Аддитивное производство – статус и перспективы
Печать интеллекта
Директор по науке, технологиям и образованию Фонда «Сколково» Александр Фертман.
Прошло три года с тех пор, как я представлял свой взгляд на состояние сектора аддитивных технологий (АТ) в выпуске «Трамплин к успеху», приуроченном к III международному технологическому форум «Инновации. Технологии. Производство», и на страницах sk.ru. За это время исследователи, инженеры и предприниматели по всему миру сделали значительный шаг вперед, как с точки зрения развития технологий, так и в их «употреблении» и создании новых бизнесов. Признаюсь, что недооценивал роль аддитивных технологий в создании «фабрик будущего». Однако, отмечу, что несмотря на продолжающийся рост рынка, представители крупных компаний в кулуарах конференций и семинаров признают, что их ожидания от АТ в 2016 были «немного перегреты». И связано это, на мой взгляд, с тем, что АТ проходили фазу, когда основными драйверами продвижения на рынок были разработчики технологий. Они достаточно долгое время позиционировали АТ отдельно от других методов создания изделий, пытаясь презентовать свои результаты не как часть цепочки создания стоимости, а как отдельную возможность, иногда как сервис, иногда как продукты, но всегда отдельно.
Сейчас этот этап пройден, и дальнейшее развитие, связанное с организацией бизнеса, идет по двум направлениям: встраивание в общую цепочку создания стоимости на предприятии и углубление системы разделения труда внутри самой аддитивной отрасли. Ключевым изменением в дискуссиях на форумах стал переход от обсуждения проблем разработки технологий к вопросам встраивания АТ в производственные цепочки создания продуктов и услуг. Стало понятно, что на данном этапе развития аддитивное производство (не аддитивные технологии!!!) занимает важнейшее место в идеологии Industry 4.0, являясь воплощением эффективной связи цифрового и физического мира. Меня часто спрашивают о том, почему именно аддитивным методам уделяется большое внимание в рамках технологического пакета новой промышленной революции (неважно, назовем мы ее 3й или 4й). Ведь создание деталей и систем по цифровым моделям довольно давно используется и на станках с ЧПУ. Это неоспоримый факт, однако по сравнению с традиционным производством важнейшие преимущества АП проявляются дополнительными возможностями на важнейшем для реализации подходов Industry 4.0 этапе дизайна и разработки изделий. Несмотря на определенные ограничения, компании все чаще используют AП, чтобы воспользоваться этим ключевым преимуществом, которое позволяет повышать сложность конструкции без пропорционального увеличения цены изготовления детали (complexity– for– free), что невозможно в традиционном производстве.
Cамый крупный в России 3D-принтер Insstek MX 1000. Фото: Sk.ru.
Другое достоинство АП проявляется при анализе экономических моделей производства. Производственная цепочка - это процесс превращения сырья в товары. Для преобразования доступных ресурсов в продукты необходим целый ряд шагов: дизайн, планирование, изготовление и продажа. В последние годы создается впечатление, что традиционная цепочка создания ценности может претерпеть и уже претерпевает изменения за счет использования технологий АП или 3D-печати. Пользовательские продукты со сложной геометрией могут быть разработаны и изготовлены с помощью аддитивных технологий. Таким образом, рынки могут быть обеспечены требуемой продукцией в срок, без создания больших складских запасов у компаний, которые обычно влекут за собой большие расходы. Фактически, в отдельных случаях, 3Dпечать создает возможность локализации производства в точке употребления, что снижает (или исключает) расходы на транспорт, делая АП конкурентом не другим производственным процессам, а тракам и самолетам.
Сложность сравнения бизнес--кейсов или отдельных проектов между АП и более устоявшимися процессами заключается в скорости, с которой АП развивается. Уже нельзя точно характеризовать 3D-печать как единый метод. Появился длинный список уникальных процессов, которые все подпадают под определение «аддитивные».
Поскольку «вселенная» 3D-печати продолжает расширяться, и для любителей, и для предпринимателей важно понимать количественные и качественные эффекты от новинок, поступающих на рынок. Эти разработки постоянно раздвигают границы аддитивного подхода, как с точки зрения дизайна, так и экономической эффективности. Недостаточное использование новых опций может ограничить потенциал любого производителя. В первую очередь необходимо упомянуть три многообещающие новые технологии печати металлами, которые приносят пользователям реальные улучшения. Все они используют полимерные связующие, удаляемые после окончания формирования изделия. Речь идет о представленных в последнее время системах HP (Binder Jetting), Markforged Desktop Metal (metal FDM), 3DEO (Intelligent Layering). Несмотря на то, что HP планирует начать продажи своих metalmulti jet fusion установок только в 2021 году, компания уже сегодня демонстрирует успехи в работе с разными типами потребителей - от дизайнерских сервис-бюро до автопроизводителей. Преимуществом предлагаемой технологии будет высокое качество поверхности: заявляемая шероховатость – Ra составляет 4-7 мкм. HP позиционирует технологию как «зеленую». Такой маркетинговый прием, возможно, будет использован и другими производителями оборудования, так как аддитивные системы позволяют экономить материал, то есть уменьшать отходы производств. В целом об FDM Metalи Bindingget информации в публичном пространстве уже достаточно много.
Принципиально схожий с ними из-за использования полимерных связующих Intelligent Layering пока не так широко известен.Запатентованная технология включает несколько этапов: сначала распределяет слой порошка по всей области построения детали. Затем «применяется» связующее, чтобы придать слою порошка достаточную жесткость. Далее внешний контур детали «очерчивается» резаком в соответствии с цифровой моделью. Этот процесс повторяется слой за слоем, пока трехмерная структура не будет готова к спеканию. 3DEO также предлагает широкий спектр процедур последующей обработки для удовлетворения потребностей различных потребителей. Свойства деталей, по заявлениям компании, гарантированно соответствуют или превосходят производственный стандарт MPIF 35, широко используемый для литья под давлением металлических деталей.
Директор по науке, технологиям и образованию Фонда «Сколково» Александр Фертман. Фото: Sk.ru
В заключении «технологической» части не могу не сказать о следующем шаге развития аддитивных технологий. Так называемая 4D-печать позволяет создавать сложную трехмерную геометрию деталей из материалов, способных «реагировать» на изменения параметров окружающей среды, что открывает новые возможности для проектирования. На сегодняшний день в подавляющем большинстве исследований для 4D-печати используют материалы на полимерной основе, что ограничивает рабочую температуру конечных изделий. Однако в марте 2019 года в журнале Scientific Reports группы Nature учеными из Imperial College London были представлены результаты разработки нового мульти-металлического электрохимического принтер, способного изготовить биметаллические изделия с программируемой чувствительностью к температуре, которая достигается за счет селективного осаждения различных металлов в формируемой ограниченной минисковой структуре. Достоинства предлагаемого метода продемонстрированы на примере изготовления медно-никелевых биметаллических стрипов, обладающих температурной «чувствительностью».
Переходя к «экономическому» блоку, могу сказать, что АП развивается полностью в соответствии с общемировыми трендами, становясь частью системных платформенных решений по производству и продаже товаров. Свои платформы и «экосистемы», включающие аддитивную составляющую, разрабатывают три типа рыночных игроков: узко-специализированные производители оборудования для АП (характерный пример EOS), компании, обеспечивающие своих клиентов различными типами оборудования для обработки материалов и создания изделий (Trumph), и лидеры сектора PLMсистем (например, Siemens). Причем третий тип компаний легко входит в партнерство с двумя другими. Так EOS и Siemens совместно развивают сообщество пользователей Additive manufacturing Network. Нельзя забывать и про производителей материалов, которые «отвечают» за важнейший элемент экосистемы АП и формируют разнообразие возможностей по управлению функциональностью создаваемых деталей. Покупка лидера рынка материалов для АП LPW компанией Carpenter свидетельствует о переходе аддитивного направления на уровень, когда место в системе разделения труда АП представляет интерес для очень крупных компаний. Также активно включился в разработку и производство специализированных материалов для АП крупнейший производитель металлических порошков Oerlikon.
Предлагаемые «платформенными» компаниями комплексные решения интегрируют структурированное по этапам/ процессам аддитивное производство в общие цепочки создания товаров – от выставления требований до продажи, эксплуатации, сервиса. Такие платформы позволяют использовать - и что немаловажно, продать - потребителю, важнейшие преимущества АП, и опробовать новые бизнес-модели с переходом от больших Фабов к глобально - распределённым центрам, производства продукции на основе гибридных технологий (аддитивные + CNC и др.).
Так как общий тренд в экономике направлен на интенсификацию труда и капитала, то чтобы не вылететь с рынка, компании вынуждены увеличивать скорость как разработки, так и производства товаров. При всех упомянутых преимуществах АП на стадии дизайна скорость выхода на товарный продукт требуется постоянно наращивать. Необходимо «разобраться» с незаконченностью продукта, которую формировали на первом этапе своего развития аддитивные системы. Причем «незаконченность» относится не только к качеству поверхностей и точности изготовления, на которых сфокусированы сегодня крупнейшие производители оборудования и инжиниринговые центры, но и к упаковке, хранению, логистике и эксплуатации. Все эти операции часто рассматриваются только как бизнес-процессы и не входят в зону ответственности технологического проектирования. А ведь детали, созданные с использованием аддитивных технологий, для сохранения своих свойств и дальнейшего использования часто требуют специфических условий хранения. Возможным ответом на требование увеличения скорости производства товаров является гибридизация оборудования. Аддитивно-обрабатывающие комплексы уже достаточно давно продвигает компания DMG MORI, позднее к схожие решения представил MAZAK. Европейские производители не торопятся присоединиться, ставя под сомнение эффективность простого объединения методов формирования деталей в одном кожухе. Голландская Additive industries предложила свое видение гибридизации, взяв за образец процесс литографии в микроэлектронике, запараллелив часть производственных процессов и организовав фактически конвейер внутри установки. Повышение общей эффективности комплекса оборудования (Overall Equipment Effectiveness) достигается за счет оптимизации по четырем параметрам доступность операций, коэффициент использования, производительность, качество продукта (availability, utilization, productivity, quality-performance). Стоит задача снижения себестоимости производимой детали, поэтому возникает требование к росту единичной загрузки системы.
Важно, что для многих компаний решение по использованию АП становится катализатором «цифровизации» производства в целом, для получения максимального эффекта от использования новых технологий. Не зря аддитивные технологии являются частью индустрии 4.0, - они меняют существенным образом подход к проектированию, закладывая новые возможности для производителей и пользователей на весь жизненный цикл продукта, как с точки зрения эксплуатации (наиболее яркий пример - программируемые свойства материала при 4d печати), так и для новых бизнес – моделей (особенно при обслуживании нестандартных изделий). Полномасштабное проектирование сложных продуктов трудно осуществить без проектирования и моделирования производственных процессов. Эффективность реализации во многом зависит от «качества связи» между моделью и реальным производством в каждый момент времени (IndustrialInternet). И в такой ситуации один оцифрованный процесс либо может стать узким горлышком для производственной системы, либо «вытягивает» традиционные технологии/ процессы на свой уровень.
Конечно, развитие АП не проходит идеально гладко. Внутри системы разделения труда в рамках АП пока остается «слабое звено», которое, как часто бывает, возникло на стыке между hardware и software. С одной стороны, на рынке практически нет кодов для моделирования процессов формирования деталей (спекания, сплавления и т.д.) с учетом реальных особенностей базового материала (например, засыпки порошка), а с другой стороны, специалисты, разрабатывающие программные продукты, констатируют отсутствие экспериментальных данных для валидации кодов по динамике параметров процесса послойного производства деталей. В этом направлении в сотрудничестве с производителями аддитивных установок ведут работу не только крупнейшие компании, такие, как AnsysInc, но и малые и средние разработчики, например, сколковский стартап Кинтех Лаб, уже продемонстрировавший ряд успешных примеров моделирования процесса сплавления. Однако пока мы можем говорить о «недоцифровизации» базовой технологии АП, при этом создание инструмента моделирования технологических процессов аддитивного производства значительно повысит предсказуемость качества создаваемых изделий и, соответственно, привлекательность его для пользователей.
Цифровизация производства – это и инструмент повышения эффективности и серьезный вызовы для участников рынка. Для поиска ответов на эти вызовы EOS сформировал спецгруппу Additiveminds, задающую методологию как глобального, так и индивидуального развития АП, основываясь на опыте производства более 20000 деталей, созданных на оборудовании EOS как самой компанией, так и пользователями ее установок. Предлагается рассматривать три аспекта цифровизации в экосистеме: первый относится к самому производству, второй к созданию умных продуктов и третий к цифровой поддержке их интеграция на стороне пользователя. Естественно, платформа поддерживает комплексирование технологий, например, встраивание сенсоров с новыми источниками питания непосредственно в аддитивно формируемые детали. Экосистема EOS призвана вовлекать в себя все новых участников, и для того, чтобы облегчить им принятие решение по использованию АП, например, как сервиса, предлагается увеличить разнообразие готовых решений на платформе для реализации подхода «найди быстро все, что нужно, для твоего бизнеса». Siemens встроил модели АП (пусть пока и неполные) в свои PLM-системы, и концепция цифрового двойника производств. АП становится инструментом «последней мили» для Industry 4.0, переводя цифровые модели в физические изделия, дающие обратную связь изделиям виртуальным. Масштабность бизнеса позволила Siemens сделать отдельные подразделения пилотными площадками для испытания комплексных решений с использованием АП.
Подтверждением «созревания» системы разделения труда АП является то, что появились компании, работающие с рисками, связанными с применением аддитивных технологий, в том числе с рисками для окружающей среды. На рынке появляются первые игроки, предлагающие услуги по обеспечению комплексной безопасности АП.
Резюмируя экономические эффекты, надо сказать о том, что АП «вмешивается» в жизненный цикл товара на разных этапах- дизайн, цепочки поставок, процесс продажи, трудовые ресурсы, маркетинг и в результате влияют и на конечного потребителя. И все эти элементы взаимосвязаны, и улучшение в одном из них развивает всю бизнес-систему:
- изменения дизайна продукта, которые становятся возможны благодаря использованию аддитивного производства, приводят к возможности изменения (удешевления) материала детали;
- перегруппируя производственные центры, можем сократить время доставки и поменять цепочку поставок;
- упомянутые выше возможности реализуются с целью решения конкретных задач потребителя, и при такой «кастомизации» требуется куда более плотная работа с ним, уже на стадии формирования требований, что раньше было свойственно только специфическим индустриям (атомная промышленность) или стартапам. Фактически, происходит трансформации системы продаж,
- AП заставляет «обрабатывающую промышленность» всерьез заняться маркетингом, так как рынок изготовления сложных изделий, который раньше был довольно узок по исполнителям, демократизируется за счет использования АП (пока в США и Европе), и производителям деталей приходится вкладываться в продажи, что проявляется даже в том, что они начали следить за своими web-сайтами;
- изменение рабочей силы, возможно, носят наиболее критический характер. Развитие АП демонстрирует, как довольно маленькая группа талантливых энтузиастов создает быстрорастущую индустрию; Во многом проникновение АП в экономику зависит от психологических факторов, поэтому компании-производители разрабатывают «новую идеологию производства», делая акцент на возможностях самореализации и раскрытия творческого потенциала. Такой подход дает шанс «вернуть» в машиностроение молодежь, открытую для новых технологий и бизнес-моделей.
В результате всех изменений потребитель получает детали и сервис более высокого качества, что влияет положительно уже на его бизнес и добавляет нам уверенности в дальнейшем долгосрочном росте рынка аддитивного производства. Я перечислил далеко не все, что делается в мире в этой области, но даже упомянутое показывает, что есть хороший задел на будущее, неплохая основа для развития аддитивных технологий, а главное их применения. Ключевую роль в «эффективном использовании» аддитивных технологий играет предпринимательская инициатива: формирование предложений для новых и традиционных рынков с глубоким пониманием проблем и возможностей современных высокотехнологичных отраслей и аддитивного производства, позволяют рассчитывать на рост рынка и увеличение числа успешных компаний в данной области.
Обращает на себя внимание тот факт, что мировыми лидерами в каждом из направлений развития аддитивного производства являются частные компании, при этом государство берет на себя бремя создания инфраструктуры, необходимой для проведения исследований, в области разработки материалов, процессов и элементов цепочки добавленной стоимости для аддитивного производства. Таким образом, с организационной точки зрения, логичной (если учитывать мировой опыт) будет ставка Российской Федерации на частные компании малого и среднего бизнеса и обеспечение для них благоприятных условий развития технологий для аддитивного производства как важнейшего элемента цифровой индустрии. При этом чрезвычайно важна координация усилий между разработчиками, предпринимателями и разными типами потребителей - от домашних хозяйств до крупных корпораций, и здесь Фонд "Сколково" и Сколтех могут сыграть значимую роль, не только выступая площадкой для обсуждения технологических и рыночных трендов, но и обеспечивая международную экспертизу и площадку для пилотных проектов.
Сокращенные версии статьи были опубликованы в Корпоративном журнале «Трамплин к успеху» N14, 2019 , и журнале "Коммерсантъ Наука" №47 от 29.10.2019, стр. 24