Аддитивные технологии: сферы их применения, положительные эффекты, влияние на российское общество и экономику

Введение

Технический прогресс не стоит на месте. Аддитивные технологии — одна из самых передовых и активно развивающихся цифровых индустрий в современном мире.
Научно-производственное предприятие «3D Аддитивные Технологии» — единственный отечественный разработчик и производитель фотополимерных смол для 3D-печати в Нижнем Новгороде. Основатель компании Кирилл Белов подробно рассказывает о сфере применения и преимуществах продукта.
Технология аддитивного производства значительно упрощает процесс изготовления продукции по сравнению с традиционными технологиями. Можно эффективно заменить крупные производственные площадки с громоздким оборудованием и большим количеством рабочих на компактные цеха с несколькими 3D-принтерами и несколькими специалистами. При этом качество выпускаемой продукции повышается по мере уменьшения количества операций.
Аддитивные технологии в настоящее время являются наиболее современным и перспективным методом получения изделий сложной конфигурации. Традиционный метод производства изделий заключается в удалении из заготовки лишнего материала, либо использовании процесса литья и т. д., тогда как при аддитивных технологиях формирование изделия достигается за счет создания слоев с использованием различных технических методов и оборудования. При формировании изделия использовать сквозное дизайн-мышление на основе твердотельной или поверхностной STL-модели изделия, предварительно созданной в специализированной системе проектирования.
Цель данной работы изучить аддитивные технологии: сферы их применения, положительные эффекты, влияние на российское общество и экономику.
В соответствии с поставленной целью выявлены следующие задачи исследования:
 Провести анализ и классификация аддитивных технологий;
 Рассмотреть факторы, влияющие на применение и распространение аддитивных технологий%
 Изучить практическое применение аддитивных технологий в различных сферах;
 Рассмотреть положительные эффекты применения аддитивных технологий в производстве, влияние на российское общество и экономику страны;
 Выявить перспективы развития аддитивных технологий во всех сферах применения;
 Определить тенденции развития аддитивных технологий.
Объектом исследования выступают аддитивные технологии.
Предмет исследования перспективы внедрения и тенденции развития в России.
В работе использовались такие методы исследования, как структурно-функциональный, сравнительный, дедуктивный.
Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и приложений.










1. Характеристика рынка современных аддитивных технологий

1.1 Анализ и классификация аддитивных технологий

В настоящее время, как указывали многие российские ученые, особенно М. А. Зленко, А. А. Попович, И. Н. Мутылина, устоявшейся классификации аддитивных технологий не существует [1]. На наш взгляд, в таксономии аддитивных технологий выделяют две группы: техническую и экономическую.
Техническая классификация является частью стандартизации и гармонизации области.
Американское общество по испытаниям и материалам (^STM) еще в 2012 году сформулировало стандарт ASTM/F2792-12a, давший понятие «аддитивной технологии», однако ее бурное развитие в развитых странах требует пересмотра существующих стандартов, что и было создано как основу Нового Мирового Стандарта, позволяющего объединить мировой опыт и создать единую базу терминологии и таксономии. В 2015 году ASTM и Международная организация по стандартизации (ISO) совместно разработали международный стандарт ISO/ASTM 52900:2015. Новый стандарт, во-первых, закладывает основу для глобального сотрудничества и, во-вторых, рассматривает аддитивные технологии как элемент производственного процесса, а не как теоретическую модель [5, с.140].
Стандарт ISO/ASTM 52900:2015 стал основой для первого российского стандарта ГОСТ Р 57558-2017 «Аддитивные производственные процессы». Основной принцип. Часть 1: Термины и определения», действующая с 1 декабря 2017 г., содержит основные технические понятия.
Техническая классификация проводится по следующим критериям:
А. Способы получения продуктов.
Так ASTM F2792.1549323-1 (США) делит АТ на 7 категорий:
1. Material Extrusion — «экструзия материала».
2. Гидроструйная обработка материалов - «Гидроструйная обработка материалов», «Технология гидроструйной обработки».
3. Binder Jetting – «струйный связующий».
4. Ламинирование листов - "стыковка листов".
5. Ванная фотополимеризация — «фотополимеризация в ванне».
6. Сварка порошковых материалов – «Сплавление материала в предварительно сформированных слоях».
7. Направленное энерговыделение - «Прямая подача энергии непосредственно на строительную площадку» [2].
Аналогичная классификация реализована в ГОСТ Р 57558-2017.
Б. Используемые материалы.
Используемые материалы во многом определяют назначение и область применения аддитивных технологий. Первоначально использовались фотополимерные смолы и пластмассы. Спектр используемых материалов широк и расширяется, сюда входят: фотополимерные смолы, пластмассы, металлы, композиты, нейлон, фотополимеры, искусственный камень, песчаник, бетон, дерево, глина, пищевые ингредиенты, медицинские материалы, биологические материалы и т. д.
Структура используемых материалов показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Структура применяемых в аддитивных технологиях материалов [3]
Из рисунка 1 видно, что структура материалов, используемых в 2021 году, выглядит следующим образом: 88 % — пластики (пластики), 35 % — смолы (смолы), 28 % — металлы (металлы), 12 % — многоцветный песчаник (многоцветный песчаник); 11 % - воск или воскообразные материалы (воск); 8% - керамика (керамика); 4% - прочие материалы [6, с.198].
Б. Тип печати:
1. Лазерная печать:
- стереолитография - лазерное облучение фотополимеров;
- метод плавки - расплавление металлического или полимерного материала в порошкообразное вещество;
- Метод ламинирования - специальная пленка склеивается послойно и вырезается лазером по контурам нужной конфигурации.
2. Струйная печать:
- способ охлаждения материала рабочей поверхности - охлаждение базовой платформы, на которую головка 3D-принтера наносит исходный материал;
- метод полимеризации фотополимера – под воздействием ультрафиолетового излучения специальных ламп пластик затвердевает;
- Метод спекания порошкового сырья - эта печать похожа на лазерную, но слои фиксируются склеиванием с помощью специального состава из головки принтера.
Существуют и другие технические подходы к технической классификации аддитивных технологий, связанные с проектированием SD-принтеров, методами формирования слоев и т. д., которые мы здесь не рассматриваем [3].
Что касается классификации областей применения аддитивных технологий в экономике, то здесь пока нет четкого регламента. В качестве примера покажем прикладную структуру аддитивных технологий, используемую в зарубежной статистике (рис. 2).

Рисунок 2. Основные направления применения аддитивных технологий в 2020-2022 г. [4]
Рассмотрим данные, показанные на рисунке 2. Дальность действия АТ составляет [9, с.198]:
1. Создание прототипа: 2020 г. - 50%, 2021 г. - 53%, 2022 г. - 34%.
2. Экспериментирование, проверка гипотез (доказательство концепции): 2020 г. - 30%, 2021 г. - 29%, 2022 г. - 23%.
3. Производство продукции, промышленность: 2020 г. - 25%, 2021 г. - 24%, 2022 г. - 22%.
4. Маркетинговая выборка: 2020 г. - 12%, 2021 г. - 12%, 2022 г. - 10%.
5. Образование: 2020-11%, 2021-6%, 2022-7%.
6. Хобби: 2020 г. - 28%, 2021 г. - 5%, 2022 г. - 5%.
7. Искусство: 2020 г. - 21%, 2021 г. - 2%, 2022 г. - 8%.
8. Прочие заявки: 2020 г. - 8%, 2021 г. - 6%, 2022 г. - 8%.
Прототипирование по-прежнему остается основным применением технологии сегодня, как и в то время, когда она только начиналась. Для того чтобы аддитивные технологии стали решающим технологическим фактором в экономике, ее необходимо широко использовать в промышленности для осуществления массового производства продукции.
Сделаем еще одну группировку областей применения по обозначению вида продукции [3, с.115]:
1. Серийное и крупносерийное промышленное производство продукции - 22% в 2022 году.
2. Единичное (включая уникальные произведения искусства - искусство) производство, включающее в себя все остальные области применения аддитивных технологий, указанные выше, соответственно в 2022 г. - 88%, т.е. штучный выпуск в 2022 г. в 4 раза превышает объем промышленного производства.
По цели использования технологии ее можно разделить на две категории: