Станет ли 3D-печать основой производства будущего

13 минут

Трехмерная печать становится альтернативой традиционным методам производства – литью, штамповке, ковке и другим. Применение 3D-печати существенно ускоряет разработку прототипов и мелкосерийное производство. С помощью технологии печатают автомобили, самолеты и ракеты. Эксперты пророчат 3D-печати стабильный рост, при этом отмечают: технология дорогая и не способна заменить традиционные методы производства.

Что такое 3D-печать

Технология 3D-печати, или аддитивное производство, – это процесс создания трехмерных объектов из компьютерных файлов с помощью трех элементов: специальных принтеров, материалов и программного обеспечения.

Как правило, 3D-печати противопоставляют использование станков с числовым программным управлением, на которых выполняется механическая обработка заготовки. При 3D-печати отходы минимальны, ведь изделие формируется послойно с заданным количеством материала.

Трехмерная печать используется для прототипирования и моделирования изделий, сокращает время выхода изделия на рынок. В перспективе использование технологии сократит затраты на производство, создавая продукцию по более привлекательной цене и за меньший промежуток времени. Спрос на 3D-печать растет в авиакосмической, оборонной, медицинской, автомобильной промышленности.

Как развивался рынок 3D-печати

Прорыв в области трехмерной печати произошел в 1984 году, когда американский ученый Чак Халл (Charles W. Hull) изобрел стереолитографию. Восьмого августа 1984 года он получил патент на «аппарат для создания трехмерных объектов с помощью стереолитографии». Изобретатель создал компанию 3D Systems (США), которая специализировалась на лазерной стереолитографии (SLA).

В 1989 году была зарегистрирована компания Stratasys (США), которая в апреле 1992 года продала свой первый продукт 3D Modeler. Первую в мире машину для селективного лазерного спекания (SLS) в 1992 году создал стартап DTM. Первый в мире коммерческий 3D-принтер в 2000 году создала компания Object Geometries.

В 2005 году доктор Адриан Бойер представил инициативу RepRap (Replicating Rapid Prototyper – самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов). RepRap предполагала создание 3D-принтера, который печатает детали для создания своей копии. Инициатива подразумевала общедоступность устройств и технологий. В 2008 году в рамках проекта появился 3D-принтер Darvin, который воспроизводил сам себя.

Как создать собственный 3D-принтер (видео)

В 2006 году Object Geometries, ставшая частью компании Stratasys, представила первую коммерчески жизнеспособную машину для печати по технологии SLS. Устройство способно изготовить одинаковые по внешнему виду детали, но из разных по свойствам материалов.

В 2007 году как часть компании Royal Philips Electronics создан стартап Shapeways (США). В 2008 году Shapeways предложила услуги по созданию трехмерных изделий при помощи быстрого прототипирования. От заказчика требовался лишь файл с трехмерной графикой. Изначально продукцию печатали из простых материалов, а затем стали использовать пластмассы, драгоценные металлы, сталь, фарфор и т.д. Список материалов для печати достиг 60 позиций. Компания Shapeways к началу 2018 года напечатала и продала более 10 млн 3D-объектов.

3D-печать c использованием золота (видео)

В 2009 году на рынок вышла компания MakerBot Industries (США), которая выпускает настольные 3D-принтеры. За основу работы устройств была принята инициатива RepRap. Появление доступных по цене принтеров резко снизило порог входа на рынок. MakerBot создал онлайн-сообщество Thingiverse для дизайнеров и любителей, которое также выполняет роль хранилища файлов для 3D-печати. В 2013 году MakerBot Industries стала частью Stratasys. По данным на 2016 год известно, что MakerBot продала около 100 тыс. настольных 3D-принтеров.

После 2010 года стоимость 3D-принтеров постоянно снижалась, а точность 3D-печати повышалась, создавались более сложные формы. К примеру, в ноябре 2013 года энтузиастами из Kor Ecologic (США) был напечатан первый в мире 3D-автомобиль Urbee 2. Вес машины достигал 544 кг. Для печати использовалась технология FDM, прочные и легкие полимеры. В итоге автомобиль потреблял меньше топлива. На изготовление корпуса ушло 2,5 тыс. часов.

Презентация первого в мире автомобиля, напечатанного 3D-принтером (видео)

3 июля 2014 года компания Local Motors (США), специализирующаяся на мелкосерийном производстве автомобилей, представила автомобиль Strati, напечатанный на 3D-принтере за 44 часа. На предприятии используются технологии с открытым исходным кодом. Машина изготовлена из термопластика, армированного волокном. Вес корпуса без шасси, трансмиссии, тормозов и колес не превышал 225 кг. Готовый автомобиль состоял из 40 компонентов.

3D-принтер напечатал автомобиль Strati за 44 часа (видео)

В 2016 году на Берлинском авиасалоне компания Airbus представила беспилотный самолет Thor, полностью напечатанный на 3D-принтере. Для создания использовался полиамид. Сегодня 3D-технологии используются для изготовления металлических деталей некоторых коммерческих авиалайнеров. Такие детали на 30−50% легче, чем обычные. Отходов при производстве почти не остается.

Корпорация Airbus представила 3D-беспилотник на авиашоу в Берлине (видео)

Рынку сулят стабильный рост

По оценкам Markets And Markets, объем мирового рынка 3D-печати вырастет с $9,9 млрд в 2018 году до $34,8 млрд к 2024 году (CAGR 23,25%).

Объем мирового рынка 3D-печати, в 2018-2024 гг.

Год Объем рынка, в $млрд*
2018 9,9
2019 12,2
2020 15
2021 18,5
2022 22,9
2023 28,3
2024 34,8

* 2019-2024 гг. – прогноз, при CAGR 23,25%

Источник: Markets And Markets, 2019

Факторами роста рынка аналитики назвали:

  • простоту разработки индивидуальных продуктов;
  • сокращение производственных затрат;
  • государственные инвестиции в проекты 3D-печати;
  • разработку новых промышленных 3D-материалов для печати.

Объем мировых расходов на 3D-печать (оборудование, материалы, программное обеспечение и услуги) в 2019 году достигнет $13,8 млрд. Это на 21,2% больше, чем в 2018 году. По данным отчета IDC, к 2022 году объем рынка достигнет $22,7 млрд (CAGR в прогнозный период составит 19,1%). Две трети расходов в 2019 году придется на 3D-принтеры и материалы ($5,3 и $4,2 млрд соответственно). Расходы на услуги составят $3,8 млрд. Расти быстрее остальных будут расходы на материалы и программное обеспечение (20,3% и 17,1% соответственно).

Объем мировых расходов на 3D-печать, 2018-2022 гг.

Год Объем расходов, в $млрд*
2018 10,9
2019 13,8
2020 16,4
2021 19,5
2022 22,7

* 2019-2022 гг. – прогноз, при CAGR 19,1%

Источник: IDC, 2019

Крупнейшими отраслями для 3D-печати в 2019 году станут дискретное производство (более половины расходов) и медицина (расходы на уровне $1,8 млрд), образование ($1,2 млрд) и профессиональные услуги ($898 млн). На потребительский рынок придется 5% расходов ($647 млн).

Ведущие индустрии в 2019 году по расходам на 3D-печать

Отрасль Доля, %
Дискректное производство 53,8
Поставщики медицинских услуг 13,1
Образование 8,6
Профессиональные услуги 6,5
Потребительский сектор 4,7
Другие 13,3

Источник: IDC, 2019

Прототипы, запасные части и детали для новых продуктов (43% мировых расходов в 2019 году) – это основные варианты использования для дискретной обрабатывающей промышленности. Ведущие игроки на мировом рынке – Stratasys, 3D Systems, EOS, ExOne, EnvisionTEC, Arcam, ExOne и Materialize.

На технологии 3D-печати в 2019 году больше других потратят предприятия США (около $5,0 млрд), Западной Европы ($3,6 млрд) и Китая ($2,0 млрд). Российский рынок аддитивных технологий ежегодно прирастает на 20%. По итогам 2018 года объем рынка достиг 6 млрд руб. (или $950 млн в перерасчете по средневзвешенному курсу 62,7 рублей за доллар в 2018 году).

Расходы на 3D-печать по регионам мира, 2019 г.

Регион Расходы, в $млрд
США 5
Западная Европа 3,6
Китай 2
Россия* *0,89

* при курсе доллара ЦБ РФ на 22.08 в 66,78

Источник: IDC, МИСиС, 2019

В некоторых странах созданы центры компетенций и национальные программы поддержки отрасли. Например, в Великобритании принята Национальная стратегия аддитивного производства на 2018–2025 гг., в Сингапуре работает Национальный кластер инноваций в области аддитивного производства (NAMIC) и национальный Центр 3D-печати, в США создано частно-государственное партнерство America Makes. Кроме того, в США в октябре 2018 года принята Стратегия для лидерства страны в сфере прогрессивного производства, в котором есть раздел, посвященный 3D-печати. В России работает Центр аддитивных технологий. Также центры 3D печати сформированы по всему миру при вузах и исследовательских институтах.

Американцы напечатают ракету

Проекты в сфере 3D-печати реализованы во многих отраслях промышленности. С их помощью печатают элементы самолетов, железнодорожных вагонов. В США, пожалуй, крупнейшим проектом станет печать космической ракеты. Проект намерена реализовать частная компания Relativity Space. 3D-ракета может полететь в космос уже в 2020 году. Relativity Space использует 3D-принтер Stargate величиной со здание.

В 2018 году компания подписала с NASA Stennis Space Center (NASA SSC) соглашение, предусматривающее партнерство сроком на 20 лет. NASA выделит Relativity Space участок для испытаний в 25 акр с возможностью увеличения площади до 250 акр.

На 25 акрах поместятся четыре стенда для испытаний двигателей для ракет Terran. Relativity Space будет выпускать от 12 до 24 ракет Terran в год. Полезная нагрузка каждой – 1250 кг, а срок печати – 60 дней. К 2021 году компания наладит коммерческие запуски, а в долгосрочной перспективе – изготовление ракет прямо на Марсе.

Инженеры планируют напечатать ракету за 60 дней (видео)

Airbus печатает по заказу Finnair

Первая 3D-печатная деталь, видимая для пассажиров, скоро отправится в полет с Finnair. Корпорация Airbus наладила мелкосерийное производство 3D-деталей. Airbus и раньше использовал 3D-детали, но они выглядели неприглядно и использовались там, где пассажиры не смогут их видеть.

Вместе с бельгийской компанией Materialize Airbus избавилась от недостатков 3D-моделей. К примеру, теперь из органически чистых составляющих печатаются панели для кабины самолета. Они на 15% легче литых и выпускаются быстрее. Эти панели будут установлены в самолетах Finnair A320.

Airbus с помощью 3D-печати трансформирует изготовление деталей (видео)

Deutsche Bahn выпускает элементы для салона поездов

Немецкая железнодорожная компания Deutsche Bahn напечатала более 6 тыс. деталей для высокоскоростных поездов. Компания выпускает с помощью 3D-печати крючки для одежды, рамы подголовников и указатели Брайля для слепых. Недавно представители компании напечатали светильники для информационных панелей в вагонах поездов. От разработки до выпуска деталей прошел месяц. Напечатанные детали на 80% дешевле литых. Две трети деталей изготовлены из пластика, остальные – из металла.

Как Deutsche Bahn использует 3D-печать (видео)

ВВС США вооружились 3D-принтером

В апреле 2018 года ВВС США сертифицировали для использования в 60-ой эскадрилье технического обслуживания принтер Stratasys F900. Это первый принтер, разрешенный для использования в ВВС США.

Оборудование сократит время выпуска и получения больших пластиковых деталей. Установка принтера из-за строгих требований и обучения персонала заняла восемь месяцев. Первый проект будет реализован в августе 2019 года.

Напечатанная деталь для уборной самолета

Источник: База ВВС США Трэвис, 2019

В России тестируют 3D-принтеры

В июле 2019 года стало известно, что в Воронеже испытают первый серийный российский 3D-принтер МЛ-6 для послойной печати металлических изделий, разработанный компанией «Лазеры и аппаратура». Оборудование передано во временное пользование компании «Центр аддитивных технологий» (ЦАТ). ЦАТ отработает технологию, попробует выполнить заказы путем использования различного сырья для печати. Замечания ЦАТ помогут усовершенствовать МЛ-6.

МЛ6 – российский промышленный 3D-принтер (видео)

Еще один принтер – первый российский двухпорошковый двухлазерный, созданный специалистами Росатома, с 21 августа 2019 года тестируют на площадке НПО «Центротех». Его производительность на 60% выше, чем при использовании однолазерной системы. Предприятию заказали выпуск более 20 изделий.

20 августа 2019 года Экспертный совет Фонда развития промышленности одобрил финансирование четырех проектов, в том числе компании «Планар». Компания откроет в Ижевске производство контактирующих устройств и оснасток с использованием 3D-печати. Оборудование предназначено для испытаний радиоэлектронных изделий на воздействие внешних факторов и подтверждения их технических характеристик.

На российском рынке 80% такого оборудования – импортное. 3D-печать в два раза сократит сроки выпуска изделий, снизит себестоимость изготовления благодаря минимизации отходов сырья, позволит выпускать оборудование по требованию заказчика малыми партиями. Также в 2019 году в России началось строительство 3D-фабрики, которая будет выпускать детали для предприятий транспортного машиностроения.

Что ждет рынок в ближайшие годы

В недалеком будущем 3D-печать будет активно развиваться. Появятся новые методы печати. Например, группа исследователей факультета машиностроения Техасского университета в Далласе изобрела метод локализованного импульсного электроосаждения (L-PED). Ученые контролировали микроструктуру металла во время процесса печати и выяснили, что L-PED улучшает механические и электрические свойства 3D-печатных чистых кристаллических металлов.

Появятся новые материалы. К примеру, за прошедшие пять лет их перечень расширился в два раза. Стали использоваться смола, нержавеющая сталь, золото, серебро и титановая керамика. Аналитики не исключают, что к 2021 году из металла станут печатать чаще, чем из термопластика. Тенденция к этому уже наблюдается: объем металлической 3D-печати в 2017-2018 гг. вырос с 28% до 36%, а применение пластмасс снизилось с 88% до 65%.

Количество подаваемых патентных заявок на применение металла в 3D-печати, 1999-2019 гг.

Источник: SmarTech Analysis, 2018

В 2019 году выпущены металлические принтеры, которые печатают объекты размером 30x30x30 см. В итоге появилась возможность создавать крупные цельные объекты, а не собирать их из более мелких деталей.

3D-печать подходит для быстрого создания прототипов и мелкосерийного производства. Но о полномасштабном использовании технологии речь пока не идет. Согласно данным опроса Sculpteo «Состояние рынка 3D-печати» (The State of 3D Printing), 80% респондентов из сферы высоких технологий используют 3D-печать только для создания прототипов, а 47% – для ускорения разработки продукта. 3D-печать не способна полностью заменить традиционные методы производства из-за своей дороговизны. Для массового производства подходят другие технологии, такие как литье, штамповка, ковка и т.д.

При оформлении статьи использовано изображение MIT

 

 

Group 40Group 44Group 43Group 46Group 41Group 27Group 42Group 39