Druk 3D/AM jako część następnej rewolucji przemysłowej

Druk 3D/AM jako część następnej rewolucji przemysłowej

24/02/2020

Druk 3D gwałtownie się rozwija [1]. W raporcie za 2019 rok największej firmy analitycznej w tej dziedzinie Wohlers’ Associates przewidziano, że całkowita wartość produktów i usług tego sektora na całym świecie osiągnie 15,8 mld USD w bieżącym roku, wzrośnie do 23,9 mld USD w 2022 roku i poszybuje do 35,6 mld USD w 2024 roku [2].

 
Druk 3D jest częścią trzeciej (niektórzy uważają że czwartej) rewolucji przemysłowej obejmującej również sztuczną inteligencję, genetykę, robotyzację i kilka innych dziedzin [3]. Wg. specjalistów ze Światowego Forum Ekonomicznego w Davos rewolucja ta przyczyni się do zrównoważonego rozwoju [4]. Warto podkreślić, że jak każda prawdziwie nowatorska technologia druk 3D ma charakter destrukcyjny (ang. disruptive) dla danego sektora wytwórczego [5]. By to zilustrować wystarczy przypomnieć, jak możliwość robienia zdjęć na smartfonach wpłynęła na rynek aparatów fotograficznych. Prawie upadł wtedy wielki koncern Kodak [6], a na rynku zostały jedynie bardzo specjalistyczne aparaty fotograficzne [7]. Podobnie rozwój druku 3D nie odbywał się w sposób bezproblemowy. Z grubsza rzecz biorąc wygaszanie pierwszych patentów powodowało początkowo gwałtowny rozwój całej dziedziny, a następnie upadek wielu firm ze względu na ogromną konkurencję [8].

Druk 3D, (3D printing, 3DP) w zastosowaniach przemysłowych często nazywany jest wytwarzaniem przyrostowym (ang. additive manufacturing, AM). Perspektywy rozwoju druku 3D przedstawiłam ostatnio w artykule w czasopiśmie Mechanik [9]. Omówiłam w nim podstawowe pojęcia i zalety druku 3D, zwłaszcza jego ekologiczny charakter. Bardzo skrótowo przedstawiłam następnie rozwój technologii, oprogramowania i materiałów do drukowania, zmianę podejścia do designu oraz coraz szersze wprowadzanie 3DP/AM do przemysłu i masowej produkcji, a także perspektywy rozwoju 3DP/AM.

W tej pracy zajmę się bardziej szczegółowo istotną transformacją, którą 3DP/AM obecnie przechodzi [9-11] wskazując m.in. na zmianę podejścia do procesu produkcji na wszystkich etapach, a także na wymagania, jakie wprowadzanie tej nowej metody wytwarzania stawia wszystkim uczestnikom procesu produkcyjnego.

Druk 3D początkowo stosowany był do prototypowania (ang. rapid prototyping), a następnie zaczęto również z jego pomocą wytwarzać narzędzia (ang. rapid tooling). Przejście do następnego etapu, tj. do produkcji finalnej i masowej (często nazywane po angielsku rapid manufacturing) hamowały głównie: mała szybkość drukowania i brak powtarzalności wydruków.

Jedną z pierwszych firm, która zastosowała AM do produkcji finalnej na dużą skalę był koncern General Electric, GE, [12]

Mimo trudności związanych z wprowadzaniem AM do produkcji, co trwało kilka lat [13], w 2018 roku GE udało się wyprodukować 30 000 dysz do silników odrzutowych samolotów, a plany sięgają 100 000 sztuk/rok w 2020 roku [14]. Produkowane tradycyjnie dysze składały się z 20 elementów o bardzo skomplikowanym kształcie, natomiast wydrukowane w 3D są pojedynczą częścią o bardzo skomplikowanym kształcie. Dysze te są o 25% lżejsze od dysz wyprodukowanych tradycyjnie, a także pięciokrotnie bardziej trwałe i o 25% tańsze [15], nie wspominając już o tym, że produkuje się je w sposób bardziej przyjazny dla środowiska. Wydaje się, że obecnie coraz więcej firm stosuje druk 3D w produkcji produktów finalnych i robi to na coraz większą skalę.

Na przykład, Airbus już w 2015 roku w swoim modelu A350 zastosował 1000 wydrukowanych w 3D części [16]

Innym bardzo ciekawym przypadkiem są drukowane w 3D protezy biodrowe [17]. Jednym ze sposobów ich wytwarzania jest robienie ich dla konkretnego pacjenta w oparciu o tomografię komputerową lub rezonans magnetyczny. Inna metoda, którą wykorzystała firma Arcam [18], polega na robieniu protez w dużo gęstszym niż stosowany tradycyjnie rastrze wymiarów, co znacznie zmniejsza koszty ich wytwarzania i przyczynia się do większego komfortu pacjentów w porównaniu z protezami wytwarzanymi metodą tradycyjną. Takie podejście pozwoliło firmie na wyprodukowanie do 2018 roku 100 000 protez, które następnie zostały wszczepione.

Do niedawna mówiło się, że w produkcji na dużą skalę druk 3D/AM nie jest konkurencyjny w porównaniu z formowaniem wtryskowym, ale już w 2017 roku A. Frenkel z firmy Siemens mówił na wykładzie, że koszt wytworzenia 55 tys. pokazywanej przez niego wydrukowanej w 3D części metodą Jetting w 55 tysiącach egzemplarzy jest taki sam dla obu technologii [19]. Systematycznie zwiększa się szybkość drukowania w 3D [20] i nie wydaje się, aby powtarzalność jakości wydruków była problemem dla wysokiej jakości drukarek 3D.

W tym momencie warto przypomnieć, na czym polegają zalety druku 3D:
(a) wytwarzanie bardzo skomplikowanych kształtów, często takich, których nie można lub nie opłaca się robić metodami tradycyjnymi,
(b) wytwarzanie obiektów, których części mogą poruszać się względem siebie oraz
(c) personalizacja (ang. customization) produktów, ważna zwłaszcza w medycynie [21].

Aaron Frenkel [19] i Andreas Saar [22] z Siemensa uważają, że druk 3D zmienia wszystko (ang. Additive manufacturing reshapes everything) i wymaga zmiany sposobu myślenia (ang. „We have to change our minds”):

  • Aby jak najlepiej wykorzystać możliwości 3DP/AM nie wystarczy skopiować część wytworzoną w sposób konwencjonalny. Należy na nowo wymyśleć ją (ang. reimagine product) wychodząc od jej funkcji wykorzystując design zorientowany na funkcjonalność, design optymalizujący działanie oraz optymalizację topologiczną, dążąc do zmniejszenia wagi projektowanego przedmiotu.
  • Stworzyć nowe narzędzia (ang. retool manufacturing).
  • Przemyśleć sposób prowadzenia biznesu (ang. rethink how you do business).

Paul Benning z koroporacji Hewlett-Packard uważa, że 3DP/AM, który jest częścią Czwartej Rewolucji Przemysłowej, znajduje się obecnie w punkcie krytycznym [10]. Ten sposób wytwarzania stwarza wspaniałe możliwości robienia spersonalizowanych implantów, trudnych do znalezienia części (np. do od dawna nie produkowanych samochodów [23]), spersonalizowanych butów dokładnie na miarę i kształt nogi klienta, dronów, robotów czy też szybko budowanych domów. Aby się dalej rozwijać i rzeczywiście zmienić otaczający świat, druk 3D/AM musi przejść od prototypowania do produkcji finalnej na dużą skalę.

Jak wskazywali A. Frenkel [19] i Andreas Saar [22] z firmy Siemens, wymagać to będzie przemyślenia całego procesu produkcyjnego i zmiany modelu biznesowego, stworzy ogromne możliwości rozwoju, przyczyni się do zmniejszenia zapasów i przyspieszenia cykli innowacyjności. Jednocześnie ta nowa technologia będzie miała destrukcyjny wpływ na cały przemysł radykalnie zmieniając koncepcje produktów, ich design, wytwarzanie, sposób dystrybucji i naprawy. Te zakłady, które nie zdołają się dostosować do szybkich zmian rynkowych, zostaną wyeliminowane.

Jednak aby wykorzystać wspaniałe możliwości 3DP/AM firmy muszą rozpoznawać z wyprzedzeniem pojawiające się możliwości polegające m.in. na tworzeniu efektywniejszych, nowych narzędzi do projektowania, inwestowaniu w specjalistyczne materiały i przeciwdziałaniu brakowi specjalistów w tej dziedzinie. Ta ostatnia potrzeba wydaje się najważniejsza. Po prostu brak jest wykwalifikowanych pracowników gotowych do obsadzenia miejsc pracy tworzonych przez przemysł 3D/AM. Zespół firmy i-AM-digital sformułował wymagania dotyczące pracowników zatrudnianych w tej dziedzinie obejmujące zarówno elastyczny umysł i umiejętność rozwiązywania skomplikowanych problemów, umiejętności komunikacji interpersonalnej, kreatywność, krytyczne myślenie i analityczne podejmowanie decyzji oraz szereg innych [24].

Według Benninga [10] aby przeciwdziałać brakowi specjalistów w dziedzinie 3DP/AM konieczne są wspólne skoordynowane działania przemysłu, środowiska naukowego (ang. academia) i rządu, którym musi towarzyszyć niestandardowe myślenie. Np. programy uniwersyteckie powinny zapoznawać studentów z wieloma dziedzinami związanymi z tą technologią takimi jak łańcuch dostaw, inżynieria przemysłowa, projektowanie, materiałoznawstwo i wytwarzanie.

W raporcie firmy Deloitte poświęconym badaniu, jakich pracowników potrzebują firmy z dziedziny druku 3D/AM [25] podkreślono, że w szczególności przemysł powinien współpracować ze środowiskiem akademickim na poziomie kształcenia policealnego, szkół handlowych i uniwersytetów (oraz szkół technicznych wszystkich szczebli, HD) w wypełnianiu luki w wiedzy dotyczącej komercjalizacji technologii AM. W tym raporcie podkreślono również multidyscyplinarny charakter wymagań stawianych idealnemu kandydatowi do pracy w 3DP/AM: powinien się on znać na designie dla AM, (ang. design for AM, DfAM), technologii, procesie wytwarzania i materiałach używanych do drukowania w 3D, a także być kreatywny oraz posiadać umiejętności zawodowe i miękkie. W raporcie tym zaproponowano również i szczegółowo omówiono schematy pozwalające rozszerzyć działalność instytucji edukacyjnych, w których połączono programy, wyposażenie, badania i współpracę zarówno w ramach jednostki jak również w szerszym zakresie.

W omawianym raporcie Deloitte postawiono, moim zdaniem, nierealistyczne, zbyt wysokie wymagania, którym nie sposób sprostać. Na brak wysoko wykwalifikowanych pracowników jako czynnik, który będzie hamował rozwój przemysłu w Polsce wskazano w raporcie firmy 4Results [26].

Ogromne wysiłki skierowane są na tworzenie całościowego oprogramowania do (a) DfAM i wytwarzania, (b) zarządzania procesem produkcji, (c) wirtualnego testowania produktów (również w czasie ich używania) i (d) zarządzania procesem dystrybucji. Jak omówiono uprzednio, wymaga to przemyślenia całego procesu produkcji [19, 22].

Według Benninga do przejścia od prototypowania do produkcji przemysł musi rozszerzyć paletę używanych materiałów i obniżyć ich koszt [10]. W dziedzinie wysokowydajnych polimerów wzywa on do stworzenia otwartego ekosystemu przywódców przemysłu, przedsiębiorców, naukowców i studentów w celu stworzenia niezawodnego i wydajnego systemu dostaw. Warto podkreślić, że szczególnie interesujące w dziedzinie polimerów są materiały kompozytowe [27], zwłaszcza te o anizotropowych właściwościach [28]. W dziale proszków metalicznych i ceramicznych istnieją źródła materiałów zorganizowane do wytwarzania analogowego, które można zaadoptować dla 3DP/AM i rozszerzyć na nowe metale i stopy. Niektóre techniki drukowania pozwalają na tworzenie nowych materiałów zmieniając materiał bazowy woksel po wokselu [29].

Z związku z szybkim rozwojem 3DP/AM przewiduje się również szybki wzrost rynku materiałów do drukowania. Portal Reports and Data ocenia wartość tego rynku na 1,8 mld USD w 2018 i przewiduje, że osiągnie on 5,78 mld USD w 2026 roku [30]. Niektóre firmy, np. Hewlett-Packard stworzyły specjalne laboratoria do opracowania materiałów i zastosowań, w których ich partnerzy opracowują, testują, certyfikują i dostarczają nowe materiały [31].

Reasumując, druk 3D/AM (będący częścią Czwartej Rewolucji Przemysłowej) czekają w przyszłości zasadnicze zmiany. Ci, którzy zdołają je wprowadzić, bardzo dużo zyskają. Pozostali wypadną z rynku, bo w dziedzinie tej panuje zabójcza konkurencja. Przy okazji warto zauważyć, że przewiduje się spadek tak niegdyś reklamowanego domowego druku 3D. Co prawda, Amerykanie stwierdzili, że opłaca się on [32], ale w relacji z targów CES 2020 zespół firmy Blueprint twierdzi, że skończyła się era drukarek 3D do użytku domowego, które odrodzą się, gdy możliwe będzie wydrukowanie 3D potrzebnych rzeczy w ciągu jednej godziny przy wykorzystaniu drukarek w cenie wysokiej klasy sprzętu kuchennego [33].

Autorka pragnie wyrazić wdzięczność Dr hab. dr inż. Jackowi Michalskiemu za uwagi do manuskryptu.

Kontakt: Helena Dodziuk, IChF PAN, Warszawa / hdodziuk@gmail.com

[1] Dodziuk H. „Druk 3D/AM. Zastosowania oraz skutki społeczne i gospodarcze”. Warszawa: PWN, 2019.
[2] T. J. McCue, 27 Marca 2019, https://www.forbes.com/sites/tjmccue/2019/03/27/wohlers-report-2019-forecasts-35-6-billion-in-3d-printing-industry-growth-by-2024/#715dd7d67d8a, dostęp 22 stycznia 2020.
[3] J. Rifkin, Trzecia rewolucja przemysłowa, Wyd. Sonia Draga, Katowice, 2012.
[4] https://www.weforum.org/agenda/2019/01/3d-printing-fourth-industrial-revolution-sustainable/, dostęp 20 stycznia 2020.
[5] Odn. 1, Rozdz. 5.
[6] https://fotoblogia.pl/1430,kodak-wyszedl-ze-stanu-upadlosci-ale-to-juz-zupelnie-inna-firma, dostęp 20 stycznia 2020.
[7] https://en.delachieve.com/mirror-photoapparatus-nikon-d5100-kit-specifications-reviews-of-professionals-and-amateurs/, dostęp 20 stycznia 2020.
[8] Odn. 1 , Rozdz. 5.
[9] H. Dodziuk, Mechanik, 1, 6-14, 2020.
[10] P. Benning, 18 grudnia 2019, https://3dprint.com/261550/3d-printing-is-ready-for-manufacturing-primetime-are-we/, dostęp 20 I 2020.
[11] Odn. 1, Rozdz. 1.
[12] https://www.ge.com/europe/additive-manufacturing, dostęp 20 stycznia 2020.
[13] A. Kover, 19 listopad 2018, https://www.ge.com/reports/transformation-3d-walnut-sized-part-changed-way-ge-aviation-builds-jet-engines/, dostęp 20 stycznia 2020.
[14] https://www.ge.com/additive/blog/new-manufacturing-milestone-30000-additive-fuel-nozzles, dostęp 19 stycznia 2020.
[15] T. Kellner, 13 listopada 2017, https://www.ge.com/reports/epiphany-disruption-ge-additive-chief-explains-3d-printing-will-upend-manufacturing/, dostęp 19 stycznia 2020.
[16] M. Molitch-Hou, 6 maja 2015, https://3dprintingindustry.com/news/airbus-a350-xwb-takes-off-with-over-1000-3d-printed-parts-48412/, dostęp, 22 stycznia 2020.
[17] Odn. 1, Rozdz. 12E.
[18] P. D. Olson, 5 marca 2018, https://www.ge.com/reports/100000-patients-later-3d-printed-hip-decade-old-going-strong/, dostęp, 22 stycznia 2020.
[19] S. Aldrete, 14 czerwca 2017, https://blogs.sw.siemens.com/nx-manufacturing/reimagine-products-retool-manufacturing-and-rethink-business-with-additive-manufacturing/?v=nDy_IBYX55I, p. wideo w tym blogu, dostęp, 22 stycznia 2020.
[20] J. Flynt, https://3dinsider.com/fastest-3d-printers/, dostęp 22 stycznia 2020.
[21] Odn. 1, Rozdz. 2.
[22] A. Saar, 23 czerwca 2017, https://www.youtube.com/watch?v=nDy_IBYX55I, dostep 23 stycznia 2020.
[23] R. Furchtgott, 16 maja 2019, https://www.nytimes.com/2019/05/16/business/car-part-3d-printing.html, dostęp 22 stycznia 2020.
[24] Zespół IamDigital, 2 października 2019, https://3dprint.com/255430/the-skilled-workforce-the-additive-manufacturing-industry-needs/, dostep 23 stycznia 2020.
[25] https://www2.deloitte.com/us/en/insights/focus/3d-opportunity/additive-manufacturing-higher-education-degree.html, dostep 23 stycznia 2020.
[26] I. Starnawska, 20 stycznia 2020, https://ceo.com.pl/przemysl-w-2020-r-najwiekszym-wyzwaniem-beda-ludzie-a-nie-technologia-17559, dostęp, 21 lutego 2020.
[27] H. Guo, R. Lv, S. Bai, „Recent advances on 3D printing graphene-based composites”, Nano Mat. Scie., 1 (2), 2019, 101-115, https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2019.03.003, dostęp, 22 stycznia 2020.
[28] Y. Yang, Z. Chen, X. Song, Z. Zhang, J. Zhang, K. K. Shung, Q. Zhou, Y. Chen, „Biomimetic Anisotropic Reinforcement Architectures by Electrically Assisted Nanocomposite 3D Printing”, Adv. Mater., 29 (11) 1605750, https://doi.org/10.1002/adma.201605750, dostęp, 22 stycznia 2020.
[29] Według Wikipedii woksel (ang. volumetric picture element, voxel) to najmniejszy element przestrzeni w grafice trójwymiarowej, w pewnym sensie odpowiednik piksela w grafice dwuwymiarowej, https://pl.wikipedia.org/wiki/Woksel, dostęp 4 luty 2020.
[30] https://www.globenewswire.com/news-release/2019/08/13/1901232/0/en/3D-Printing-Materials-Market-To-Reach-USD-5-78-Billion-By-2026-Reports-And-Data.html, dostęp, 22 stycznia 2020.
[31] https://press.ext.hp.com/us/en/press-kits/2017/3d-lab.html, dostęp, 22 stycznia 2020.
[32] J. Kerns, 16 luty 2018, https://www.machinedesign.com/3d-printing-cad/article/21836428/make-your-3d-printer-pay-for-itself, dostęp 4 luty 2020.
[33] O. Smith, 24 stycznia 2020, https://3dprint.com/262622/ces-2020-shows-us-what-the-end-of-the-consumer-3d-printing-hype-cycle-looks-like/, dostęp 22 stycznia 2020.