Druk 3D: perspektywy rozwoju do roku 2025

Druk 3D wbrew pozorom nie jest technologią nową. Pierwsze maszyny drukujące opatentowano już w połowie lat 80. XX wieku. Przez okres obowiązywania patentów technologia pozostawała w rękach dużych korporacji, przez co była droga i mało dostępna. Ostatnie dziesięć lat to czas gwałtownego rozwoju i popularyzacji technologii przyrostowych.

Technologia druku 3D szybko się rozwija. Powstaje wiele nowych maszyn, dostępnych jest coraz więcej materiałów, drukowane części są coraz bardziej wytrzymałe, a sam proces staje się coraz szybszy. Technologia zyskała popularność w mediach, m.in. dlatego, że jest efektowna wizualnie i działa na wyobraźnię. Problem polega na tym, że za jej rozwojem nie nadążają potencjalni użytkownicy. Oswojenie się z drukiem 3D, podobnie jak z każdą inną innowacją, wymaga czasu. Użytkownicy muszą poznać możliwości i ograniczenia technologii i znaleźć dla niej miejsce do zastosowań w swoich branżach.

Druk 3D przez długi czas był kojarzony jedynie z szybkim prototypowaniem, co silnie zakorzeniło się w świadomości inżynierów. Teraz przyszedł czas na odkrycie potencjału technologii przyrostowych w wytwarzaniu funkcjonalnych części. Ten potencjał tkwi w dwóch elementach: w optymalizacji łańcucha dostaw oraz w tworzeniu detali o skomplikowanej geometrii. Pierwszy element wymaga poznania możliwości i zbudowania zaufania do nowej technologii. Drugi jest bardziej wymagający – zakłada zmianę myślenia w procesie projektowania.

Najbardziej innowacyjni przedstawiciele swoich branż intensywnie pracują nad tym, jak wykorzystać pełnię nowych możliwości zapewnianych przez technologie przyrostowe. Korzyści wynikające z wykorzystania druku 3D można podzielić na dwie grupy. Pierwsze wynikają z prostoty procesu technologicznego. Przedsiębiorstwa mogą optymalizować łańcuch dostaw, redukując koszty i czas wytwarzania części. Druga grupa to korzyści związane z projektowaniem części. Druk 3D eliminuje wiele dotychczasowych ograniczeń geometrii produkowanych części, otwierając nowe możliwości. Dodatkowo stopień skomplikowania geometrycznego ma znikomy wpływ na koszty i czas wytwarzania.

Branże takie jak lotnictwo czy medycyna jako jedne z pierwszych zaczęły przeznaczać duże nakłady inwestycyjne na badania i rozwój oparty na technologii druku 3D. Gdy zaczęły pojawiać się konkretne zastosowania i korzyści wynikające z jej użycia, do wyścigu zaczęli dołączać przedstawiciele kolejnych branż.

3D w branży automotive

Automotive, czyli branża samochodowa, jest istotnym strategicznym punktem do dalszej ekspansji innowacji w przemyśle. To właśnie tu rozpoczął się marsz robotów na podbój przemysłu wytwórczego – jeszcze kilka dekad temu 90% istniejących na ziemi robotów pracowało w fabrykach aut. Dziś jest to jedynie połowa; wciąż dużo, jednak nie można już mówić o monopolu.

W zakładanym horyzoncie czasowym (do 2025 r.) nie należy spodziewać się wielkiego przełomu w branży samochodowej – także w kontekście dostarczenia innowacji przez technologie addytywne. Widać jednak pewną możliwość upowszechnienia się druku w tej gałęzi przemysłu, głównie na trzech polach.

Pierwszym z nich jest obszar, w którym druk 3D już się zadomowił – prototypowanie w działach badań i rozwoju. Dla konstruktorów gigantów takich jak Volkswagen czy Toyota możliwość błyskawicznego przetestowania swoich najnowszych rozwiązań w rzeczywistości, a nie na ekranach komputerów, i to przy bardzo niskim koszcie jest wprost nieoceniona.

Jako szansę na zaistnienie druku 3D w branży samochodowej można też wskazać segment aut luksusowych – produkcji wysokomarżowych, niskoseryjnych czy wręcz jednostkowych. Istnieje tu duże pole do personalizowania produktów dla klientów o zasobnej kieszeni. Już obecnie dużą popularnością cieszą się warsztaty tuningowe, szczycące się zdolnością do zamieniania seryjnie produkowanego auta w unikatowe dzieło sztuki. Być może druk 3D ułatwi indywidualizację aut już na etapie produkcji.

Największy potencjał dla druku 3D da się jednak dostrzec przy tworzeniu poszczególnych elementów aut – zwłaszcza tych, które są produkowane z tworzyw sztucznych.

Wraz ze wzrostem liczby drukowanych części montowanych w autach zmieniłoby się też podejście do logistyki części zamiennych – zostałby w zasadzie wyeliminowany czas oczekiwania na dostawę, bo mogłyby one być drukowane na miejscu w autoryzowanych serwisach; znacząco zmalałby też ich koszt.

Bardzo trudno natomiast ocenić wpływ zaadaptowania metod addytywnych do procesów wytwórczych na koszty produkcji aut. Wynika to stąd, że branża samochodowa, oferując towar drogi w produkcji i jednocześnie masowy, w zasadzie od swojego powstania ukierunkowana była na „odchudzanie” metod produkcyjnych, czego sztandarowym przykładem niech będzie taśma montażowa Forda. Na przeszkodzie do upowszechnienia się druku 3D staje więc bagaż doświadczenia i wiedzy, jakimi dysponują tradycyjne metody wytwarzania.

Obecne trendy wskazują jednak, że tzw. Next Big Thing w branży motoryzacyjnej będzie autonomiczny samochód z napędem elektrycznym o zasięgu zbliżonym do zasięgów aut spalinowych. To, w połączeniu z doniesieniami o pierwszych sukcesach na polu drukowania baterii z wykorzystaniem nadprzewodzącego grafenu, może okazać się prawdziwym przełomem w branży.

Przyszłość branży automotive będzie kształtowana nie tylko przez druk 3D – aby uzyskać pełniejszy obraz sytuacji, należałoby rozważyć także inne rozwiązania, trendy i zjawiska, które mają potencjał zmienienia lub zrewolucjonizowania tego rynku. Przykładem mogłyby być:

-> robotyczne gigafabryki – eliminacja ludzi z procesu produkcyjnego zaowocuje spadkiem kosztów, a centralizacja produkcji wyeliminuje logistykę podzespołów;

-> zmiany designu – wyeliminowanie kolizji z ruchu drogowego za sprawą zaawansowanej sztucznej inteligencji drastycznie zmieni samą formę samochodu: uproszczenie bryły, wyeliminowanie zbędnych elementów może znacząco „odchudzić” proces powstawania auta;

-> nowe materiały – rozwój nowych materiałów obrabialnych tradycyjnymi metodami może sprawić, że produkcja drukiem 3D nie będzie tak opłacalna, jak by się mogło wydawać.

Szersza perspektywa w kontekście branży automotive to także, a może przede wszystkim, wyjście poza rozwiązania usprawniające proces produkcji i udoskonalające oferowane produkty – to poszukiwanie źródeł rewolucyjnych zmian, które w drastyczny sposób mogą przeobrazić sposób realizowania potrzeby przemieszczania dóbr i osób. Dla przykładu:

-> ograniczenia związane z ochroną środowiska – pogarszająca się jakość powietrza wpływa na odbiór społeczny auta jako środka transportu. Jeśli więc na skutek pogarszającej się jakości życia w miastach sprzedaż aut drastycznie spadnie, branża będzie musiała na nią odpowiedzieć zupełnie nowymi rozwiązaniami;

-> zanik potrzeby klienta – rozwój rzeczywistości wirtualnej i technologii mobilnych może doprowadzić do drastycznego zmniejszenia się potrzeby przemieszczania się. Zamówione w VR sklepie zakupy przyniesie pod nasz dom latający dron, a może powstanie specjalna infrastruktura dostawcza? Inna możliwość – w związku z przeludnieniem miast powstaną gigantyczne drapacze chmur, w których będzie skupiało się całe życie człowieka. Jedynym potrzebnym środkiem transportu będą w nim windy lub odpowiedniki segwayów czy małych skuterków.

3D w automatyce i robotyce

W pewnym sensie można byłoby zaryzykować stwierdzenie, że druk 3D jest obecny w branży automatyki i robotyki już od wielu lat – w końcu technologia tworzenia układów scalonych (fundamentu współczesnej elektroniki) jest również technologią addytywną.

Tym niemniej w branży automatyki i robotyki wciąż jeszcze pozostaje sporo miejsca dla nowych zastosowań tej technologii. Eksperci wysoko oceniają zarówno potencjał innowacyjny, jak i możliwość upowszechnienia się druku 3D perspektywie roku 2025.

Wyraźnym trendem w tej branży jest wykorzystanie technologii druku 3D do zaproponowania klientom zupełnie nowych produktów – robotów drukujących. Takie rozwiązanie pozwoli rozwiązać jeden z głównych problemów stojących przed technologiami 3D, czyli względnie małą przestrzenią roboczą.

Pojawiają się już pierwsze jaskółki tego nurtu – rosyjska firma ApisCor, zainspirowana technologią druku 3D, stworzyła robota zdolnego wydrukować domek o powierzchni niecałych 40 m2 w jedną dobę. Zaopatrzone w głowice drukujące roboty mogą w dalekiej perspektywie całkowicie zmienić sposób wytwarzania w innych branżach – podobnie jak stało się to z robotami spawalniczymi. Od kilkunastu lat trwają też prace nad robotami zdolnymi do kooperatywnego działania, np. na zasadzie roju. Dla takiego roju robocików zaopatrzonych w głowice drukujące przestrzeń robocza byłaby w zasadzie nieograniczona.

Ważnym czynnikiem wpływającym na potencjał druku 3D dla branży robotyki jest zdolność tworzenia skomplikowanych geometrycznie kształtów, która otwiera przed konstruktorami wcześniej niedostępne możliwości w projektowaniu końcówek roboczych dostosowanych do manipulowanych obiektów (np. chwytak wyprofilowany tak, by idealnie dopasował się do szyjki przenoszonych butelek).

O ile raportowi eksperci byli zgodni co do oceny potencjału innowacyjności i upowszechnienia druku 3D w automatyce i robotyce, o tyle co do wpływu na koszty możemy mówić o całkowitym braku jednomyślności.

Taka sytuacja wynika z jednej strony z faktu, że kluczowymi elementami w przemyśle są komponenty elektroniczne oraz software – druk 3D raczej nie ma możliwości obniżenia kosztów produkcji na tym polu. Z drugiej strony, roboty nie są urządzeniami produkowanymi seryjnie – chodzi raczej o urządzenia dostosowane pod konkretnego klienta. Włączenie technologii druku 3D do procesu produkcyjnego znacząco zwiększy jego elastyczność, co pozwoli na duże obniżenie kosztów.

Gdzieś na horyzoncie rysuje się szansa na to, że druk 3D przyczyni się do odkrycia nowych materiałów czy elementów elektroniki, które mogłyby zrewolucjonizować branżę automatyki i robotyki – ale nie jest to na razie nic pewnego.

Szersza perspektywa w kontekście automatyki i robotyki to także, a może przede wszystkim, wyjście poza rozwiązania usprawniające proces produkcji i udoskonalające oferowane produkty – to poszukiwanie źródeł rewolucyjnych zmian, które w drastyczny sposób mogą przeobrazić sposób realizowania rozmaitych potrzeb, na które odpowiada ta branża. Dla przykładu:

-> bioewolucja – prezentując pierwszego iPhone’a, Steve Jobs przekonywał, że nie potrzebujemy żadnego rysika, bo natura wyposażyła nas w najdoskonalszy rysik, jaki istnieje – nasze palce. Podobnie jak najdoskonalszym manipulatorem jest
dłoń ludzka. Inżynierowie od dawna podpatrują przyrodę i starają się zaadaptować najlepsze jej rozwiązania do swoich projektów. Być może czas postąpić krok dalej i szukać możliwości sterowania biorobotami? Czy w przyszłości wyposażymy maszyny w dłonie zbudowane nie z metalu i plastiku, a z prawdziwej skóry, mięśni i krwi?

-> człowiek 3.0 – rozwój genetyki i/lub rozwój cyberwzmacniania ludzkich możliwości (powstaną hybrydy ludzi i maszyn) sprawi, że znów to człowiek będzie najtańszym środkiem wytwarzania.

Co dalej?

Przyszłość technologii druku 3D rysuje się dla każdej branży w odmiennych barwach, jednak w toku naszych badań zaobserwowaliśmy jeden, powtarzający się wniosek – największy potencjał druku 3D kryje się w zupełnie nowych zastosowaniach. Zwiększenie jakości produktu i/lub efektywności jego wytwarzania poprzez zastąpienie obrabiarki drukarką nie niesie za sobą istotnegoprzełomu. Prawdziwie wielkie szanse rynkowe kryją się w zapewnianej przez druk 3D zdolności do wytwarzania rzeczy, których nikt dotychczas nie był w stanie zrobić, z materiałów, których nikt nie był w stanie użyć, i w sposób, który dotychczas był nieosiągalny. Dla większości firm nie jest to wniosek oczywisty. Prościej jest trzymać się starych przyzwyczajeń, wstawiając w rogu zakładu drukarkę 3D, o którą prosił dyrektor utrzymania ruchu, albo (przy podejściu bardziej ambitnym) skracając czas produkcji podzespołu, drukując jedną z jego części. Czy możemy pochwalić się wtedy tym, że jesteśmy innowacyjni i stosujemy technologie wytwarzania addytywnego? Oczywiście! Ale czy w pełni wykorzystujemy ich potencjał i czy nie oddajemy pola komuś, kto właśnie pracuje nad wykorzystaniem tej technologii do zaoferowania zupełnie nowych kategorii produktów?

Zmiana sposobu myślenia o druku 3D wiąże się z koniecznością projektowania nowych produktów z myślą o wytwarzaniu addytywnym i możliwościach, jakie ono daje. Nie jest to proste – niejednokrotnie wymaga pozyskania kompetencji, jakich firma dotychczas nie posiadała. Pojawiają się jednak pierwsze firmy, które starają się w ten sposób wykorzystać szansę na uzyskanie przewagi strategicznej na swoim rynku lub na śmiałe wejście na rynek, na którym dotychczas nie działały. Jednocześnie nie oznacza to wcale, że druk 3D wkrótce zdominuje wszystkie branże i wszystkie ich aspekty – w wielu miejscach nie ma i długo jeszcze nie będzie przesłanek, aby zmieniać dopracowane przez dziesięciolecia do perfekcji metody wytwarzania. Podejmując się analizy strategicznej na potrzeby inwestycji, przejęć czy planowania działań badawczo-rozwojowych, należy mieć na względzie to, jakie zupełnie nowe możliwości może dać druk 3D, w porównaniu do innych rozwiązań, po które być może warto sięgnąć. Czy Państwa konkurenci będą w stanie wykorzystać go kreatywnie, do wytwarzania nowych produktów, z nowych materiałów, albo w zupełnie inny niż dotychczas sposób w celu uzyskania przewagi rynkowej?

Autorem całego opracowania jest biuro 4CF przy współpracy firmy Cubic Inch. Wybór fragmentów i edycja: Control Engineering Polska. Pełna wersja raportu „Druk 3D 2025” obejmuje również analizę sytuacji dotyczącej branży stoczniowej, aeronautyki oraz utrzymania ruchu – z wykorzystaniem istotnego narzędzia metody foresight, tzw. trójkąta 4CF.

Tekst pochodzi z nr 5/2017 magazynu „Control Engineering”. Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.