополистом на рынке, а впоследствии приобретена компанией 3D Systems, в настоящее время ставшей лидером в мире, освоив серийное производство ЭЭ-принтеров.
Технологии, которые применяются в ЭЭ-печати, принято объединять термином AF (Additive Fabrication) — изготовление путем наращивания (добавления), материала, в отличие от широко применяемых технологий механической обработки заготовок, когда из нее удаляется лишний материал, как например это происходит на токарном станке. Таким образом, аддитивные технологии основаны на формировании изделий с помощью «наращивания» материала слой за слоем или по крупинкам. Такие технологии еще называют «технологиями быстрого прототипирования» или RP-техно-логиями (Rapid Prototyping). В качестве материалов для наращивания используются жидкие, порошковые, нитевидные полимеры, воск, металлы, бумага, ПВХ-пленка, гипс и другие.
В дальнейшем анализе будем рассматривать ЭЭ-печать как процесс формирования объемного объекта с помощью аддитивных технологий. К настоящему времени в ЭЭ-печати разработаны и внедрены следующие основные технологии:
♦ экструдирование — выдавливание расплавленного материала;
♦ гранулирование — склеивание или спекание частиц материала;
♦ ламинирование — склеивание слоев материала;
♦ фотополимеризация — отверждение полимера ультрафиолетовым или лазерным излучением. Сравнение основных технологий ЭЭ-печати можно найти в Интернете на сайтах компаний-продавцов ЭЭ-принтеров, что нами обобщено в таблице 1.
Известен подход в анализе перспектив развития рынка, определяющий частоту внедрения и широту использования продукта [3]. Такой подход показал лавинообразное расширение использования 3Э-печати в самых разных областях. Ниже приведен краткий перечень интересных направлений разработок технологий 3Э-печати и их применения в различных целях, сформированный на основе мониторинга СМИ:
♦ Наиболее значительным достижением в этой области, стала лазерная печать с использованием металлов и сплавов.
♦ Авиационное подразделение компании General Electric, поставщик авиационных двигате-
лей, готовится перейти на изготовление топливных форсунок ЭЭ-печатью вместо литья и сварки. Выбор в пользу новой технологии сделан в связи с тем,что аддитивное производство снижает издержки, расходует меньше материала. Изделия становятся более легкими, что позволяет авиакомпаниям экономить на горючем.
♦ Аэрокосмические корпорации США внедрили на практике ЭЭ производственную печать. В компании Е^ое1пд производят 22 тыс. видов деталей для гражданских и военных самолетов.
♦ Разработаны специальные материалы, из которых на ЭЭ-прин-тере изготавливают временные
Таблица 1
Сравнение основных современных технологий, применяемых в 3D-печати
Тип технологии Технология Материал
Экструзия FDM (Fused deposition modeling) Моделирование расплавленным пластиком Термопластики (ПЛА, АБС и т.п.), легкоплавкие металлы и сплавы, органические материалы
DODJet (Drop-On-Demand-Jet) напыление капель нагретого материала Литейный воск
Гранулирование DMLS (Direct metal laser sintering) Прямое металлическое лазерное спекание Множество металлических сплавов в виде гранулы/крошки/порошка
EBM (Electron Beam Melting) Электронно-лучевая плавка Сплавы титана
SHS (Selective heat sintering) Избирательное тепловое спекание Термопластичный порошок
SLS (Selective laser sintering) селективное лазерное спекание Термопластик, металлический порошок, керамический порошок
3DP (3D printing, Powder bed and inkjet head 3d printing, Plaster-based 3D printing) послойное распределение клеящего вещества по гипсовому порошку Гипс, композит на основе гипса, гипсовый порошок
Ламинирование LOM (Laminated object manufacturing) послойное склеивание тонких пленок и последующего вырезания контуров объекта Бумага, металлическая фольга, полиэтиленовая пленка
Фотополимеризация PolyJet и PolyJetMatrix - послойное нанесение фотополимерных материалов Фотополимерная смола
MJM (Multi Jet Modeling) -нанесение расплавленного материала Фотополимерная смола, акриловый пластик, литейный воск
SLA (Stereolithography) стереолитография Фотополимерная смола
DLP (Digital Light Processing) -обработка световыми проекторами Жидкая смола
коронки, которые можно носить до одного года. Эту технологию могут заимствовать стоматологи для изготовления зубных им-плантов.
♦ В США, в первую очередь в Голливуде, растет применение 3D-печати при изготовлении декораций и реквизита.
♦ Ведущие автомобильные компании используют 3D-принтеры при моделировании новых корпуса авто, фар и других элементов.
♦ В Японии на улицах устанавливают киоски, в которых с посетителя снимут 3D-мерку и на принтере изготовят статуэтку на память.
♦ Новое направление в медицине называется тканевой инженерией. В качестве инструмента используются 3D-принтеры,например 3D-Bioplotter, для создания органических объектов. В перспективе есть надежды на создание человеческих органов.
♦ Производство элементов солнечных батарей на трехмерной подложке. Они меньше в размерах, проще по конструкции и легче по весу существующих. Специалисты Массачусетского технологического института прогнозируют, что КПД трехмерных солнечных ячеек может быть на 20% выше, чем у традиционных плоских элементов. По их оценкам, прецизионный метод 3D печати позволяет сократить издержки производства на 50% путем более экономного использования таких дорогостоящих материалов, как стекло, поликремний и индий.
♦ В Университете Южной Калифорнии работают над технологиями печати конструкционных элементов зданий. Там предложен способ послойного изготовления зданий из керамического материала (Contour Crafting),
который имеет большой потенциал для автоматизации строительства целых конструкций или отдельных конструктивных элементов.
♦ Новая технология О-вЬаре делает возможным создание полноразмерного здания из песчаника с использованием стерео-литографии, для чего используется песок и неорганическое связующее вещество, которое преобразует песок в материал с уникальными прочностными характеристиками на сжатие и растяжение, что не требует применения арматуры. Материал неотличим от искусственного мрамора и экологичен. Не стоит полагать, что эти новые технологии, реализованные в ЭЭ-принтерах, смогут сами по себе завоевать рынок, на котором такие же детали производятся технологиями-аналогами и заменителями. Существует большое количество известных и хорошо себя зарекомендовавших технологий, которые недороги, отработаны и обладают важными конкурентными преимуществами. Среди них такие, как вакуумное литье, литье металлов, литье пластмасс, прессование и другие. Некоторые эксперты считают, что прямым конкурентом ЭЭ-принтерам являются технологии, используемые в станках с числовым программным управлением (ЧПУ).
Можно выделить следующие основные преимущества аддитивных технологий. Во-первых, рациональное использование материала. Пластик или металл расходуется только в той мере, насколько это необходимо. В отличие от штамповки или литья отходов значительно меньше. Второе преимущество — универсальность. Один и тот же ЭЭ-принтер может создавать много разных по форме и на-
значению изделий. Третье состоит в том, что производства можно организовать в одном месте, передав шаблоны и эскизы по каналам связи, вместо того чтобы задействовать материальные логистические операции.
Наше исследование показало, что рынок ЭЭ-принтеров в настоящее время перерос начальную стадию жизненного цикла, что нашло отражение в состоянии конкуренции и постоянного притока новых игроков. На период проведения исследования (вторая половина 201Э г.) нами были выявлены следующие основные игроки в мире: 3D Systems, Stratasys, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Objet Geometries, MakerBot, Objective 3D Pty Ltd, RapidPro, 3D Printing Systems Ltd, Cubify, UP!, Shapeways, Solid Concepts, Inc и некоторые другие, занимающие незначительные доли рынка. В 201Э году Stratasys купила компанию MakerBot.
Как показало наше исследование, российские компании также вовлекаются в мировые тренды патентных и технологических гонок в индустрии ЭЭ-печати. Мы получили данные о следующих компаниях:
♦ МНТЦ [4] (г. Томск) сделал один из первых отечественных ЭЭ-принтеров. В последнее время отсутствуют сообщения о продолжении работ.
♦ В Москве производство ЭЭ-принтеров Picaso Builder осуществляет компания Picaso 3D, которая была создана в 2012 году на базе ООО «Научно-Производственное Предприятие Интеллектуальные Информационные Системы» («НПП ИИС») [5].
♦ В Нижнем Тагиле Общество с ограниченной ответственностью «Центр информационных
технологий» (ООО «ЦИТ») [6], производит 3D-принтеры «Хамелеон».
♦ Компания Maket-City из Курска [7]производит 3D-принтеры под названием «Люмен».
♦ Проект Print & Play из Новосибирского Академгородка осуществляет мелкосерийное производство 3D-принтеров собственной конструкции под маркой SibRap.
Из этого перечня следует, что отечественные компании подхватили идею разработки данного направления. К сожалению, они не владеют значительными финансовыми ресурсами для осуществления серьезных прорывов на рынке. В СМИ имеется информация о том, что СКБ «Кипарис» в свое время получил грант от Рос-нано, всего 1,2 миллиона рублей, что никак не делает «погоды» на инновационном высокозатратном рынке. На сайте [8] можно подробнее ознакомиться с состоянием технологий и ценами на отечественные 3D-принтеры.
Отметим, что в данной области основные достижения разработчиков реализуются в патентных ведомствах стран-лидеров в инновационных технологических разработках, таких как США, Канада, Япония, Ю.Корея, страны Евросоюза. Отечественные компании, которые разрабатывают новшества, как правило, должны в данных странах защищать патентами свои разработки, выходя на мировой уровень защиты изобретений, однако таких примеров не обнаружено.
Наш анализ показал, что с каждым годом растет общее количество регистраций заявок и выданных патентов. Однако существует несколько патентов, которые можно назвать базовыми для технологий 3D-печати.
Примерами таких фундаментальных патентов компании 3D Systems в области ЭЭ-принтеров являются:
♦ Distributed rapid prototyping, заявка US Patent Number: 11/818,521, от 2008 г.
♦ Support volume calculation for a CAD model, US Patent Number: 6,907,307 от 2005 г.
Всего у лидера рынка в собственности имеется самый большой портфель — свыше 9Э0 патентов и патентных приложений, покрывающих несколько важнейших областей индустрии ЭЭ-печати.
У компании, занимающей второе место в отрасли — Stratasys — также имеется несколько ключевых патентов в области высокотемпературного моделирования:
♦ High Temperature Modeling Apparatus, US Patent Number 6,722,872;
♦ Apparatus And Method For Creating Three-Dimensional Objects, US Patent Number 5,121,329;
♦ Compositions And Methods For Use In Three Dimensional Model Printing, EP Patent Number 2277686.
В целом Stratasys обладает стабильным и устойчивым портфо-лио патентов, которые позволяют находиться в числе технологических лидеров отрасли.
С 2010 года на рынке появилось несколько новых компаний для отрасли, которые также включились в патентные гонки, в частности компания MakerBot, у которой
также зарегистрирован ключевой патент индустрии 3D-печати Automated 3D build processes, US Patent Number: 8,226,395 от 2012 г., который позволил включиться в патентную гонку и занять некоторое место на рынке.
Другие перечисленные выше компании также имеют определенные интеллектуальные и патентные ресурсы, позволяющие работать в данной области. Их вес и влияние пока не столь значительны, как у лидеров, но кто знает, что они смогут в будущем предложить?
В таблице 2 показана общая статистика действующих патентов пяти основных игроков рынка 3D-печати.
Проведенный патентный анализ позволяет выявить наиболее перспективные области разработок и направлений развития технологий основных игроков в отрасли. Для этого представим результаты исследования в виде следующих графических построений:
1.Характеристика динамики подачи патентных заявок компанией.
2. Взаимосвязь содержания патентов и тематических направлений разработок.
Для прогноза перспектив развития рынка 3D-печати был проведен анализ состояния научно-технических разработок и результатов защиты технологий и разработок патентами. Анализ проведен с помощью поисковой патентной
Таблица 2
Размеры патентных портфелей компаний - лидеров рынка Эй-печати
Компания - владелец патентов Количество действующих патентов (истекающих по срокам)
3D Systems 932 (60)
Stratasys 506 (4)
Z Corp (принадлежит 3D Systems) 175 (0)
Voxeljet 106 (0)
Makerbot 10 (н/д)
информационной системы компании Questel — «Orbit» [9].
На рисунке 2 показана статистика патентных заявок компании 3D Systems по годам.
Важным преимуществом использования в анализе патентования информационных систем, в частности, продукта компании Questel — Orbit™, является оперативность и полнота анализа.
Построения вида рисунка 2 обеспечивают аналитика пониманием основных этапов развития как собственно технологии, так и ее перспектив. Динамика подачи патентных заявок отражает усилия, прилагаемые в определенных направлениях, а также показывает интерес компании к разработкам.
Поскольку патент предоставляет возможность запрещать использование заявленного метода, которая гарантирована действующим законодательством, то обычно заявители стремятся защитить важную для себя тематическую область широким покрытием от возможного применения другими претендентами. Тем самым «столбится» перспективная область исследований и разработок и конкуренты вынуждены искать другие возможности для работы в данном направлении развития.
Для анализа содержания предметной области защищаемых патентами технологий, в системе Orbit™ используется форма представления основных концепций и терминов, встречающихся в заявках на патенты и в описаниях патентов, в виде «мозаичного» представления связей технологий и технологических направлений, которые представлены в описаниях заявок на патенты.
Такого рода построения имеют смысл для проведения углубленного анализа тенденций и направле-
ний разработок. К сожалению, формат журнальной статьи не позволяет привести образец такого построения, поскольку каждая технология, как правило, очень сильно взаимосвязана с другими. Например, в 3D-печати эти связи обусловливаются разработкой способа нанесения слоев при формировании объекта, технологиями выпускания материала из печатающей головки, конструкцией самой головки, составом наносимого материала, конструктивными решениями в области управления платформой для размещения объекта, программными решениями, элементной базой и многими другими.
Несмотря на громоздкость таких построений, они реализуются в системе Orbit™ оперативно, не более 1 часа, и, что очень важно, достаточно полно и глубоко.
На такого рода изображениях показывается облако тегов (перекрестных ссылок на термины, по количеству упоминаний). В нем отображены термины и концепции, сгруппированные логически, по связи в рамках патентов и заявок на патенты. Для начала работы с облаком тегов требуется определить анализируемый материал. На практике чаще всего выбирается максимально полный объем заявок на патенты и патенты, например, в рамках одного заявителя (одной компании). Далее проводится автоматизированный анализ системой Orbit™. Система статистически определяет наиболее часто используемые термины в патен-
тах и заявках на патенты, после чего проводит группировку по тематическим областям.
Разные тематические области построений выделяются цветом. В одну цветовую группу входят термины, объединяемые в рамках применения общей технологии, например,метод изготовления химического раствора. В пределах одной цветовой группы размеру сектора соответствует «вес термина» — частота использования в патентах и патентных заявках, а также синонимы и синонимичные выражения. Описанный подход к анализу тематической области также удобен и для анализа более узкого направления. Например, для определения ключевых подходов в рамках узкого направления исследования или для предсказания развития рынка конкретной тематики. Для работы с патентами и заявками на патенты в таких случаях используется подход к определению принадлежности того или иного изобретения по классификации. Классификация присваивается изобретению на стадии проверки заявки на патент экзаменатором патентного ведомства.
Облако тегов описывает общую картинутерминологии и подходов в патентном портфолио, позволяет сделать вывод о направлении исследований и уровне техники заявителя. Количество секторов в пределах одной цветовой группы или количество цветовых групп не несет количественной информации, т. е. не показывает количество патентов или патентных заявок.
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012
Рис. 2. Динамика патентных заявок 3D Systems по годам
Облако тегов является удобным инструментом для характеристики ключевых направлений исследований заявителя (патентообладателя), а также текущий уровень техники и технологий в изучаемой области.
Данный аналитический инструмент позволяет эффективно прогнозировать направления научно-технических разработок, выявлять осуществляемые технические решения, определять стратегии компаний-конкурентов.
Аналогичное исследование было проведено для второго в мире игрока — Stratasys, а результаты представлены ниже (рис. 3).
Компания MakerBot — относительно малозначительный игрок рынка ЭЭ-печати, для патентов которого авторами также было построено облако тегов. Особенностью данной компании была история ее вовлечения в работы по ЭЭ-принтерам. Она начинала работы на базе открытых патентов, но с течением времени предложила новые решения и нашла возможности защитить свои разрабатываемые направления.
Динамика патентования MakerBot невысокая, среднее значение подаваемых заявок 1—2 в год, а пик активности пришелся на 2011 год, когда было получено 4 патента.
Ниже на рисунках 4—6 представлен сравнительный анализ применения разновидностей технологий в ЭЭ-печати, который составлен по материалам ресурса [10]. Показаны основные классы технологий и количественная статистика соответствующих им патентов по данным на 201Э год. Диаграммы статистики построены с использованием патентной системы LENS [11].
1. Технология Selective laser sintering (SLS) — всего зарегистрировано Э Э4Э патента (рис. 4).
2. Технология Stereoltthography (SLA) — всего зарегистрировано 7 650 патентов (рис. 5).
60
Э. Технология Fused Deposition Modelling (FDM или FFF) - всего зарегистрировано 1 884 патента (рис.6).
40 20
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 Рис. 3. Динамика патентных заявок Stratasys по годам
0
3d Systems Inc Sonitus Medical Inc Boeing Co Phonak Ag Massachusetts Inst Technology Degussa
3m Innovative Properties Co Dtm Corp Conformis Inc StratasysInc
20
40
60
80
100 =t=
120 =t=
□ 90
□ 69 68 T 67
] 83
80 79
100
140 3
13
128
Рис. 4. Статистика владения патентами компаниями в области технологий 515
500 469
Рис. 5. Статистика владения патентами компаниями в области технологий SLA 0 50 100 150 200 250
Stratasys Inc 3d Systems Inc 3m Innovative Properties Co Reva Medical Inc Boeing Co Searete Llc Align Technology Inc Materialise Nv Invention Science Fund I Llc Leuthardt Eric C
Рис. 6. Статистика владения патентами компаниями в области технологий FDM и FFF
3d Systems Inc 3m Innovative Properties Co Ciba Sc Holding Ag Micron Technology Inc Align Technology Inc Sonitus Medical Inc Ciba Geigy Ag Dsm Ip Assets Bv Basf Se
Massachusetts Inst Technology
100
—I—
□ 71
I 120
96 86 82
300
—I-
227
195
342
0
400
211
1 1 1 1
1 218
___I
1 155
1 1 1 33 -125 167 п 56 1 52 50 48 48
Анализ представленной статистики показывает, что компании придерживаются стратегий, которые не ограничиваются разработкой только одного направления. Как правило, крупные компании разрабатывают технологии сами или покупают небольшие компании вместе с их интеллектуальной собственностью. Это видно на примере компании 3D Systems Inc., которая практически во всех направлениях разработки является крупнейшим держателем патентов.
Выводы. Проведенный анализ состояния технологических разработок в области ЭЭ-печати позволяет сделать вывод о высокой заинтересованности мировых игроков данного рынка. Повышенная патентная активность, слияния и поглощения крупными игроками мелких, свидетельствует об интересе к развитию ЭЭ-пе-чати как перспективного направления растущего рынка. Нами представлены инструменты патентной активности игроков, ко-
торые позволяют выявлять новые разработки и пути защиты собственных интересов. Впрочем, такой анализ без привязки к конкретным рыночным показателям, таким как динамики роста объема рынка, количество потребителей, размеры сегментов рынка и других, лишено практического смысла. Но об этом авторы планируют рассказать в следующей публикации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. IQ BUZZ май 2013; журнал «Итоги», июнь 2013.
2. Токарев Б.Е. Маркетинговые исследования рыночных ниш инновационных продуктов. М.: Магистр, 2013.
3. http://mntc.ru.
4. http://picaso-3d.ru/.
5. http://reprap-russia.org/.
6. http://cnc.maket-city.ru.
7. http://www.sdelanounas.ru/blogs/37621/.
8. www.orbit.com.
9. http://reprage.com/page2.
10. www.lens.org/lens/.
Market Analysis of 3D Printing: Technologies and Participants Tokarev Boris E.,
Associate Professor of Marketing, Department of Marketing, State University of Management, Riazanskii prosp, 99, Moscow, 109542, Russia (tokarevboris@gmail.com)
Tokarev Roman B.,
Patent specialist Yandex, ul. Liva Tolstogo, 16, Moscow, 119021, Russia (romulpo@yandex.ru)
The article is devoted to analysis of state and prospects for 3D printing market. It teaches the findings of first part proactive study which presents of a retrospective development and current status study results of technology advances in this area. The main world players of the market defined, the companies-developers and manufacturers identified abroad and in Russia. To determine the key technological development of the market the possibilities of patent search system Orbit is being used.
Keywords: patent; patent application; technology; 3D printing; prototyping; market; market players. REFERENCES
1. IQ BUZZ, May 2013; Itogi, June 2013.
2. ToKarev B.E. Marketingovieissledovaniyarynochnykhnishinnovatsionnykhproduktov[Marketing research market niches of innovative products]. Moscow, Magystr Publ., 2013.
3. Available at: http://mntc.ru.
4. Available at: http://picaso-3d.ru/.
5. Available at: http://reprap-russia.org/.
6. Available at: http://cnc.maket-city.ru.
7. Available at: http://www.sdelanounas.ru/blogs/37621/.
8. Available at: www.orbit.com.
9. Available at: http://reprage.com/page2. 10. Available at: www.lens.org/lens/.
