3D Printing and the Environment

Transcrição

1 3D Printing and the Environment Challenges and opportunities? 2 nd NRC FLIS Meeting, Copenhagen 12 November 2013

2 Index 1. Description 2. Warning signals 3. Potential Impacts 4. Vulnerabilities 5. Drivers and inhibitors 6. Main Actors / Stakeholders 7. Time Horizon 8. Sources 2

3 1. Description Em meados dos anos 80 começaram a ser desenvolvidas uma série de tecnologias agora conhecidas como 3D Printing. A base de tais tecnologias é um conjunto de processos aditivos capazes de criar objetos sólidos camada por camada. À medida que foram evoluindo, estes processos tornaram-se conhecidos como Fabrico Aditivo ou Additive Manufacturing, na expressão inglesa. Porque muitos dos métodos se basearam em tecnologia de impressão a jacto de tinta, o termo Impressão 3D ou 3D Printing tem sido amplamente adotado pela indústria e pelos meios de comunicação social para se referirem a qualquer processo de Additive Manufacturing. Impressão 3D ou 3D Printing é a expressão correntemente usada para descrever a criação de objetos físicos, camada por camada, a partir de dados enviados para uma impressora 3D. Source: CSC 3

4 Source: LiveScience 1. Description How does 3D Printing work? 4

5 Fonte: LiveScience 1. Description Types of addictive manufacturing processes: 5

6 1. Description Envolve a criação de produtos através da deposição de camadas sucessivas de um material. Difere das técnicas predominantes na produção tradicional, que muitas vezes são subtrativas, envolvendo o corte, maquinagem ou moldagem de blocos de material na forma correta e a sua posterior montagem, colagem ou soldagem em produtos mais complexos. Fonte: CSC Permite poupar material porque não há subtração mas sim adição de material poupa-se nos resíduos criados e na energia despendida no processo de produção. Embora a tecnologia ainda esteja em evolução, já se verificou que vai permitir a impressão, num único ato, de objetos com múltiplos componentes operacionais, prontos a funcionar após produção, sem necessidade de montagem. 6

7 1. Description Disruptive potential: O 3D Printing pode reduzir drasticamente os custos (tanto monetários como ambientais) relacionados com a produção, embalagem, distribuição e transporte. A tecnologia 3D Printing permite a concepção e fabrico eficiente de produtos personalizados que poderá conduzir a uma transição da produção em massa para a personalização em massa, em que cada item produzido, é personalizado de acordo com as especificidades do utilizador com pouco ou nenhum custo adicional. A possibilidade de digitalização de qualquer artefacto físico, hoje possível, permite a partilha e distribuição a nível global de designs ou projectos para produção. Possibilita igualmente o crowd-sourced design e o fabrico individual de bens físicos, reduzindo as barreiras à produção e facilitando o empreendedorismo. Tal como a internet eliminou o fator distância na transferência de informação, o 3D Printing elimina-a relativamente ao mundo material. 7

8 1. The 3D Printing System PERSONALIZATION LOW COST AND TECHNICALLY ACCESSIBLE. HIGHER DEGREE OF PERSONNALIZATION ALLOWED FLEXIBILITY ONE MACHINE PRODUCES A WIDE RANGE OF DIFFERENT PRODUCTS LOCALIZATION PRODUCTION TAKES PLACE AT OR CLOSE TO THE POINT OF PURCHASE / CONSUMPTION OFF-SHORE PRODUCTION/ MANUFACTURING LOOSES ADDED- VALUE (SLOWDOWN OR POSSIBLE INVERSION OF DE-LOCALIZATION OF PRODUCTION TREND ) SMALL SCALE PRODUCTION OPTIMIZED 3D PRINTING CHANGES IN BUSINESS MODELS AND IN VALUE CHAINS DISRUPTION OF SCALE ECONOMIES ASSOCIATED WITH MASS PRODUCTION CHANGES IN PRODUCTION ECONOMY NEW STRATEGIES FOR THE MARKETING OF PRODUCTS AND IN RELATION TO THE CONSUMER (CO-CREATION) TRANSFORMATION OF CURRENT MODEL OF INDUSTRIAL PRODUCTION INNOVATIVE FIELDS OPEN TO PRODUCTION REMOVAL OF BARRIERS BETWEEN THE VIRTUAL WORLD AND THE PHYSICAL WORLD DISRUPTION OF CURRENT MODEL OF ECONOMIC DEVELOPMENT NEW GENERATION OF PRODUCERS / MANUFACTURERS DEMOCRATIZATION OF PRODUCTION ( INDUSTRIAL ) OPEN SOURCE SOFTWARE AND OPEN DESIGN BLURRING OF THE LINE BETWEEN PRODUCER / MANUFACTURER AND CONSUMER NEW FINANCING APPROACHES CROWD-FUNDING A NEW PLATFORM FOR INNOVATION Miguel Guerra, Sofia Rodrigues e António Alvarenga 8

9 2. Warning signals Definition: Warning signals that may indicate that the 3D Printing evolution may develop, be interrupted or inverted. Investimento no desenvolvimento da tecnologia Generalização do open design Programas governamentais para o desenvolvimento da tecnologia (EUA, UK, China). Número de estudos, artigos e dossiers temáticos dedicados à análise e reflexão estratégica sobre as várias vertentes e respectivas implicações e desafios associadas ao desenvolvimento desta tecnologia. Policy research conduzida por governos de vários países na abordagem a este tema. Número de indústrias/sectores que estão a incorporar a tecnologia nos seus processos produtivos. Empresas e projectos de I&D na área dos novos materiais (melhores, mais baratos e sustentáveis) para impressão 3D. Número de pedidos de patente na área tecnológica. Número de plataformas de partilha de designs e projectos para impressão 3D. Número de pedidos de proteção (propriedade intelectual) de design. Generalização da tecnologia de digitalização 3D. Número de soluções de software disponíveis que podem ser utilizadas em PC e simplificam, para o utilizador comum, a alteração / personalização de objectos existentes. Responsabilidade legal Número de casos relacionados com a segurança de utilização dos produtos, dos materiais e máquinas de impressão 3D. Número de litígios em tribunal relacionados com patentes de tecnologias 3D. Número de litígios em tribunal relacionados com a protecção (propriedade intelectual) do design dos objectos impressos. 9

10 Source: CDC 3. Potential Impacts 10

11 3. Potential Impacts Disrupção das economias de escala na base da produção industrial Potencial inversão da tendência Deslocalização da produção Democratização da produção O potencial transformativo do 3D Printing reside na possibilidade de produzir a baixo custo uma unidade de um produto personalizado de acordo com as necessidades do cliente, em qualquer parte do mundo. O 3D Printing opera a disrupção das economias de escala que estão na base do actual modelo de produção industrial ao optimizar a produção de pequena ou muito pequena escala. É possível produzir economicamente com uma única máquina uma vasta gama de produtos em quantidades que podem ser de apenas uma unidade. Com a evolução e generalização do 3D Printing, a deslocalização da produção para regiões com custos de mão-de-obra baixos poderá deixar de fazer sentido, sendo substituída por uma produção just-in-time que tem lugar junto ao ponto de comercialização. As cadeias de fornecedores deverão ser ajustadas e optimizadas para colher as vantagens do just-in-time, especialmente na produção de pequenos volumes ou de componentes altamente especializados. É claro o potencial do 3D Printing na democratização do processo de produção. Outros factores têm também concorrido fortemente para desenvolvimentos importantes no ciclo produtivo DIY, como por exemplo software open source de modelização e digitalização 3D (design) websites de partilha (marketing e distribuição) websites de investimento / crowdfunding (financiamento). Transformação estrutural dos hábitos de consumo e das práticas de marketing/publicidade As economias de escala que justificam a produção em massa dependem de um consumo de larga escala, promovido pelas práticas tradicionais de marketing e pela publicidade, que é maioritariamente supérfluo e fortemente gerador de desperdício. Uma produção sem excedentes orientada para a satisfação de necessidades reais tem o potencial de promover um consumo mais sustentável, alinhado com a tendência de regresso à simplicidade que tem vindo a ser observável desde o início crise económica e financeira. 11

12 3. Potential Impacts Mercado de design digital O 3D Printing deverá criar um mercado global para designs digitais, tanto para modelos genéricos como para serviços de design com elevado grau de personalização. Produção personalizada O 3D Printing colocará especial ênfase no aspecto do serviço associado à produção, com a fusão da comercialização e a produção num único serviço personalizado. 3D Printing em casa Uma parte significativa da produção com base em 3D Printing deverá acontecer em lojas e fábricas enquanto outra deverá ter lugar dentro de casa, o que configura o desenvolvimento de um mercado comercial e de um mercado doméstico, de características marcadamente distintas. Produção de impressoras 3D A produção e manutenção de impressoras 3D deverá tornar-se uma indústria de grandes dimensões e importância económica. Matérias primas A concepção e fornecimento de matérias-primas para uso nas impressoras 3D, deverá ser também um mercado de valor significativo. 12

13 3. Potential Impacts Matérias primas A concepção e fornecimento de matérias-primas para uso nas impressoras 3D, deverá ser também um mercado de valor significativo. Diminuição do tempo ao mercado O design e a prototipagem mais rápidos como resultado do 3D Printing, combinados com a ausência da necessidade de reconversão das linhas de montagem nas unidades de produção. Produtos com características superiores A incorporação de componentes fabricados através de 3D Printing em produtos complexos confere-lhes propriedades vantajosas, tais como: maior leveza, maior resistência, menor complexidade mecânica e potencialmente maior facilidade de manutenção. Diminuição do tempo ao mercado O design e a prototipagem mais rápidos como resultado do 3D Printing, combinados com a ausência da necessidade de reconversão das linhas de montagem nas unidades de produção. Produtos com características superiores A incorporação de componentes fabricados através de 3D Printing em produtos complexos confere-lhes propriedades vantajosas, tais como: maior leveza, maior resistência, menor complexidade mecânica e potencialmente maior facilidade de manutenção. 13

14 DECENTRALIZATION OF PRODUCTION - LOCALIZATION DECREASED CONSUMPTION OF NATURAL RESOURCES (IN ABSOLUTE VALUE) CONSERVATION OF NATURAL RESOURCES 3. Potential Impacts on the Environment TRENDS REDUCED NEED FOR TRANSPORT/ DISTRIBUTION OF MANUFACTURED GOODS WASTE REDUCTION IN THE MANUFACTURING PROCESS (ADDICTIVE TECHNOLOGY + SMALL SCALE) SIGNIFICANT REDUCTION OF GHG EMISSIONS 3D PRINTING INCREASED USE OF SUSTAINABLE RAW MATERIALS IN PRODUCTION / MANUFACTURING REDUCED USE OF SCARCE RESOURCES SIGNIFICANT DECREASE IN WASTE PRODUCTION SUSTAINABLE CONSUPTION AND PRODUCTION GREEN ECONOMY REDUCTION IN URBANIZATION ASSOCIATED WITH THE INSTALLATION OF INDUSTRIAL AREAS PRODUCTION ORIENTED TOWARDS THE FULFILLMENT OF REAL NEEDS NOTICEABLE DECREASE IN SUPERFLUOUS COMSUMPTION WEAK SIGNAL EMERGING TREND Miguel Guerra, Sofia Rodrigues e António Alvarenga 14

15 4. Vulnerabilities Definition: Is the system prepared to handle the impacts of the development of 3D Printing technologies, focusing particularly on potential impacts? Emprego A reduzida necessidade de mão de obra na produção poderá ser politicamente desestabilizadora para algumas economias, porque geradora de desemprego. Economias com menor população activa (correspondendo a populações mais envelhecidas) podem beneficiar da capacidade de produzir mais com menos pessoas, o que poderá contribuir para uma redução da dependência das importações. Criatividade e inovação Os países lideres em tecnologia 3D Printing, poderão experimentar um renascimento da inovação, do design, das exportações de propriedade intelectual e da produção, o que conduzirá a um reforço da sua influência económica e geopolítica. Mercado global de bens de consumo Países como a China, o Japão ou a Alemanha cujo desenvolvimento económico e poder político são suportados por um crescimento baseado nas exportações, especialmente de bens de consumo, poderão experimentar um declínio relativo à medida que a produção é desviada para os países consumidores e as suas importações caem. 15

16 5. Drivers and Inhibitors Drivers: Definition: Factors that may act to speed/increase the probability of occurrence/development of 3D Printing technologies. Crescente procura de produtos personalizados As impressoras 3D oferecem incomparavelmente mais possibilidades de customização dos produtos de acordo com as necessidades do cliente. A forma, o aspecto exterior, a função de um produto podem ser afinados para satisfazer o gosto do cliente ou para se adaptar às exigências do ambiente em que vai ser utilizado. Os produtos poderão ser desenhados de raiz sempre que apropriado. Pressão para redução de stocks O 3D Printing poderá permitir aos fabricantes uma operação virtualmente livre de stocks, produzindo-se apenas o necessário consoante a solicitação recebida. As Impressoras 3D precisarão, no entanto, de stocks mínimos dos materiais necessários para operarem. 16

17 5. Drivers and Inhibitors Drivers: Pressão para a redução de custos fixos de capital As impressoras 3D deverão, pelo menos em teoria, reduzir os custos fixos de capital, através da redução da necessidade de investimentos em grande escala em unidades de produção e maquinaria. É claro que os custos associados à aquisição e manutenção das próprias impressoras 3D teriam que ser factorizados, mas as linhas de montagem e as cadeias de fornecedores deverão sofrer uma redução drástica. Crescente peso dos custos de transporte na economia global O 3D Printing deverá reduzir os custos de transporte, ao eliminar a necessidade de transportar produtos acabados e bens intermédios de uma fábrica para outra. Permanecerão os custos associados ao transporte de materiais usados na produção. Preocupações ambientais O 3D Printing deverá permitir às empresas reduzir as suas emissões de carbono, por via de uma redução das necessidades de transporte e de energia e da actividade na cadeia de fornecedores, ao mesmo tempo que usa, na produção, alternativas a materiais escassos. 17

18 5. Drivers and Inhibitors Inhibitors: Definition: Factors that may act to slow/invert/decrease the probability of occurrence/interruption of the development of 3D Printing technologies. Velocidade do processo de produção O 3D Printing demora mais que outros processos de fabrico, o que poderá tornar mais difícil a produção de quantidades maiores de produtos com rapidez, o que por sua vez tem implicações na distribuição e tamanho das operações associadas a esta tecnologia. Responsabilidade legal A rápida transmissão de designs através do mundo, que são combinados e produzidos usando diferentes máquinas e processos, podem levantar questões jurídicas de difícil resolução sobre quem é legalmente responsável no caso de as coisas correrem mal. No caso de danos causados por produtos fabricados através de 3D Printing, poderá tornar-se extremamente difícil apurar se a falta reside num dos designs utilizados ou no processo de fabrico, por exemplo. Sem um claro enquadramento jurídico para lidar com estas e outras questões complexas, poderá ser posta em causa a confiança dos consumidores em bens produzidos com recurso a estas tecnologias, para além das complexas e morosas e inevitáveis acções legais. 18

19 5. Drivers and Inhibitors Inhibitors: A falta de provas dadas no mundo real Em teoria as impressoras 3D podem replicar designs em qualquer parte do mundo, subsistem, no entanto uma série de problemas práticos que podem tornar o processo difícil, especialmente quando estiverem em causa operações de alta precisão. Mudanças na temperatura e nas condições atmosféricas podem, é concebível, afectar a operação de impressoras 3D em diferentes lugares, podendo haver também problemas no alinhamento e configuração de diferentes processos correctamente. Embora este não seja provavelmente um problema inultrapassável, pode levar à necessidade de pessoal especializado para a operação das impressoras 3D, aumentando a complexidade e custos do processo. Problemas de montagem Embora as impressoras 3D possam produzir muitos produtos já com os componentes incorporados, dificilmente poderão fabricar sempre produtos que já estejam totalmente montados. Isto significa que esta tecnologia pode não eliminar totalmente a necessidade de linhas de montagem, podendo desta forma necessitar de unidades de produção (fábricas), mais investimento e mais trabalho intensivo. 19

20 KOR Ecologic Materialise BMW 6. Main Actors / Stakeholders Indústria Automóvel Indústria da Defesa e Aeroespacial Indústria da Construção Boeing GE EADS Ferra Engineering (Australia) NASA AVIC Heavy Machinery Co (China) Northwestern Polytechnical University (China) Contour Crafting MIT Media Lab DUS Architects Artesãos Estudantes Inventores individuais Early adopters Utilizadores Domésticos Indústria 3D (scanners, ficheiros CAD, impressoras, rapid prototyping) University of Exeter Cornell University & French Culinary Institute Maastricht University Leatherhead Food Shapeways Research Stratasys Makerbot 3DSystems RepRap.org Centimfe Bee Very Creative Iberomoldes Indústria Alimentar Indústria Farmacêutica / de Cuidados de Saúde Indústria dos Materiais Wake Forest Institute for Regenerative Medicine Walter Reed Army Medical Center Washington State University University of Glasgow Organovo Lewis Research Group (University of Illinois) MIT Media Lab Emerging Objects 3Ders.org Stratasys Governos Reguladores Institutos de Propriedade Intelectual Agências de Ambiente Autoridades Alimentares 20

21 7. Time Horizon Definition: Since when it started developing and when it will be more likely that further development occurs. Time interval to take place until it is plausible that the different impacts may develop. Revendo a evolução de outra tecnologia disruptiva, a Internet, apercebemo-nos que deu os primeiros passos nos finais da década de 60, surgiram os primeiros computadores pessoais na década de 80, que tiveram adoção generalizada na década de 90 e actualmente a rede é utilizada para fins inimagináveis nos anos 60, como a o instant messaging, o Voice over Internet Protocol (VoIP), a videoconferência, os blogs, redes sociais e compras online, os serviços de armazenamento de dados e muitos outros recursos. Estabelecendo um paralelismo com a tecnologia 3D Printing, e considerando que vivemos actualmente a fase em que estão a ser lançadas as primeiras impressoras 3D desktop, parece legítimo assumir que nos próximos trinta anos esta tecnologia possa vir a proporcionar serviços, processos e soluções com um grau de sofisticação comparável aos que a Internet apresenta hoje ou seja, esta tendência poderá estabelecer-se nos próximos 30 anos. No entanto um factor importante no estabelecimento de um horizonte temporal para futura evolução do 3D Printing é a crescente aceleração das mudanças tecnológicas. Esta aceleração representa uma tendência pesada, que ao longo dos últimos cinquenta anos tem progredido de forma consistente, encurtando significativamente o período até à adoção massiva de uma tecnologia emergente. Mantendo em mente esta megatendência de aceleração das mudanças tecnológicas e a opinião de Ray Kurzweill, que no seu ensaio The Law of Accelerating Returns faz notar que a história do progresso tecnológico fornece provas convincentes de que a mudança tecnológica não se desenvolve de forma linear, mas sim exponencial, é plausível considerar que o horizonte temporal de 30 anos poderá ser significativamente encurtado. 21

22 8. Sources Big Innovation Centre - Three Dimensional Policy - Why Britain needs a policy framework for 3D printing: CSC - 3D Printing and the Future of Manufacturing: The Economist - Special Report on Manufacturing and Innovation ( A third industrial revolution: Solid print: Layer by layer: Z-Punkt - 3D Printing on the Brink of a Breakthrough - Disruption potential and business opportunities in additive manufacturing technology: Public Knowledge - It will be awesome if they don t screw it up: 3D Printing, Intellectual Property, and the Fight Over the Next Great Disruptive Technology: WIPO - WIPO Demonstrates 3D Printing: Making The Impossible Possible: GE (Ecoimagination) - A Sustainability Scorecard for 3D Printing: Wired - The Secret World of Printing Concept Cars in 3-D: TG Daily - 3D printing tech - the big green implications: 22

23 8. Sources Forward Thinking, Vol. 102: 3D Printing for Good and Evil: TED - 7 talks on the wonder of 3D printing: TED - 4D Printing - Skylar Tibbits: Can we make things that make themselves? Advantage Environment - Industrialization at home. Rise of the 3D printer: Guardian Environment Network - Will 3D printers make food sustainable? Guardian Environment Network - How 3D printing could revolutionise the solar energy industry: Livescience - How 3D printers work (Infographic): Atlantic Council - Could 3D Printing Change the World? (Strategic Foresight Report): Some companies: Shapeways: Stratasys: 3D Systems: Emerging Objects: German RepRap Foundation (GRRF): 23