Почему 3D печать больше не доминирует в промышленности: вызовы и перспективы

3D печать называли технологией новой промышленной революции много лет назад, почему сейчас голоса о 3D печати стали тише? Является ли 3D печать технологией, способной вести промышленный тренд? Что мешает 3D печати достичь крупносерийного производства?

Определение 3D печати

3D печать, также известная как Аддитивное производство (Additive Manufacturing) — передовая технология быстрого прототипирования. В отличие от традиционных субтрактивных процессов, 3D печать — технология послойного накопления или сшивки материалов для построения 3D объектов по файлам дизайна.

Современная 3D печать родилась в США в середине 1980-х. Чарльз Холл (основатель 3D Systems) и Скотт Крамп (основатель Stratasys) — пионеры.

В конце 1980-х — начале 1990-х группа малых и средних американских технологических компаний (3D Systems, DTM) последовательно разработала основные технические направления: стереолитографию (SLA), селективное лазерное спекание (SLS) и моделирование 용융 deposition (FDM). После 20+ лет накопления и улучшений они стали всё более зрелыми.

Главное отличие 3D печати от традиционного производства — процесс формирования продукта. Традиционное производство: открытие формы, литье/ковка, резка, сборка. 3D печать устраняет сложный процесс — без формы, однократная формовка. Поэтому 3D печать преодолевает некоторые дизайны, невозможные в традиционном производстве, и создает более сложные структуры.

Почему 3D печать не достигла массового производства?

Причина — отсутствие условий для массового производства. 3D принтер по сути — одиночный станок, это способ существующей промышленной цепи, а не система прямой интеграции производственных возможностей.

Фактически, 20–30 лет назад 3D печать уже делала изделия из смол. В последние годы диапазон материалов расширился до металлов (лазерное спекание), успешно реорганизовав технологические процессы десятилетиями ранее: комбинирование ИТ, лазерных пучков для поверхностной обработки и аддитивного производства.

Но на данном этапе развитие 3D печати опирается на непрерывное улучшение качества ключевых компонентов — лазеров и электронных пушек.

Применение 3D печати в промышленности

В промышленном производстве основные применения 3D принтеров — два.

1. Детали или готовые изделия со сложной структурой, высокими требованиями к точности и деталям процесса, включая малые детали и крупные компоненты.

Большинство 3D технологий прорывают геометрические ограничения структуры. Поэтому при обработке крупных компонентов определенных структур не только сложность процесса снижается по сравнению с традиционными, но и стоимость снижается.

Пример: так называемая лазерная аддитивная мануфактура (LAM). Традиционно фюзеляж F-22 из титановых ковок. Благодаря технологии наложения LAM экономится 90% очень дорогих материалов, не нужны специальные формы. Обработка, изначально равная 1–2 стоимостям материала, теперь только 10% от оригинала. Оценка: обработка 1 тонны сложного титанового сплава традиционно ~25 млн юаней, LAM — в разы дешевле.

2. Экстренные или быстроизготавливаемые изделия для определенных отраслей.

Простейший — военное: выдача механической бригаде для изготовления деталей на месте для обеспечения ремонта платформы в экстренных ситуациях.

В большинстве случаев после повреждения танков и ББМ более определенного процента утилизируют из-за затрат. 3D печать решает это, а в марше при тугой логистике — быстрое производство снабжения.

Известный медицинский пример — 3D печать высокоточных моделей для помощи лечению. Stratasys Solidoodle 2 печатает модели внутренних органов/тканей пациентов для точных хирургических планов. Без совместимых с биотканями внешних конечностей медицинская 3D печать дает глубокую кастомизацию.

Внекорпусные медицинские изделия: медицинские модели, протезы, слуховые аппараты, шаблоны для стоматологии. По статистике Amputee Coalition, ~2 млн человек в США используют 3D напечатанные протезы.

Причины, почему 3D печать не масштабируется

1. Эффективность производственной модели

Эффективность интегральной формовки мономера определенно не сравнима с эффективностью «классифицированной обработки деталей + сборка в промышленности», потому что последнее мобилизует производственную мощность всей системы, обработка полуфабрикатов и градация могут повысить эффективность процесса почти до максимума — это эквивалентно формированию конвейера во всей промышленности.

При интегральной формовке мономера рабочий процесс полностью фиксирован, такой промышленный эффект не образуется, и текущее тело 3D принтера не выдерживает длительные высокоинтенсивные нагрузки. Кроме того, затраты на обслуживание и сложность одиночного производства гораздо выше, чем у традиционного процесса с равномерным распределением по промышленной цепи.

2. Применимость материалов 3D печати

Первое — процессные проблемы из-за применения материалов.

Нужны специальные металлические порошки, сделанные заранее; плотность напечатанных металлических изделий низка, до 98% плотности литьев, иногда ниже механических свойств ковок. В некоторых компонентах (крупные титановые сплавы, авиация) механические свойства достаточно, но общая ситуация спорна; некоторые изделия имеют плохое качество поверхности и точность 2–10 мкм, требующие постобработки (шлифовка, полировка); поддерживающие материалы трудно удалять при печати сложных криволинейных поверхностей.

3. Высшая стоимость по сравнению с традиционной ЧПУ обработкой

Эта стоимость в основном из-за затрат на обслуживание одиночного станка при длительной высокой нагрузке, приводящих к высокой стоимости крупносерийного производства.

Также стоимость материалов. Модель глубокой кастомизации типа детали — не низкозатратная модель с широким рынком.

Будет ли 3D печать также разрушать производство?

3D печать не может стать основным производственным методом из-за неспособности к массовому производству. Но это не значит, что 3D печать не станет лучшей частью обработки и новым трендом в будущем.

Первичная проблема сейчас — 3D печатная индустрия должна точно позиционировать тип рынка и аудиторию своих продуктов, продвигать рынок внутри отрасли. Аддитивное производство должно развить новый мир в своей новой сфере. То есть — преимущества и концепции полного аддитивного производства, разработка собственных проприетарных приложений и рынков.