Аддитивные технологии в мире тенденции. Что это такое аддитивные технологии? Преимущества аддитивных технологий

Цифровое производство с использованием аддитивного метода заключается в послойном создании объекта любой сложности. Аддитивные технологии принципиально отличаются от тех, которыми пользовались до недавнего времени. Их главное отличие в том, что они являются не вычитающими, как, к примеру, метод ЧПУ обработки, а собирательными. Иными словами, происходит собирание изделия из изготовленных порошковой композицией деталей. По сравнению с техникой литья, штамповки или обработки ЧПУ данная технология повышает производительность до тридцати раз, но самое главное, что она дает возможность получить детали, которые традиционными способами было невозможно создать.

Инновационные 3D-аддитивные технологии позволяют создавать модели любых форм и размеров, так как послойной процесс синтеза происходит слой за слоем. Данный способ производства пользуется таким методом, как прототипирование. Этодает возможность создавать не готовый объект, который можно использовать для конкретных целей, а его прототип, позволяющий оценивать возможности и характеристики модели, ее внешние данные и т. д.

Прототипы можно представлять заказчикам, а такжеиспользовать в маркетинговых целях. К примеру, на автомобильных выставках часто используются модели, созданные с помощью быстрого прототипирования, для того чтобы представить их потенциальным заказчикам. Данная технология позволяет производить прототипы быстро,а главное - недорого по сравнению со стандартными методами производства.

Технологии аддитивного производства широко используются для уменьшения затрат при проектировании за счет определения возможных ошибок на ранних стадиях проектирования. Кроме того, данная технология сокращает время выхода продукта на рынок за счет усиления связи между заказчиком и проектировщиком. Она практически полностью исключает трудоемкий и длительный этап изготовления опытных образцов.

История развития и сфера применения 3D-аддитивных технологий

Многие считают объемную печать изобретением 21 столетия, однако техника аддитивной печати зародилась еще в восьмидесятых годах прошлого века. И ее отцом считают Ч. Халла - человека, сконструировавшего первый стереолитографический 3D-принтер, работающий на SLA-технологии. Вскоре другой инженер - С. Крамп смог спроектировать и создать FDМ-принтер. И, несмотря на то, что данные технологии печати немного отличаются друг от друга, их объединяет один принцип - послойное выращивание трехмерной модели. К концу девяностых годов обе технологии стали применяться в промышленности. Чуть позже 3D-технология была внедрена двумя студентами Массачусетского института в настольные принтеры, и сегодня аддитивные технологии, технологии 3D-моделирования широко используют не только в производстве, но и в быту.

На данный момент современные технологии цифрового производства применяются в строительстве, архитектуре, медицине, космонавтике, машиностроении и других сферах деятельности. Так, например, аддитивные технологии в машиностроении позволяют создавать качественные прототипы моделей, помогающих изучить все характеристики будущего изделия или агрегата. При создании прототипов чаще всего применяется стереолитографический метод AF-печати, при котором слои жидкого полимера отвердевают благодаря использованию лазера. Методика позволяет получать прототипы сложнейших объектов с множеством мелких элементов, в том числе нестандартной формы.

Какие задачи решает применение аддитивных технологий на цифровом производстве?

Интегрированная компьютерная цифровая система управления производством включает в себя применение средств численного моделирования, трехмерной (3D) визуализации, инженерного анализа и совместной работы, предназначенных для разработки конструкции изделий и технологических процессов их изготовления.

Проектирование цифрового производства- это концепция технологической подготовки производства в единой виртуальной среде с помощью инструментов планирования, проверки и моделирования производственных процессов. Технологии цифрового производства - это, прежде всего, процессы перевода цифрового дизайна в физический объект.

Применение аддитивных технологий решает такие задачи цифровых производств, какмодернизация и автоматизация действующих и проектирование новых эффективных машиностроительных производств различного назначения, средств и систем их оснащения, а также производственных и технологических процессов с использованием автоматизированных систем технологической подготовки производства.

Аддитивная технология - сравнительно молодое, но очень популярное явление. Название этой технологии происходит от англоязычного термина Additive Manufacturing, что в буквальном переводе означает “производство через добавление”. Аддитивная технология означает метод изготовления путем послойного наращивания сырья.

Самый известный пример применения аддитивных технологий - популярные 3D-принтеры. Все виды данных устройств работают по технологии послойного синтеза.

Аддитивные технологии производства совершили революционный прорыв во многих отраслях - медицинской, строительной, конструкторской, машиностроительной, дизайнерской.

Экскурс в историю

Технологии 3D-печати считают главным открытием XXI века, но история этих инновационных устройств началась еще в XX веке. Изобретателем технологии и основателем новой отрасли стал инженер Чарльз Халл, основатель и владелец компании 3D-Systems.

В 1986 году Чарльз собрал первый в истории стереолитографический 3D-принтер. Примерно в тот же период другой инженер - Скотт Трамп - создал первый в своем классе FDM-аппарат. Два этих знаковых изобретения положили начало стремительного развития рынка трехмерной печати.

Новый этап развития

Следующим шагом в эволюции 3D-печати стало внедрение технологии послойного синтеза в корпус обычного настольного 3D-принтера, которое осуществили студенты Массачусетского технологического университета Тим Андерсон и Джимми Бредт. Впоследствии ими была основана компания Z Corporation, долгое время остававшаяся лидером отрасли.

Современные аддитивные технологии

Сейчас аддитивные технологии переживают период мощнейшего развития и повсеместной популяризации.

Исторически самая первая и точная аддитивная технология - стереолитография. Это метод поэтапного отверждения полимера при помощи лазера. Данную технологию применяют в прототипировании, при изготовлении макетов и элементов дизайна с высоким уровнем детализации.

Селективное лазерное спекание - инновационный метод отверждения жидкого фотополимера. Данная технология позволяет работать с цементом, керамической глиной, сложными полимерами, металлическим порошком.

Наиболее востребованными в бытовом смысле остаются FDM-принтеры, воссоздающие объекты путем наслоения пластиковой нити. Ранее принтеры были способны создавать объекты в одном цветовом решении, но сейчас на рынке появились устройства, использующие несколько видов цветных пластиковых нитей.

Центр аддитивных технологий

На российском рынке существует молодая компания, которая специализируется на применении аддитивных технологий. ОАО «Центр аддитивных технологий» работает на стыке компетенций дизайна, проектирования и расчетов, оптимизации технических решений и производства.

Компания располагает большим парком 3D-принтеров промышленного масштаба ведущих мировых производителей: MK Technology GmbH, EOS GmbH, 3D Systems, Stratasys, Envisiontec.

Основное направление работы центра - сотрудничество с предприятиями с целью разработки и реализации новой продукции и уникальных технологий. Также центр специализируется на разработке и производстве настольных портативных 3D-принтеров и сканеров. Данные 3D-устройства способны воплотить технологии прототипирования в бытовых условиях и идеально подходят для первого знакомства с аддитивными технологиями и основами 3D-печати.

Аддитивные технологии в машиностроении

Аддитивные технологии активно применяются в автомобильной отрасли. Команда американского инженера Джима Корра, основателя Kor Ecologic, более 15 лет работает над проектом Urbee - первым прототипом 3D-автомобиля. Следует сказать, что на принтере напечатан лишь кузов и некоторые детали - каркас авто металлический.

Данный автомобиль развивает небольшую максимальную скорость в 112 километров, но обладает низким лобовым сопротивлением благодаря дизайну корпуса и способен проезжать на электродвигателе порядка 65 километров.

Аддитивная технология используется и в прототипе американской компании Local Motors, которая готовит к массовому производству свои электрокары. Прототипы компании обладают современным дизайным, большим запасом хода и искусственным интеллектом.

Аддитивные технологии: применение

В современно мире аддитивные технологии применяются во многих отраслях и потенциально могут использоваться в каждой. Мировые таблоиды периодически потрясают новости о том, как на 3D-принтере напечатали оружие, человеческий орган, одежду, дом, автомобиль.

Потенциал развития данных технологий действительно высок и способен на порядок ускорить развитие научного-технического прогресса - научные лаборатории при помощи 3D-принтеров создают инновационные материалы и ткани. Применение аддитивных технологий в промышленности позволяет производителям ускорить прототипирование новых образцов и сократить путь от идеи до реализации. Архитектурная и строительная отрасли пытаются использовать потенциал аддитивных технологий на 100 %. Дизайнерский бизнес переживает новый этап развития благодаря аддитивному оборудованию.

Перспективы развития отрасли крайне благоприятны. Финансовые аналитики предсказывают рынку 3D-печати стремительный рост. Научно-исследовательские центры, которые занимаются аддитивными разработками, финансируются оборонным комплексом и медицинскими государственными институтами

Аддитивные технологии - один из главных мировых трендов, упоминаемых в контексте новой промышленной революции. Ежегодный рост этого рынка, который на самом деле еще не сформирован и не имеет четких границ, варьируется в пределах 20-30%.

Так, ведущая консалтинговая компания в индустрии 3D-печати Wohlers Associates сообщила в своем очередном ежегодном отчете (Wohlers Report 2017), что индустрия аддитивного производства выросла в 2016 году на 17,4% (в 2015-м - на 25,9%) и составляет сейчас свыше $6 млрд. Если в 2014 году системы 3D-печати выпускали 49 компаний, то по итогам прошлого года число производителей увеличилось до 97. Эксперты дают самые оптимистичные прогнозы - по оценкам аналитической компании Context, рынок аддитивных технологий достигнет $17,8 млр уже к 2020 году. Аналитики The Boston Consulting Group посчитали: если к 2035 году компаниям удастся внедрить 3D-печать хотя бы на 1,5% от своих общих производственных мощностей, то объем рынка превысит к этому времени $350 млрд.

Ажиотаж вокруг этой темы вполне объясним. В отличие от традиционных технологий обработки металла, аддитивное производство построено не на вычитании, а на добавлении материала. На выходе получаются детали сложной геометрической формы, сделанные в короткие сроки. Когда скорость изготовления продукции сокращается в десятки раз и коренным образом меняются издержки, это меняет всю экономику машиностроения.

За счет чего происходит удешевление производства? Во-первых, снижается число комплектующих частей создаваемых деталей. Например, чтобы изготовить обычным методом топливную форсунку для реактивного двигателя, необходимо приобрести около 20 разных запчастей и соединить их с помощью сварки, что является трудоемким и затратным процессом. Применение же 3D-печати позволяет создавать форсунку из одного цельного куска.

Благодаря этому снижается и вес готовой детали, что особенно ценно для авиационной отрасли. Производители авиадвигателей уже научились создавать аддитивным способом различные кронштейны и втулки, которые на 40-50% легче своих «традиционных» аналогов и не теряют при этом прочностных характеристик. Почти вдвое удается снизить вес и отдельных деталей в вертолетостроении, например, связанных с управлением хвостовым винтом российского вертолета «Ансат». Уже появились и первые прототипы 3D-печатных четырехцилиндровых автомобильных двигателей, которые на 120 кг легче стандартных аналогов.

Другой важный момент - экономия исходного сырья и минимизация отходов. Собственно, сама суть аддитивных технологий заключается в том, чтобы использовать ровно столько материала, сколько требуется для создания той или иной детали. При традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 85%. Но наиболее, пожалуй, важное преимущество аддитивных технологий заключается в том, что трехмерные компьютерные модели деталей можно мгновенно передавать по сети на производственную площадку в любую точку мира. Таким образом, меняется сама парадигма промышленного производства - вместо огромного завода достаточно обладать локальным инжиниринговым центром с необходимым 3D-оборудованием.

Впрочем, так обстоят дела в теории. На практике же сфера аддитивного производства - это история про поливариативность, про то, как технологии опередили возможные сценарии их применения. Вся передовая промышленная общественность осознает, что в их руках находится крайне перспективная базовая технология, но что с ней делать - остается открытым вопросом.

На сегодняшнем этапе главной задачей является как раз поиск сфер применения аддитивных технологий, и пока эту проблему еще никто не решил. Не найден ответ и на другой фундаментально важный вопрос: где находится тот «водораздел», при котором применение аддитивных технологий становится экономически эффективнее традиционных, классических способов - штамповки и литья? К примеру, ни один из крупных мировых игроков по производству газовых турбин, в том числе и на российском рынке, пока не определился в том, какая из конкурирующих технологий будет применяться в будущем для производства лопаток для двигателя самолета - аддитивные технологии или традиционное литье.

Программы поддержки аддитивной промышленности в зарубежных странах сводятся в основном к двум направлениям - финансированию НИОКР и формированию консорциумов, объединяющих предприятия, исследовательские центры и университеты.

К примеру, в США в 2012 году был создан Национальный институт инноваций в области аддитивной промышленности («America Makes») с целью объединения усилий американских компаний и научных кругов, занимающихся передовыми производственными технологиями. Общая стоимость проекта составила $70 млн, из них $30 млн вложило правительство. Основным куратором Института выступает Министерство обороны США, поэтому созданный акселератор поддерживает инновационные разработки, связанные также с военной сферой. Такие, например, как напечатанный на 3D-принтере гранатомет RAMBO .

Практически каждый десятый 3D-принтер произведен в Китае, а местный рынок аддитивных технологий, согласно прогнозам, будет показывать ежегодный рост на 40% и превысит к 2018 году 20 млрд юаней . При помощи технологии 3D-печати цементными смесями китайцы даже печатают жилые дома и «офисы будущего» на берегу Персидского залива. Ключевой структурой в стране, объединяющей несколько десятков местных инновационных центров, является Индустриальный альянс Китая по технологиям 3D-печати.

Россия пока отстает от стран – технологических лидеров по вкладу в общий рынок аддитивных технологий. Но я бы не стал называть это отставание критичным. Просто потому, что глобальная конкурентная борьба ведется не на «поляне» создания непосредственно аддитивных машин, принтеров и порошков. Конкуренция состоит в поиске рыночных ниш применения аддитивных технологий. Выиграет в ней не тот, кто нарастит производство своих аддитивных установок или сырья, а тот, кто поймет, что именно нужно печатать, для чего, и в каких областях это принесет максимальный экономический эффект.

В оживленных дискуссиях, которые ведутся сейчас на тему развития аддитивных технологий, противопоставляются обычно две крайности. Одна из них - «мы напечатаем всё»: дома, самолеты, танки, ракеты. Другая крайность – «все аддитивные технологии экономически неэффективны». И это тоже одна из ключевых системных проблем.

На сегодняшний день можно четко очертить только такие направления применения аддитивных технологий, как прототипирование и создание деталей сверхсложной геометрии. Например, на рынке систем прототипирования присутствуют сегодня более 30 отечественных серийных производителей 3D-принтеров, использующих технологию печати пластиковой нитью. Они выпускают около 5 000 принтеров ежегодно. Причем доля российских комплектующих в этих изделиях составляет порядка 70%.

В этот небольшой круг направлений можно добавить также быстрое мелкосерийное производство изделий по индивидуальному заказу. Однако производство конечных продуктов и быстрое изготовление прототипов – это две разные производственные «философии». Аддитивные технологии призваны, скорее, дополнить традиционные методы металлообработки, нежели заменить их, как предрекают многие эксперты.

Что происходит сейчас с мировой индустрией? Из большой промышленности, нацеленной на достижение эффекта масштаба, она превращается в глобальную гибкую сеть индивидуализированных производств. Аддитивные технологии также позволяют современному производству мигрировать из продуктового в сервисный сегмент.

Простой пример, уже реализованный на практике, – беспилотный летательный аппарат для нужд обороны, полностью напечатанный на 3D-принтере. Так как при его проектировании и изготовлении все основные процессы были автоматизированы, нет никакой нужды держать на каком-то заводе большой запас запчастей для этой техники. Вместо того чтобы отправлять ремонтировать беспилотник на завод, необходимые элементы можно будет печатать прямо на месте. Рабочие лопатки двигателей пока не печатают, но уже осуществляют их ремонт методом лазерной порошковой наплавки.

Чисто гипотетически можно провести аналогичную параллель с авианосцем, находящемся в походе, или с поездом. Имеющийся в распоряжении ремонтников принтер помог бы доработать или отремонтировать определенные детали, например, те же лопатки. Таким образом, аддитивные технологии, вероятнее всего, займут свое место именно в сервисном сегменте, отражая один из главных трендов развития современных промышленных технологий – кастомизацию продукции под потребителя.

В этой связи государственная политика по развитию данной сферы в России, должна опираться на следующие основные направления. Во-первых, это создание условий для снижения рисков, связанных с пилотным внедрением аддитивных технологий. В частности, с недавних пор действует новый механизм субсидирования, когда государство компенсирует предприятию 50% расходов, понесенных им при производстве и реализации пилотных партий промышленной продукции. Во-вторых, поддержку проектам в сфере аддитивных технологий оказывает Фонд развития промышленности, выдавая компаниям целевые льготные займы от 50 до 500 млн рублей под 5% годовых. Кроме того, участники рынка могут претендовать на финансовую поддержку со стороны государства для погашения части понесенных затрат на НИОКР.

Стимулирование разработок в сфере аддитивного производства необходимо поддерживать, так как их применение в современной промышленности – это долгий поиск, путем проб и ошибок, оптимальных ниш для решения конкретных задач. Например, можно создать что-то вроде «открытой библиотеки» технологических решений, объясняющей, как на конкретном станке, используя конкретный порошок, можно изготовить определенную деталь.

Другая важная задача – формирование эффективных площадок для взаимодействия конечных заказчиков с производителями материалов и оборудования. Такой Центр аддитивных технологий уже создается Ростехом на базе производителя газотурбинных двигателей НПО «Сатурн», имеющего многолетний опыт работы в области аддитивных технологий. Идею создания центра поддержали крупнейшие представители российской авиационной отрасли: Роскосмос, ОАК, ОДК, «Вертолеты России», «Технодинамика», КРЭТ и др.

Кроме того, тема аддитивных технологий - это прерогатива стартапов. Сейчас они зачастую просто скупаются мировыми технологическими гигантами. И сложно определить истинный мотив принятия данных решений: является ли это искренним желанием вкладываться в перспективное аддитивное направление, или же это просто попытка повысить свою капитализацию за счет своевременного поддержания модного тренда.

Так, в прошлом году американский концерн General Electric приобрел за $1,4 млрд две европейские компании, специализирующиеся на 3D-печати, - шведскую Arcam AB и немецкую SLM Solutions Group AG. Корпорация Siemens увеличила до 85% долю в британской компании Materials Solutions, специализирующейся на аддитивных технологиях в газотурбостроении. В начале 2017 года BMW, Google и Lowe’s сообща инвестировали $45 млн в американский стартап Desktop Metal, занимающийся созданием инновационной технологии 3D-печати металлических изделий. В общей сумме инвесторы вложили в этот проект, состоящий из 75 инженеров и программистов, уже около $100 млн

В связи с этим важно не допустить ситуации, при которой мы могли бы потерять наши успешные российские стартапы в сфере аддитивного производства. Разумеется, нельзя обойтись и без подготовки соответствующих инженерных кадров, которые могли бы профессионально разбираться в том, что целесообразно печатать, а что эффективнее продолжать делать традиционным методом.

Таким образом, основная проблема на сегодня заключается не в том, чтобы разработать современный отечественный 3D-принтер или создать качественные порошки (технологии ради самой технологии – довольно бессмысленная вещь), а в том, чтобы в нужном месте правильно применить уже имеющиеся на рынке разработки. Для этого у нас должны быть российские компании-драйверы, которые активно работали бы с этими технологиями, и максимально рационально и эффективно применяли бы их на практике.

Это госкорпорация Росатом, которая делает сейчас особую ставку на развитие аддитивных технологий, формируя собственную базу оборудования, материалов и технологий для выхода на новые внешние рынки. Это передовые наши компании в авиационной и ракетно-космической отрасли, которые объединились на базе упомянутого мной центра аддитивных технологий. Это Ростех, в состав которого входит «Объединенная двигателестроительная корпорация» (ОДК) – один из главных российских драйверов внедрения аддитивных технологий. Кроме того, в регионах создаются инжиниринговые центры – «точки роста» для инновационных компаний, которые помогают коммерциализировать разработки и доводить лабораторные образцы продукции до ее серийного производства.

Подобные, по-своему прорывные, примеры уже есть. Аддитивные технологии были успешно применены при изготовлении деталей двигателя ПД-14 для гражданской авиации, а также в конструкции нового газотурбинного двигателя морского применения, начало серийного производства которого запланировано на 2017 год. В области промышленного дизайна и быстрого прототипирования у российских специалистов есть передовые разработки, связанные со стрелковым оружием и аэрокосмической отраслью.

Это примеры успешного нахождения сфер для применения аддитивных технологий. Уже сейчас очевидно, что стопроцентной такой нишей станет медицина. Эндопротезы, биопринтинг, зубные мосты, ортопедия… Здесь аддитивные технологии уже переживают расцвет. В числе других потенциальных отраслей – инструментальная промышленность (производство инструментов и их шаблонов), космическая и авиационная сферы (легкие детали со сложной геометрией, компоненты турбин).

Аддитивные технологии связаны с поиском конкретных ниш, но и традиционная металлообработка не сдаст своих позиций в ближайшие годы. Важно не пропустить возможное изменение производственной парадигмы в тех отраслях, где мы традиционно сильны, а также искать новые сферы применения аддитивных технологий. Ведь ключевой вопрос заключается не в том, чтобы догнать и перегнать конкурентов, а в самой целесообразности этого забега и понимании того, на правильном ли треке мы находимся в конкретный момент.

Мировой рынок аддитивных технологий растет с каждым годом: уже сегодня его объем превышает $5 млрд, а после 2025 года будет составлять более $21 млрд. Страны-технологические лидеры, такие как США, Германия, Великобритания, Япония и другие, суммарно контролируют более 50% мирового рынка аддитивного производства и останутся локомотивами его развития в долгосрочной перспективе. На долю России пока приходится порядка 1% рынка, при этом страна отстает от лидеров по всем основным направлениям – начиная от производства материалов и оборудования и заканчивая внедрением готовой продукции.Обзор мирового рынка

Ежегодные темпы роста мирового рынка аддитивных технологий составляют 15%. При сохранении CAGR на этом уровне к 2025 году объем рынка увеличится с текущих $5,31 млрд до $21,5 млрд.

К этому времени до 51% рынка будет приходиться на авиационную промышленность, сферу здравоохранения и автомобилестроение. Отрасли, в которых в 2025 году будет наиболее заметно использование технологий аддитивного производства, показаны на рис. 1.

Сегмент «Прочие» включает энергетическую и пищевую промышленность, строительную отрасль и др.

Страны Северной Америки были и остаются крупнейшим потребителем аддитивных технологий в мире. В 2015 году объем североамериканского рынка оценивался $2,35 млрд с перспективой роста до $7,65 млрд к 2025 году. Второй по величине – это рынок стран Европы и Ближнего Востока. В 2015 году его суммарный объем составлял $1,81 млрд, а к 2025 году он может увеличиться до $7,18 млрд.

Одним из самых быстро растущих является рынок Азиатско-Тихоокеанского региона. В период 2015-2025 гг. ежегодные темпы роста составят 18,6%, а объем увеличится более чем в пять раз – с $1,01 млрд в 2015 до $5,56 млрд в 2025 году. При этом на долю Китая будет приходится порядка 70%.

В странах Северной Америки технологии 3D-печати активно внедряются в аэрокосмической, оборонной и автомобильной отраслях. В последние годы резко увеличилось количество стартап-проектов как в этих, так и других сферах.

Внедрение аддитивных технологий в Европе и на Ближнем Востоке происходит медленнее, чем в странах Северной Америки. Основной фокус здесь делается на использование 3D-печати на основе лазерных технологий в судостроительной отрасли и в промышленности. В то же время в последние годы отмечается рост инвестиций в технологии 3D-печати со стороны автомобилестроительных компаний.

Китай широко применят 3D-печать для массового производства компонентов для аэрокосмической промышленности. Прогнозируемое снижение стоимости производства позволит стране в ближайшие годы нарастить объемы выпускаемой продукции.

Ключевые тенденции

К характерным тенденциям мирового рынка аддитивных технологий последних лет можно отнести:

• Постоянное увеличение доли деталей, изготавливаемых с использованием аддитивных технологий, в качестве конечных («готовых») изделий – direct manufacturing
• Стремительное развитие технологий 3D-печати, снижение сроков и стоимости производства за счет применения гетерогенных материалов
• Увеличение масштабов внедрения технологий 3D-печати в авиационной, аэрокосмической отраслях, автомобилестроении, сфере здравоохранения, а также в сегменте производства потребительских товаров
• Применение 3D-печати для создания быстро переналаживаемых производств, позволяющих сократить время от этапа разработки концепции до создания опытного образца на 70 и более процентов
• Рост объема финансирования НИОКР в сфере аддитивного производства
• Консолидацию рынка путем формирования консорциумов, объединяющих предприятия, исследовательские центры и университеты, а также объединение бывших конкурентов. Практически ежегодно на рынке появляются новые компании, новые технологии. Но часть из них, не выдерживая конкуренции, исчезает, а часть – уходит под крыло крупных компаний
• Создание специализированных организаций с целью объединения усилий компаний и научных кругов, занимающихся разработкой решений для аддитивного производства (пример – Американский Национальный институт инноваций в области аддитивной промышленности («America Makes»)
• Удешевление производства за счет снижения стоимости оборудования и повышения доступности технологий

  Ключевые игроки

  Число производителей оборудования для аддитивного производства также увеличивается с каждым годом. На сегодняшний день лидерами мирового рынка являются следующие компании:

  • 3D Systems (США)
  • EOS GmbH (Германия)
  • SLM Solutions (Германия)
  • Stratasys (США)
  • Objet Geometries (США-Израиль)
  • EnvisionTEC (США-Германия (DLP)
  • ExOne (США)
  • Voxeljet (Германия)
  • Arcam AB (Швеция)

    Значимые слияния и поглощения (M &A)

    • В 2016 году американский концерн General Electric приобрел две европейские компании, специализирующиеся на 3D-печати, – шведскую Arcam AB и немецкую Concept Laser GmbH. Сумма сделки составила $1,4 млрд
    • Корпорация Siemens до 85% увеличила долю в британской компании Materials Solutions, специализирующейся на аддитивных технологиях в газотурбиностроении
    • В начале 2017 года BMW, Google и Lowe’s инвестировали $45 млн в американский стартап Desktop Metal, занимающийся созданием инновационной технологии 3D-печати металлических изделий. В общей сложности инвесторы вложили в этот проект, состоящий из 75 инженеров и программистов, более $100 млн
    • В апреле 2012 года произошло слияние компаний Stratasys (США) и Objet (Израиль)
    • Компания по производству металлопорошковых машин MTT Technologies (Великобритания) объединилась с Renishaw с целью продвижения своей продукции
    • Компания 3D Systems в течение последних нескольких лет купила более 20 фирм, работающих в области производства 3D-принтеров, программных продуктов, материалов и в сфере оказания услуг. Одной из крупнейших сделок стала покупка в январе 2012 года компании ZCorporation за $135 млн

      Прогнозы развития

      • Применение гранул и порошковых материалов в 3D-печати позволит отказаться от использования треугольных и цилиндрических форм при изготовлении изделий
      • Применение углеродистого (графитового) волокна и металлопорошков позволит улучшить механические, химические и термические характеристики изделий (в частности, для нефтегазовой и оборонной отраслей)
      • Производители систем компьютерного проектирования и моделирования (CAD, CAE) ведут разработки решений для 3D-печати, которые позволят снизить погрешность при изготовлении изделий и повысить точность производства
      • Усовершенствование характеристик и развитие аддитивных технологий позволит повысить точность, скорость и качество 3D-печати. К 2020 году скорость работы 3D-принтеров увеличится вдвое
      • Одним из ключевых направлений развития сервисных услуг на рынке 3D-печати станет лизинг 3D-принтеров
      • Развитие получит производство 3D-принтеров, позволяющих создавать крупногабаритные изделия с высокой точностью
      • Материал «графен», известный своими уникальными физическими и электрическими свойствами, будет применяться для производства металлических жил (волокон) и элементов питания

      

      Технологии аддитивного производства в авиационной и аэрокосмической отраслях

      Аддитивные технологии сегодня широко применяются в авиационной и аэрокосмической промышленности для производства комплектующих из металла, а также упрощения процессов их тестирования. Благодаря высокой производительности печатной 3D-технологии, появилась возможность упростить и ускорить процесс производства деталей из таких металлов как алюминий, медь, железо и магний. Также 3D-технологии могут применяться в производстве крышек топливных баков, легковесных деталей двигателя и многих других деталей.

      Авиационная промышленность остается одним из ключевых драйверов роста мирового рынка аддитивного производства. К 2025 году на ее долю будет приходиться около 15% от общего объема рынка.

      В 2015 году объем рынка технологий аддитивного производства в авиационной промышленности составлял $723,2 млн. Согласно прогнозам, к 2021 году он увеличится до $2,23 млрд.

      Основные сегменты

      Основными сегментами рынка аддитивных технологий в авиационной промышленности являются: производство готовой продукции (46,5%), сервисные услуги (32,3%), поставка исходных материалов (21,2%).

      

      Сервисный сегмент включает в себя услуги (годовое техническое обслуживание, установка и пуско-наладка оборудования и средств производства изделий) предоставляемые подрядными организациями на контрактной основе.

      Сегмент поставки сырья включает исследование, разработку (НИОКР) и поставку новых видов материалов компаниям авиационного комплекса.

      Ключевые тенденции

      Сегмент оказания сервисных услуг растет быстрыми темпами и к 2021 году обойдет сектор производства готовой продукции. При CAGR на уровне 25,3% к 2025 году его объем составит $905 млн (против $233,8 млн в 2015 году) или 40,5% от общего объема рынка. Основными драйверами роста станут увеличение числа договоров и повышение спроса на услуги по обслуживанию ранее приобретенных оборудования и деталей летательных аппаратов, находящихся в эксплуатации.

      Ежегодные темпы роста сегмента производства готовой продукции будут ниже – на уровне 14,1%. К 2021 году он будет занимать 33,2% в структуре рынка, а его объем составит $740,7 млн (против $336,2 млн в 2015 году). Рост будет обеспечиваться расширением номенклатуры продукции, изготавливаемой с использованием аддитивных технологий.

      К другим тенденциям рынка аддитивных технологий в авиационной промышленности следует отнести:

      • Увеличение масштабов использования аддитивных технологий при производстве комплектующих летательных аппаратов, постепенное вытеснение ими традиционных методов производства
      • Сокращение времени и снижение стоимости (до 10 раз) производства отдельных комплектующих
      • Все больше компаний, выпускающих изделия из пластика и керамики с использованием аддитивных технологий, будут осваивать технологии производства комплектующих из металла
      • В период до 2021 года количество сделок по слиянию и поглощению будет расти с каждым годом. Компании продолжат объединяться с целью расширения номенклатуры и повышения качества производимой продукции и предоставляемых услуг
      • Децентрализация крупных производств приведет к росту числа малых производственных предприятий и, как следствие, снижению стоимости выпускаемой продукции
      • Оптимизация цепочки поставок готовой продукции

        Ключевые игроки

        По состоянию на 2015 год на долю четырех крупнейших компаний приходилось 71,8% рынка аддитивных технологий в авиационной промышленности. Однако появление новых игроков, специализирующихся на аддитивном производстве металлических изделий, может привести к снижению доли лидеров к 2021 году.

        

        Применяемые технологии

        Основные технологии аддитивного производства, применяемые в авиационной и аэрокосмической промышленности, включают:

        • Метод послойного плазменного осаждения металлического волокна с использованием плазменной установки с дуговым подогревателем (применяется компаниями Norsk Titanium и университетом Кренфилда)
        • Метод послойного электронно-лучевого наплавления (применяется компанией Sciaky) и метод послойного лазерного наплавления металлического волокна (применяется Optomec, DM3D, RPM Innovations)
        • Метод послойного лазерного наплавления металлического порошка (применяется Optomec, Accufusion, BeAM, DM3D)
        • Метод послойного селективного лазерного наплавления металлического порошка (применяется EOS, Concept Laser, SLM Solutions, Realizer, Renishaw, 3D Systems)
        • Метод послойного селективного электронно-лучевого наплавления металлического порошка (применяется Arcam)
        • Указанные технологии применяются в авиационной и аэрокосмической промышленности для производства таких видов оборудования и компонентов, как входные клапаны, реактивные сопла, лопатки турбин, воздухозаборники, комплектующие крыла летательных аппаратов, шарнирные навески, инжекторы авиационных двигателей и др.

        

        Драйверы и ограничители рынка аддитивных технологий в авиационной и аэрокосмической отраслях

        Драйверы:

        • Рост спроса на новые летательные аппараты в мире – как гражданские авиалайнеры, так и грузовые самолеты
        • Необходимость снижения стоимости производства авиалайнеров и отдельных комплектующих
        • Необходимость повышения эффективности производственных процессов с целью снижения временных затрат на производство авиалайнеров и отдельных комплектующих
        • Необходимость оптимизации цепочки поставок готовых видов продукции
        • Переход к производству цельных готовых конструкций (отказ от сборки с применением разных деталей и комплектующих)
        • Упрощение процессов испытания и сертификации готовых изделий
        • Необходимость сокращения топливных расходов компаний за счет применения меньшего числа комплектующих при производстве летательных аппаратов и, как следствие, снижения их веса
        • Необходимость сокращения объема отходов производства

          Ограничители:

          • Комплектующие, изготовленные с помощью аддитивных технологий, должны соответствовать стандартам, установленным для изделий, производимых традиционными методами
          • В отдельных случаях внедрение комплектующих, изготовленных с использованием аддитивных технологий, сдерживается их несоответствием отраслевым стандартам
          • Производство отдельных комплектующих с использованием аддитивных технологий может быть освоено только в долгосрочной перспективе
          • Количество изделий, производимых с использованием аддитивных технологий, пока остается сравнительно небольшим
          • Темпы замены старых комплектующих на изделия, производимые с использованием аддитивных технологий, остаются низкими
          • Механические свойства отдельных материалов, применяемых для аддитивного производства, не позволяют использовать их в авиационной промышленности

            Основные прогнозы до 2021 года

            Анализ рынка технологий аддитивного производства применительно к авиационной и аэрокосмической промышленности позволяет сделать следующие прогнозы в перспективе до 2021 года:

            • Объем производства новых авиалайнеров (гражданских и грузовых) в мире будет увеличиваться, что создаст устойчивый спрос на металлические изделия, изготовленные с использованием аддитивных технологий
            • Основными заказчиками изделий станут крупные авиаконцерны (в том числе Boeing и Airbus)
            • Авиационная и аэрокосмическая промышленность будет формировать устойчивый спрос на услуги сервисных компаний. Число заключаемых сервисных договоров будет увеличиваться с каждым годом
            • Номенклатура деталей и комплектующих для летательных аппаратов, производимых с использованием аддитивных технологий, будет увеличиваться
            • Наряду с этим ожидается увеличение спроса на системы компьютерного проектирования и моделирования (CAD, CAE)
            • Объем финансирования программ НИОКР, нацеленных на развитие аддитивного производства в авиационной промышленности, будет увеличиваться
            • Ужесточение конкуренции на рынке приведет к повышению качества производимой готовой продукции и предоставляемых услуг в сфере аддитивного производства

              Аддитивные технологии в России

              С точки зрения вклада в общий рынок аддитивных технологий, Россия пока сильно отстает от стран-технологических лидеров. Причем отставание отмечается по всем основным направлениям – производство оборудования для 3D-печати, масштабы применения технологий в ключевых промышленных отраслях, производство сырья и вспомогательных материалов и т.д. На данный момент доля России в структуре мирового рынка аддитивного производства составляет около 1%.

              Потребности России в металлических порошках для 3D-принтеров, а также оборудовании закрываются преимущественно за счет импорта продукции. Основные объемы поставок сырья приходятся на Германию и Великобританию.

              Среди крупнейших потребителей порошковых материалов на российском рынке можно назвать такие предприятия, как ПАО «Авиадвигатель» и ПАО «НПО «Сатурн» (в обоих случаях – разработка газотурбинных технологий и двигателей), а также ЗАО «Новомет-Пермь» (производство погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти). Значительную работу по развитию и продвижению аддитивных технологий проводят госкорпорации «Росатом» и «Роскосмос».

              Очевидно, что стимулирование разработок в области аддитивного производства в России необходимо поддерживать как с помощью государственного субсидирования (компенсации затрат предприятий на производство и НИОКР), так и за счет прямых инвестиций. Одним из крупнейших игроков, оказывающих финансовую поддержку проектам в сфере аддитивных технологий, является Фонд развития промышленности, выдающий компаниям льготные займы.

              О компании Frost & Sullivan

              Frost & Sullivan - международная консалтинговая компания, поддерживающая партнерские отношения с клиентами. Мы помогаем заказчикам встать на путь стратегических инноваций, справиться с глобальными вызовами и реализовать открывающиеся возможности для роста. Вот уже более 50 лет Frost & Sullivan разрабатывает эффективные стратегии роста для компаний из списка Global 1000, молодых развивающихся фирм, государственных институтов и инвестиционно-финансовых организаций.

Аддитивные технологии находят активное применение в энергомашиностроении, приборостроении, авиационной промышленности , космической индустрии, там, где высока потребность в изделиях сложной геометрии. В России с аддитивными технологиями познакомилось уже немало предприятий. Предлагаем вашему вниманию материал из альманаха «Управление производством» , в котором описывается несколько примеров эффективного внедрения 3D-печати.

Аддитивные технологии открыли возможность изготовления деталей любой сложности и геометрии без технологических ограничений. Геометрию детали можно менять еще на стадии проектирования и испытания.

Подготовка файлов для печати осуществляется на компьютерах со стандартным программным обеспечением , в работу принимаются файлы формата STL. Это широко используемый сегодня формат хранения трехмерных объектов для стереолитографических 3D-принтеров. Инвестиции в проект составили порядка 60 млн рублей.

Александр Зданевич, ИТ-директор НПК «Объединенная Вагонная Компания»: «Технологии аддитивной печати прогрессируют, и, вероятнее всего, уже в ближайшем будущем они изменят лицо целого ряда индустрий. Главным образом это касается предприятий, на которых выпускаются штучные товары под конкретный заказ. С массовым производством дело обстоит сложнее, хотя разные типы 3D-принтеров уже сейчас находят применение в данной области.

Существует множество технологий объемного синтеза. Одной из перспективных для промышленного внедрения является . Процесс можно разделить на два этапа. На первом формируется слой построения в виде равномерно распределенного по поверхности рабочей платформы жидкого фотополимера . Затем происходит выборочное отверждение участков данного слоя в соответствии с текущим сечением построенной на компьютере 3D-модели.

Применительно к железнодорожному машиностроению данную технологию можно использовать на этапе подготовки литейного производства, в частности, при производстве комплекта литейной оснастки. Один и тот же комплект оснастки, уникальный под каждую отливку, используется на протяжении тысяч циклов производства соответствующих литейных форм.

От соблюденной в процессе изготовления комплекта оснастки точности всех предусмотренных конструкторами параметров напрямую зависит качество конечного изделия. Традиционный способ изготовления комплекта оснастки путем механической обработки материалов (металла, пластика, иногда и дерева) весьма трудоемок и длителен (подчас занимает до нескольких месяцев), при этом чувствителен к ошибкам.

В «отпечатанные» модели можно встроить и другие узлы и агрегаты. Трехмерная печать полностью окупается за счет высокой скорости изготовления прототипов, а также за счет «доработки на столе» прямо в ОГК, которая экономит уйму времени и денег, нежели изготовление натурных образцов в «железе» на производстве.

Значительную работу по продвижению аддитивных технологий проводит Госкорпорация «Росатом» . Руководство уверено, что скоро в госкорпорации будут присутствовать все компоненты «цифрового производства» – от разработки материалов, оборудования, технологий до производства изделий. В отрасли реализуется программа по аддитивным технологиям, она состоит из подразделов: технология, сырье, оборудование, стандартизация. Разработкой технологий производства металлических порошков для 3D-печати в Росатоме занимаются три института: «Гиредмет», ВНИИХТ, ВНИИНМ. Одновременно ведется работа по созданию опытного образца 3D-принтера для трехмерной печати металлических и композитных изделий. Росатом планирует представить образец уже к концу 2017 года.

Трехмерная печать полностью окупается за счет высокой скорости изготовления прототипов, а также за счет «доработки на столе» прямо в ОГК, которая экономит уйму времени и денег, нежели изготовление натурных образцов в «железе» на производстве.

«К началу 2018 года мы должны весь цикл по аддитивным технологиям внутри Росатома замкнуть. Нам нужен еще год, чтобы запустить свой собственный пилотный образец установки, и примерно столько же – для того, чтобы договориться со всеми сторонами, которые обеспечивают используемую нормативную составляющую», – рассказал Алексей Дуб.

В структуре Росатома аддитивные технологии развиваются в топливной компании «ТВЭЛ», которая активно сотрудничает с созданным при УрФУ региональным инжиниринговым центром, работая над созданием российского 3D-принтера. Для Уральского электрохимического комбината и его предприятий порошковая металлургия не новинка. Например, на заводе электрохимических преобразователей порошки применялись при производстве фильтров для газовой диффузии урана при разделении изотопов, также для припоев и поверхностного напыления.

В научно-образовательном центре «Современные производственные технологии» Томского политеха

Одним из первопроходцев в области лазерных принтеров можно назвать научно-образовательный центр «Современные производственные технологии» Томского политехнического университета . Он укомплектован принтером электронно-лучевого сплавления (электронно-лучевым), лазерным принтером, принтерами, печатающими армированными композитами, а также ультразвуковым томографом, осуществляющим здесь же, «у станка», неразрушающий контроль готовых изделий. Специалисты центра изготавливают АМ-установки, разрабатывают программное обеспечение к ним и намерены продвинуться дальше «лаборатории».

В центре аддитивных технологий ТПУ настроен весь производственный цикл – от идеи до реализации готового изделия. Можно произвести и протестировать детали для обшивки космических кораблей, импланты для черепно-лицевой хирургии, изделия сложной формы для и многое другое, а также создать новые цифровые установки, например, для печати инструментов на МКС. «С помощью наших уникальных технологий мы можем создавать импортозамещающую продукцию, которая в разы дешевле импортных аналогов, при этом по качеству не хуже», – уверен директор центра Василий Федоров.

У развития аддитивных технологий есть и сдерживающие факторы.

• Во-первых, высокая стоимость технологии (оборудования и материала), впрочем в процессе развития технологий цена постепенно снижается.
• Во-вторых, нехватка квалифицированных, знающих технологию кадров.
• В-третьих, недостаточная освоенность, отсутствие метрологического обеспечения вызывает опасения при производстве деталей высокой важности.
• АМ-процессы (Additive Manufacturing) пока не интегрированы в технологию изготовления изделий. «Понятно, что любой ответственный конструктор не поставит в ответственное изделие деталь, не зная при этом, сколько она прослужит», – прокомментировал Алексей Дуб.
• Важной задачей является необходимость разработки системы сертификации и стандартизации аддитивных изделий, технологических процессов, порошков и композиций. Для решения этих вопросов при Росстандарте был сформирован технический комитет, который ведет работу по созданию нормативной документации в сфере аддитивных технологий.

3D-принтинг начинает распространяться в мире, и Россия не должна отставать в этой области. Применение данных технологий позволяет удешевить изделие, ускорить его проектирование и производство.

– глава Минпромторга Денис Мантуров

Заключение

Популярность неуклонно растет. Хотя суммарный объем мирового рынка относительно невелик (порядка 6 млрд долларов), ежегодные темпы роста не могут не впечатлять – в среднем 20-30%. Впрочем единогласия в оценке роли аддитивных технологий в промышленности все еще нет: одни говорят, что внедрение методов 3D-печати приведет к закату промышленности в традиционном смысле, другие – что трехмерные принтеры станут лишь одним из элементов производственных схем. Но несмотря на все существующие разногласия, большие перспективы аддитивных технологий в промышленности невозможно отрицать.

Непосредственное выращивание изделий со сложной геометрией и из специфических материалов оказывается весьма выгодным с экономической точки зрения. Оно позволяет экономить материал, время, снижает риск ошибок. 3D-принтеры перестали быть «дорогой игрушкой», сегодня они занимают полноправное место среди ключевых технологий