Интегратор: начало

Аддитивные технологии — обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой CAD-модели методом послойного добавления (англ. add — добавлять, отсюда и название) материалов. Технология трехмерной печати появилась в конце 1980-х годов. Первые аппараты были крайне дорогими, а выбор материалов для создания моделей — ограниченным.

Бурное развитие трехмерной печати началось с развитием технологий проектирования (CAD-систем), расчетов и моделирования (CAE) и механической обработки (CAM). Крупные мировые производители 3D-оборудования и материалов развивали это направление на протяжении последних 20 лет. Росатом прошел тот же путь менее чем за пять лет. «За такой короткий срок было создано сопоставимое по размеру рабочей камеры и качеству получаемых изделий оборудование. Сегодня мы технологически можем конкурировать на равных», — подчеркивает генеральный директор компании «Русатом — Аддитивные технологии» Алексей Дуб.

В России аддитивные технологии входят в госпрограмму развития новых производственных технологий и утверждены как перспективное стратегическое направление научно-технической деятельности для Росатома. На плечи госкорпорации легли обязательства по развитию полного цикла аддитивного производства на федеральном уровне. Поэтому решение о формировании компании-интегратора стало логичным и своевременным. «Рано или поздно такой интегратор был бы создан. Либо вообще не создан, и тогда весь рынок не просто ушел бы под иностранных поставщиков, а стал бы заложником чужой нормативной базы,» — уверен А. Дуб.

Все началось с того, что осенью 2014 года госкорпорация в лице ЦНИИТМАШа выиграла грант Минобрнауки и начала разрабатывать отечественный однолазерный 3D-принтер, печатающий металлические изделия методом селективного лазерного плавления (SLM). Параллельно формировался внутрикорпоративный пул компаний, имеющих сильные компетенции в смежных областях: НИОКР, разработка ПО, изготовление расходных материалов — это ВНИИЭФ, ВНИИТФ, ПО «Старт», ВНИИНМ и другие. «Стало понятно, что Росатом может развивать критические элементы всего цикла аддитивных технологий», — объясняет А. Дуб.

Три варианта развития
При создании аддитивного интегратора рассматривалось несколько вариантов.

Первый — создать компанию под управлением АО «Наука и инновации». Его основные преимущества: наличие в дивизионе инициативы, научных и технологических компетенций по разработке и освоению аддитивных технологий.

Второй вариант: компания «Русатом — Аддитивные технологии» концентрирует «под собой» все компетенции предприятий атомной отрасли, так или иначе связанные с обозначенным направлением (разработка и производство оборудования и материалов для 3D-печати, оказания сервисных услуг и так далее), под управлением компании АО «­Атомэнергопром». При такой схеме управление компанией «РусАТ» потребовало бы прямого контроля со стороны высшего руководства Росатома из-за отсутствия операционного менеджмента в АО «Атомэнергопром».

В итоге выбрали третий вариант — создать интегратора на базе топливной компании «ТВЭЛ». По словам А. Дуба, этот вариант в наибольшей степени отвечал условиям программы создания новых бизнесов в госкорпорации. Наличие у ТВЭЛа собственной производственной базы, кадрового потенциала, опыта и компетенций для запуска новых проектов неядерного направления стали решающими факторами при выборе платформы для интегратора. В феврале было официально объявлено о создании компании «­Русатом — Аддитивные ­технологии».

В пул организаций (кластер), развивающих это направление, входит порядка 50 разных компаний: предприятия Росатома, Объединенная двигателестроительная компания, ОАК, ВИАМ, Роскосмос, Санкт-Петербургский Политех, Академия наук и другие. Но основная ответственность за технологические направления, включая разработку нормативной базы через технический комитет при Росстандарте, и их координация находятся в компетенции двух организаций: Росатома и ВИАМа. «При этом каждый будет, конечно, заниматься всем комплексом вопросов, но для своего круга задач», — уточняет А. Дуб.

Так как разными переделами аддитивного направления в отрасли занимаются на предприятиях разных дивизионов, на начальном этапе взаимодействие между ними будет выстраиваться горизонтально. «Мы будем использовать проектный принцип взаимодействия: компетенции разных организаций будут использоваться в рамках исполнения конкретных договоров, заключенных интегратором. Для повышения эффективности работы на высококонкурентном рынке аддитивных технологий часть активов может быть передана под наше управление. Но это не самоцель. Какие-то производства будут создаваться в контуре самого интегратора. Часть проектов, именно проектов, подчеркиваю, может быть передана вместе с людьми, которые в этих проектах участвуют. Часть вопросов будем решать через так называемые „лодочные KPI", когда производство остается на прежнем месте, а мотивация персонала предприятия увязывается с задачами интегратора по расширению бизнеса», — объясняет А. Дуб.

Таким образом, новый интегратор сосредоточится на шести ключевых направлениях:

• разработка программного обеспечения для аддитивных систем;
• производство 3D-принтеров и их компонентов;
• создание материалов и металлических порошков для аддитивной печати;
• развитие нормативной базы и стандартов;
• подготовка кадров;
• оказание услуг по 3D-печати и внедрение аддитивных технологий в цифровые производства (в том числе в части организации центров производства).

По каждому направлению составлена дорожная карта развития и прописаны основные этапы реализации. Стратегическая цель нового интегратора амбициозна — обеспечить к 2025 году выручку до 50 млрд руб. и занять до 1,5 % на мировом рынке аддитивных технологий, отмечается в пресс-релизе топливной компании «ТВЭЛ». «В этом году мы должны уже показать первую выручку по направлению», — обещает А. Дуб.

Заграница не поможет
Аддитивные технологии позволяют снизить расход материалов, затрачиваемых на изготовление деталей, до 10 раз. По этой причине, например, авиационная промышленность усиленно инвестирует в аддитивное производство.

В профессиональном языке авиастроителей есть фразеологизм «buy-to-fly ratio», который можно перевести как «отношение того, что купил, к тому, что полетело». То есть сколько материала было куплено и сколько «полетело» в составе самолета. По разным данным, это соотношение сейчас составляет 15:1 или даже 20:1 для сложных деталей. А использование аддитивных технологий позволит свести этот показатель до 2:1 или даже 1,5:1.

Наглядный пример внедрения аддитивной печати — компания GE, которая инвестировала порядка $1 млрд в приобретение двух ведущих мировых производителей: Concept Laser и Arkam. Инвестировала не потому, что хотела заниматься продажей оборудования, а потому, что ей нужно было порядка пяти тысяч принтеров для работы над своими проектами, в которые она инвестировала намного бóльшие деньги. «Целесообразнее купить целиком компании, которые в любом случае будут работать над этим заказом, и работать на себя, чем обеспечивать работой чужие предприятия. При этом GE инвестировала в развитие новых изделий: турбин, полностью разработанных для аддитивной печати», — говорит А. Дуб.

Еще один пример: компания Caterpillar, один из ведущих мировых производителей строительной и горной техники, имеет на производстве порядка 190 3D-принтеров. Ведущие мировые автопроизводители либо создают у себя центры аддитивных технологий, либо сотрудничают с такими центрами: заказывают печать прототипов или цифровые модели для печати запчастей. То есть все идет к тому, что не придется в магазине покупать запчасти к автомобилю. Можно будет просто получить у производителя ее цифровую модель и напечатать самому в любом авторизованном центре аддитивной печати. По аналогии с тем, как печатают фотографии для семейных альбомов.

«К сожалению, 3D-принтеры, которые нам предлагают покупать за рубежом, „заточены" на получение прототипов изделий, но никто не обещает получения из них деталей, которые могут стать частью реальной конструкции», — констатирует А. Дуб.

Принтер: продолжение
Принтер первого поколения делался как пилотный экземпляр для отработки выбранной аддитивной технологии селективного лазерного плавления. «В самом начале ЦНИИТМАШ не ставил задачу создать принтер и сразу начать его коммерческие поставки. В процессе работы многие вещи пришлось дорабатывать и переделывать.

Сейчас готова конструкторская документация на целую линейку принтеров с разными размерами рабочей камеры. Так как не всем заказчикам нужны большие габариты рабочей камеры — происходит значительный перерасход металлического порошка. Если нужно напечатать небольшую деталь, целесообразно использовать небольшую камеру», — объясняет А. Дуб.

Цикл изготовления самой большой машины — порядка трех-четырех месяцев. Цена принтера с самой маленькой рабочей камерой в базовом исполнении — 15 млн руб., а самая „навороченная" комплектация стоит 80 млн руб. «До конца года шесть 3D-принтеров мы уже поставим на площадках предприятий-партнеров», — говорит А. Дуб.

К середине следующего года «РусАТ» приступит к практическому созданию трех центров аддитивного производства («Фабрик будущего»), специализирующихся на оказании услуг и продвижении 3D-технологий. Один появится в Москве (возможно, на базе ЦНИИТМАШа), второй — в Новоуральске (на базе УЭХК), третий — в Сарове (на базе РФЯЦ-ВНИИЭФ). Там будут обучаться или проходить переподготовку инженеры и конструкторы. Кроме того, центры будут оказывать услуги по проектированию новых либо оптимизации конструкций существующих изделий и их 3D-печати. Плюс сервисное и гарантийное обслуживание проданных принтеров.

Одним из ключевых направлений развития сервисных услуг на рынке 3D-печати станет лизинг 3D-принтеров. Каждый заказчик будет иметь возможность самостоятельно удаленно создать цифровую модель изделия с нужными ему параметрами на сервере и сразу его напечатать в центре, а потом приехать и забрать готовое изделие. Либо напечатать у себя. «РусАТ» планирует разработать приложения для работы на платформе «Виртуальный принтер» на основных операционных системах: Windows, Android, MacOS, iOS; с помощью этих приложений можно будет задавать требования к продукции, изготовленной по 3D-технологиям.

Усовершенствование характеристик и развитие аддитивных технологий позволят повысить точность, скорость и качество 3D-печати. Прогнозируется, что к 2020 году скорость работы 3D-принтеров увеличится вдвое. В Росатоме к этому готовы. На базе принтера первого поколения разработан опытный образец промышленного 3D-принтера второго поколения, стоимость которого на 20 % ниже зарубежных однопорошковых аналогов, а характеристики — выше. За счет одновременной работы двух лазеров процесс печати ускоряется до 100 см3/ч (сегодня максимальная скорость построения составляет 40 см³/ч).

Один лазер обрисовывает контур заготовки (оконтуривает ее), второй прорабатывает внутреннюю структуру (плавит слой). Есть принтеры, в которых используется до шести лазеров, но тут тоже есть свои нюансы. В таких машинах рабочая поверхность делится на сегменты, и каждый лазер работает в своем квадрате. «У нашего принтера оба лазера „простреливают" всю рабочую поверхность, которая может достигать 80 тыс. см³. Причем к двум порошкам этот принцип не относится, принципы двухпорошковости и многолазерности между собой никак не связаны», — отмечает А. Дуб.

Развитие технологий невозможно без создания нормативной базы, поэтому конструирование нового дизайна предполагает, помимо создания цифровой CAD-модели изделия, одновременную стандартизацию этого изделия, определение технологических режимов и требований к материалам. Осенью прошлого года Росстандарт сформировал соответствующий Технический комитет № 182, где в роли ведущих организаций выступают Росатом и ВИАМ. «Ситуация со стандартами следующая: 10 общих стандартов было принято по итогам прошлого года — это глоссарий, общие понятия и так далее, а до конца этого года примут еще 12 специализированных стандартов под конкретные процессы производства изделий», — уточняет А. Дуб.

В 2016 году американский концерн General Electric приобрел две европейские компании, специализирующиеся на 3D-печати: шведскую Arcam AB и немецкую SLM Solutions Group AG. Сумма сделки составила $1,4 млрд. Кроме того, General Electric выкупает 75% доли в немецкой Concept Laser — компании по производству 3D-принтеров для корпоративного, оборонного, правительственного и потребительских секторов. Объем инвестиций составил $599 млн.

Корпорация Siemens до 85% увеличила долю в британской компании Materials Solutions, специализирующейся на аддитивных технологиях в газотурбиностроении.

В апреле 2012 года произошло слияние компаний Stratasys (США) и Objet (Израиль).

Компания по производству металлопорошковых машин MTT Technologies (Великобритания) объединилась с Renishaw с целью продвижения своей продукции.

Компания 3D Systems в течение последних нескольких лет cкупила более 20 фирм, работающих в области производства 3D-принтеров, программных продуктов, материалов и в сфере оказания услуг. Одной из крупнейших сделок стала покупка в январе 2012 года компании ZCorporation за $135 млн.

В 2017 году компания Hexcel Corporation, одна из ведущих в области разработки, производства и поставок композиционных материалов, инвестировала $25 млн в компанию Oxford Performance Materials, являющуюся лидером по производству передовых материалов для аддитивного производства.

В 2017 году BMW, Google и Lowe's сообща инвестировали $100 млн в американский стартап Desktop Metal, занимающийся созданием инновационной технологии 3D-печати металлических изделий.

Источники: «РусАТ», Frost & Sullivan

Догнать и перегнать
Печать пластиком намного проще, чем металлическими порошками. Поэтому 80 % мирового рынка аддитивных технологий сегодня занимает полимерная печать. Однако сегмент аддитивной печати металлическими порошками показывает стабильный ежегодный прирост, и объем его рынка к 2025 году оценивается в $50 млрд, а эффект от внедрения аддитивных технологий в смежных отраслях превысит $550 млрд.

В августе 2016 года Росатом утвердил продуктовую стратегию по гранулированным металлическим порошкам, которая предполагает реализацию сразу двух проектов создания опытно-промышленных установок для получения металлических порошков на НПО «Центротех».

Первый предусматривает разработку установки центробежного плазменного распыления производительностью до 150 кг/ч порошков из жаростойких никелевых сплавов и до 70 кг/ч порошков из титановых сплавов с размером гранул от 20 до 2500 микрон.

Второй проект включает создание опытно-промышленной установки для производства порошков металлов и их сплавов методом газового распыления расплавов мощностью до 20 тонн в год. Возможности установки позволят получать порошки сплавов металлов с размером фракции от 10–50 микрон, с полезным выходом на уровне не менее 55 %, что существенно выше показателей установок, присутствующих cегодня на рынке.

Изготовлением металлических порошков в отрасли сегодня занимаются Завод электрохимических преобразователей (дочернее предприятие УЭХК), ВНИИНМ, ЧМЗ, Гиредмет и ВНИИХТ. Серьезных успехов в области получения и квалификации металлического порошка (металлопорошковых композиций) удалось достичь Всероссийскому научно-исследовательскому институту авиационных материалов (ВИАМу).

Пока основные объемы поставок металлического сырья на отечественный рынок приходятся на Германию и Великобританию. Среди крупнейших потребителей порошковых материалов на российском рынке можно назвать такие предприятия, как «Авиадвигатель» и НПО «Сатурн» (их специализация — разработка газотурбинных технологий и двигателей, восстановление лопаток турбин), а также «Новомет-Пермь» (производство погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти).

Однако существующие порошки не оптимальны с точки зрения обеспечения свойств конечных изделий. Поэтому как зарубежные, так и российские компании помимо разработки порошков сертифицируют характеристики готовых изделий. «К сожалению, зачастую зарубежные порошки не соответствуют заявленным характеристикам, — констатирует А. Дуб. — Поэтому мы изготавливаем собственные, за счет чего получили полную импортонезависимость. Для нержавеющей стали и титановых сплавов уже верифицированы режимы печати сплошных деталей размером от 400 мкм до 400 мм и решетчатых структур с размерами ячеек от 600 мкм и элементами от 300 мкм».

По своему принципу методики аддитивного производства являются производными традиционного промышленного процесса — сварки, поэтому ЦНИИТМАШ, как головная материаловедческая организация, сейчас разрабатывает в рамках комплексного проекта с УЭХК двухпорошковые аддитивные машины. «Двухпорошковые машины подразумевают решение довольно сложной материаловедческой задачи — подбора совместимых материалов, — которая по большому счету не связана с технологическим оборудованием. Известно, какие материалы свариваемые, а какие несвариваемые или плохо соединяются друг с другом. Например, диоксид кремния, а также титан не очень совместимы со сталью. Чем более сложен состав материала, тем меньший его объем должен плавиться в единицу времени, иначе создается напряжение между расплавленным и остывшим материалами, и могут возникнуть микротрещины и другие неприятные вещи», — объясняет А. Дуб. Сегодня двухпорошковый принтер собран на 90 % и проходит стадию технологической отработки режимов печати. «До конца года мы отработаем основные технологические режимы и оптимизируем дизайн, состав оборудования», — планирует А. Дуб. По его словам, аналогов таких машин сегодня в мире нет.

Не упустить момент
Аддитивные технологии обладают рядом преимуществ. Прежде всего это сложная форма продукции, которой невозможно достичь механический обработкой или литьем; уникальные сочетания материалов (например, металла и керамики); значительное снижение массы изделия и сроков производства прототипов.

При этом изделия, произведенные методом трехмерной печати, находят применение в самых разных отраслях, от ядерных и космических технологий до медицины и производства потребительских товаров (например, их можно применять при изготовлении очков — для коррекции зрения и солнечных). 3D-модели предоставляются множеством облачных сервисов. RS Print, например, использует систему, измеряющую давление подошвы, для печати индивидуальных стелек.

Несмотря на актуальность аддитивного направления, наибольшая ценность использования этих технологий заключается не в самóй печати деталей новым способом, а в разработке и создании таких изделий, которые классическим вычитающим методом произвести невозможно.

«Сами конструкторы уже сегодня должны начать формирование повестки завтрашнего дня и проектировать изделия, пользуясь преимуществами бионического дизайна, близкого по структуре к природе. То есть создавать изделия таких форм и свойств, какие обычному конструктору сегодня даже в голову не придут», — убежден А. Дуб. Внешне такие изделия имеют ярко выраженные черты, присущие, например, растениям, либо имитируют пористое строение костей. За счет проектирования деталей с полыми участками, наподобие строения кости, удается экономить значительное количество материала, без ущерба для гибкости и прочности детали. «Это не будущее, а настоящее. Сейчас главное — не упустить момент и начать конструировать оборудование с учетом возможностей изделий, производимых аддитивной печатью», — уверен А. Дуб.

3D и атом
Перспективным направлением развития аддитивных технологий в атомной энергетике может стать использование 3D-печати во время ремонтных кампаний на АЭС: в ожидании доставки основного ЗИПа по цифровой модели на станции оперативно изготавливается нужная деталь, так что не приходится останавливать весь блок. «Правда, пока объем внедрения аддитивных технологий в атомной отрасли невелик, но мы рассчитываем, что нам удастся достигнуть большего в ближайшее время», — убежден А. Дуб.

Кроме того, трехмерную печать целесообразно применять для изготовления деталей, имеющих сложную форму, например, в конструкциях тепловыделяющих сборок. «С топливной компанией ТВЭЛ мы сейчас прорабатываем возможность печати опорных антидебризных решеток (перфорированных пластин с отверстиями, служащих для защиты пучков твэлов от посторонних элементов — дебризов) на 3D-принтере», — отметил А. Дуб.

В США исследуют свойства металлических изделий, изготовленных методом 3D-печати, на предмет их пригодности к применению в атомной энергетике; а между тем в Китае впервые применили технологию 3D-печати в ядерной энергетике: изготовили из сплава ЕАМ235 аддитивным методом крышу холодильной машины и установили ее на Даяваньской АЭС.

Размыть границы
По словам главы «РусАТа», одной из главных задач интегратора станет создание абсолютно новой индустрии, в которой место понятия «свойство материала» займет понятие «свойства изделия». «Нет необходимости улучшать традиционные продукты или механизмы, потому что есть возможность создать на основе передовых технологий совершенно новые конструкции», — подчеркивает глава «РусАТа».

Предполагается также создание пилотных участков цифрового производства полного цикла: на входе — цифровая модель изделия, а на выходе — готовое изделие, цена которого фактически будет зависеть от количества порошка и длительности изготовления. «Будут создаваться производственные линии, оснащенные оборудованием подготовки порошкового материала, промышленной установкой, печатающей методом селективного лазерного плавления, оборудованием для механической обработки и контроля геометрии; они смогут без участия человека производить сложнопрофильные изделия», — объясняет А. Дуб.

К 2020 году также планируется запустить опытное производство медицинских имплантов из титановых сплавов, напечатанных на 3D-принтере. «Мы тесно сотрудничаем с медицинскими учреждениями и институтами, совместно работаем над дизайном изделий для медицины: протезов тазобедренных суставов и челюстно-лицевых, межпозвоночных кейджей, пластин для остеосинтеза, ортопедических и других имплантов», — отметил А. Дуб.

Возможности ПО ЛОГОС, разработанного в РФЯЦ-ВНИИЭФ, и вычислительная мощность ядерного центра позволят организовать работу аддитивных центров в формате онлайн-сервиса. «Используя возможности суперкомпьютерных вычислений и наличие парка 3D-принтеров, мы перейдем к оказанию услуг по удаленной разработке цифровых моделей изделий под заказ и их оперативной печати. При этом исчезнут такие понятия, как «внешний» и «внутренний заказчик», границы размоются, можно будет работать из любой точки планеты», — прогнозирует А. Дуб. К 2020 году ядерный центр в Сарове доработает так называемый виртуальный принтер, который позволит любому пользователю удаленно самостоятельно разработать цифровую модель детали, адаптированную к режиму работы 3D-принтера любого производителя.

Форпостами аддитивных технологий в комплексном предложении строительства АЭС должны стать региональные офисы «Русатом — Международная сеть», занимающиеся продвижением продукции российской атомной отрасли на мировой рынок. «Еще есть компания „Русатом Сервис", оказывающая услуги по ремонту АЭС; через нее можно продвигать аддитивные технологии в логике поставок запчастей, ремонта станций», — уточняет А. Дуб.