Сразу ответим на вопрос из заголовка: никак. Однако, далее в ходе статьи мы объясним, почему мы вспомнили эту старую шутку. Ирония заключается в логической ошибке, которая заставляет нас думать, что, если одна женщина за 9 месяцев может родить одного ребёнка, то 9 женщин могут воспроизвести по одному ребенку в месяц. Обычно её используют, когда хотят подшутить над неправильным планированием. Так какое это имеет отношение к 3D-принтерам?
3D-принтеры уже давно перестали быть просто экспонатами на выставках высоких технологий. Студенты архитектурных ВУЗов уже вовсю начали печатать макеты на 3D-принтерах вместо того, чтобы вырезать их из пенопласта или клеить из бумаги, теряя драгоценное время (подумать только – твой макет печатается сам по себе, пока ты продолжаешь работать над дипломом); различные стартапы, медицина (хирургические шаблоны, временные коронки), прототипирование инженерных деталей, - всё это уже активно применяет 3D-печать. Дошло уже даже до производства одежды, например, в 2013 году знаменитая модель Дита фон Тиз поразила публику роскошным платьем, полностью напечатанном на 3D-принтере. В общем, нет никаких сомнений в том, что данные технологии позволяют производить штучные изделия, никогда ранее не существовавшие, с минимальными затратами (в первую очередь, личного времени).
Но что если взглянуть на ситуацию по-другому? Можно ли закупить партию в 10, 20, 100 и более 3D-принтеров и единой командой отдать им на печать какой-то один продукт? Или, например, организовать так, чтобы часть 3D-принтеров в 3D-фабрике печатали одни детали из одного материала, а другая часть из другого материала и совсем иную деталь? Можно! И именно для этого существует концепция 3D-фабрики из 3D-принтеров (в английском языке часто используют выражение «3D print farm» - дословно «3D печатающая ферма»). В этом случае, на небольшой площади размером с книжный стеллаж, можно развернуть настоящее решение для ускорения производства, что дает нам экономию времени и средств!
Например, компания Ultimaker (ultimaker.com\ultimaker.ru), когда выпускала модель Ultimaker 3, не укладывалась в сроки запуска серии, и в итоге они просто распечатали недостающие детали (держатель для катушек пластика) сами для себя на собственных 28 принтерах, выполненных ранее на традиционном производстве!
Уже существует целый ряд историй успеха компаний, который поняли, что выстраивание 3D-фабрики и её внедрения в технологическом процессе производства на предприятии, ускоряет сам производственный процесс, качество конечного продукта, а также экономит время и средства в сравнении с традиционным способом воспроизведения деталей под заказ (локально или в Китае). Нужно заметить, что в данный момент 3D-фабрики не смогут заменить полномасштабное производство, в связи ограничением по времени при 3D-печати, но могут значительно помочь ускорению некоторых технологических процессов, которые являются частью производства. При этом 28 принтеров – не предел. Благодаря беспроводному подключению число 3D-принтеров, составляющих 3D-фабрику, можно увеличить. Если говорить о подобном проекте в цифрах, то показатель успешной печати составил 88%, показатель безотказной работы – 94%, затраченное время – меньше 4 недель. Такая 3D-фабрика оправдывает себя на своём производстве и актуален для усовершенствования собственного продукта. Концепция 3D-технологии позволит беспрерывно поставлять партии заказчикам, не тратя время на НИОКР. Этот фактор и эффективность самой 3D-фабрики приводит к снижению затрат на производство и увеличению показателя надёжности новой продукции.
У некоторых производителей уже появилась реальная вера в то, что 3D-принтеры позволят налаживать собственное производство у себя в стране. Возможно, от китайской проблемы дешёвого конкурентного производства наконец-то нашлось противоядие.
Автомобильная промышленность
В самом деле, некоторые производители уже внедрили 3D-фабрики из 3D-принтеров на своих производственных площадках. Один из самых ярких примеров – автомобильная промышленность. Многие мелкие детали и пластиковые элементы, начиная с подстаканников и заканчивая элементами кузова уже частично производятся на собственных 3D-принтерах компаний. Нельзя не упомянуть моддинг машин, который с развитием 3D-печати получил новый виток развития – теперь огромное количество элементов можно просто напечатать.
Например, Автомобильный завод Volkswagen в Португалии полностью перешел на использование 3D-принтеров в печати нестандартных деталей, инструментов. Выяснилось, что это быстрее и дешевле традиционного метода производства. Также компания уменьшила зависимость от сторонних поставщиков компонентов и повысила показатели производительности.
Сроки выпуска деталей выросли на 95%, а их цена сократилась на 90%. Ярким примером стало крепление, защищающее колесо. Сейчас оно стоит 21 евро. Его цена у поставщика – 800 евро. Принтер печатает деталь за 10 дней, у поставщика ее надо заказывать за 56 дней.
Во многом упростилось производство, требующее для реализации основного крупного продукта (например, обувь) каких-то мелких деталей, таких, как заклёпки или подошвы, где используется буквально один или два материала. Также стало возможно печатать различные крепежи или небольшие корпуса. И здесь самое главное не то, что все эти вещи можно печатать – таким уже никого не удивить, а сама концепция того, что это делается не на аутсорсе, не в Китае, а прямо на территории собственного завода в помещении с «фермой», а иногда прямо рядом с рабочим столом дизайнера. При правильном подходе это позволяет колоссально сэкономить расходы на логистику и сократить сроки поставки с нескольких месяцев (время отправки партии из Юго-Восточной Азии) до нескольких дней. Также производство изделий только по мере необходимости позволяет не тратить деньги на хранение.
3D-принтеры активно используются в самых разных областях производства, бизнеса, исследований.
Литейное производство
Такие традиционные типы производства, как, например, литьё, физически не способны конкурировать с таким подходом. Это экономит не только время, но и необходимость во всей дорогой оснастке, характерной для традиционного подхода (например, пресс-формы). Кстати, есть гибридные схемы, в которых пресс-формы печатаются на принтерах на месте при сохранении в целом традиционного производства. Это позволяет сэкономить хотя бы частично.
3D-печать многократно ускоряет рабочий цикл создания формы для отливки. На производство высокоточной мастер-модели с помощью 3D-принтера уходит всего несколько часов (в отличие от длительной и кропотливой ручной работы). Кроме того, мастер может быть уверен, что получит изделие, соответствующее цифровой модели на 100%.
Архитектура и дизайн
Изготовление архитектурных макетов — важная задача для любого конструкторского или архитектурного бюро. От качества модели будущего проекта зависит впечатление заказчиков, клиентов, потенциальных инвесторов. Макетирование традиционными методами — процесс длительный, трудоемкий и весьма дорогой. Технология 3D-печати позволяет значительно уменьшить сроки изготовления макета, улучшить качество, максимально приближая его к оригиналу. При этом основная часть работы по проектированию ведется на компьютере с использованием современных программных средств 3D-моделирования.
Производство электроники
Производители пользовательской электроники и коммерческих приборов активно используют возможности 3D-печати для оптимизации сроков и стоимости разработок.
Например, энтузиаст по имени Arvid придумал способ, как использовать 3D принтер в качестве станка с ЧПУ для создания дорожек печатных плат. Данный метод очень прост и не требует какого-то дополнительного оборудования, кроме самого 3D принтера!
Кусок текстолита необходимого размера предварительно тщательно зачищается и потом закрашивается обычным маркером, после чего помещается на печатную платформу 3D принтера, у которого вместо сопла установлен гравер. Этот гравер убирает краску с тех мест, где медь на плате должна быть вытравлена. После получения рисунка плата кладется в раствор хлорного железа на некоторое время до получения готового состояния. G-код для 3D принтера генерировался в специальной программе FlatCAM, предназначенной для создания печатных плат с помощью станков ЧПУ.
Такой метод механического вытравливания представляет собой наиболее быстрый, чистый, высокопроизводительный и экономически эффективный способ создания печатных плат для прототипирования.
Потребительские товары
3D-печать дает возможность создавать различные полезные в быту вещи, например, чехлы для телефона. Если у вас есть оригинальная идея, чехол можно нарисовать от руки, чтобы потом дизайнер разработал 3D-модель, или просто скачать в интернете уже готовый образец. Наиболее интересны чехлы для телефонов с двигающимися элементами, например, с шестернями.
Например, с помощью 3D-печати компания Fujikon подняла производство наушников на качественно новый уровень.
Logitech создают прототипы компьютерных мышек из полупрозрачного фотополимера, чтобы не только оценить эргономику и внешний вид нового изделия, но и провести анализ расположения компонентов внутри конструкции.
Также 3D-печать была использована для сборки тестовых образцов одной из гарнитур компании. Всестороннее тестирование позволило выпустить максимально удобный, прочный и функциональный продукт в очень короткие сроки.
Аэрокосмическая отрасль
В аэрокосмической отрасли, как и во многих других, все активнее внедряются технологии 3D-печати. Используется 3D-печать сложных изделия с решетчатой структурой вместо того, чтобы отливать их, как раньше. Причём характеристики прочности и надежности не уступают традиционным методам, к примеру, печатные изделия из карбоновых нитей приходят на замену продуктам из титана и алюминия. Они используются для создания деталей самолетов и космических аппаратов, что позволяет значительно снизить издержки производства. Компания Boeing, один из главных игроков в этой отрасли, уже широко использует 3D-печать и в прошлом году произвела 22 тысячи деталей с помощью 3D-принтеров.
Пищевая промышленность
Принцип действия пищевого 3D принтера очень похож на принцип работы обычного струйного принтера. Только вместо картриджей с жидкими красителями в пищевом принтере используются картриджи с пищевыми ингредиентами. В памяти принтера хранится множество рецептов. Чтобы напечатать блюдо, необходимо выбрать один из рецептов и нажать на кнопку. После этого принтер, в соответствии с заложенным в него алгоритмом, начнёт слоями выкладывать ингредиенты на рабочую поверхность или на тарелку. Полученный таким образом продукт охлаждается или запекается.
Медицина
В медицине 3D-принтеры начали использовать еще несколько лет назад — в основном в ортопедии. С помощью МРТ-снимков из пластика печатали точные копии переломов, чтобы врачи обучались на этих моделях, а позднее стали делать модели органов.
В середине апреля японские ученые представили точную копию человеческой печени из пластика, где были воспроизведены все ее сосуды и нервы. Так же была напечатана и опухоль. По этому образцу врачи определили, как именно нужно удалять опухоль, чтобы не повредить функции органа.
От 3D-принтера к 3D-фабрике
Одно из главных преимуществ 3D-фабрики – это возможность смены производства в любой момент. Если размер изделия соответствует возможностям машины, то всё, что требуется для изготовления абсолютного нового элемента – просто поменять схему в компьютерной программе, что занимает несколько мгновений. Есть конечно же и минусы использования 3D-печати – время, по сравнению с массовым производством, а также материал из которого печатает 3D-принтер. Но производители самих 3D-принтеров, производители материалов для 3D-принтеров понимают, что есть некоторые ограничения и потому занимаются разработками новых инженерных материалов. Приведем пример самых известных видов инженерных материалов, которые на сегодняшний день возможно использовать при печати на 3D-принтерах:
ABS – это ударопрочная термопластичная техническая смола. В силу своих уникальных физических свойств данный материал очень востребован в производстве формовых изделий. Подходит для печати механических моделей и движущихся частей, канцелярских изделий, рекламных сувениров, корпуса для техники, макетов коттеджей, домов, участков (архитектурные макеты), изделий сантехники. Для печати с материалом ABSрекомендуется использовать платформу для печати с подогревом, так как ABS имеет тенденцию к деформации, когда быстро остывает.
PLA - это биоразлагаемый пластик, который является самым простым материалом для печати из-за его свойств. Делается из растительных материалов, таких как кукуруза и сахарный тростник. Используется для производства изделий с коротким сроком службы: детские игрушки и принадлежности, подшипники скольжения, макеты коттеджей, домов, участков (архитектурные макеты), литье пластмасс и металлов, литье в силикон, изготовление оснастки. Материал эластичный.
NYLON — первый синтетический полимер, физические качества которого превосходят свойства некоторых металлов. Нейлон обладает невероятным сочетанием свойств: высокой прочностью, термостойкостью, эластичностью и устойчивостью ко многим химическим реагентам. Благодаря особым физическим свойствам, нейлон отнесен к категории полимеров, известных как «инженерные термопластики». Основной недостаток нейлона – длительный период застывания материала, а также необходимость в откачке из экструдера воздуха. Нейлон – токсичный материал. В основном применяется при производстве рычагов, шестерней, деталей для медицинского оборудования. А также для изготовления протезов, создания литейных форм, изготовления нейлоновых струн для музыкальных инструментов.
HIPS - Полистирол (HIPS) широко известен каждому из нас по множественным бытовым изделиям и строительным материалам: одноразовой посуде, игрушкам, упаковкам, облицовочным материалам, бытовой технике и т.д. Фактически, с момента широкого внедрения в начале 1950-х этот пластик стал одним из наиболее популярных полимеров в мире благодаря низкой стоимости и всевозможным комбинациям с другими пластиками и эластомерами.
PETT - Полиэтилентерефталат – под этим сложным названием скрывается материал, используемый для производства пластиковых бутылок и другой пищевой и медицинской тары. Материал имеет высокую химическую устойчивость к кислотам, щелочам и органическим растворителям. Физические свойства ПЭТ также впечатляют высокой износоустойчивостью и терпимостью к широкому диапазону температур – от -40oС до 75oС. Кроме всего прочего, материал легко поддается механической обработке.
PVA - Поливиниловый спирт или «PVA-пластик» – расходный материал, который существенно расширяет возможности 3D-печати при использовании принтеров с двойным экструдером. PVA пластик растворяется в воде, что делает его совершенно пригодным в качестве материала для выстраивания водорастворимых поддержек. Это особенно важно при печати моделей сложной геометрической формы.
FLEX – материал с особыми свойствами, характеризующийся упругостью и гибкостью. Его черты сравнимы с твердым силиконом. Он позволяет печатать разнообразные модели с различными потребительскими свойствами: от тапочек и игрушек для детей, до сложных патрубков и суставных элементов. В этом виде пластика объединены свойства резины и силикона, поэтому он пользуется такой большой популярностью при изготовлении разного рода сувенирной продукции.
PC – (поликарбонат) имеет высокую прочность, твердость, и термостойкие свойства до 110oС. Идеально подходит для печати форм, инструментов и функциональных прототипов.
CPE - (полиэстер) материал устойчивый к химическим воздействиям, прочный и демонстрирует хорошую формоустойчивость. Данный материал хороший выбор для печати функциональных прототипов и механических частей. CPE и CPE+ имеют аналогичные характеристики, но CPE+ обеспечивает дополнительные преимущества как более высокой термостойкостью и повышенной устойчивостью.
PP - (Полипропилен) является долговечным материалом. Он обладает высокой прочностью, исключительной устойчивостью к усталости и низким трением. Он также обладает хорошим химическим, температурным и электрическим сопротивлением. PP является одним из наиболее широко используемых пластмасс на планете. От электрических компонентов до живых шарниров. PP - это готовый материал для изготовления прототипов и конечных продуктов.
А теперь пора вернуться к вопросу о 9 женщинах. 3D-принтер затрачивает определённое время на печать одной детали. Если ваша 3D-фабрика является не просто частью производственного процесса, а сразу выпускает конечный продукт, и у вас есть заказ на большое количество единиц, к сожалению, придётся планировать сроки и сообщать их заказчику. В самом идеальном случае время производства всей партии будет равняться производству одной детали, если у вас имеется столько же отдельных 3D-принтеров. Таким образом, 9 женщин могут дать 9 детей за девять месяцев. Но всё-таки у 3D-принтеров есть одно преимущество.
Главным отличием 3D-производства от биологического воспроизведения является то, что есть ряд продуктов, которые можно собирать по частям. И вот тут появляется самый настоящий «лайфхак»: собранные в единую систему 3D-принтеры могут распределить между собой задачи и печатать одновременно разные детали, чтобы в итоге в кратчайший срок получить всё необходимое для сборки окончательного продукта.
Но давайте уйдём от классического понимания массового производства и представим себе другую концепцию: как 3D-принтеры могут помочь этого самого массового производства избежать? Задумайтесь, сколько миллионов единиц товаров любого рода в итоге оказывается на свалке, потому что оно было произведено, но не куплено? Сколько денег теряют массовые производители на том, что делают слишком много продукции впрок или заказывая избыточное «минимальное количество для производства» с целью минимизации расходов?
Если у вас есть собственная 3D-фабрика, эта проблема может исчезнуть. Более того, вам даже не нужно держать её у себя – разместите её ближе к конечному заказчику. Давайте разберём элементарный пример: бытовая кухонная утварь (посуда, вёдра, контейнеры). Зайдите в любой гипермаркет, и вы увидите десятки стеллажей (за которые выплачивается аренда), уставленных посудой, из которой в итоге далеко не вся будет продана. Но что, если поставить вместо нескольких сотен метров полок с готовой посудой, всего несколько шкафов с 3D-принтерами, соединить их все по сети, вывести в облако и подключить к единой удалённой системе? Покупатели смогут заказывать нужные товары через электронный каталог на сайте, отправлять их на печать, а потом забрать из магазина (или получить доставку). Далее можно добавить робо-руку, которая сможет забирать распечатанный товар и различные системы мониторинга для минимизации времени простоя системы. Ни одной единицы товара не будет произведено просто так!
Посуда – это только пример. Однако общая концепция сводится к одному: объединение удалённых 3D-принтеров в одну систему с облачным хранением данных радикально меняет взгляд на производство, как таковое, вот что такое 3D-фабрика. В конечном итоге, можно собирать сложные системы производства, соединенные промышленными коммутаторами (ссылка) и диагностируемые промышленными контроллерами (ссылка), и размещать их в жёстких условиях: на улице, в неотапливаемых помещениях и т.д. (по крайней мере, можно уменьшить отапливаемые площади за счёт использования промышленных сетевых устройств).
3D-фабрики только начинают набирать популярность, но есть сферы, в которые лучше попадать в самом начале развития. Подумайте, какие из ваших задач можно покрыть собственной фабрикой 3D-печати? Сколько денег это позволит сэкономить?
Может быть, это именно то, вам давно было нужно для оптимизации?
