Аддитивные технологии, более известные как 3D-печать, плотно вошли в нашу жизнь сравнительно недавно и уже сулят большие перспективы в различных областях жизнедеятельности — от космоса до медицинских технологий.

В данный момент можно выделить четыре этапа адаптации технологии 3D-печати для решения технологических задач в разных отраслях:

использование 3D-печати здесь и сейчас;
эволюция производственной цепочки;
эволюция продукта;
объединение эволюции продукта и производственной цепочки.

В данной статье рассмотрим первый этап развития технологии печати в авиационной, автомобильной и космической индустрии. Для подготовки материала я использовал примеры из статей университета Deloitte, добавил несколько собственных примеров.

На первом этапе развития печати компании не вносят радикальных изменений в производственную цепочку и продукт, а используют преимущества технологии здесь и сейчас. В настоящее время на этом этапе развития находится большое количество авиакосмических, автомобильных и медицинских компаний.

Расскажу немного про возможности, которые открываются перед предприятиями, а также опишу чего они уже добились.

Авиакосмические и оборонные предприятия

Большинство авиакомпаний следуют консервативной стратегии, используя печать для 3D-моделирования, быстрого прототипирования, создания оснастки и мелкосерийного производства, что не требует значительных изменений в производственной цепочке.

Сокращения сроков выхода на рынок

Печать позволяет быстро изготовить прототип необходимой формы и функциональности, таким образом ускоряет цикл разработки, сокращает время выхода продукта на рынок и, как следствие, дает конкурентное преимущество (источник). Исследования показали, когда компании переключаются с традиционного производства на 3D-печать, экономия во времени может составить от 43 до 75 процентов, в зависимости от ранее используемых технологий (источник). Например, в 2013 году DARPA искала предложения по улучшению самолета вертикального взлета и посадки. Компания Boeing, применяя 3D-печать, изготовила прототип меньше, чем за 30 дней. Как правило это занимает несколько месяцев (источник).

Гибкость в подходах

3D-печать предлагает небывалую доселе гибкость при разработке и тестировании. Создание прототипов будущих изделий происходит значительно быстрее, качественнее и, в конечном итоге, дешевле. Лишь внося изменения в компьютерные 3D-модели, компании могут делать несколько итераций без дорогого переоснащения. Например, NASA использовала 70 напечатанных деталей для испытаний марсохода (источник). Уже сейчас NASA печатает в металле детали двигателя для полета на Марс (источник).

Оснастка за меньшие деньги

3D-печать позволяет компаниям не только быстро производить и тестировать изделия, но также позволяет снизить стоимость обслуживания оснастки (источник). Один из вариантов предложен ремонтной компанией Advanced Composite Structures (ACS). ACS производит большинство инструментов используя печать. Это позволяет снизить затраты на 79% и приводит к экономии времени при выпуске новой продукции на 96% по сравнению с обычным производством (источник). Создание оснастки с помощью 3D-печати особенно эффективно при мелкосерийном производстве. Вот как комментирует директор ACS: «Для ремонта и мелкосерийного производства, на котором мы специализируемся, оснастка составляет основную часть полной стоимости. Перейдя от традиционного производства к печати с использованием технологии FDM, мы значительно упрочили наши конкурентное преимущество».

Автомобильная индустрия

Ускорение фазы разработки дизайна нового продукта

На стадии проектирования продукта компании проходят через несколько этапов, прежде, чем будет получен окончательный вариант дизайна. Одна из основных особенностей 3D-печати — это возможность производить разные версии продукции с низкой добавочной стоимостью, помогая автомобильным компаниям улучшать дизайн с помощью физических моделей или макетов. Например, одна известная компания по производству покрышек использует при проектировании 3D-печать для быстрого создания прототипов, а после испытаний выбирает лучший вариант. Интересно, что быстрое прототипирование приносит пользу компании не только в создании специальных опций, основанных на потребностях ОЕМ, но также помогает отстроиться от конкурирующих брендов. Физические модели предоставляют компаниям преимущество над конкурентами, которые ограничены в проектировании спецификаций и планировании представлении своего продукта ОЕМ-заказчику.

Повышение качества через быстрое прототипирование

Используя 3D-печать на каждом этапе производства, от создания прототипов до финального изготовления, компании могут проверить качество перед тем, как планировать производства. Благодаря более гибкому проектированию, производители могут сделать и протестировать множество прототипов. Например, GM широко использует технологии SLS и SLA во всех сферах — проектирование, инженерия, опытное производство. Таким образом GM и отдел быстрого прототипирования производят тестовые модели из более чем 20 000 деталей (источник).

В модели Chevrolet Malibu 2014 года были сделаны некоторые изменения, так как модель 2013 года подверглась критике и плохо продавалась. GM заявила, что такие скорые изменения стали возможны благодаря быстрому прототипированию. В обновленную напольную консоль интегрировали держатели для смартфонов (наконец-то), также она стала легче (источник).

Другой пример — это Dana, поставщик трансмиссий, уплотнителей и технологий регулировки температур для ОЕМов. Для создания прототипов, которые могут быть протестированы на соответствие размерам и форме, компания использует и быстрое прототипирование, и моделирование (источник).

Индивидуальное производство оснастки

Для автомобильных компаний оснастка играет значительную роль на сборочной линии, поскольку от нее зависит стабильное производство высококачественной продукции. 3D-печать позволяет производить специальную оснастку для увеличения производительности в цеху. BMW использует печать для изготовления инструментов, используемых при ручном тестировании и сборке (источник). Эти индивидуально спроектированные инструменты имеют лучшую эргономику и на 72% легче, чем обычные (источник).

Снижение затрат на оснастку при проектировании

Для некоторых компаний оснастка и литье по выплавляемым моделям делается по индивидуальному дизайну. Это означает, что если в изделии что-то изменится, то придется менять и остнастку тоже, а это длительный и дорогой процесс. ОЕМы снижают свою зависимость от оснастки и отливки в фазе проектирования, используя 3D-печать (источник). Что касается Форда, компания сэкономила миллионы долларов на разработке продукта путем создания прототипов с помощью 3D-печати, таким образом избавившись от необходимости создания оснастки. Печатая на 3D-принтере таких компонентов, как головки цилиндров, впускной коллектор, воздуховод, компания радикально сократила время, которое обычно тратится на создание отливки. Для одного компонента, например, впускного коллектора, разработка и создание прототипа обычно стоит около 500 000$ и занимает четыре месяца. Используя 3D-печать, Форд разработал компонент в несколько итерации за четыре дня при цене 3 000$ (источник).

Медицина

Исторически 3D-печать использовали в секторе медицинских устройств для улучшения характеристик при моделировании и прототипировании продукта, такую позицию занимают большинство компаний на этом этапе. Компании используют 3D-печать для улучшения качества продукта, уменьшения стоимости, уменьшения времени выхода на рынок (источник).

Как пример рассмотрим компанию Kablooe Design, инжиниринговую компанию, которая помогает клиентам развивать идеи от концепции до производства. Для Kablooe создания продуктов, которые помогают медицине не ново. Около 75% того, что производит компания — это медицинские приспособления (источник). В одном случае компания была озадачена созданием устройства для лечения аденомы простаты (доброкачественной опухоли) с наименьшим вмешательством. Традиционное лечение подразумевает хирургическое вмешательство, что может привести к кровотечениям и ужасу пациента.

Во время разработки устройства компания использовала быстрое прототипирование, которое предлагает печать, чтобы довести продукт от концепта до производства. Kablooe оценила, что улучшение дизайна устройства займет 10 итераций (источник). Компания пришла к выводу, что использование традиционных методов производства (литье под давлением) для прототипирования будет очень затратно по деньгам и времени. Используя 3D-печать, компания смогла сэкономить более 250 тыс. долларов и 12 недель времени на разработку. Как дополнительный бонус, короткий срок разработки позволил Kablooe собрать отзывы от практикующих врачей и улучшить дизайн, чтобы соответствовать ожиданиям (источник).

Orchid Design (Orchid) предлагает ещё один пример быстрого прототипирования. Отдел компании работает с медиками, с их помощью прототипирует и тестирует новые возможности в ортопедии. Процесс разработки, от набросков устройства до конечного производства, может занимать месяцы высокодетального проектирования и обработки, связанного с неопределенностью из-за необходимости одобрения

Пример US Food and Drug Administration (FDA) (источник). Исторически из-за высокой цены и затрат времени на ортопедический дизайн Orchid минимизировал использование прототипов, полагаясь на CAD-чертежи. Но ошибки проектирования в CAD иногда остаются незамеченными вплоть до производственного процесса, когда их исправление уже слишком дорого и затратно по времени.

Продвигая высокопроизводительный процесс разработки, Orchid обратился к 3D-печати, чтобы изготавливать высокодетализированные прототипы. Это позволило повысить качество и технологичность проектирования, так же успешно, как и сократить время разработки, позволив увеличить доход и повторные сделки (источник).

Быстрое прототипирование также было полезно компании для определения функциональных требований маленьких деталей, обычно используемых в медицинской области. Благодаря использованию 3D-печати, Orchid может печатать детали в масштабе от 5 до 10 от их основного размера для анализа их функционирования. Это позволяет компании при необходимости производить улучшения в конструкции (источник).

Ещё пара примеров из медицины. Это создание косметического протеза икроножной мышцы (источник).

Несмотря на то, что протез выступает как законченный продукт, в данном случае были отработанны методики построения модели с последующим улучшением протеза. И ещё один проект — это протезы пальцев руки (источник).

Используя преимущества печати, мы создаем наиболее подходящую форму протеза и приступаем к воплощению в жизнь.

Вывод

Применение аддитивной технологии 3D-печати в различных отраслях производства имеет весомые преимущества перед более традиционными методами: сокращение расходов и времени на создание каждой итерации прототипа продукта, и это применимо не только к перечисленным видам промышленности. И пусть большинство из производителей пока находятся на первом этапе внедрения 3D-печати в свои процессы, у этой технологии есть большой потенциал, который еще предстоит раскрыть полностью.

Если вы знаете другие интересные применения аддитивной технологии в промышленных производствах, делитесь в комментариях.

Алексей Антипов специально для can-touch.ru