Revoluce v trojrozměrném tisku

Revoluce v trojrozměrném tisku

Průmyslový trojrozměrný tisk se nachází ve zlomovém bodě a chystá se ve velkém rozšířit. Většina vedoucích pracovníků a mnoho inženýrů si to neuvědomuje, ale tato technologie se posunula daleko za hranice výroby prototypů, rychlých nástrojů, drobností a hraček. „Aditivní výroba“ vytváří trvanlivé a bezpečné výrobky určené k prodeji skutečným zákazníkům ve středních až velkých množstvích.

Začátky této revoluce ukazuje průzkum společnosti PwC z roku 2014 mezi více než 100 výrobními společnostmi. V době průzkumu již 11 % z nich přešlo na velkosériovou výrobu dílů nebo výrobků vytištěných 3-D technologií. Podle analytiků společnosti Gartner je technologie „mainstreamová“, když dosáhne úrovně přijetí 20 %.

Mezi četné společnosti, které využívají 3-D tisk k rozšíření výroby, patří GE (proudové motory, lékařské přístroje a součásti domácích spotřebičů), Lockheed Martin a Boeing (letectví a obrana), Aurora Flight Sciences (bezpilotní letadla), Invisalign (zubní přístroje), Google (spotřební elektronika) a nizozemská společnost LUXeXcel (čočky pro světelné diody neboli LED). Při sledování tohoto vývoje společnost McKinsey nedávno uvedla, že trojrozměrný tisk je „připraven vystoupit ze své niky a stát se životaschopnou alternativou ke konvenčním výrobním postupům ve stále větším počtu aplikací“. V roce 2014 již prodej průmyslových 3-D tiskáren ve Spojených státech představoval třetinu objemu prodeje průmyslové automatizace a robotů. Podle některých prognóz se tento podíl do roku 2020 zvýší na 42 %.

Další společnosti budou následovat s tím, jak se bude rozšiřovat nabídka tisknutelných materiálů. Kromě základních plastů a fotocitlivých pryskyřic k nim již patří keramika, cement, sklo, četné kovy a kovové slitiny a nové termoplastické kompozity napuštěné uhlíkovými nanotrubičkami a vlákny. Vyšší ekonomika nakonec přesvědčí opozdilce. Přestože přímé náklady na výrobu zboží těmito novými metodami a materiály jsou často vyšší, větší flexibilita, kterou aditivní výroba umožňuje, znamená, že celkové náklady mohou být podstatně nižší.

Při tomto revolučním posunu, který již probíhá, by se nyní manažeři měli zabývat strategickými otázkami na třech úrovních:

Prvně by se prodejci hmotných produktů měli ptát, jak by mohli zlepšit svou nabídku, ať už sami, nebo konkurence. Výroba předmětu vrstvu po vrstvě podle digitálního „plánu“ staženého do tiskárny umožňuje nejen neomezené přizpůsobení, ale také složitější návrhy.

Druhé, průmyslové podniky musí přehodnotit své činnosti. Vzhledem k tomu, že aditivní výroba vytváří nesčetné nové možnosti, jak, kdy a kde se výrobky a díly vyrábějí, jaká síť prostředků dodavatelského řetězce a jaká kombinace starých a nových procesů bude optimální?

Zatřetí musí vedoucí pracovníci zvážit strategické důsledky toho, že se kolem nové reality trojrozměrného tisku začínají vytvářet celé obchodní ekosystémy. Hodně se mluví o potenciálu atomizace velkých částí výrobního sektoru do nespočetného množství malých „výrobců“. Tato vize má však tendenci zastírat jistější a důležitější vývoj: Aby bylo možné integrovat činnosti konstruktérů, výrobců a přepravců zboží, bude třeba vytvořit digitální platformy. Nejprve tyto platformy umožní činnosti typu design-to-print, sdílení designu a jeho rychlé stahování. Brzy budou kromě jiných potřebných funkcí organizovat provoz tiskáren, kontrolu kvality, optimalizaci sítí tiskáren v reálném čase a výměnu kapacit. Nejúspěšnější poskytovatelé platforem budou mohutně prosperovat tím, že zavedou standardy a poskytnou nastavení, v němž může komplexní ekosystém koordinovat reakce na požadavky trhu. Vzestup těchto platforem se však dotkne každé společnosti. Mezi zavedenými a nově vznikajícími společnostmi bude probíhat velký boj o podíl na obrovské hodnotě, kterou tato nová technologie vytvoří.

Tyto otázky dávají dohromady značné množství strategických úvah a ještě jedna zůstává: Jak rychle se to všechno stane? Pro daný podnik je zde uvedeno, jak rychle se to může stát: Podle jednoho z ředitelů tohoto odvětví přešel americký průmysl sluchadel na 100% aditivní výrobu za méně než 500 dní a nepřežila ani jedna společnost, která se držela tradičních výrobních metod. Manažeři budou muset rozhodnout, zda je moudré počkat, až tato rychle se rozvíjející technologie dozraje, a teprve poté provést určité investice, nebo zda je riziko čekání příliš velké. Jejich odpovědi se budou lišit, ale pro všechny se zdá být bezpečné říci, že čas na strategické uvažování nastal právě teď.

Výhody aditivní technologie

Možná je těžké si představit, že tato technologie vytlačí dnešní standardní způsoby výroby věcí ve velkém množství. Například tradiční vstřikovací lisy mohou vyplivnout tisíce widgetů za hodinu. Naproti tomu lidé, kteří sledovali 3D tiskárny v akci na hobby trhu, často považují vrstvení předmětů za komicky pomalé. Nedávné pokroky v této technologii to však v průmyslovém prostředí dramaticky mění.

Někteří možná zapomínají, proč standardní výroba probíhá tak působivou rychlostí. Tyto widgety se sypou rychle, protože byly předem vynaloženy velké investice na vytvoření složité řady obráběcích strojů a zařízení potřebných k jejich výrobě. Výroba prvního kusu je extrémně nákladná, ale jak následují identické kusy, jejich mezní náklady prudce klesají.

Aditivní výroba nic takového jako úspory z rozsahu nenabízí. Vyhýbá se však nevýhodě standardní výroby – nedostatku flexibility. Protože se každá jednotka vyrábí samostatně, lze ji snadno upravit tak, aby vyhovovala jedinečným potřebám nebo obecněji, aby se přizpůsobila vylepšením nebo měnící se módě. A nastavení výrobního systému je v první řadě mnohem jednodušší, protože zahrnuje mnohem méně fází. Proto je trojrozměrný tisk tak cenný pro výrobu kusových výrobků, jako jsou prototypy a vzácné náhradní díly. Ale aditivní výroba má stále větší smysl i ve větším měřítku. Kupující si mohou vybírat z nekonečného množství kombinací tvarů, velikostí a barev a toto přizpůsobení jen málo zvyšuje náklady výrobce, i když zakázky dosahují úrovně masové výroby.

Velkou výhodou aditivní výroby je, že kusy, které se dříve tvarovaly odděleně a pak sestavovaly, lze nyní vyrobit jako jeden kus v jediné sérii. Jednoduchým příkladem jsou sluneční brýle: 3D proces umožňuje, aby se pórovitost a směs plastů v různých částech rámu lišila. Sluchátka jsou měkká a pružná, zatímco obroučky držící čočky jsou tvrdé. Není nutná žádná montáž.

Tisk dílů a výrobků také umožňuje navrhovat jejich složitější architektury, například voštiny v ocelových panelech nebo geometrie, které byly dříve příliš jemné na frézování. Složité mechanické díly – například zapouzdřenou sadu ozubených kol – lze vyrobit bez montáže. Aditivními metodami lze kombinovat díly a vytvářet mnohem více vnitřních detailů. Proto společnost GE Aviation přešla na tisk palivových trysek některých proudových motorů. Očekává, že ročně vychrlí více než 45 000 kusů stejné konstrukce, takže by se dalo předpokládat, že konvenční výrobní metody budou vhodnější. Technologie tisku však umožňuje vyrobit trysku, která se dříve sestavovala z 20 samostatně odlévaných dílů, z jednoho kusu. GE tvrdí, že to sníží náklady na výrobu o 75 %.

Aditivní výroba může také využívat více trysek tiskárny k pokládání různých materiálů současně. Optomec a další společnosti tak vyvíjejí vodivé materiály a metody tisku mikrobaterií a elektronických obvodů přímo do povrchu nebo na povrch zařízení spotřební elektroniky. Další aplikace zahrnují lékařské vybavení, dopravní prostředky, komponenty pro letectví a kosmonautiku, měřicí zařízení, telekomunikační infrastrukturu a mnoho dalších „chytrých“ věcí.

Obrovská přitažlivost omezování montážních prací tlačí zařízení pro aditivní výrobu ke stále většímu růstu. V současném extrému spolupracují americké ministerstvo obrany, společnosti Lockheed Martin, Cincinnati Tool Steel a Oak Ridge National Laboratory na vývoji schopnosti tisknout většinu endo- a exoskeletů proudových stíhaček, včetně těla, křídel, vnitřních strukturálních panelů, zabudovaných kabelů a antén a brzy i centrální nosné konstrukce. Takzvaná velkoplošná aditivní výroba umožňuje výrobu takto velkých objektů pomocí obrovského portálu s počítačovým ovládáním pro přesun tiskáren do správné polohy. Až bude tento proces certifikován pro použití, bude jedinou nutnou montáží instalace zásuvných elektronických modulů pro navigaci, komunikaci, výzbroj a elektronické protiopatření v polích vytvořených během procesu tisku. V Iráku a Afghánistánu používá americká armáda bezpilotní letouny od společnosti Aurora Flight Sciences, která tiskne celé tělo těchto bezpilotních letounů – některé s rozpětím křídel 132 stop – najednou.

Třírozměrná strategie

Tato stručná diskuse o výhodách aditivní výroby naznačuje, jak ochotně společnosti tuto technologii přijmou – a další úspory nákladů na zásoby, dopravu a zařízení budou ještě silnější. Z toho jasně vyplývá, že manažeři firem všeho druhu by se měli snažit předvídat, jak se jejich podniky přizpůsobí na třech výše uvedených strategických úrovních.

Nabídky, přepracované.

Produktová strategie je odpovědí na tu nejzákladnější otázku v podnikání: Co budeme prodávat? Společnosti si budou muset představit, jak by v éře aditivní výroby mohly lépe sloužit svým zákazníkům. Jaké návrhy a funkce budou nyní možné, které dříve nebyly? Jaké aspekty lze zlepšit, protože byla odstraněna omezení nebo zpoždění dodávek?“

Například v leteckém a automobilovém průmyslu bude trojrozměrný tisk nejčastěji využíván při snaze o zvýšení výkonu. Dříve bylo možné zvýšit palivovou účinnost proudových stíhaček a vozidel snížením jejich hmotnosti, což však často vedlo k jejich horší konstrukci. Nová technologie umožňuje výrobcům vydlabat díl, aby byl lehčí a úspornější, a zabudovat do něj vnitřní struktury, které zajistí větší pevnost v tahu, trvanlivost a odolnost proti nárazu. A nové materiály, které mají větší tepelnou a chemickou odolnost, lze podle potřeby použít na různých místech výrobku.

V jiných odvětvích bude mít využití aditivní výroby pro více přizpůsobené a rychle se vyvíjející výrobky důsledky pro způsob uvádění nabídek na trh. Co se stane s konceptem generací výrobků – nemluvě o humbuku kolem uvedení na trh – když bude možné věci průběžně vylepšovat během po sobě jdoucích tisků, a ne v kvantových skocích, které vyžadují vyšší náklady na nástroje a časy nastavení konvenční výroby? Představte si blízkou budoucnost, v níž umělá inteligence založená na cloudu rozšíří schopnost aditivní výroby okamžitě měnit nebo přidávat výrobky bez nutnosti nového nářadí. Bylo by možné v reálném čase měnit produktovou strategii, například sortiment výrobků a rozhodnutí o designu. Jaké nové výhody by s takovou rychlou adaptací měly být jádrem příslibů značky? A jak by marketingová oddělení mohla zabránit odklonu značky, aniž by došlo ke ztrátě prodeje?“

Provozní strategie, reoptimalizovaná.

Provozní strategie zahrnuje všechny otázky, jak bude společnost nakupovat, vyrábět, přepravovat a prodávat zboží. V případě aditivní výroby budou odpovědi velmi odlišné. Větší provozní efektivita je vždy cílem, ale lze jí dosáhnout mnoha způsoby. Dnes většina společností, které uvažují o využití této technologie, provádí dílčí finanční analýzy cílených příležitostí k výměně za trojrozměrná zařízení a konstrukce tam, kde tyto mohou snížit přímé náklady. Mnohem větších zisků dosáhnou, když rozšíří své analýzy a zváží celkové výrobní a režijní náklady.

Kolik by se dalo ušetřit vyřazením montážních kroků? Nebo snížením zásob prostřednictvím výroby reagující pouze na skutečnou poptávku? Nebo prodejem různými způsoby – například přímo spotřebitelům prostřednictvím rozhraní, která jim umožňují určit libovolnou konfiguraci? V hybridním světě starých a nových výrobních metod budou mít výrobci mnohem více možností; budou se muset rozhodnout, které komponenty nebo výrobky přejdou na aditivní výrobu a v jakém pořadí.

Další otázky vyvstanou kolem umístění zařízení. Jak blízko by měly být ke kterým zákazníkům? Jak lze vysoce individualizované zakázky dodávat stejně efektivně jako je vyrábět? Měl by být tisk centralizován v závodech, nebo rozptýlen v síti tiskáren u distributorů, u prodejců, v kamionech, nebo dokonce v zařízeních zákazníků? Možná všechno z výše uvedeného. Odpovědi se budou měnit v reálném čase a přizpůsobovat se změnám v oblasti směnných kurzů, nákladů na pracovní sílu, efektivity a schopností tiskáren, nákladů na materiál, nákladů na energii a nákladů na dopravu.

Kratší dojezdová vzdálenost pro výrobky nebo díly nejen šetří peníze, ale i čas. Pokud jste někdy byli nuceni nechat své vozidlo v opravně, zatímco mechanik čeká na díl, jistě to oceníte. BMW a Honda, kromě jiných výrobců automobilů, směřují k aditivní výrobě mnoha průmyslových nástrojů a konečných dílů automobilů ve svých továrnách a prodejnách – zejména s tím, jak jsou k dispozici nové kovové, kompozitní plastové a uhlíkové materiály pro použití v 3D tiskárnách. Distributoři v mnoha průmyslových odvětvích to berou na vědomí a chtějí pomoci svým firemním zákazníkům využít nové efektivity. Například společnost UPS staví na svém stávajícím podnikání v oblasti logistiky třetích stran a mění sklady svých letištních uzlů na minitovárny. Záměrem je vyrábět a dodávat zákazníkům díly na míru podle potřeby, místo aby věnovaly hektary regálů rozsáhlým zásobám. Jestliže již žijeme ve světě řízení zásob just-in-time, nyní vidíme, jak se věci mohou stát JIT. Vítejte v okamžitém řízení zásob.

S ohledem na veškerou potenciální efektivitu vysoce integrované aditivní výroby se řízení obchodních procesů může stát nejdůležitější schopností v okolí. Některé společnosti, které v této oblasti vynikají, vybudují vlastní koordinační systémy, aby si zajistily konkurenční výhodu. Jiné přijmou a budou pomáhat utvářet standardní balíčky vytvořené velkými softwarovými společnostmi.

Ekosystémy, rekonfigurované.

Nakonec přichází otázka, kam a jak podnik zapadá do širšího podnikatelského prostředí. Zde manažeři řeší hádanky Kdo jsme? a Co musíme vlastnit, abychom byli tím, kým jsme? S tím, jak aditivní výroba umožňuje podnikům pořizovat tiskárny, které mohou vyrábět mnoho produktů, a jak se s nevyužitou kapacitou obchoduje s jinými podniky, které nabízejí různé produkty, budou odpovědi na tyto otázky mnohem méně jasné. Předpokládejme, že máte ve svém závodě řady tiskáren, které jeden den vyrábějí automobilové součástky, druhý den vojenské vybavení a další den hračky. Do jakého odvětví patříte? Tradiční hranice se budou stírat. Přesto manažeři potřebují silný smysl pro roli společnosti ve světě, aby mohli rozhodovat o tom, do jakých aktiv budou investovat nebo se jich zbaví.

Mohou zjistit, že se jejich organizace vyvíjejí v něco zcela jiného, než byly. Vzhledem k tomu, že se společnosti osvobodí od mnoha logistických požadavků standardní výroby, budou se muset nově podívat na hodnotu svých schopností a dalších aktiv a na to, jak tyto schopnosti doplňují nebo konkurují schopnostem ostatních.

Příležitost platformy

Jediná pozice v ekosystému se ukáže být tou ústřední a nejsilnější – a tato skutečnost neunikla manažerským týmům největších hráčů, kteří již v aditivní výrobě podnikají, jako jsou eBay, IBM, Autodesk, PTC, Materialise, Stratasys a 3D Systems. Mnozí z nich se ucházejí o vývoj platforem, na nichž budou stavět a propojovat se další společnosti. Vědí, že role poskytovatele platforem je největším strategickým cílem, o který mohou usilovat, a že je stále ještě hodně k mání.

Platformy jsou výrazným rysem vysoce digitalizovaných trhů 21. století a aditivní výroba nebude výjimkou. Zde budou majitelé platforem silní, protože na samotné výrobě bude časem pravděpodobně záležet méně. Již nyní některé společnosti zakládají smluvní „farmy tiskáren“, které budou fakticky komoditizovat výrobu výrobků na zakázku. Dokonce i cenné návrhy tisknutelných výrobků, které jsou čistě digitální a snadno se sdílejí, bude těžké pevně udržet. (Když na to přijde, trojrozměrná skenovací zařízení umožní zpětné inženýrství výrobků zachycením informací o jejich geometrickém designu.)

Každý účastník systému bude mít podíl na udržení platforem, na nichž se dynamicky organizuje výroba, ukládají a neustále vylepšují plány, sledují a nakupují zásoby surovin a přijímají objednávky zákazníků. Ti, kteří digitální ekosystém řídí, budou sedět uprostřed obrovského objemu průmyslových transakcí, shromažďovat a prodávat cenné informace. Budou se zapojovat do arbitráže a rozdělovat práci mezi důvěryhodné strany nebo ji v případě potřeby zadávat přímo ve firmě. Budou obchodovat s kapacitou tiskáren a návrhy po celém světě a ovlivňovat ceny tím, že budou kontrolovat nebo přesměrovávat „tok obchodů“ pro obojí. Podobně jako komoditní arbitráže budou financovat obchody nebo nakupovat nízko a prodávat vysoko s využitím asymetrických informací, které získají dohledem nad miliony transakcí.

Zodpovědnost za sladění rozptýlené kapacity s rostoucí poptávkou na trhu připadne malému počtu společností – a má-li celý systém fungovat efektivně, budou se k ní muset některé postavit čelem. Očekávejte, že se objeví obdoby společností Google, eBay, Match.com a Amazon jako vyhledávače, výměnné platformy, značková tržiště a dohazovači mezi tiskárnami pro aditivní výrobu, návrháři a úložišti návrhů. Možná vznikne i automatizované obchodování a trhy pro obchodování s deriváty nebo futures na kapacitu tiskáren a návrhy.

V podstatě tedy budou vlastníci výrobních prostředků založených na tiskárnách soutěžit s vlastníky informací o zisky generované ekosystémem. A v poměrně krátké době se moc přesune od výrobců k velkým systémovým integrátorům, kteří vytvoří značkové platformy se společnými standardy pro koordinaci a podporu systému. Budou podporovat inovace prostřednictvím otevřených zdrojů a akvizic nebo partnerství s menšími společnostmi, které splňují vysoké standardy kvality. Malé společnosti mohou skutečně i nadále zkoušet zajímavé nové přístupy na okraji – ale budeme potřebovat velké organizace, které budou na tyto experimenty dohlížet a následně je prosazovat, aby byly praktické a škálovatelné.

Digitální historie replikována

Přemýšlíme-li o rozvíjející se revoluci v aditivní výrobě, je těžké nepřemýšlet o té velké transformační technologii, internetu. Z hlediska jeho historie by se dalo říci, že aditivní výroba je teprve v roce 1995. V tom roce byla míra hypeu vysoká, přesto si nikdo nedokázal představit, jak se obchod a život změní v následujícím desetiletí s příchodem Wi-Fi, chytrých telefonů a cloud computingu. Málokdo předvídal den, kdy umělá inteligence a softwarové systémy založené na internetu budou moci řídit továrny – a dokonce i městskou infrastrukturu – lépe než lidé.

Budoucnost aditivní výroby přinese podobná překvapení, která mohou při zpětném pohledu vypadat přísně logicky, ale dnes si je lze jen těžko představit. Představte si, jak by nové, vysoce schopné tiskárny mohly nahradit vysoce kvalifikované pracovníky a posunout celé společnosti a dokonce i země založené na výrobě k výrobě bez lidí. Ve „strojových organizacích“ by lidé mohli pracovat pouze pro obsluhu tiskáren.

A tato budoucnost přijde rychle. Jakmile firmy sáhnou do vody a vyzkouší si výhody větší flexibility výroby, mají tendenci se ponořit hluboko. Jakmile věda o materiálech vytvoří více tisknutelných látek, bude je následovat více výrobců a produktů. Společnost Local Motors nedávno předvedla, že dokáže vytisknout dobře vypadající roadster, včetně kol, podvozku, karoserie, střechy, vnitřních sedadel a palubní desky, ale ještě ne hnacího ústrojí, odspodu nahoru za 48 hodin. Až se začne vyrábět, bude cena roadsteru včetně hnacího ústrojí přibližně 20 000 USD. S klesajícími náklady na trojrozměrné vybavení a materiály se zbývající výhody tradičních metod v oblasti úspor z rozsahu stávají zanedbatelným faktorem.

Tady můžeme s jistotou očekávat: Během příštích pěti let budeme mít plně automatizované, vysokorychlostní a velkoobjemové systémy aditivní výroby, které budou ekonomicky výhodné i pro standardizované díly. Díky flexibilitě těchto systémů se pak v mnoha kategoriích výrobků rozjede individualizace nebo fragmentace, což dále sníží podíl konvenční hromadné výroby na trhu.

Chytří podnikatelé nečekají, až se všechny podrobnosti a eventuality odhalí samy. Dostatečně jasně vidí, že vývoj aditivní výroby změní způsob navrhování, výroby, nákupu a dodávek výrobků. Podnikají první kroky k redesignu výrobních systémů. Představují si nároky, které budou ve vznikajícím ekosystému uplatňovat. Provádějí mnoho vrstev rozhodnutí, která v novém světě trojrozměrného tisku přispějí k získání výhod.