CC BY
43
Трехмерная печать:
из мечты в реальность
http://3dprint.com/17716/3d-printed-jet-engine/
Мировым трендом современности считается динамично развивающееся направление «цифрового» производства - аддитивные технологии (АТ), предполагающие выпуск изделий по трехмерной компьютерной модели методом послойного нанесения материала. Они вместе с нано- и оптоэлектрони-кой, информатикой и фотоникой, биотехнологиями, робототехникой и системами искусственного интеллекта составляют ядро шестого технологического уклада. Страны, сделавшие ставку на развитие аддитивных систем, занимают наиболее выгодные позиции в международном разделении труда. АТ обеспечивает гибкость производства, что позволяет выпускать кастомизированную продукцию и запасные части, детали технических сложных форм.
Андрей Комаров,
научный сотрудник отдела исследований интеграционных процессов Центра системного анализа
и стратегических исследований НАН Беларуси
Преимущества цифровых моделей - это возможность мгновенной передачи макета изделия практически в любую точку земного шара, что в свою очередь ведет к организации быстро масштабируемого локального производства. Еще одна особенность - близость получаемой формы к заданной характеристике, что значительно сокращает расходы материала и отходы. Исследование Европейского аэрокосмического и оборонного концерна показало, что экономия сырья при АТ может достигать 75% [1]. К тому же снижаются энергозатраты, нагрузка на окружающую среду, что позволяет считать эти технологии идеальным решением.
К уникальным возможностям следует причислить способность ЭР-принтеров взаимодействовать с другими устройствами, простоту эксплуатации, создание персонального дизайна. Однако самое существенное преимущество аддитивных технологий в возможности быстрой реализации полного жизненного цикла продукта с использованием ИТ - от создания материала до готового изделия, его эксплуатации и последующей утилизации.
За прошедшие десятилетия разработано несколько процессов и систем АТ, расширились их возможности. Если первые установки в качестве сырья применяли
только полимерные материалы, то современные способны производить детали из металла и керамики, композитов, термопластов, стекла и др. Этот прогресс достигнут буквально в последнее десятилетие, что значительно расширило рынок применения аддитивных технологий. Они стали востребованными в автомобильной и космической промышленности, стоматологии, фармацевтике, пищевой индустрии и даже моде. С помощью спекания материала производят инструменты, технологическую оснастку, детали двигателей, спутников, ракет, таблетки, шоколад, обувь и пр. Ученые активно работают над проблемой трехмерной печати внутренних
Место Страна Доля АТ-обо-рудования, %
1 США 38,0
2 Япония 9,7
3 Германия 9,4
4 Китай 8,7
5 Великобритания 4,2
6 Италия 3,8
7 Франция 3,2
8 Республика Корея 2,3
9 Канада 1,9
10 Тайвань 1,5
11 Россия Турция 1,4 1,4
12 Испания 1,3
13 Швеция 1,2
14 Другие страны 12
Таблица 1. Доля АТ в ведущих странах мира Составлено по данным [3]
Ожидание
АВТОНОМНО УПРАВЛЯЕМЫЕ АВТОМОБИЛИ
РЕШЕНИЯ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И САМОСТОЯТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА
УМНЫЕ СОВЕТЧИКИ —Q
МИКРО ЦОДы-ЦИФРОВАЯ ЛОВКОСТЬ И МАНИПУЛИРОВАНИЕ—| ЦИФРОВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
НЕЙРОБИЗНЕС НАУКА О ДАННЫХ-
ИНТЕРНЕТ ВЕЩЕЙ
ПЕРЕВОД В РЕЖИМЕ ОНЛАЙН С ОДНОГО ЯЗЫКА НА ДРУГОЙ РАСШИРЕННОЕ МАШИННОЕ ОБУЧЕНИЕ НОСИМЫЕ УСТРОЙСТВА О-КРИПТОВАЛЮТЫ
РАСШИРЕНИЕ СОЗДАНИЕ ИНТЕРФЕЙСА «МОЗГ
ПОТРЕБИТЕЛЬСКАЯ ЗО-ПЕЧАТЬ
СИСТЕМЫ «ВОПРОС-ОТВЕТ» НА ЕСТЕСТВЕННОМ ЯЗЫКЕ
О
ОБЛАЧНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
О—ДОПОЛНЕННАЯ
О
ЗО-ПРОМЫШЛЕННАЯ ПЕЧАТЬ
БИОАКУСТИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ
ТЕХНОЛОГИИ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ ПОВЫШЕНИЮ ГРАМОТНОСТИ ЛЮДЕЙ ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ-
УПРАВЛЕНИЕ ЖЕСТАМИ
ВИРТУАЛЬНАЯ РЕАЛЬНОСТЬ АВТОНОМНАЯ АГРАРНАЯ ТЕХНИКА
ВИРТУАЛЬНЫЕ ПЕРСОНАЛЬНЫЕ АССИСТЕНТЫ УМНАЯ ПЫЛЬ - САМООРГАНИЗУЮЩИЕСЯ МИКРОСКОПИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
Инновационный триггер
Пик завышенных ожиданий
Избавление от иллюзий
Преодоление недостатков
Плато продуктивности
О Менее чем через 2 года О От 5 до 10 лет
органов человека и тканей и уже имеют определенные успехи.
И все же значительную часть приложений аддитивных технологий составляют прототипирование и изготовление инструментальной оснастки, к примеру производство прессформ. Связано это прежде всего с тем, что предприятия, ориентированные на ЭР-печать, используют ее возможности для доработки новой продукции как на стадии создания, так и изготовления, а также скорейшего вывода на рынок. Тем не менее сторонники АТ ограничены относительно узким набором контента, возможностями программного обеспечения, систем и устройств, материалов и услуг. В то время как у обычного производства они значительно шире.
Мировой рынок аддитивных технологий в 2014 г. составил 4,1 млрд долл. при среднем ежегодном росте в 35,2% [2]. Увеличение его объема за три года (2012-2014 гг.) составило 33,8%. Он представлен 50 крупнейшими производителями. Лидером на протяжении многих лет остаются США, которым принадлежит 38%.
о От 2 до 5 лет Д Больше 10 лет
Затем со значительным отставанием идут Япония, Китай и Германия. Россия делит 11-е место с Турцией и занимает 1,4% рынка технологий послойного синтеза [3]. Из табл. 1 видно, что более 50% рынка принадлежит США и странам ЕС.
Несмотря на то что многие эксперты относят аддитивные технологии к прорывным и ведущим в XXI в., их влияние на мировое производство пока остается весьма скромным (рис. 1) [7].
Экосистему АТ представляют поставщики и потребители промышленного и бытового оборудования, исследовательские структуры, пытающиеся решать проблемы, препятствующие их масштабированию. Вопросы, над которыми они работают, связаны со сложностью программ проектирования, высокой стоимостью принтеров, низкой скоростью печати, ограниченным набором материалов и их функциональности. Есть другие задачи, требующие решения,- качество изделий, безопасность, управление объектами интеллектуальной собственности и данными (рис. 2).
Время
Пока не созданы эффективные механизмы, которые защищали бы авторские разработки от пиратов. Возможно, что отрасль пойдет по
пути развития платного доступа рис 2.
к макетам через Интернет. Подобные цели
сервисы уже существуют, среди них: приобретения
shapeways.com, matter.io, ¡Materialise. ЗО-^штров,
com, protolabs.com. Источник: [2]
-Расширение продуктовой линейки 4,5
Новые источники дохода 4,8
Производство и совершенствование потребительских/персональных продуктов 8,0
Увеличение эффективности 9,6
Улучшение цепочки поставок 3,4
Улучшение
качества логистики 3,1
Трансформация потребительских предпочтений и сервисов 4,2
Прочее 1,3
Рис. 1.
Цикл зрелости технологий по состоянию на 2015 г. [7].
Инновации - (продукты, которые невозможно создать другими технологиями) 11,1
И БЕЗОПАСНОСТЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЕРСОНАЛЬНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
Рис. 3 Профили патентов, выданных в секторе АТ
Источник: [5] Графика: DUPress.com
Выдано
6% т.
10%
17%
Контент
Производственные системы и устройства
Материалы
388
выданы
компаниям
ТТК
180
заявителей из #1
21
страны
Топ 4 страны:
53% сша
16% ФРГ
9% Япония 5% Израиль
292
Выданы
резидентам
США
Услуги
24% Миннесота 16% Ю.Каролина 13% Калифорния 8% Нью-Йорк 6% Массачусетс
Сегменты выданных патентов
Контент
ПО
24%
Трансформация модели
Атрибуты хранения модели
15% 15%
Интерактивный Нарезки
пользовательский современного ПО
3D сканиро- Другие вание темы
46%
Другие темы
Производственные системы и устройства
Материалы
Услуги
53% 10% 9% 20% I
Совершенствование процесса улучшение конечной продукции мультимате- Другие темы риальная печать
39% 19% 14% 28%
полимеры токопроводящие чернила новейшие компо- Другие темы зитные материалы
77% 11% 6% 6%
Индивидуальные решения для промышленности
Удаленные Циф- Другие 3d печатные ровые темы услуги права
Приоритетные области патентов, выданных в секторе АТ для технологических, телекоммуникационных компаний и СМИ
1%
Технологические компании
Медиакомпании
Телекоммуникационные компании
Совершенствование процесса Улучшение конечной продукции Мультиматериальная печать
Платформы услуг удаленной 3D-nечати
Агрегаты для дизайна
Атрибуты моделей и информация
Встроенная электроника Индивидуальные промышленные решения
Индикатором развития аддитивных технологий являются патенты, рост которых в последние годы стремителен. В 2005 г. было выдано 80 патентов, касающихся АТ-систем, в 2013 г.- 600. Прибыли их владельцев в крупных компаниях Stratasys, 3D Systems, Xerox, IBM и HP превысили 800% [5, 8].
Как показывает практика, в сфере АТ доминируют НИР, связанные с расширением возможностей печати и управления данными. Более половины от общего их числа в 2011-2015 гг. занимают патенты на способ производства. Анализ текущих патентных заявок представлен компанией
«Делойт», которая проанализировала 546 охранных документов, выданных Патентным ведомством США в секторе аддитивного производства. Согласно отчету, патенты на контент занимают - 6%, ПО - 10%, производственные системы и устройства - 52%, материалы - 15% и услуги - 17% (рис. 3).
Более пристальный взгляд на данные Патентного ведомства США в пяти группах - контент, услуги, материалы, устройства и способы производства, программное обеспечение в последние 4 года проливает свет на возможные события в сфере АТ [5, 8].
Контент и программное обеспечение вместе составляют 16% выданных патентов в исследуемые сроки, причем ключевое положение принадлежит ПО. Последние патенты касаются сенсорного управления и тактильного интерфейса, предполагается, что будущие программы проектирования станут более интерактивными и взаимодействующими с устройствами виртуальной реальности. В сегменте контента ключевое место занимает хранение информации, включая размеры модели, цвет, текстуру и состав материалов в 3Р-форматах для файлов печати. Растет количество программных продуктов для отладки моделей, редактирования и ремонта, способных улучшить подготовку 3Р-моделей к печати.
В группе «устройства и способы производства» развиваются технические решения, направленные на улучшение качества конечных продуктов: время производства, контроль температуры, уменьшение отходов, безопасность. Разработчики предлагают решения, совершенствующие отделку поверхности, прочность конструкции и ее геометрическую точность. Учитывая, что эти два сегмента составляют 71% патентов, можно ожидать, что в ближайшее время изобретатели предложат мультиматериалы и насадки для био- и гибридной печати.
Материалам принадлежит 15% патентов от общего числа. Они в основном связаны с полимерами, фотополимерами, различными композитами, такими как полиамиды, сложные полиэфиры и другие фотоотверждаемые композиции смол. Есть патенты, касающиеся токопроводящих красок, что позволит создавать интегральные схемы,
Исследовательские фирмы годы (млрд. долл.) Среднегодовой темп роста (%) период
2013 2014 2015 2016 2018 2020
Canalys 2,5 3,8 16,7 45,7 2013-2020
CCS Insight 1,2 4,8 33,0 2013-2018
Gartner 1,6 13,4 103,1 2015-2018
Wohlers 3,1 12,8 21,0 33,0 2013-2018
датчики и устройства на подложках, а значит, расширятся возможности печатной электроники. Изменения могут коснуться растворимых материалов, направленных на улучшение качества печати и одновременно на сокращение времени изготовления изделий.
Сегмент услуг составляет 17% от выданных патентов. Это решения, которые находят себе применение в таких областях, как аэрокосмическая, автомобильная промышленность, потребительские товары, медицинские технологии, здравоохранение, оборона и промышленность. Имеются патенты, относящиеся к управлению с удаленных площадок, к цифровому праву и шифрованию услуг, а также обслуживанию 3Р-печати.
Несмотря на то что патенты на изобретения предлагают новые решения, в секторе аддитивного производства остаются трудности, связанные с их широким использованием. В их числе ограничения системы восстановления ковочного штампа, способ получения металлосплавов, пригодных для 3Р-печати, а также довольно долгий процесс перехода от одного материала к другому из-за сложности чистки машины, в некоторых случаях он занимает 2-3 дня.
Российское патентное ведомство в 2015 г. выдало ряд патентов в классе МПК Б33У «Технология послойного синтеза». Среди них на способ изготовления гибридного компонента, трехмерный принтер (варианты), систему восстановления ковочного штампа, конструкцию для присоединения термоизоляционного материала к металлической конструкции трехмерного объекта, способ его получения и стереолитографическую
машину, реализующую данный способ. Евразийским патентным ведомством в этот период выданы патенты на системы и способы моделирования трехмерной структуры для улучшения интерполяции максимальной непрерывности, способы изготовления объемного объекта и др., которые могут быть реализованы в стереолитографии и быстром прототипировании. Среди владельцев патентов - авторы и заявители из США и Франции. В нашей стране в 2014 г. Национальным центром интеллектуальной собственности выдан патент на способ лазерного легирования и наплавки и устройство для его осуществления. Патентовладелец - Институт молекулярной и атомной физики НАН Беларуси. Есть еще ряд охранных документов, выданных НЦИС в классах МПК B22F, C22C, B23K 26/00. Это патенты Республики Беларусь на способ лазерного спекания изделий из сферических порошковых материалов и устройств для его реализации, на способ лазерного легирования и наплавки, а также устройство для его осуществления. Полного анализа патентной активности отечественных заявителей в сфере АТ не проводилось.
Исследования глобального института «Мак-Кинси» свидетельствуют о том, что в мировом ВВП к 2025 г. АТ могут достичь роста в 50 млрд долл. в год. Другие эксперты более сдержаны в своих оценках. По данным крупнейших аналитических агентств, рост рынка АТ будет в пределах 33% (табл. 2).
По материалам недавнего исследования компании Gartner, у 37% фирм в пользовании находится по одному 3Р-принтеру, у 18% - 10 и более, сред-
Таблица 2. Прогноз развития рынка
30-печати [8]
нее число - 5,4. Среди отраслей, где АТ наиболее интенсивно используются, первое место принадлежит выпуску промышленной продукции - 19%, далее идут производство потребительских товаров - 18%, автомобильная промышленность - 17%, медицина -14%, аэрокосмическая отрасль - 12%. По 4-5% занимают военная промышленность, архитектура и пр. [7].
Продажи 3й-систем для проектирования и производства промышленных изделий увеличились на 27% с 2013 г. по 2014 г. и составили 609,8 млн долл., для системы здравоохранения на 80% - с 71,7 до 129,3 млн долл. Вырос и потребительский сегмент в суммарном выражении -с 34,8 млн долл. до 43,8 млн долл [8].
Производители в следующие несколько лет будут стремиться к добавлению новых функций и улучшению производительности 3й-принтеров, а не к снижению цен.
Рынок АТ-установок состоит из трех сегментов. Первый - недорогие 3й-принтеры, ориентированные на создание концептуальных макетов и пригодных для эксплуатации в офисной, домашней среде. Второй сегмент - средний по стоимости -предназначен для создания прототипов деталей с различной степенью точности или функциональности. Обе эти группы, как правило, используют в качестве материала полимеры. 3й-принтеры высокого класса, составляющие третий сегмент, позволяют производить детали из полимерных, металлических и керамических материалов. Цена такого оборудования колеблется между 200 тыс. и 2 млн долл. Оно обладает высокой производительностью, на нем можно выпускать крупногабаритные детали. В мире известно более 300 брендов, которые отличаются широким многообразием оборудования и технологиями печати. К числу ведущих изготовителей АТ-систем относятся американские компании 3D Systems и ExOne, американо-израильская - Stratasys, шведская - Arcam, немецкие - EOS и Voxejet. Среди
других операторов отрасли - фирмы ATI, Carpenter Technology, Concept laser, CRP Technology, Optomec, Proto Labs, Renishaw, SLM Solutions [6].
Согласно отчету компании Gartner, в 2014 г. было продано 106,7 тыс. ЗО-принтеров. В 2015 г. только в Китае их было реализовано 77 тыс., что на 226% превысило аналогичный показатель предыдущего года. По мнению экспертов в 2016 г. объемы отгрузок ЗО-принтеров увеличатся и составят более 496 тыс., а в период с 2016 по 2019 гг. прогнозируется ежегодное удвоение продаж.
Отчет за прошлый год указывает, что в 2014 г. 91,6% продаж приходилось на настольные ЗО-принтеры и только 8,4% - на промышленные, что составило 173,3 млн долл. и 1,12 млрд долл. соответственно [4].
Самой перспективной считается авиационная промышленность, что подтверждают планы ряда крупнейшие операторов этой отрасли. К примеру, европейский концерн «Аэробус» расширяет диапазон применения технологии 3О-печати с тем, чтобы производить для новой серии самолетов индивидуальные конструкционные части и даже более крупные конструкции корпуса. В долгосрочной перспективе они надеются за счет аддитивных технологий снизить вес каждого самолета более чем на тонну.
Boeing ежегодно изготавливает 22 тыс. деталей 300 наименований для 10 военных и коммерческих самолетов. В ближайшие годы, по мнению экспертов, получит свое дальнейшее развитие производство товаров потребительского сегмента. Так, некоторые компании уже предлагают 3О-услуги и программные продукты для печати очков, в том числе и солнцезащитных. Интенсивно развивается и облачный сервис 3О-изделий. В Сети можно найти несколько миллионов различных моделей для их последующей печати на 3О-принтерах.
Анализируя имеющуюся информацию и отслеживая изменения
на рынке АТ, можно представить картину будущего и то, какие научные исследования и разработки нужны и будут востребованы сегодня, а также в среднесрочной перспективе. Стоит отметить, что в 2012 г. был создан Национальный институт аддитивных технологий в Янгстоуне (США), занимающийся исключительно этим направлением. В Китае по данной тематике работает 20 исследовательских организаций и 45 университетов. В последние годы возросло количество стартапов, использующих 3Р-принте-ры и привлекающих финансирование посредством краудфандинга. В 22 странах образованы национальные ассоциации по АТ, объединенные в глобальный альянс бЛРРД. Его участники обмениваются технологиями, создают, тиражируют, продают права на использование своих шаблонов и привлекают фирмы-разработчики 3Р-моделей. Образован специальный международный комитет, который утверждает все нормативные документы, касающиеся АТ.
Так что у аддитивных технологий весьма радужные перспективы, но для их организации необходимы такие слагаемые, как 3Р-проектирова-ние и моделирование, инженерный анализ и подготовка производства, технологии оцифровки и реинжиниринга, сопутствующие технологии, серьезные капиталовложения и, конечно, кадры. И
Литература
1. Additive Manufacturing Study Shows Cuts in Material Consumption and Reduced CO2 Emissions, Powder Metall Rev., (2013) http://www.ipmd.net/articles/002490.html
2. http://www.gartner.com/newsroom/id/2940117
3. Степанова Е.Ю. Аддитивные технологии как прорывные инновации ресурсосбережения 21 века Россия, Орёл, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», http://gu-npk.ru/science/confs/2015
4. Отчет 2015 Wohlers. https://www.wohlersassociates. com/2015report
5. http://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/ru/ Documents/technology-media-telecommunications/russian/ ru_tmt_predictions_2015_rus.pdf
6. http://www.researchandmarkets.com/reports/3365724/ global-aerospace-additive-manufactu ring-market#pos-2
7. http://www.gartner.com/newsroom/id/3139118
8. http://dupress.com/articles/3d-printing-in-technology-media-telecom-tmt-industry/
