3D-печать (Additive Manufacturing, аддитивное производство): перспективы практического использования
Компания J’son & Partners Consulting завершила подготовку исследования российского и мирового рынка 3D-печати в части текущей практики и перспектив использования аддитивного производства (Additive Manufacturing).
Место 3D-печати в цифровой экономике
3D-печать (3D-prining), или аддитивное производство (Additive Manufacturing), это новая технология производства различных изделий, которая известна с 80-х годов XX века, однако в последнее время она приобрела сильный импульс роста и продолжает бурно развиваться.
Аддитивное производство выступает как одна из основополагающих технологий для цифровой экономики. Эта технология предусматривает, что любое изделие будет иметь своего «цифрового двойника» (digital twin), по которому данное изделие можно изготавливать локально, в непосредственной близости от места потребности в этом изделии, а не заказывать его со склада, магазина или другой логистической сети. Таким образом, развитие аддитивного производства будет оказывать трансформирующее, преобразующее и даже разрушающее (disruptive) воздействие на современную логистику, глобальный способ производства, а также на бизнес-процессы производства на предприятиях.
Однако, несмотря на бурный рост, аддитивное производство ещё далеко не реализовало заложенный в нём потенциал, далеко не все возможные технологии 3D-печати разработаны, и даже далеко не все возможные применения этой технологии (концепции) исследованы. Некоторые из наиболее нетрадиционных и необычных применений 3D-печати (например, концепция «летающего» строительного 3D-принтера) показаны в исследовании J’son & PartnersConsulting. Однако, возможности 3D-печати простираются гораздо дальше того, что описано в настоящем документе.
В настоящее время аддитивное производство от статуса занятия для энтузиастов, «хоббистов», технологии прототипирования и создания опытных образцов, переходит в стадию технологии массового производства, в которой, однако, термин «массовость» приобретает совершенно иной оттенок. Это не «массовость» многотиражного производства, когда за счёт объёмов производства абсолютно идентичного изделия, с незначительными вариациями свойств (например, цвета) удаётся достичь невысокой цены и массовой доступности изделия.
При аддитивном производстве цена конечного изделия практически не зависит от его тиража. Кроме того, наличие цифровой модели изделия даёт возможность быстро и без высоких дополнительных затрат вносить модификации в конечное изделие согласно требованиям индивидуального клиента. Вполне возможно, например, что покупатель в будущем будет не искать в магазине нужную ему рубашку, каждый раз делая компромисс между своими вкусами, запросами, размерами и ассортиментом магазина, а просто заказывать рубашку в ближайшем бюро 3D-печати, причём именно такую, какую ему хочется, и точно по своим размерам. Технологии аддитивного производства одежды уже разрабатываются.
Процессы локализации производства будут наблюдаться даже в развитых странах, которые традиционно выводили производство своих высокотехнологичных продуктов в страны с низкой стоимостью рабочей силы. Это грозит подорвать основы сегодняшней глобализации.
В результате, неизбежно повысится удельная стоимость транспортировки и логистики. Когда все больше товаров будут производиться локально, удельная стоимость перевозок будет неизбежно расти. Это, в свою очередь, послужит стимулом для дальнейшего распространения аддитивного производства, как инструмента локализации производства, чтобы избежать высоких расходов на транспортировку. В результате, бизнес компаний-перевозчиков будет уменьшаться ещё сильнее, что опять послужит стимулирующим фактором для развития регионального аддитивного производства.
Аддитивное производство «грозит» разрушить традиционные логистические цепочки поставок и нарушить сложившуюся систему глобализации производства и международного разделения труда. Понятие «Made in ….» в будущем мире аддитивного производства потеряет своё значение так же, как сегодня потеряли своё значение бумажные наличные деньги. Деньги сейчас доступны в любом банкомате, и любой человек у которого есть банковская карта, может получить требуемую ему сумму в любой точке мира, либо делать покупки в любой стране, при этом не требуется возить с собой бумажные деньги.
Таким образом, аддитивное производство содержит высокий потенциал для того, что сейчас принято называть «импортозамещением». При высоком развитии аддитивного производства по доступным цифровым моделям потребность в «импорте» будет постепенно снижаться до уровня транспортировки продуктов, которые, по каким-либо причинам, невозможно производить локально. Например, за Полярным кругом невозможно выращивать бананы.
Можно сказать, что без должного развития аддитивного производства невозможно создание «цифровой экономики», поскольку 3D-печать является одной из её основополагающих технологий. Цифровая экономика должна производить «цифровые продукты», а именно – цифровые модели для аддитивного производства. Отсутствие должного внимания к развитию 3D-печати, аддитивного производства, грозит увеличением технологического разрыва между развитыми странами, и теми, которые стремятся их догнать по темпам роста валового национального продукта. Игнорирование этих тенденций может привести к новому «цифровому рабству», когда одни страны будут зависеть от других, в которых имеется база для создания «цифровых моделей» продуктов.
Сферы текущего использования 3D-печати
• Медицина и стоматология
Медицина – одно из самых перспективных направлений развития 3D-печати. Мировой рынок 3D- печати для целей медицины и здравоохранения, по оценке Allied Market Research1, оценивается в
$2,3 млрд к 2020 году с CAGR 26,2%. Кроме того, медицинские и хирургические центры являются крупнейшими пользователями услуг 3D-печати, и занимают примерно 75% всего рынка 3D-печати в медицине.
Рассмотренные в отчете примеры 3D-печати в медицине/стоматологии:
o 3D-печать анатомических моделей для хирургии (3d print presurgery anatomical model)
o 3D-печать имплантов для хирургии (3D printed surgical implants)
o Медицинские модели для подготовки к операциям
o 3D-печать внутри человеческого тела при помощи оптоволоконной иглы
o 3D-печать искусственных тканей и органов
o 3D-биопечать тканей человека (3D-printing human tissue)
o 3D-печать человеческой кожи с натуральной пигментацией
o SLA-биопринтер для печати сложных человеческих тканей
o Портативный 3D-принтер для быстрого «ремонта» повреждённой кожи
o 3D-печать инструментов для стоматологии (3d printed dental devices)
o 3D-печать слуховых устройств (3d printing hearing devices)
o Сеть бюро 3D-печати для больниц NHS в Великобритании
o 3D-печать носимых устройств (3D printed wearables)
o Тонометр, созданный на 3D-принтере, работающий через смартфон
o Устройство для мониторинга активности желудка
o Милли-робот, способный проникать в ткани мозга
o Носимое устройство AlterEgo, способное распознавать «речь про себя».
o Магнитный 3D-биопринтер для использования на космической станции (российская компания «3D Биопринтинг Солюшенс»)
o Точное 3D-моделирование органов по результатам МРТ и КТ
o Гибридный биоробот с живыми мышцами
o Микророботы для регенерации клеток
o 3D-печать лекарств (3d printed drugs)
o 3D-печать для биомедицины (Bioprinting and 3D-printing in life sciences)
Примеры кейсов использования 3D-печати в медицине, рассмотренные в исследовfнии J’son & Partners Consulting
Источник: J’son & Partners Consulting, на основе данных компаний
• FMCG (предметы массового потребления)
Компания McKinsey прогнозирует, что к 2025 году 5-10% товаров могут быть изготовлены методом 3D-печати, вместо традиционного производства, а рынок 3D-печати потребительских товаров достигнет $4 трлн. Причем, это будет самый большой сектор рынка 3D-печати. Рассмотренные в отчете кейсы в области товаров массового потребления:
o 3D-печать потребительских товаров (Consumer 3D-prining)
o Производство кроссовок Adidas индивидуальной формы
o Подключение к Wi-Fi без использования электроники
o Аддитивное производство недорогих качественных оптических линз
o 3D-печать в школьных классах (3D-print in classroom)
• Промышленное производство
3D-печать уже заняла достаточно прочные позиции в производственных процессах, и в будущем ожидается дальнейшее распространение 3D-печати в производственном секторе несмотря на то, что на кривой Гартнера это применение показано на склоне разочарования. Часто это означает, что вначале какой-то технологии или продукту сопутствовал чрезмерный хайп, и после его спада наступает некоторое разочарование, но это вовсе не означает отсутствие перспектив.
В настоящее время, основными применениями 3D-печати на производстве являются дизайн и прототипирование. Однако, 3D-принтеры уже используются при производстве небольших партий продукции, когда требуется «протестировать рынок», или прорекламировать товар на выставках.
Во многих областях производства, 3D-принтеры могут снизить время и стоимость, требуемые для получения жизнеспособного продукта.
Компания PWC отмечает, что 91% промышленных компаний активно работают над цифровой трансформацией производственных процессов («digital factories»), где 3D-печати уделяется много внимания, но только 6% из них заявляют, что они полностью интегрировали эту концепцию в производственный процесс. Компании, которые планируют внедрить цифровую трансформацию и стать «digital factory», должны проводить как внутренние, так внешние инвестиции, чтобы этого достичь. Это означает наём и обучение соответствующих специалистов, коренное изменение производственных процессов, интеграция большого объёма программных решений2. Рассмотренные в отчете J’son & Partners Consulting кейсы использования аддитивных технологий, структурированные по секторам:
o Авиакосмос и оборонная промышленность
o 3D-печать электронных компонентов (3D-printed electronics)
o Автомобилестроение
Примеры кейсов использования 3D-печати в машиностроении, рассмотренные в исследовании J’son & Partners Consulting
Источник: J’son & Partners Consulting, на основе данных компаний
• Строительство
3D печать в строительстве или строительная 3D печать, также известная как «аддитивное производство (АП) для строительства» или 3DCP, представляет собой группу технологий, которые для изготовления зданий и строительных компонентов используют метод 3D печати, а именно: последовательное изготовление объектов слой за слоем из цифровой (компьютерной, CAD) 3D модели с использованием различных материалов, в том числе бетона. Смесь для аддитивного производства за счет специальных добавок намного гуще обычного бетона, что позволяет ей быть самонесущей в процессе ее установки. Это открывает широкие перспективы для изменения привычной архитектуры и геометрических форм.
По оценкам SmarTech Publishing , потенциал применения 3D печати в строительстве по масштабу может быть сопоставим с объединенным объемом адитивного производства в промышленности и медицине. Несмотря на то, что сегодня технологии находятся на стадии экспериментов и НИОКР, рынок будет удваиваться в ближайшие три года и вырастет с $70 млн в 2017 году до $40 млрд к 2027 году. При этом $150 млн составят продажи материалов, $3,5 млрд – поставки оборудования и $36 млрд доходы от услуг печати и применения в различных сферах (включая доходы специализированных центров 3D печати).
• Нефтегазовый сектор
В нефтегазовой отрасли 3D-печать получает всё более широкое распространение. По данным SmarTech, выгода от использования 3D-печати в нефтегазовой отрасли достигнет $450 млн. в 2021 году, и около $1,5 млрд. в 2025 году3.
Например, компания General Electric смогла сократить наполовину процесс тестирования и испытаний новой горелки для газовой турбины NovaLT16 при использовании прототипирования с помощью 3D- печати.
Любые простои в нефтегазовой отрасли обходятся очень дорого, в особенности на удалённых скважинах и морских платформах, где они в среднем обходятся в US$49 млн. в год.
Аддитивное производство способно снизить простои за счёт сокращения времени разработки нового оборудования и печати запчастей на месте их использования. Поскольку разработка новых месторождений, как правило, происходит во всё более отдалённых местах, то перспективы 3D- печать в нефтегазовой отрасли выглядят ещё более заманчивыми.
Перспективные направления развития 3D-печати
• 3D-нанопечать (Nanoscale 3D printing)
3D-печать в микро- и нано масштабах позволяет получать решётчатые микро- и наноструктуры, которые могут быть чрезвычайно прочными, вследствие их строения в виде решётки, напоминающей структуру Эйфелевой башни. Методы наномасштабной 3D-печати позволяют получать материалы, которые, имея анизотропную нитевидную структуру не толще человеческого волоса, могут выдерживать вес в 160 тыс. раз больше, чем волос. Технология 3D-нанопечати может найти применение в производстве имплантов, компьютерных чипов, компонентов миниатюрных беспилотников и в других проектах. В качестве расходных материалов могут использоваться вольфрам, титан, керамика, а также полупроводники и пьезоэлектрики.
• 4D-печать (4D printing)
4D-печать добавляет к 3D-печати «временнòе измерение». Изделия 4D-печати могут трансформироваться после изготовления, изменять форму, свойства, самособираться, сразу после окончания печати, или под каким-либо внешним воздействием.
Возможные свойства изделий, созданных методом 4D-печати:
o Кроссовки, которые могут менять форму и функции в соответствии с режимом использования (бег, ходьба, прыжки, и пр.)
o Одежда, которая может принимать форму тела, и/или цвет и свойства в зависимости от внешних условий.
o Самособирающиеся и принимающие форму тела ювелирные украшения.
o Платья, которые могут печататься в виде цельного изделия без швов в ограниченном рабочем пространстве принтера, а затем разворачиваться в соответствии с размером тела.
Платье, изготовленное методом 4D-печати
Источник: Dassault Systèmes
• 5D-печать
Идея печати 5D, когда печатающая головка перемещается не только вверх, но и в четырёх горизонтальных направлениях, появилась несколько лет назад. Лаборатория Mitsubishi Electric Research Labs (MERL) частично реализовала такую технологию . 5D-принтер позволяет производить аддитивное наращивание исходного материала не только в одном направлении (чаще всего – вверх), а во многих направлениях. При этом, печатаемый объект может поворачиваться вокруг пяти осей, чему технология и обязана своим названием. В результате печатающая головка может повторять форму объекта. При этом, печатаемые детали могут создаваться с изогнутыми слоями, а не плоскими, как в 3D-печати. Изогнутые слои обеспечивают более высокую прочность детали.
Детальные результаты исследования представлены в полной версии Отчета:
«3D-печать (Additive Manufacturing, аддитивное производство): перспективы практического использования»
Содержание (84 стр.)
- Введение
1.1. Основные технологии 3D-печати
1.2. Наиболее популярные технологии 3D-печати.
1.3. Материалы для 3D печати
1.4. Текущее состояние 3D печати
1.5. Рынок 3D-печати
1.6. Стандартизация аддитивного производства (3D-печати)
1.6.1. Европа - SASAM
1.6.2. США – AMSC
2. Практические примеры использования 3D-печати в некоторых отраслях экономики
2.1. Медицина
2.1.1. 3D-печать анатомических моделей для хирургии (3d print presurgery anatomical model)
2.1.2. 3D-печать имплантов для хирургии (3D printed surgical implants).
2.1.3. Медицинские модели для подготовки к операциям
2.1.4. 3D-печать внутри человеческого тела при помощи оптоволоконной иглы
2.1.5. 3D-печать искусственных тканей и органов
2.1.6. 3D-биопечать тканей человека (3D-printing human tissue)
2.1.7. 3D-печать человеческой кожи с натуральной пигментацией
2.1.8. SLA-биопринтер для печати сложных человеческих тканей
2.1.9. Портативный 3D-принтер для быстрого «ремонта» повреждённой кожи
2.1.10. 3D-печать инструментов для стоматологии (3d printed dental devices)
2.1.11. 3D-печать слуховых устройств (3d printing hearing devices)
2.1.12. Сеть бюро 3D-печати для больниц NHS в Великобритании
2.1.13. 3D-печать носимых устройств (3D printed wearables)
2.1.14. Тонометр, созданный на 3D-принтере, работающий через смартфон
2.1.15. Устройство для мониторинга активности желудка
2.1.16. Милли-робот, способный проникать в ткани мозга
2.1.17. Носимое устройство AlterEgo, способное распознавать «речь про себя»
2.1.18. Магнитный 3D-биопринтер для использования на космической станции
2.1.19. Точное 3D-моделирование органов по результатам МРТ и КТ
2.1.20. Гибридный биоробот с живыми мышцами
2.1.21. Микророботы для регенерации клеток
2.1.22. 3D-печать лекарств (3d printed drugs)
2.1.23. 3D-печатьдлябиомедицины (Bioprinting and 3D-printing in life sciences)
2.2. Предметы потребления
2.2.1. 3D-печать потребительских товаров (Consumer 3D-prining)
2.2.2. Производство кроссовок Adidas индивидуальной формы
2.2.3. Подключение к Wi-Fi без использования электроники
2.2.4. Аддитивное производство недорогих качественных оптических линз
2.2.5. 3D-печать в школьных классах (3D-print in classroom)
2.3. Промышленное производство
2.3.1. Авиакосмос и оборонная промышленность
2.3.2. 3D-печать электронных компонентов (3D-printed electronics)
2.3.3. Автомобилестроение
2.4. Строительство
2.4.1. Декоративные бетонные конструкции
2.4.2. «Летающий» 3D-принтер для возведения конструкций практически неограниченного размера
2.5. Нефтегазовый сектор
3. Прогнозы развития 3D-печати
3.1. Общие перспективы рынка
3.2. Перспективные направления развития 3D-печати
3.2.1. 3D-нанопечать (Nanoscale 3D printing)
3.2.2. 4D-печать (4D printing)
3.2.3. 5D-печать
Заключение
Список иллюстраций
Рис. 1 Этапы развития рынка 3D-печати
Рис. 2 Наиболее популярные технологии 3D-печати
Рис. 3 Основные материалы для 3D-принтеров
Рис. 4 Основные пользователи 3D-печати по данным опроса 2017 г.
Рис. 5 Приоритеты 3D-печати по данным опроса
Рис. 6 Наиболее употребительные материалы 3D-печати
Рис. 7 Наиболее употребительные технологии 3D-печати
Рис. 8 Наиболее популярные металлы для 3D-печати
Рис. 9 Основные приоритеты применения 3D-печати на производстве
Рис. 10 Дорожная карта проекта SASAM
Рис. 11 Структура стандартов SASAM
Рис. 12 Структура стандартов AMSC
Рис. 13 Хирургическая модель таза и рентгеновский снимок после операции
Рис. 14 Позвонок, напечатанный на 3D-принтере
Рис. 15 Черепно-челюстно-лицевые модели, полученные на 3D-принтере
Рис. 16 3D-модели VSP для лицевой реконструкции, полученные на 3D-принтере
Рис. 17 «Игла»-оптоволокно
Рис. 18 Пример микроструктуры, полученной методом печати через оптоволокно
Рис. 19 Искусственный сердечный клапан, изготовленный методом биопечати
Рис. 20 Конечная цель исследований 3D-биопечати в университете штата Айова
Рис. 21 3D-печать челюстной кости человека
Рис. 22 Костный имплант
Рис. 23 Разработка метода восстановления кожи при ожоге
Рис. 24 Образцы кожи, полученные на 3D-биопринтере
Рис. 25 Схема биопринтера для печати сложных человеческих тканей
Рис. 26 Портативный 3D-биопринтер для заделки повреждений на коже
Рис. 27 Изготовление зубного протеза на 3D-принтере
Рис. 28 Индивидуальная форма слухового устройства, созданного на 3D-принтере
Рис. 29 Создание 3D-модели позвоночника на 3D-принтере
Рис. 30 Прототип браслета с термоэлектрическими модулями и системы подзарядки аккумулятора
Рис. 31 Принцип работы устройства с термоэлектрическими модулями и системы подзарядки аккумулятора
Рис. 32 Приставка-тонометр для смартфона
Рис. 33 Устройство для неинвазивного мониторинга активности желудка
Рис. 34 Милли-робот, проникающий в ткань мозговую ткань
Рис. 35 Носимое устройство для распознавания речи «про себя»
Рис. 36 Биопринтер для МКС
Рис. 37 Модель мозга, выполненная на 3D-принтере по данным МРТ
Рис. 38 Два гибридных биоробота выполняют захват и перенос предмета
Рис. 39 SEM-изображения микроробота, культивированного мезенхимальными стволовыми клетками (MSC) в течение 12 часов
Рис. 40 Структура микроробота, до высаживания клеток (cell) и после
Рис. 41 Развитие опухоли у мыши в месте инъекции (показано стрелкой)
Рис. 42 Препарат Spiritam, полученный методом 3D-печати
Рис. 43 Подошва Futurecraft 4D
Рис. 44 «Бутылка с мылом, которая может сама заказывать пополнение
Рис. 45 Линза, полученная методом 3D-печати
Рис. 46 Промышленное производство с использованием 3D-принтеров Рис. 47 Облегчённая деталь самолёта, изготовленная на 3D-принтере Рис. 48 Печатная плата, созданная на 3D-принтере
Рис. 49 3D-принтер для производства электронных печатных плат Рис. 50 Сложная конфигурация, изготавливаемая как цельная деталь
Рис. 51 Прототип панели приборов, целиком напечатанный на 3D-принтере
Рис. 52 Монтажный кронштейн для сборки генератора автомобиля, изготовленный по технологии SLS Рис. 53 Установка направляющей для стеклоподъёмника
Рис. 54 3D-печатные комплексные надувные конструкции Рис. 55 Интегрированная деталь подвески
Рис. 56 3D-принтер ErectorBot
Рис. 57 3D-печатные шины Vision Michelin
Рис. 58 Производство архитектурных деталей из бетона Рис. 59 Внешний вид стеновой конструкции
Рис. 60 Концепция летающего принтера Fly Elephant Рис. 61 Концепция летающего принтера Fly Elephant
Рис. 62 Прогноз развития 3D-печати от компании Gartner
Рис. 63 Прогноз развития рынка 3D-печати компании McKinsey Рис. 64 Решётчатая структура нано-полимера
Рис. 65 Принцип 4D-печати
Рис. 66 Платье, изготовленное методом 4D-печати
Рис. 67 Униформа для армии США, изготовленная методом 4D-печати
Рис. 68 Пример 5D-принтера со многими осями поворота платформы и головки
