В настоящее время в мире наблюдается тренд на миниатюризацию устройств и их элементов. Особенно значимым является сегмент устройств с характерными размерами в единицы микрон. В таком сегменте существующие традиционные способы микрообработки позволяют производить только элементы, обладающие простой поверхностной геометрией и сильно ограничивают возможность производства элементов со сложным поверхностным и внутренним дизайном, а высокая стоимость и длительность производства приводит к существенной экономической неэффективности мелкосерийного и среднесерийного производства, в том числе, прототипирования и разработки новых устройств. Разрабатываемая инновационная аддитивная технология и услуга микропечати на ее основе, позволит кардинально преодолеть существующие ограничения, сдерживающие современный тренд миниатюризации устройств, что, в свою очередь, значительно ускорит развитие современной медицины, микрофлюидики, фотоники, микромеханики и других областей, использующих микроизделия.

Разработка многих современных устройств не может обойтись без технологий, обеспечивающих изготовление миниатюрных изделий из различных материалов. Помимо классической инженерии сантиметрового и миллиметрового масштаба в настоящее время активно развивается направление микроинженерии, где характерный размер отдельных элементов детали может достигать микронного уровня. Большой мировой интерес к микроинженерии связан с наличием у нее ряда существенных преимуществ: 

1. повышение компактности устройств при сохранении их существующего функционала, а также существенная экономия материалов, используемых в процессе производства; 

2. Возможность изготовления устройств (содержащих микроразмерные элементы), работающих на физических эффектах, реализация и наблюдение за которыми невозможно или существенно затруднено в макро масштабе (сантиметры, миллиметры). В основу таких устройств могли бы лечь взаимодействия, обусловленные силами Ван-дер-Ваальса, микро электростатикой, высокой локализацией электромагнитного поля и пр. 

Хотя возможности и приложения микроинженерии вызывают широкий интерес в мире, в текущий момент данная область достаточно молода и обладает ограниченным набором производственных методов и технологий. Ограниченный набор способов микрообработки, таких как микроформовка, токарная и фрезерная микрообработка, как правило, имеют высокую стоимость и длительность производства вплоть до партий среднесерийного размера. Помимо этого, перечисленные технологии не позволяют производить многие изделия со сложным внутренним дизайном (каналами, полостями и т.д.), широко востребованным в приложениях микроинженерии. По этим причинам, несмотря на высокую технологическую и экономическую востребованность, развитие области микроинженерии сильно ограниченно. Использование принципов аддитивного производства является наиболее подходящим решением для сфер прототипирования и производства мелкосерийных партий изделий с произвольным дизайном геометрии. Однако большинство распространенных аддитивных технологий не обладают возможностью печати с разрешением в единицы микрометров. Поэтому необходимо исследование и разработка новой, отличной аддитивной технологии. 

В то время как для традиционных аддитивных технологий экономическая целесообразность использования аддитивных технологий сохраняется для партий с характерным размером менее 1000 штук, в случае аддитивных технологий с микронным разрешением экономическая целесообразность сохраняется до размеров партий в 20 000 и даже более штук. Это связано с крайне высокой стоимостью услуг микрофабрикации (таких как микроЧПУ и микролитье) Настоящий проект посвящен разработке и сборке прототипа 3D принтера на базе новой аддитивной технологии проекционной микростереолетографической печати (PuSL). Суть технологии заключается в послойном проецировании маски УФ-излучения, при помощи массива микрозеркал через оптически прозрачное окно в ванну с фоторезистом. Высокое разрешение печати, вплоть до единиц микрометров, получается в результате собственного высокого разрешение генерируемой маски. В засвеченных областях фоторезиста происходит процесс фотоотверждения, в результате которого и формируется производимое изделие. Поскольку маска имеет малый характерный размер (порядка 1-2 мм) то для печати элементов большого размера, необходимо произвести последовательное высокоточное сканирование генерируемой маской всей области печати. В результате использования разрабатываемой аддитивной технологии, потенциально можно достичь разрешения 1-2 мкм на областях печати с характерным размером более 100 мм.

В настоящее время в мире наблюдается тенденция к уменьшению размеров устройств. Все больше компаний и производителей стараются делать свою продукцию по размерам, все меньше и меньше [1]. Эта тенденция имеет общие черты, которые наблюдались в недавнем времени, и частично продолжают наблюдаться, но с меньшими темпами, в переходе от электроники к микроэлектронике. Микроэлектроника, преодолела огромный путь по миниатюризации, подойдя к своему пределу. Теперь ожидается догоняющий шаг в инженерии, по переходу от классических размеров, к микроинженерии и соответственно к микропроизводству.

Мировой рынок микропроизводства, использующих классические методы производства, оценивается размером в 4.2 млрд $ к 2026 году, со среднегодовым годовым приростом (далее CAGR) в 9.7% [2]. Хотя такой темп роста, на первый взгляд, может показаться достаточно маленьким, но важно отметить, что в 2018 году CAGR ожидался порядка 5.2% [3]. По наблюдению такого изменения CAGR, можно сделать аккуратный вывод, что область микропроизводства набирает темпы, и в ближайшие десятки лет, область микропроизводства может стать трендовой. Также этот вывод следует из рассмотрения драйверных областей применения, в которых широко используются или которые базируются на изделиях, полученных способами микропроизводства. К таким драйверным областям относятся: - микромедицина (микроимпланты и микрохирургия)

– ожидаемый CAGR – 19.3% [4]

- MEMS датчики – ожидаемый CAGR – 18% [5]

- микрофлюидика - ожидаемый CAGR – 23.2% [6]

- массивы микрооптики - ожидаемый CAGR – 47% [7]

Высокие показатели CAGR приведенных областей, также, как правило, сопровождаются большим количеством прикладных исследований, требующих универсальных технологий прототипирования и производства тестовых мелкосерийных партий. Поэтому, можно ожидать, что в ближайшее десятилетие, будет наблюдаться общий рост области микропроизводства и, в особенности, будет наблюдаться рост микропроизводства в областях прототипирования и мелкосерийных партий.

Существующие стандартные технологии микропроизводства имеют высокий порог по стоимости, а также большую продолжительность производства (в среднем, от 1 месяца). Аддитивные же технологии производства, позволяют значительно сократить этот порог и сделать производство изделий с микрометровым разрешением более доступным и быстрым. Также аддитивные методы обладают принципом универсальности, то есть на одном 3Д-принтере могут быть произведены изделия из совершенно разных материалов и любой геометрии. Не менее важной оценкой аналитиков является то, что в области малых изделий (с характерным общим размером до 1 см) с микрометровым разрешением, аддитивные технологии предпочтительны и экономически более эффективны стандартных технологий микропроизводства, для единичных изделий и вплоть до среднесерийных партий (для партий до 5000 шт.) [8].

Таким образом, к целевому сегменту рынка, для разрабатываемой технологии 3Д-печати с высоким разрешением и услуги на ее основе, относится сегмент рынка, требующий производства изделий высокого разрешения с низкой стоимостью, быстрым временем производства и в количестве от единичных изделий до среднесерийных партий (от 1 до 5000 шт.).

На момент, мировой размер рынка аддитивного производства с микрометровым разрешением можно оценить в 20% [9] от общего размера рынка микропроизводства и соответственно, данный рынок составляет порядка 1 млрд $ и минимальным CAGR в 10%.

Поскольку разрабатываемая технология 3Д-печати и услуга на ее основе будет, на начальных этапах, располагаться в России, то важно провести оценку размера местного рынка. С учетом 2% размера местного рынка от общего размера мирового рынка [10], размер отечественного рынка аддитивного производства с микрометровым разрешением можно оценить в 1.5 млрд. руб. и минимальным CAGR в 10% (наша команда, с учетом универсальности разрабатываемой технологии, отсутствия прямых конкурентов и необходимости замены импортируемой из-за рубежа продукции в условиях санкций, оценивает этот показатель в 20-30 %).

Высокий интерес к возможностям открывающихся при использовании отечественной технологии 3Д-печати с высоким разрешением и услуги на ее основе, подтверждается большим количеством писем заинтересованности от отечественных компаний, о сотрудничестве и намерениях использования разрабатываемой нашей командой технологии и услуги на ее основе.

В рамках работы над проектом, планируется разработать и собрать прототип 3D принтера высокого разрешения, а также провести на нем отработку технологического процесса печати изделий. На базе собранного 3D принтера, будет производится реализация услуги заказного производства изделий с микрометровым разрешением. Таким образом, основную модель бизнеса планируется строить на основе оказания услуги по заказному производству на базе разрабатываемой технологии и соответствующего 3D принтера. Предлагаемый подход к построению бизнеса, основанный на оказании услуги, является промежуточным шагом на пути к разработке коммерчески доступного 3D принтера высокого разрешения, который бы продавался конечному потребителю. Данный подход позволяет разработать и отработать технологические принципы печати с высоким разрешением, а также накопить необходимый опыт и технический задел для следующего шага. Также данный бизнес подход позволит произвести проверку состоятельности разрабатываемой технологии на реальном рынке микроинженерии. Наша команда, работающая над проектом, выделяет два основных канала получения дохода с разрабатываемой технологии и услуги на ее основе:

1. Оказания услуг по заказному производству изделий с высоким разрешением. Данный подход может быть реализован, например, посредством интернет портала Биржи контрактного производства московского инновационного кластера (БКП МИК) или собственного сайта. На нем планируется разместить информацию о технических (перечень материалов для печати с описанием их физико-химических характеристик, максимальные размеры области печати, разрешение печати, шероховатость поверхности и т.д.) и экономических (стоимость мм3, время выполнения заказа, и т.д.) характеристиках услуги. Для наглядности оценки характеристик оказываемой услуги, на сайте можно также разместить примеры выполненных работ. Взаимодействие заказчика с производителем, через сайт происходит по следующему механизму:

1) Заказчик зайдя на сайт, оформляет заказ на оказание услуги: выбирает параметры печати (материал, разрешения, количество изделий и т.д.), загружает 3D модель необходимой детали(ей). 

2) Получив заявку от заказчика, сторона оказывающая услугу, производит проверку заявки на полноту и возможности печати на 3D принтере. Если необходимо, уточняет дополнительную информацию у заказчика. На основе проверенной заявки, формируется счет на оплату.

3) После получения аванса выполняется 3D-печать. После завершение печати, происходит дополнительная обработка (промывка, отсоединение деталей от платформы и т.д.). Производится контроль качества произведенной продукции. 

4) Готовые изделия, с использованием служб доставки, отправляются заказчику. 

2. Непосредственно заказное исследование и/или проведение разработок изделий и устройств основывающихся или частично использующих детали с микрометровым разрешением (НИР, НИОКР и ОКР). В ходе проведения подобных работ будет использоваться разрабатываемый в рамках этого проекта 3D-принтер высокого разрешения, а также опыт и задел полученные в результате работы над другими проектами. Заинтересованность в реализации подобных заказных работ подтверждаются многочисленными, полученными нами, письмами поддержки от компаний, активно занимающихся научно-исследовательскими и прикладными разработками. Важным условием развития услуги по 3D печати высокого разрешения, является работа по продвижению и популяризации. Для этих целей планируется работа по следующим направлениям: 

1. Написание ряда научно-популярных обзоров и статей, рассказывающих и показывающих экономическую и техническую эффективность разрабатываемой технологии (для этого будет проводится сравнительный анализ разрабатываемой технологии и классических методов производства изделий с микрометровым разрешением); 

2. Посещение тематических конференций и выставок (Фотоника, Механообработка, RosMould и т.д.); 

3. Демонстрация возможности замены термопластавтоматов на разрабатываемые установки аддитивного производства с детальной демонстрацией экономических преимуществ решения на различных сериях изделий по отраслям производства; 

4. Создание коллабораций с производителями фотоотверждаемых материалов и демонстрация преимуществ разрабатываемого решения на материалах специального назначения (материалы для печати временных стоматологических конструкций, например) по сравнению с дискретными методами аддитивного построения. Демонстрация экономической целесообразности, возникающей от экономии времени производства удельной единицы изделия;

5. Делегирование компаниям-лидерам в разных областях права демонстрации и продажи разрабатываемого решения на условиях обязательной демонстрации решения на профильных выставках; 

6. Проведение семинаров по вопросам интеграции разрабатываемого решения в производственных цепочки существующих производств;

7. Разработка и выпуск продукта с новыми потребительскими свойствами, выпуск которого возможен только на базе разрабатываемого решения и демонстрация возможностей решения с привязкой к этому продукту;

8. Демонстрация возможностей масштабирования решения.

1. https://www.industryarc.com/Re...
2. https://www.reportlinker.com/p05953650/Global-Micromachining-Market-By-Type-By-Process-By-
Axis-By-Industry-Vertical-By-Region-Industry-Analysis-and-Forecast.html
3. https://www.industryarc.com/Re...
4. https://www.prnewswire.com/news-releases/surgical-robots-market-size-worth-18-2-billion-by-
2030-grand-view-research-inc-301468363.html
5. https://www.factmr.com/report/...
6. https://www.marketsandmarkets....
7. https://www.industryarc.com/Re...
8. https://formlabs.com/blog/inje...
9. https://old.sk.ru/news/b/press/archive/2019/09/18/additivnye-tehnologii-_1320_-chto-eto-takoe-igde-
primenyayutsya.aspx
10. https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/rynok-texnologii-3d-pecati-v-rossii-i-mire-perspektivyvnedreniya-
additivnyx-texnologii-v-proizvodstvo

На страницу проекта