Транспорт
Печать с нуля. Как аддитивные технологии меняют автопром
Аддитивное производство — это промышленный процесс, известный также как 3D-печать. Управляемое компьютером устройство создаёт трёхмерные предметы путём послойного нанесения конструктивных элементов на основу. Использование технологии 3D-сканирования позволяет печатать объекты со сложной геометрией, при этом количество отходов производства сокращается практически до нуля. Этот способ идеально подходит для быстрого прототипирования, поскольку изменения в конструкцию можно внести в любой момент, а отсутствие потерь материала обеспечивает снижение затрат на сырьё. Кроме того, детали, которые ранее требовали сборки из нескольких частей, на аддитивном производстве могут быть изготовлены как единый объект, что повышает прочность и долговечность конечного продукта.
В автомобильной отрасли промышленная 3D-печать давно стала проверенным производственным методом. Применение аддитивных технологий в автопроме разнообразно: от запасных частей для олдтаймеров (раритетных автомобилей), которые сняты с производства многие десятилетия назад, до кузовных деталей для современных машин. Аддитивные технологии позволяют проектировщикам придумывать совершенно новые подходы к дизайну и эргономике транспортных средств. Компоненты с комплексной структурой, а также бионические формы, которые на обычном производстве трудно или даже невозможно изготовить, могут быть реализованы относительно просто, быстро и в высоком качестве. Наконец, автомобильные компании «режут косты» на производстве средств производства: один принтер, печатающий многокомпонентную деталь, заменяет несколько промышленных инструментов.
Проектирование. Высокодетальные и точные трёхмерные печатные модели используются в автопроме для демонстрации концепций и конструктивных особенностей новых автомобилей. Такие модели также участвуют в предварительных аэродинамических испытаниях.
Прототипирование — очень важная часть любого производственного процесса. 3D-печать позволяет быстро создавать прототипы, а использование аддитивных технологий является одним из самых популярных способов проверки прототипа любого масштаба — от маленькой, быстро напечатанной детали до комплексных элементов, необходимых для тестирования под полной нагрузкой.
Инструменты. Специалисты считают это направление одним из наиболее перспективных. Аддитивное производство пресс-форм, термоформовочных инструментов, захватов, оснастки и фиксаторов позволяет автопроизводителям значительно сократить текущие затраты на орудия труда.
Кастомизированные детали. Промышленная 3D-печать используется автопредприятиями для подгонки деталей под конкретные автомобили (делая их нестандартными и легковесными) или даже водителей (например, сиденья для гоночных автомобилей). Это особенно полезно в тех случаях, когда стоимость таких уникальных компонентов оправдывается существенным улучшением эксплуатационных характеристик транспортного средства.
Девять миллиардов возможностей
SmarTech Analysis — ведущая консалтинговая компания в сфере аддитивных технологий — прогнозирует, что мировой рынок автомобильных запчастей и аксессуаров вырастет до 460 млрд долларов к 2025 году. Доля аддитивного производства, по оценкам экспертов, составит 9 млрд долларов: по состоянию на август 2020 года объём рынка оценивается в 1,4 млрд долларов.
1,4 млрд $
объем аддитивного производства в августе 2020 года
В своём исследовании аналитики выделяют следующие интересные тенденции:
До 9 млрд $
должен вырасти объём аддитивного производства к 2025 году
Европа лидирует в области аддитивного производства металлических объектов, а Америка опережает остальной мир в аддитивном производстве полимерных объектов, но наибольшую финансовую выгоду от применения аддитивных технологий в автопроме в течение всего прогнозного периода (до 2029 года) получит Китай. США — второй по величине рынок мира, Германия — третий. Соответственно, каждая из этих стран является ведущей в своём регионе.
Полномасштабное внедрение полимеров в автомобилестроение. В частности, нейлона (в основном PA12) и ABS: ожидается, что использование этих материалов будет расти, особенно в композитных вариантах — с добавлением углеродного волокна (для лёгкости и прочности) или стекловолокна (для термостойкости). Эксперты также отмечают растущее применение таких эластомеров, как TPU (термопластичный полиуретан) и PP (полипропилен). Из перечисленных видов сырья делают различные детали для интерьера, экстерьера, двигателя и ходовой части: ролики, муфты, втулки и уплотнения, кабели, тканевые покрытия, ремни, шланги, фитинги, шестерни и бамперы.
Автопром по-прежнему делает основной упор на сталь (это наиболее широко используемый металл как в классическом, так и в аддитивном производстве), а также на титан, он применяется в hi-end-автомобилестроении: автоспорте и изготовлении суперкаров. В будущем рынок захватит алюминий: сегодня из него делают прототипы, которые получаются легче и, что самое главное, дешевле аналогов.
Общий вывод специалистов таков: новые системы и технологии аддитивного производства, которые шаг за шагом поступают в коммерческую эксплуатацию, позволяют увеличить производственные мощности (как за счёт эволюции аппаратного обеспечения, так и за счёт повышения автоматизации процессов), изготавливать более крупные (в том числе многокомпонентные) детали и стимулируют появление более доступных материалов для автопрома.
Ветераны и новички
«Скорее всего, полностью напечатать автомобиль на 3D-принтере в ближайшее время не получится, но количество и размер деталей, изготовленных методом аддитивного производства, значительно вырастет. Наша цель — как можно быстрее интегрировать напечатанные детали в автомобили нового поколения. В долгосрочной перспективе мы ожидаем непрерывного увеличения количества напечатанных структурных единиц, — вплоть до 100 000 штук в год», — заявил Мартин Геде, руководитель отдела технологического планирования и развития Volkswagen. Его компания активно работает над интеграцией аддитивных технологий в производство. На предприятиях группы большие промышленные 3D-принтеры печатают крупные детали (например, решётки радиатора), а компактные устройства производят мелкие запчасти. Оборудование и технологии для работы над металлическими компонентами немецкий концерн закупил у HP, в то время как поставщиком комплексов для изготовления «продвинутых» деталей была выбрана компания Additive Industries.
В 2018 году BMW отчиталась о том, что за 10 лет (2008—2018) компании удалось напечатать миллион деталей. Автопроизводитель с 1990 года использует аддитивные технологии для прототипирования и опытно-конструкторских разработок. Юбилейная деталь — направляющая для окна BMW i8 Roadster — была создана с применением технологии Multi Jet Fusion компании HP; за сутки принтер может изготовить до 100 таких деталей.
Ford работает с 3D-принтерами с 1988 года: 30 лет спустя на заводах компании насчитывалось 90 станков для аддитивного производства. Спектр их применения варьируется от изготовления запасных частей для собственных производственных линий до создания элементов тормозной системы Shelby Mustang GT500 2019 года. Два года назад Ford инвестировал 45 млн долларов в свой Центр продвинутого производства (Advanced Manufacturing Center) и установил там 23 3D-принтера. Компания рассчитывает на экономию времени и средств за счёт интеграции 3D-печати в производственный процесс: «Одно из находящихся в разработке решений может сэкономить нам более 2 млн».
45 млн $
инвестировал Ford в 2018 году в свой Центр продвинутого производства и установку 23 3D-принтеров
Bugatti, Chrysler, GM, Honda, Kia, Porsche, Toyota — OEM-производители активно осваивают промышленную 3D-печать. Так, в 2017 году концерн Daimler начал печатать полимерные запасные части для своего североамериканского подразделения Daimler Trucks и металлические детали для Mercedes-Benz Trucks. Компания Audi, имеющая большой опыт в 3D-печати, в ноябре 2016 года создала Центр компетенций в области 3D-печати (Competence Center for 3D Printing) и выразила намерение продолжать инвестиции в аддитивные технологии (в частности, в рамках партнёрства с EOS).
Российские автомобилестроительные компании также внедряют аддитивные технологии в производственные процессы. К примеру, «Группа ГАЗ» применяет 3D-принтеры в прототипировании деталей машин. По словам представителей холдинга, это позволяет увеличивать скорость разработки продуктов. Флагман отечественного рынка тяжелых грузовиков — КамАЗ — печатает песчаные формы для литья стали на двух 3D-принтерах, созданных фирмой «Зиас Машинери» из Новоалтайска. Компания Additive Solutions (AddSol) производит 3D-принтеры для печати металлом по технологии SLM (selective laser melting; выборочная лазерная плавка). Устройства могут использоваться не только в автомобилестроении, но и в металлургии, производстве двигателей и аэрокосмическом сегменте. Продуктовый портфель AddSol включает в себя 3D-принтеры различных модификаций, программное обеспечение Stratum и металлические порошки.
Изготовлением порошковых металлов для 3D-печати занимается и тульский завод «Полема». Материалы, выпускаемые на новом предприятии (запуск состоялся в 2018 году), — сферические порошки на основе железа, никеля, кобальта, хрома, молибдена и вольфрама. Компания также продвигает новую линейку тугоплавких сплавов для 3D-печати и оказывает услуги по производству деталей из собственного сырья с использованием аддитивных технологий. Области применения продукции «Полемы» — нефтегазовая промышленность, авиакосмическая и автомобильная отрасли, двигателестроение и прочие наукоёмкие виды.
Стоит отметить, что несмотря на поступательную имплементацию промышленной 3D-печати в производственный сектор (в том числе автопром) не все предприятия выиграют от этого. По мнению экспертов, повсеместное внедрение 3D-принтеров может привести к трансформации индустриального ландшафта, уменьшению среднего размера предприятий, смещению центров производств в сторону потребителя, что может негативно сказаться на экспортёрах автомобильных комплектующих.
Коммерческая целесообразность
По мере снижения стоимости аддитивного производства оно будет становиться всё более популярным, но в некоторых случаях высокий размер затрат действительно обессмысливает процесс. Считается, что промышленная 3D-печать экономически эффективна при изготовлении мелких партий на централизованном производстве; это ограничение можно преодолеть, если автоматизировать распределённое производство.
Специалисты признают, что проследить изменение стоимости промышленной 3D-печати с течением времени не представляется возможным: слишком много плавающих факторов задействовано при расчётах. Однако значения некоторых метрик за разные годы всё же можно сравнить. Так, стоимость 3D-принтеров в новом тысячелетии неуклонно снижается: по данным Национального института стандартов и технологий США (The National Institute of Standards and Technology, NIST), с 2001 по 2011 год средняя цена данного типа устройств уменьшилась на 51% (с учётом инфляции). Тенденцию подтверждают и аналитики Deloitte: расходы на 3D-принтеры резко сократились, технология стала доступна широкому кругу производителей. Промышленные принтеры, которые когда-то стоили, скажем, 10 000—20 000 долларов, теперь стоят в 5 раз дешевле. 3D-принтеры высокого класса вышли на массовый рынок.
В 2—5 раз
снизилась средняя цена 3D-принтеров за последние 10—20 лет
Разумеется, существенную часть себестоимости конечного товара составляют затраты на сырьё. Снизить эту статью расходов можно за счёт закупки материалов более крупными партиями и получения дисконта от поставщиков. А снижение стоимости сырья, в свою очередь, стимулирует дальнейшее развитие аддитивного производства. К тому же аддитивные технологии часто бывают взаимодополняющими и могут применяться параллельно друг с другом, обеспечивая дополнительный синергетический эффект.
Обнадеживающие перспективы
Аддитивное производство представляет собой универсальный набор технологий, которые могут помочь участникам автопрома в достижении глобальных стратегических целей: увеличения производительности, внедрения инноваций и роста финансовых показателей. Проще говоря, промышленная 3D-печать позволяет оптимизировать процессы, то есть сэкономить время и деньги. А учитывая широту возможностей, открывающихся при использовании аддитивных технологий, интеграция подобных решений будет продолжаться.