Введение
Одним из значительных достижений 5 технологического уклада и 3 промышленной революции являются аддитивные технологии (АТ). Их практическое применение в настоящее время находится в стадии роста как количественного – увеличение масштабов деятельности, так и качественного – совершенствование оборудования, материалов и способов формообразования, повышение точности, конструктивной сложности изделий, производительности труда, снижение себестоимости продукции.
Однако теоретическое и методологическое обеспечение этой новой технологии изготовления изделий сконцентрировано на технических проблемах, а теория экономики и менеджмента, что характерно для радикальных инноваций, значительно отстает. Внимания ученых в настоящее время требуют следующие аспекты:
– формирование понятийной базы АТ, их классификация;
– анализ направлений использования АТ;
– разработка теоретико-методологических основ формирования экономических отношений участников рынка, управления использованием и развитием АТ в реальном секторе экономики;
– создание теории и методологии управления проектами освоения АТ на предприятиях.
В рамках данной статьи объектом нашего исследования являются АТ как радикальные технологические инновации. Предметом – существенные свойства и анализ развития АТ. При этом используются формально-логические, хронологические и статистические методы исследования.
Понятие «аддитивные технологии»
Выполним, прежде всего, теоретическое исследование понятия «аддитивные технологии», выделив смысловые единицы, входящие в его содержание. Необходимо отметить родственность понятий «3D-печать» (3D-print) и «аддитивные технологии», «аддитивное производство» (AD manufacturing), что дает возможность нам в последующем равнозначно использовать указанные термины. [1]
Родовым понятием для данного является понятие «технология». Современный экономический словарь определяет: технология (от греч. techne – искусство и logos – слово, учение) – способ преобразования вещества, энергии, информации в процессе изготовления продукции, обработки и переработки материалов, сборки готовых изделий, контроля качества, управления. Технология воплощает в себе методы, приемы, режим работы, последовательность операций и процедур, она тесно связана с применяемыми средствами, оборудованием, инструментами, используемыми материалами. Совокупность технологических операций образует технологический процесс. Современная экономическая наука использует термин «технология» и в таких сочетаниях, как «технология обучения, образовательного процесса, лечения, управления» [1].
Поскольку термин «технология» используется во всех сферах деятельности человека – образование, медицина, менеджмент и пр., то следует уточнить – аддитивные технологии (АТ) относятся к производственным технологиям, т.е. используются для преобразования вещества в процессе производства продукции.
Рассмотрим ряд определений:
1. Аддитивное производство (АП, также AM – от англ. additive manufacturing) представляет собой класс перспективных технологий кастомизированного производства деталей сложной формы по трехмерной компьютерной модели путем последовательного нанесения материала (как правило, послойного) – в противоположность так называемому вычитающему производству (например, традиционной механической обработке) [2].
2. Аддитивные технологии предполагают изготовление (построение) физического объекта (детали) методом послойного нанесения (добавления, англ. – «add») материала, в отличие от традиционных методов формирования детали за счёт удаления (subtraction – вычитание) материала из массива заготовки [3].
3. Термин «аддитивные технологии» означает класс процессов, которые автоматически создают сложные трехмерные физические объекты без инструментального их изготовления, путем преобразования данных, поступающих из CAD-системы [4].
4. Аддитивные технологии (от английского Additive Fabrication) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (add, англ. – добавлять, отсюда и название) материала [5].
5. Аддитивные технологии – процесс объединения материала с целью создания объекта из данных модели, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» производственных технологий [6].
6. Аддитивное производство; АП (аддитивный технологический процесс) (additive manufacturing): Процесс изготовления деталей, который основан на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки) [7].
Таким образом, в содержание понятия аддитивные технологии (АТ) входят смысловые единицы:
– технология;
– деталь сложной формы; физический объект; трехмерный физический объект;
– послойное нанесение материала; последовательное нанесение материала; добавление материала;
– цифровая модель; CAD-модель; преобразование данных; поступающих из CAD-системы;
В ряде определений – пункты 1, 2, 5, 6 – в содержание понятия включен признак отличия АТ от других технологий, причем ряд авторов указывают только, так называемые, «вычитающие» традиционные технологии» (см. пункты 1, 2), другие делят существующие технологии на две группы (см. пункт 6): «вычитающие» и традиционные, при этом к «вычитающим» относят технологии механообработки (обработку резанием), а к традиционным только литье и штамповку, хотя механообработка тоже является традиционной технологией и, кроме того, существуют и другие технологии изготовления изделий, например, сварка. Кроме того, указанные технологии относятся к технологиям машиностроения, а АТ позволяют изготавливать пищевые, строительные, биологические и другие изделия и, соответственно, отличаются от этих отраслевых технологий. При этом спектр применения АТ в различных областях деятельности человека постоянно растет, следовательно, АТ целесообразно отнести к межотраслевым технологиям.
В приведенных определениях в качестве предмета производства используются семантические единицы «деталь сложной формы», «трехмерный физический объект», однако, во-первых, изготавливаться может не деталь как сборочная единица, а готовое изделие, во-вторых, это может быть не физический, а например, биологический объект. Следовательно, к объекту целесообразно ввести обобщающее определение «материальный».
Исходя из этого, можно дать следующее определение: аддитивные технологии – это межотраслевые технологии получения трехмерных материальных объектов из цифровой модели путем послойного нанесения материала.
Семантическая модель понятия «аддитивные технологии» представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Семантическая модель понятия «аддитивные технологии» (разработано авторами)
Представленное понятие является основой для построения онтологии знаний исследуемого объекта посредством формализованного представления основных понятий, входящих в его содержание, связей и отношений между ними, что позволяет перейти к их классификации и к созданию методологии управления практической деятельностью по изготовлению реальных объектов методами и способами 3D-печати, что является предметом отдельного исследования.
Анализ развития аддитивных технологий
С целью определения потребности в дальнейших теоретических исследованиях АТ интерес представляет оценка стадии их развития.
Исследуем и формализуем жизненный цикл АТ, представляя данные в табличной форме (Таблица 1).
Таблица 1 – Хронологический анализ изобретения и промышленного использования АТ (разработано авторами)
| Автор, компания, содержание этапа | Область применения:
при создании / в настоящее время |
Производственные и рыночные характеристики: при создании / в настоящее время | Страна.
Временной период |
| Wyn Swainson получил патент на технологию с использованием двух лазерных лучей для создания трехмерных объектов (патент США № 4041476, выдан 9 августа 1977 г.). Создал компанию Formigraphic в США. | Данных нет. | Данных нет. | США. 1977 г. |
| Чарльз Халл (Charles W. Hull) (компания 3D Systems) создал 3D-принтер, работающий по технологии послойного выращивания физических трехмерных объектов из фотополимеризующейся композиции (SLA-технология, от англ. Stereolithography Apparatus). | В НИОКР оборонной промышленности. Создание моделей, прототипов. | Низкие производительность и качество.
Высокая цена 3D-принтера. Единичное производство как принтеров, так и изделий. |
США.
В 1986 г. изобретение технологии. В 1987 г. производство первого принтера «установка для стереолитографии». В 1988 г. запущено производство принтеров. Потребительские принтеры от компании 3D Systems созданы в начале 2012 г. |
| Большинство 3D-принтеров, работающих по технологии SLA, создают объекты размером примерно 50x50x60см, что ограничивает их область применения. Используется для: НИОКР, медицине и стоматологии, ювелирном деле, искусстве, в промышленности для создания литьевых моделей. | |||
| Технология усовершенствована и позволяет получать изделия высокой точности (15 мкм) и сложности, производительность повысилась, но стоимость изделий высока из-за дороговизны материала. | |||
| Скотт Крамп (Scott Crump) (компания Stratasys) разработал FDМ-аппарат (FDM – Fused Deposition Modeling – послойная заливка экструдируемым расплавом или «печать расплавленным материалом»), который отличался от SLA-технологии применяемыми материалами и способом нанесения материала. | Университеты, любители-энтузиасты. Экспериментирование, создание моделей, прототипов. | Низкие производительность и качество.
Высокая цена 3D-принтера. Единичное производство как принтеров, так и изделий. |
США. 1988 г.
Выход на коммерческий рынок в 1991 г. (компания Stratasys). |
| Для быстрого прототипирования и быстрого производства изделий во многих сферах деятельности, частности, для товаров широкого потребления (бытовых).
Используемые материалы: ABS, полифенилсульфон, поликарбонат и полиэфиримид. |
|||
| Производительность и качество значительно повышены. Цена на принтеры значительно снизилась вследствие широкого распространения технологии. | |||
| Адриан Бойер (Adrian Bowyer) (University of Bath) принтеры Darwin и Mendel – результат проекта RepRap (от англ. Replicating Rapid Prototyper – самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов). | Печатать объектов размером до 200×200×200 мм пластиком для экспериментирования и использования любителями-энтузиастами. | Низкие производительность и качество.
Цена снижена по сравнению с предыдущими принтерами. Единичное производство самих принтеров и изделий. |
Великобритания. 2008 г. |
| Подход самопроизводства принтера обеспечил его широкое распространение среди любителей. Активизации этого процесса способствовали сетевые технологи общения энтузиастов 3D-печати. | |||
| Иосиф Прусс, чешский инженер, разработал 3D-принтер Prusa Mendel. | Печать объектов размером до 280х280х200 мм пластиком.
Ориентирован на широкое бытовое использование – категория «домашний принтер». Использует технологию RepRap. |
Низкая производительность. Низкая стоимость. Простота конструкции («народный принтер»). | Предположительно Чешская республика. 2010 г.
|
| Gеnеrаl Еlectric первая корпорация, которая перешла на аддитивное производство. | Прототипирование, производство и ремонт газовых турбин, авиадвигателей, топливных инжекторов и другой сложной продукции. | Достаточно высокая производительность.
Высокая точность, качество, сложность изготовляемых изделий. Снижение издержек. |
США. 2010 г. |
* Обзор сделан по источникам [3, 8, 9].
Согласно данных таблицы 1 временной лаг аддитивных технологий как инновации от создания первых принтеров-образцов, печатающих прототипы и модели в единичном экземпляре, до промышленных принтеров, которые перешли от прототипирования к изготовлению изделий в серийном производстве составил порядка 20 лет. Для сравнения укажем, что для предшествующей 3D-печати другой инновационной технологии – обработка изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ), это лаг в два раза короче – около 10 лет: Джон Т. Парсонс, профессор Массачусетского технологического института в конце 40-х годов разработал первое оборудование с ЧПУ, а начало массовой эксплуатации станков с ЧПУ относится к концу 50-х годов [10]. С нашей точки зрения, это объясняется тем, что технологии ЧПУ совершенствовали существующие традиционные технологии механообработки, используя те же самые физические принципы, а АТ являются радикальной инновацией, основанной на новых принципах изготовления изделий и представляют собой замещающие технологии.
В настоящее время в развитых странах технологии 3D-печати, как, в частности, свидетельствуют статистический (Рисунок 2), публикационный (Рисунок 3) и хронологический анализ (Таблица 1), пройдя фазу зарождения инновационного цикла, вышли на фазу роста. Происходящие изменения коснулись многих отраслей промышленности и, в недалеком будущем, как утверждают аналитики, в корне изменят существующую экономическую систему.
Так согласно отчета Wohlers Associates, которая отслеживает развитие 3D-печати с 1980 года, в последние годы в мировой экономике наблюдается значительный рост применения аддитивных технологий – с 3,07 млрд долларов США выручки в 2013 г. до 12,8 млрд долларов к 2018 г. и, в прогнозе, более чем 21 млрд долларов к 2020 г. Хотя Wohlers Report в 2013 прогнозировал, что к 2021 году индустрия 3D-печати вырастет до 10,8 млрд долларов [11]. На рисунке 2 желтым цветом представлена диаграмма прогноза 2013 г., синим – фактические данные и текущий прогноз на 2018 – 20120 гг.
Рисунок 2 – Динамика мирового роста 3D-печати
Проведенный нами анализ средствами Google Trends показал значительный рост поисковых запросов в сети Интернет на тему 3D-печати с 2004 по 2018 г. На рисунке 3 представлена кривая запросов, при этом по оси ординат числа обозначают уровень интереса интернет-пользователей к теме, так в январе 2004 г. он был равен 11 ед., а в феврале 2017 г. – 100 ед., что говорит о наивысшем уровне популярности запроса.
Рисунок 3 – Динамика мировой популярности интернет-запросов по теме 3D-печати с 2004 по 2017 гг. (разработано авторами)
Таким образом, несмотря на то, что интерес со стороны потенциальных пользователей 3D-печати является динамичным с повышением и снижением интереса, общий тренд положителен.
Заключение
Согласно проведенного анализа, АТ в настоящее время находятся на стадии роста инновационного цикла, что обеспечивается экономической целесообразностью их применения по критериям производительности, точности, качества изготавливаемых изделий. При этом интерес к АТ с положительной динамикой роста проявляют как производители, так и потенциальные потребители 3D-продукции.
Таким образом, можно сделать вывод об актуальности разработки специализированной теории и методологии аддитивных технологий с учетом особенностей российской экономики, что, в частности может явиться темой диссертационного исследования. Отсутствие такой теории приводит к невозможности подготовки высококвалифицированных технических и управленческих АТ-специалистов, а также сложности создания и реализации инновационных проектов освоения АТ, что обуславливает технологическое отставание России от передовых стран [12, 13].
Эта проблема может быть решена, по мнению авторов, не только интенсивным формированием теории и формализацией ее в учебное обеспечение и учебные курсы, но и целенаправленным использованием социальных и Интернет-технологий. При этом «точкой роста» освоения АТ может стать региональный университет, в котором создана интегрированная среда, включающая в себя как образовательную, так и производственно-рыночную среду, в которой как производителями, так и потребителями соответствующих знаний, а также реальных 3D-продуктов являются, прежде всего, преподаватели и студенты учебного заведения. Накопленные результаты по освоению АТ будут передаваться в реальный сектор экономики следующими способами:
1. Трудоустройство подготовленных специалистов АТ.
2. Трансфер созданных знаний.
3. Продажа объектов интеллектуальной собственности: дизайн изделий, конструкторско-технологическое решение, программное обеспечение для изготовления изделий АТ.
При этом необходимо учитывать региональные особенности экономики: ее структуру, характеристики предпринимательства, потребительских рынков, меры государственной поддержки.
[1] Применяются также и другие термины: Additive Fabrication (AF), Additive Processes, Additive Techniques, Additive Layer Manufacturing, Layer Manufacturing и Freeform Fabrication
Библиографический список
- Райзберг, Б.А. Современный экономический словарь. / Б.А. Райзберг, Л.Ш. Лозовский, Е.Б. Стародубцева. 2-е изд., испр. М.: ИНФРА-М, 1999. – 479 с.
- Новые производственные технологии: публичный аналитический доклад / рук. И.Г. Дежина. М.: Изд. дом «Дело», РАНХ и ГС, 2015. – С. 109
- Зленко, М.А. Аддитивные технологии в машиностроении: пособие для инженеров / М.А. Зленко, М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш. – М: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. – 220 с.
- Валетов, В. А. Аддитивные технологии (состояние и перспективы): Учебное пособие / В.А. Валетов. – СПб.: Университет ИТМО, 2015. – 63с.
- Зленко, М.А. Аддитивные технологии в машиностроении: / М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина. – С-Петербург: Изд-во СПбГПУ, 2013. – 22 с.
- ASTM F2792-12a (American Society for Testing and Materials).
- ГОСТ Р 57558—2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Термины и определения».
- 3D Today. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://3dtoday.ru (дата обращения: 25.10.17).
- Рентюк, В. Сказ о том, как игрушечная лягушка помогла совершить прыжок в сферу высоких технологий / В.Рентюк // Control Engineering Россия. – №4 (70). – С.48 – 52
- История развития станков с ЧПУ. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://poznayka.org/s77334t1.html (дата обращения: 25.10.17).
- Steve Heller. Why 3D Printing Stocks Could Have a Tremendous Runway for Growth. [электронный ресурс] – Режим доступа: https://www.fool.com/investing/general/2014/09/09/why-3d-printing-stocks-could-have-a-tremendous-run.aspx (дата обращения: 11.11.17)
- Дресвянников, В.А. Приоритетность подготовки специалистов в системе менеджмента знаний в условиях четвертой научно-технической революции / В.А. Дресвянников // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Общественные науки. – 2017. – № 4(44). г. Пенза.
- Дресвянников, В.А. Состояние и перспективы использования аддитивных технологий для производства товаров потребительского назначения / В.А. Дресвянников, И.Д. Бунимович // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Экономические науки. – 2017. – № 2(6). г. Пенза.