- Текст: иван моргунов
В ногу со всем миром
ЦНИИТМАШ в рамках реализации программы развития аддитивных технологий Росатома выпустил первый в стране 3D-принтер, позволяющий изготавливать изделия сложных форм из металлических сплавов, и уже ведет работы над его новой, двухлазерной модификацией. Серийный выпуск второй машины планируется наладить на другом предприятии Росатома — УЭХК. Мы разбираемся, как он работает и как скоро госкорпорации удастся вывести на рынок новый высокотехнологичный продукт.
Аддитивное производство постепенно входит в нашу жизнь; в некоторых отраслях, например авиационной и космической, это уже не модная фишка, а фактор конкурентоспособности. General Electric печатает 25 тыс. топливных форсунок для новых турбовинтовых двигателей, а NASA экономит на 3D-печати порядка $1,5 млн в год. Российские компании потихоньку подтягиваются.
Серийно детали уже выпускают Пермский «Авиадвигатель» совместно с ВИАМ. «Аддитивные технологии делают производство сложнопрофильных и ответственных деталей дешевле, повышают качественные характеристики продукции и конкурентные возможности предприятия в целом, — поясняет замгендиректора ЦНИИТМАШа, директор Института технологии поверхности и наноматериалов Владимир Береговский. — Все машиностроительные предприятия вынуждены заниматься внедрением инновационных технологий, иначе вылетят с рынка, не выдержав конкуренции».
До недавнего времени в динамично развивающемся сегменте металлической печати у российских разработчиков практически не было собственных компетенций. На внутреннем рынке промышленного 3D-оборудования присутствовали только импортные производители, такие как EOS, Concept Laser, SLM-Solutions, 3D Systems. А так как каждый из этих производителей гарантирует качество полу- чаемой конечной продукции только при условии использования определенного исходного сырья, металлические порошки тоже имели импортное происхождение.
Однако западные санкции и ослабление национальной валюты привели к удорожанию как оборудования, так и обслуживания имеющегося парка 3D-машин, повлекли проблемы с поставками сырья, в частности порошка из титановых сплавов. Это подтолкнуло российских потребителей и производителей к активным действиям (подробнее о состоянии российского рынка, проблемах и вызовах, а также старте первых проектов мы писали в № 6 за 2015 год. — Прим. ред.). Посмотрим же, что изменилось за прошедший год.
Серийно детали уже выпускают Пермский «Авиадвигатель» совместно с ВИАМ. «Аддитивные технологии делают производство сложнопрофильных и ответственных деталей дешевле, повышают качественные характеристики продукции и конкурентные возможности предприятия в целом, — поясняет замгендиректора ЦНИИТМАШа, директор Института технологии поверхности и наноматериалов Владимир Береговский. — Все машиностроительные предприятия вынуждены заниматься внедрением инновационных технологий, иначе вылетят с рынка, не выдержав конкуренции».
До недавнего времени в динамично развивающемся сегменте металлической печати у российских разработчиков практически не было собственных компетенций. На внутреннем рынке промышленного 3D-оборудования присутствовали только импортные производители, такие как EOS, Concept Laser, SLM-Solutions, 3D Systems. А так как каждый из этих производителей гарантирует качество полу- чаемой конечной продукции только при условии использования определенного исходного сырья, металлические порошки тоже имели импортное происхождение.
Однако западные санкции и ослабление национальной валюты привели к удорожанию как оборудования, так и обслуживания имеющегося парка 3D-машин, повлекли проблемы с поставками сырья, в частности порошка из титановых сплавов. Это подтолкнуло российских потребителей и производителей к активным действиям (подробнее о состоянии российского рынка, проблемах и вызовах, а также старте первых проектов мы писали в № 6 за 2015 год. — Прим. ред.). Посмотрим же, что изменилось за прошедший год.
ПРОСТО МАШИНА
ЦНИИТМАШ в начале года презентовал первый отечественный 3D-принтер по металлу, созданный собственными силами при координирующем участии научного блока корпорации в лице АО «Наука и инновации» (АО «НИИ»). Предыстория проекта в изложении В. Береговского выглядит просто: «Когда в 2014 году Минобрнауки объявило тендер на создание аддитивной установки, нам было что предложить. В июне выиграли конкурс, в октябре приступили к разработке, через полтора года собрали первый в стране 3D-принтер, печатающий металлические изделия». «Естественно, все это не на пустом месте делали: опыт серийного производства высокотехнологичного оборудования у нас был», — отмечает эксперт.
К тому моменту у разработчиков была вся необходимая поддержка: Минобрнауки выбрало создание новых производственных технологий в качестве одного из приоритетов научных исследований, а комиссия по модернизации экономики РФ осенью 2014 года определила задания основным министерствам и госкорпорациям.
Но прежде чем приступить к работе, ЦНИИТМАШевцы все же тщательно изучали западные образцы. Тем более что в Москве представлены практически все машины, которые продаются на международном рынке. Правда, редко удавалось заглянуть внутрь и разобраться, как они работают, — это коммерческая тайна. «Что-то мы почерпнули из открытых публикаций, что-то умеем делать сами. В результате получили свою конструкцию. Нельзя сказать, что она архитектурой принципиально отличается от других машин, но у нее есть оригинальные элементы», — говорит В. Береговский.
Идеологию — какая это должна быть машина, с какими материалами работать, какими будут ее основные характеристики — предварительно в деталях обсудили и утвердили с руководством АО «НИИ» в лице Алексея Дуба и академика РАН Валентина Смирнова, а также с индустриальным партнером проекта — РФЯЦ-ВНИИЭФ. Машина ЦНИИТМАШа называется MeltMaster3D-550, в основе печати сложнопрофильных изделий на ней — метод селективного лазерного плавления (СЛП, или SLM — selective laser melting).
«Мы выбрали технологию СЛП, при которой, в отличие от селективного лазерного спекания или прямого лазерного выращивания, готовое изделие получается за одну операцию, то есть последующая финишная обработка в некоторых случаях может быть полностью исключена. Таким образом, число технологических операций сведено к минимуму, а изделие сразу имеет высокую точность изготовления и заданное качество поверхности», — объясняет замдиректора Института технологии поверхности и наноматериалов по планово-производственной работе Евгений Третьяков. В качестве исходного сырья используются мелкодисперсные металлические порошки с размером гранул 15–45 мкм. Причем, в отличие от зарубежных аналогов, отечественный 3D-принтер может работать c различным отечественным сырьем, например, со сплавами на основе железа, титана, алюминия, никеля, кобальта и так далее.
Установка включает пока один лазер мощностью до 1000 Вт и трехосевую сканирующую оптическую систему, скорость печати на ней составляет 15–70 см³/ч, а рабочий объем максимально большой для такого рода оборудования — 550×450×450 мм. «Сама установка, конечно, не маленькая, но вполне вписывается в размерный ряд зарубежных аналогов. Такие машины даже на Западе встречаются достаточно редко, — признает Е. Третьяков. — Но это единая конструкция, что очень удобно для производственников. Подключил электричество, загрузил порошок, чертеж детали — и на выходе уже получай готовые изделия».
ЦНИИТМАШ в начале года презентовал первый отечественный 3D-принтер по металлу, созданный собственными силами при координирующем участии научного блока корпорации в лице АО «Наука и инновации» (АО «НИИ»). Предыстория проекта в изложении В. Береговского выглядит просто: «Когда в 2014 году Минобрнауки объявило тендер на создание аддитивной установки, нам было что предложить. В июне выиграли конкурс, в октябре приступили к разработке, через полтора года собрали первый в стране 3D-принтер, печатающий металлические изделия». «Естественно, все это не на пустом месте делали: опыт серийного производства высокотехнологичного оборудования у нас был», — отмечает эксперт.
К тому моменту у разработчиков была вся необходимая поддержка: Минобрнауки выбрало создание новых производственных технологий в качестве одного из приоритетов научных исследований, а комиссия по модернизации экономики РФ осенью 2014 года определила задания основным министерствам и госкорпорациям.
Но прежде чем приступить к работе, ЦНИИТМАШевцы все же тщательно изучали западные образцы. Тем более что в Москве представлены практически все машины, которые продаются на международном рынке. Правда, редко удавалось заглянуть внутрь и разобраться, как они работают, — это коммерческая тайна. «Что-то мы почерпнули из открытых публикаций, что-то умеем делать сами. В результате получили свою конструкцию. Нельзя сказать, что она архитектурой принципиально отличается от других машин, но у нее есть оригинальные элементы», — говорит В. Береговский.
Идеологию — какая это должна быть машина, с какими материалами работать, какими будут ее основные характеристики — предварительно в деталях обсудили и утвердили с руководством АО «НИИ» в лице Алексея Дуба и академика РАН Валентина Смирнова, а также с индустриальным партнером проекта — РФЯЦ-ВНИИЭФ. Машина ЦНИИТМАШа называется MeltMaster3D-550, в основе печати сложнопрофильных изделий на ней — метод селективного лазерного плавления (СЛП, или SLM — selective laser melting).
«Мы выбрали технологию СЛП, при которой, в отличие от селективного лазерного спекания или прямого лазерного выращивания, готовое изделие получается за одну операцию, то есть последующая финишная обработка в некоторых случаях может быть полностью исключена. Таким образом, число технологических операций сведено к минимуму, а изделие сразу имеет высокую точность изготовления и заданное качество поверхности», — объясняет замдиректора Института технологии поверхности и наноматериалов по планово-производственной работе Евгений Третьяков. В качестве исходного сырья используются мелкодисперсные металлические порошки с размером гранул 15–45 мкм. Причем, в отличие от зарубежных аналогов, отечественный 3D-принтер может работать c различным отечественным сырьем, например, со сплавами на основе железа, титана, алюминия, никеля, кобальта и так далее.
Установка включает пока один лазер мощностью до 1000 Вт и трехосевую сканирующую оптическую систему, скорость печати на ней составляет 15–70 см³/ч, а рабочий объем максимально большой для такого рода оборудования — 550×450×450 мм. «Сама установка, конечно, не маленькая, но вполне вписывается в размерный ряд зарубежных аналогов. Такие машины даже на Западе встречаются достаточно редко, — признает Е. Третьяков. — Но это единая конструкция, что очень удобно для производственников. Подключил электричество, загрузил порошок, чертеж детали — и на выходе уже получай готовые изделия».
СПРАВКА
Аддитивная печать металлоизделий имеет ряд преимуществ перед традиционным конвейерным производством: она не требует расходов на содержание производственных линий, сокращает до минимума производственные отходы, повышает надежность изделий и увеличивает гарантийный срок их эксплуатации.
Метод выгоднее традиционного производства еще и потому, что времени на НИОКР, изготовление прототипов и самих изделий тратится на порядок меньше, а продукция по качеству и прочности не уступает аналогам, например литью, а в некоторых случаях превосходит их. По экспертным оценкам, к 2018 году объем мирового рынка аддитивных технологий и всего, что с ними связано (сервиса, комплектующих), превысит $12 млрд.
Аддитивные технологии отличаются друг от друга выбором материалов и способа их нанесения, однако во всех случаях создание модели основывается на послойном наращивании. Существует два способа нанесения: струйный и лазерный. К струйному способу относятся моделирование методом наплавления (fused deposition modeling) и Polyjet, а к лазерному — послойное ламинирование (laminated object manufacturing), селективное лазерное плавление (selective laser melting), селективное лазерное спекание (selective laser sintering), лазерная наплавка металла (laser metal deposition) и лазерная стереолитография (laser stereolithography).
SLM, селективное сплавление порошкового материала с помощью лазера, — самая популярная технология 3D-печати металлами. Используется в 3D-принтерах по металлу компаний SLM Solutions и Realizer. Direct metal printing (DMP) — аналог технологии SLM, использующийся в 3D-машинах серии ProX компании 3D Systems. Electron beam melting (EBM) — плавление металлических порошков под воздействием электронно-лучевой пушки. Применяется в 3D-принтерах компании Arcam.
Помимо печати, SLM-принтер можно использовать для восстановления геометрии объектов, например, в случаях дефектов. «Вот есть 3D-модели исходной и ущербной деталей. Размещаем на платформе построения восстанавливаемый объект, заполняем весь объем камеры порошком и запускаем процесс — головка лазера наплавляет материал на ущербной зоне», — рассказывает Е. Третьяков.
«Можно использовать принтер как для восстановления, так и для 3D-прототипирования (изготовления готовых изделий с меньшей точностью. — Прим. ред.). В том числе наплавлять защитные износостойкие слои», — рассуждает наш собеседник.
Аддитивная печать металлоизделий имеет ряд преимуществ перед традиционным конвейерным производством: она не требует расходов на содержание производственных линий, сокращает до минимума производственные отходы, повышает надежность изделий и увеличивает гарантийный срок их эксплуатации.
Метод выгоднее традиционного производства еще и потому, что времени на НИОКР, изготовление прототипов и самих изделий тратится на порядок меньше, а продукция по качеству и прочности не уступает аналогам, например литью, а в некоторых случаях превосходит их. По экспертным оценкам, к 2018 году объем мирового рынка аддитивных технологий и всего, что с ними связано (сервиса, комплектующих), превысит $12 млрд.
Аддитивные технологии отличаются друг от друга выбором материалов и способа их нанесения, однако во всех случаях создание модели основывается на послойном наращивании. Существует два способа нанесения: струйный и лазерный. К струйному способу относятся моделирование методом наплавления (fused deposition modeling) и Polyjet, а к лазерному — послойное ламинирование (laminated object manufacturing), селективное лазерное плавление (selective laser melting), селективное лазерное спекание (selective laser sintering), лазерная наплавка металла (laser metal deposition) и лазерная стереолитография (laser stereolithography).
SLM, селективное сплавление порошкового материала с помощью лазера, — самая популярная технология 3D-печати металлами. Используется в 3D-принтерах по металлу компаний SLM Solutions и Realizer. Direct metal printing (DMP) — аналог технологии SLM, использующийся в 3D-машинах серии ProX компании 3D Systems. Electron beam melting (EBM) — плавление металлических порошков под воздействием электронно-лучевой пушки. Применяется в 3D-принтерах компании Arcam.
Помимо печати, SLM-принтер можно использовать для восстановления геометрии объектов, например, в случаях дефектов. «Вот есть 3D-модели исходной и ущербной деталей. Размещаем на платформе построения восстанавливаемый объект, заполняем весь объем камеры порошком и запускаем процесс — головка лазера наплавляет материал на ущербной зоне», — рассказывает Е. Третьяков.
«Можно использовать принтер как для восстановления, так и для 3D-прототипирования (изготовления готовых изделий с меньшей точностью. — Прим. ред.). В том числе наплавлять защитные износостойкие слои», — рассуждает наш собеседник.
Сейчас принтер работает в полуавтоматическом режиме, идет тестирование разных систем, ведется подбор оптимальных параметров функционирования всех исполнительных узлов. Поэтому многие элементы пока вынесены за корпус. Среди них — система фильтрации и регенерации инертного газа, который необходим при производстве изделий, особенно из титановых и алюминиевых сплавов.
Модуль построения — проще говоря, устройство, в котором и происходит печать, — также пока вручную подгоняется к корпусу принтера непосредственно перед печатью. Затем он уже автоматически затягивается вовнутрь и устанавливается в нужном положении для изготовления детали. После окончания тестового периода все элементы расположатся внутри устройства, а процессы будут полностью автоматизированы.
В. Береговский рассчитывает, что до конца года завершатся все НИОКР и на руках у разработчиков окажутся характеристики напечатанных на принтере изделий из различных материалов, подтвержденные результатами исследований. Имея пилотный образец установки на руках, специалисты ЦНИИТМАШа получат возможность более активно работать с потенциальными заказчиками в рамках дальнейшего развития технологий.
В сфере материаловедения ЦНИИТМАШ тесно взаимодействует со своим индустриальным партнером — ВНИИЭФом. По словам В. Береговского, специалисты из Сарова занимаются моделированием процессов, которые происходят при построении изделий на принтере, и изучают принципы взаимодействия частиц порошка при плавлении, а также происходящие при этом тепловые процессы и возникающие дефекты.
«С учетом полученных знаний наши коллеги создают виртуальный 3D-принтер, который позволит оперативно изучать поведение различных материалов при плавлении и получать готовые технологические решения по изготовлению новых изделий, не прибегая к реальной печати», — поясняет он. Первые три серийные машины пойдут именно в Саров. В случае успешной реализации проекта по гранту Минобрнауки на производственной базе ВНИИЭФа при участии специалистов ЦНИИТМАШа будет обеспечено внедрение новой технологии.
Модуль построения — проще говоря, устройство, в котором и происходит печать, — также пока вручную подгоняется к корпусу принтера непосредственно перед печатью. Затем он уже автоматически затягивается вовнутрь и устанавливается в нужном положении для изготовления детали. После окончания тестового периода все элементы расположатся внутри устройства, а процессы будут полностью автоматизированы.
В. Береговский рассчитывает, что до конца года завершатся все НИОКР и на руках у разработчиков окажутся характеристики напечатанных на принтере изделий из различных материалов, подтвержденные результатами исследований. Имея пилотный образец установки на руках, специалисты ЦНИИТМАШа получат возможность более активно работать с потенциальными заказчиками в рамках дальнейшего развития технологий.
В сфере материаловедения ЦНИИТМАШ тесно взаимодействует со своим индустриальным партнером — ВНИИЭФом. По словам В. Береговского, специалисты из Сарова занимаются моделированием процессов, которые происходят при построении изделий на принтере, и изучают принципы взаимодействия частиц порошка при плавлении, а также происходящие при этом тепловые процессы и возникающие дефекты.
«С учетом полученных знаний наши коллеги создают виртуальный 3D-принтер, который позволит оперативно изучать поведение различных материалов при плавлении и получать готовые технологические решения по изготовлению новых изделий, не прибегая к реальной печати», — поясняет он. Первые три серийные машины пойдут именно в Саров. В случае успешной реализации проекта по гранту Минобрнауки на производственной базе ВНИИЭФа при участии специалистов ЦНИИТМАШа будет обеспечено внедрение новой технологии.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Кратко описать принцип работы установки для аддитивного производства с помощью лазерного излучения можно следующим образом. Металлический порошок равномерным слоем распределяется по поверхности подложки внутри рабочей камеры. После этого лазерный пучок сканирует поверхность слоя порошка и путем оплавления определенных зон (selective laser melting, SLM) формирует изделие.
После сканирования порошкового слоя платформа с выращиваемым изделием опускается на толщину слоя, и процесс нанесения очередного слоя порошка с последующим сканированием повторяется. Затем платформа с изделием поднимается и очищается от неиспользованного порошка. Уплотнение исходного материала происходит за счет полного плавления и растекания расплава.
После сканирования порошкового слоя платформа с выращиваемым изделием опускается на толщину слоя, и процесс нанесения очередного слоя порошка с последующим сканированием повторяется. Затем платформа с изделием поднимается и очищается от неиспользованного порошка. Уплотнение исходного материала происходит за счет полного плавления и растекания расплава.
Это самая популярная технология 3D-печати металлами, здесь строительным материалом являются порошкообразные металлы или сплавы, а лазерное излучение — источником тепловой энергии, за счет которой сплавляются частички порошка.
Модель до окончания печати окружена неизрасходованным материалом, что немаловажно: неизрасходованный материал служит поддерживающей поверхностью для последующих слоев моделей сложной формы. В некоторых случаях нет необходимости печатать «опоры» — это облегчает обработку готовых изделий и способствует экономии материала. Уровень дефектов при таком производстве гораздо меньше, чем при производстве другим методом — спеканием (SLS), так как нет связующего материала, который нужно удалять с риском получить дефекты или пористость, и на выходе получается чистый металл.
Модель до окончания печати окружена неизрасходованным материалом, что немаловажно: неизрасходованный материал служит поддерживающей поверхностью для последующих слоев моделей сложной формы. В некоторых случаях нет необходимости печатать «опоры» — это облегчает обработку готовых изделий и способствует экономии материала. Уровень дефектов при таком производстве гораздо меньше, чем при производстве другим методом — спеканием (SLS), так как нет связующего материала, который нужно удалять с риском получить дефекты или пористость, и на выходе получается чистый металл.
САМОСТОЯТЕЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
«Железо» — это только полдела. Особенность 3D-печати в том, что машины используют сложное программное обеспечение. Все ПО для отечественного принтера было разработано специалистами ЦНИИТМАШа с нуля. «У нас не было проблем с герметичными объемами: мы знаем, что это такое, как это делать и чем это все померить. Механика — опять же, подобные вещи мы реализуем в других установках (например, для космической промышленности делаем установки нанесения покрытий и обработки изделий в вакууме). Создание газовых сред — мы это тоже умеем. Но вот с ПО было сложновато», — признается В. Береговский.
Элементы управления машиной проблем не вызвали, ведь их в ЦНИИТМАШе разрабатывали и до этого, для своей техники. А вот во всем, что связано с подготовкой графических элементов, созданием рабочего файла и инсталляцией его в принтер, компетенций было недостаточно, пришлось привлекать специалистов со стороны».
Созданный в итоге пакет программ включает два продукта: «СЛП-Моделирование» и «СЛП-Производство». Результат работы первого приложения — управляющий код, который содержит описание параметров, необходимых для изготовления деталей, и координаты пути сканирования на каждом слое. Второе приложение позволяет работать как в режиме «ручного» подбора параметров процесса плавления, так и в автоматическом; правда, оператору все-таки предоставляется возможность выбрать один из предустановленных технологических процессов, соответствующих марке применяемого порошка.
Алгоритм производства при этом выстроен таким образом, что программа самостоятельно обрабатывает чертеж в виде 3D-модели и просчитывает расположение на платформе построения технологических поддержек (то есть элементов, поддерживающих компоненты конструкции или узлы, которые расположены под определенными углами относительно платформы построения и несут основные нагрузки при формировании детали). Кроме того, программа разбивает 3D-модель на слои и готовит рабочий файл для самой машины. «Получается, что наше ПО само программирует принтер», — объясняет Е. Третьяков.
Развитие 3D-печати позволяет пересмотреть подход к проектированию сложных изделий и перейти с помощью топологической оптимизации к так называемому бионическому дизайну, который позволяет сразу в пространстве создавать детали любой формы, сложности и геометрии. ПО автоматически рассчитывает форму, места наибольших внутренних напряжений, которые могут приводить к деформации изделий, образованию микро- и макротрещин, и распределяет нагрузку по «телу» детали. Конструктор только задает величину нагрузки, указывает точки ее приложения, место и положение изделия в общей конструкции, меняет форму детали, если ему кажется, что машина рассчитала ее не оптимально.
Расчет бионической конструкции — это подготовительный этап проектирования детали. Заданные параметры изделия обрабатываются в программной среде, и формируется исполнительный файл, с которого будет идти печать. «Этим уже должен заниматься достаточно образованный человек. Необязательно, чтобы он заканчивал МГУ, МИФИ, это может быть и выпускник техникума. В институте этим занимаются инженеры, а при серийном производстве и техников будет достаточно», — считает В. Береговский.
«Железо» — это только полдела. Особенность 3D-печати в том, что машины используют сложное программное обеспечение. Все ПО для отечественного принтера было разработано специалистами ЦНИИТМАШа с нуля. «У нас не было проблем с герметичными объемами: мы знаем, что это такое, как это делать и чем это все померить. Механика — опять же, подобные вещи мы реализуем в других установках (например, для космической промышленности делаем установки нанесения покрытий и обработки изделий в вакууме). Создание газовых сред — мы это тоже умеем. Но вот с ПО было сложновато», — признается В. Береговский.
Элементы управления машиной проблем не вызвали, ведь их в ЦНИИТМАШе разрабатывали и до этого, для своей техники. А вот во всем, что связано с подготовкой графических элементов, созданием рабочего файла и инсталляцией его в принтер, компетенций было недостаточно, пришлось привлекать специалистов со стороны».
Созданный в итоге пакет программ включает два продукта: «СЛП-Моделирование» и «СЛП-Производство». Результат работы первого приложения — управляющий код, который содержит описание параметров, необходимых для изготовления деталей, и координаты пути сканирования на каждом слое. Второе приложение позволяет работать как в режиме «ручного» подбора параметров процесса плавления, так и в автоматическом; правда, оператору все-таки предоставляется возможность выбрать один из предустановленных технологических процессов, соответствующих марке применяемого порошка.
Алгоритм производства при этом выстроен таким образом, что программа самостоятельно обрабатывает чертеж в виде 3D-модели и просчитывает расположение на платформе построения технологических поддержек (то есть элементов, поддерживающих компоненты конструкции или узлы, которые расположены под определенными углами относительно платформы построения и несут основные нагрузки при формировании детали). Кроме того, программа разбивает 3D-модель на слои и готовит рабочий файл для самой машины. «Получается, что наше ПО само программирует принтер», — объясняет Е. Третьяков.
Развитие 3D-печати позволяет пересмотреть подход к проектированию сложных изделий и перейти с помощью топологической оптимизации к так называемому бионическому дизайну, который позволяет сразу в пространстве создавать детали любой формы, сложности и геометрии. ПО автоматически рассчитывает форму, места наибольших внутренних напряжений, которые могут приводить к деформации изделий, образованию микро- и макротрещин, и распределяет нагрузку по «телу» детали. Конструктор только задает величину нагрузки, указывает точки ее приложения, место и положение изделия в общей конструкции, меняет форму детали, если ему кажется, что машина рассчитала ее не оптимально.
Расчет бионической конструкции — это подготовительный этап проектирования детали. Заданные параметры изделия обрабатываются в программной среде, и формируется исполнительный файл, с которого будет идти печать. «Этим уже должен заниматься достаточно образованный человек. Необязательно, чтобы он заканчивал МГУ, МИФИ, это может быть и выпускник техникума. В институте этим занимаются инженеры, а при серийном производстве и техников будет достаточно», — считает В. Береговский.
ОТ ДЕФИЦИТА К ДОСТАТКУ
Толщина слоев печати может варьироваться от 20 до 200 микрон — все зависит от задачи. «Например, если нужно просто изготовить прототип разъема, чтобы понять, насколько плотно туда входит, например, печатная плата, можно использовать достаточно толстые слои, где не требуется высокое качество изготовления. И меньшее число слоев позволяет его быстрее построить, — приводит примеры Е. Третьяков. — А вот если нужно обеспечить высокое качество готового изделия, придется разбивать модель на большее количество максимально тонких слоев».
Толщина слоев напрямую зависит от используемого порошка. Как правило, для таких машин размер гранул варьируется от 15 до 50 микрон. При этом чтобы получить равномерные слои, нужно соблюсти ряд требований к сферичности и сыпучести металлических порошков. «Это обусловлено особенностями систем подачи порошкового материала в зону плавления и формированием в ней плотного равномерного слоя заданной толщины», — объясняет эксперт.
Работы по созданию принтера и отечественных порошков ведутся параллельно. На изготовлении стандартного нержавеющего сплава 12Х18Н10Т, который отличается низкой себестоимостью, сосредоточился ВНИИХТ. «Гиредмет» разрабатывает технологию изготовления титановых сплавов ВТ-1, ВТ-6.
«Их и будем использовать для оценки работоспособности установки с отечественным сырьем, а также характеристик получаемых материалов, — говорит В. Береговский. — Но сначала проведем эксперименты с зарубежными порошками, чтобы сравнить результаты с характеристиками материалов, полученными на зарубежном оборудовании, так как по ним многие данные опубликованы». После отработки режимов разработчики перейдут на отечественные порошки без раздумий, уверяет он: «Вся эта работа направлена на импортозамещение».
По его словам, более дешевые, чем на Западе, титановые порошки уже производятся в РФ, а крупные производства порошков на основе железа и никеля вот-вот появятся. ВИАМ уже производит порошки из жаропрочных сплавов. «На УЭХК готовится большое производство порошков. Тульская „Полема" занимается порошками, которые по характеристикам пригодны для аддитивных технологий, — делится информацией Е. Третьяков. — Через год-два у нас совсем не будет дефицита, своих материалов будет в достатке».
Толщина слоев печати может варьироваться от 20 до 200 микрон — все зависит от задачи. «Например, если нужно просто изготовить прототип разъема, чтобы понять, насколько плотно туда входит, например, печатная плата, можно использовать достаточно толстые слои, где не требуется высокое качество изготовления. И меньшее число слоев позволяет его быстрее построить, — приводит примеры Е. Третьяков. — А вот если нужно обеспечить высокое качество готового изделия, придется разбивать модель на большее количество максимально тонких слоев».
Толщина слоев напрямую зависит от используемого порошка. Как правило, для таких машин размер гранул варьируется от 15 до 50 микрон. При этом чтобы получить равномерные слои, нужно соблюсти ряд требований к сферичности и сыпучести металлических порошков. «Это обусловлено особенностями систем подачи порошкового материала в зону плавления и формированием в ней плотного равномерного слоя заданной толщины», — объясняет эксперт.
Работы по созданию принтера и отечественных порошков ведутся параллельно. На изготовлении стандартного нержавеющего сплава 12Х18Н10Т, который отличается низкой себестоимостью, сосредоточился ВНИИХТ. «Гиредмет» разрабатывает технологию изготовления титановых сплавов ВТ-1, ВТ-6.
«Их и будем использовать для оценки работоспособности установки с отечественным сырьем, а также характеристик получаемых материалов, — говорит В. Береговский. — Но сначала проведем эксперименты с зарубежными порошками, чтобы сравнить результаты с характеристиками материалов, полученными на зарубежном оборудовании, так как по ним многие данные опубликованы». После отработки режимов разработчики перейдут на отечественные порошки без раздумий, уверяет он: «Вся эта работа направлена на импортозамещение».
По его словам, более дешевые, чем на Западе, титановые порошки уже производятся в РФ, а крупные производства порошков на основе железа и никеля вот-вот появятся. ВИАМ уже производит порошки из жаропрочных сплавов. «На УЭХК готовится большое производство порошков. Тульская „Полема" занимается порошками, которые по характеристикам пригодны для аддитивных технологий, — делится информацией Е. Третьяков. — Через год-два у нас совсем не будет дефицита, своих материалов будет в достатке».
КОММЕНТАРИЙ ЭКСПЕРТА
ДМИТРИЙ ЧЕГОДАЙКИН,
руководитель проекта, блок по развитию и международному бизнесу госкорпорации «Росатом»:
«Проект создания металлических аддитивных машин и порошков к ним родился в значительной мере как проект импортозамещения, однако он не должен оставаться в этой нише, если мы рассматриваем аддитивные технологии как новый бизнес. С учетом низкого курса рубля у нас есть запас конкурентоспособности по затратам, не использовать такой шанс для международной экспансии было бы неправильно.
Скорее всего, начнем с традиционных регионов присутствия Росатома, где репутация госкорпорации как технологического лидера будет способствовать продвижению новой продукции. С учетом графика разработки и освоения производства мы ориентируемся на 2020 год как точку принятия решения о выходе на зарубежные рынки. Мы рассчитываем, что к этому моменту мелкосерийное производство будет налажено, вопросы локализации ключевых компонентов и обеспечения стабильного их качества будут решены.
Важный момент, который необходимо учитывать: в мире существует множество типов аддитивных технологий, каждая из которых имеет свое применение. Понятно, почему технология печати SLM выбрана в качестве приоритетной для освоения в госкорпорации «Росатом», но нам стоит присмотреться и к другим технологиям. Не уверен насчет биопечати, но, как минимум, строительные 3D-принтеры точно должны стать частью нашего предложения. Это означает, что в будущем нам потребуется расширять кооперацию разработчиков, в том числе, возможно, за счет независимых стартапов.
Предстоит экспериментировать и с бизнес-моделями. Скорее всего, для многих потенциальных заказчиков может оказаться выгодным не приобретать промышленные 3D-принтеры в собственность, а заказывать услуги по изготовлению моделей, деталей или конечных изделий. Это создаст запрос не только на специализированные центры 3D-печати, но и на разработку соответствующей программной инфраструктуры, близкой по сути маркетплейсам Apple App Store или Google Play».
Скорее всего, начнем с традиционных регионов присутствия Росатома, где репутация госкорпорации как технологического лидера будет способствовать продвижению новой продукции. С учетом графика разработки и освоения производства мы ориентируемся на 2020 год как точку принятия решения о выходе на зарубежные рынки. Мы рассчитываем, что к этому моменту мелкосерийное производство будет налажено, вопросы локализации ключевых компонентов и обеспечения стабильного их качества будут решены.
Важный момент, который необходимо учитывать: в мире существует множество типов аддитивных технологий, каждая из которых имеет свое применение. Понятно, почему технология печати SLM выбрана в качестве приоритетной для освоения в госкорпорации «Росатом», но нам стоит присмотреться и к другим технологиям. Не уверен насчет биопечати, но, как минимум, строительные 3D-принтеры точно должны стать частью нашего предложения. Это означает, что в будущем нам потребуется расширять кооперацию разработчиков, в том числе, возможно, за счет независимых стартапов.
Предстоит экспериментировать и с бизнес-моделями. Скорее всего, для многих потенциальных заказчиков может оказаться выгодным не приобретать промышленные 3D-принтеры в собственность, а заказывать услуги по изготовлению моделей, деталей или конечных изделий. Это создаст запрос не только на специализированные центры 3D-печати, но и на разработку соответствующей программной инфраструктуры, близкой по сути маркетплейсам Apple App Store или Google Play».
УСЛОВНОЕ ОГРАНИЧЕНИЕ
При лазерном плавлении порошковых материалов очень важно контролировать процесс изготовления детали, следить за изменением характеристик металлов: измерять температуру в точке плавления, фиксировать перегревы и возможные испарения. До недавнего времени такие измерения были затруднены: например, у титана температура плавления 1800°C, а большинство тепловизоров рассчитаны на измерения максимум до 1000°C. Однако стали появляться высокочувствительные датчики, которые расширили возможности наблюдения при больших температурах, и следить за процессом плавления становится намного проще.
«В своей машине мы используем современный тепловизор. У него большая матрица, и мы видим карту температур на всей области построения», — рассказывает Е. Третьяков. Но импортные принтеры по этому параметру пока впереди, сетует он.
«Их оборудование оснащено вспомогательными оптическими системами, которые позволяют измерять температуру прямо в точке плавления, что точнее. Кроме того, они следят за мощностью лазерного излучения, у нас этого пока нет». В конструкции серийного принтера это отставание предполагается устранить.
Внутрь рабочей камеры можно установить лишь ограниченное число датчиков — ведь в ней же и происходит процесс построения детали из порошка. «Сейчас, чтобы контролировать параметры процесса печати, можно измерять температуру плавления, мощность лазера, контролировать содержание кислорода и водорода в среде (кстати, для этого использованы датчики, разработанные ФЭИ. — Прим. ред.), следить за давлением. По большому счету, это все, — поясняет Е. Третьяков. — Само изделие контролировать практически невозможно. Как вариант, можно наряду с основным изделием выращивать образцы-свидетели в другой части платформы и снимать показания различными методами, но это отдельная разработка».
При лазерном плавлении порошковых материалов очень важно контролировать процесс изготовления детали, следить за изменением характеристик металлов: измерять температуру в точке плавления, фиксировать перегревы и возможные испарения. До недавнего времени такие измерения были затруднены: например, у титана температура плавления 1800°C, а большинство тепловизоров рассчитаны на измерения максимум до 1000°C. Однако стали появляться высокочувствительные датчики, которые расширили возможности наблюдения при больших температурах, и следить за процессом плавления становится намного проще.
«В своей машине мы используем современный тепловизор. У него большая матрица, и мы видим карту температур на всей области построения», — рассказывает Е. Третьяков. Но импортные принтеры по этому параметру пока впереди, сетует он.
«Их оборудование оснащено вспомогательными оптическими системами, которые позволяют измерять температуру прямо в точке плавления, что точнее. Кроме того, они следят за мощностью лазерного излучения, у нас этого пока нет». В конструкции серийного принтера это отставание предполагается устранить.
Внутрь рабочей камеры можно установить лишь ограниченное число датчиков — ведь в ней же и происходит процесс построения детали из порошка. «Сейчас, чтобы контролировать параметры процесса печати, можно измерять температуру плавления, мощность лазера, контролировать содержание кислорода и водорода в среде (кстати, для этого использованы датчики, разработанные ФЭИ. — Прим. ред.), следить за давлением. По большому счету, это все, — поясняет Е. Третьяков. — Само изделие контролировать практически невозможно. Как вариант, можно наряду с основным изделием выращивать образцы-свидетели в другой части платформы и снимать показания различными методами, но это отдельная разработка».
ВОЙНУ НЕ ПРОИГРАЕМ
Компании-первопроходцы освоения аддитивных технологий в России, закупившие зарубежные машины, сейчас сталкиваются с проблемой их обслуживания. И дело не только в удорожании сервисного обслуживания, но и в увеличении времени на ожидание специалистов или поставку комплектующих, расходников.
«Мы сами с этим столкнулись — купили импортный сканатор. Возникла проблема с его наладкой. Для этого надо вызывать специалиста. Даже если их представитель находится в Германии или в Англии, то все равно это приличные деньги и время, — рассуждает В. Береговский. — Конечно, мы используем современные средства связи, общаемся и по скайпу, и по телефону. Тем более что мы — научно- исследовательский институт и можем какое-то время потерпеть».
«А если это поточное производство, где есть план по выпуску деталей, и задержки в сервисе приводят к очень большим потерям?» — задается риторическим вопросом наш собеседник. И рассказывает о случае на конференции: представитель российской производственной компании взывал к совести немецких поставщиков 3D-машины, так как решения вопроса о сервисном обслуживании они ожидали целый год. Поломка одного станка на конвейере сборки авиационных двигателей задержит поставку всей партии двигателей, а значит, ими недоукомплектуют самолеты, производимые по заказу, допустим, Индии, либо будут сорваны контрактные сроки по гособоронзаказу, что недопустимо в современной геополитической обстановке, замечает В. Береговский.
Из этих ошибок был извлечен урок. У 3D-машины ЦНИИТМАШа зависимость от поставок из-за рубежа минимальная, уверяют разработчики. «Импортные комплектующие есть, но их не так много. Например, рельсовые направляющие покупаем в Корее и Японии. Но в любой момент можем произвести их сами, просто стоить будут дороже. Контроллеры пока берем Siemens. Будет проблема с поставкой — возьмем другие», — утверждает Е. Третьяков.
Что касается лазеров, то весь мир использует российские. Вот и ЦНИИТМАШевцы заказали лазер во Фрязино. Системы прецизионного перемещения полностью российские. «К сожалению, при разработке конструкции принтера мы не смогли сразу найти отечественного производителя сканирующих устройств, а это один из основных узлов принтера. Но недавно нашли производителя в России и с удовольствием будем покупать сканеры у них», — добавляет он.
Компании-первопроходцы освоения аддитивных технологий в России, закупившие зарубежные машины, сейчас сталкиваются с проблемой их обслуживания. И дело не только в удорожании сервисного обслуживания, но и в увеличении времени на ожидание специалистов или поставку комплектующих, расходников.
«Мы сами с этим столкнулись — купили импортный сканатор. Возникла проблема с его наладкой. Для этого надо вызывать специалиста. Даже если их представитель находится в Германии или в Англии, то все равно это приличные деньги и время, — рассуждает В. Береговский. — Конечно, мы используем современные средства связи, общаемся и по скайпу, и по телефону. Тем более что мы — научно- исследовательский институт и можем какое-то время потерпеть».
«А если это поточное производство, где есть план по выпуску деталей, и задержки в сервисе приводят к очень большим потерям?» — задается риторическим вопросом наш собеседник. И рассказывает о случае на конференции: представитель российской производственной компании взывал к совести немецких поставщиков 3D-машины, так как решения вопроса о сервисном обслуживании они ожидали целый год. Поломка одного станка на конвейере сборки авиационных двигателей задержит поставку всей партии двигателей, а значит, ими недоукомплектуют самолеты, производимые по заказу, допустим, Индии, либо будут сорваны контрактные сроки по гособоронзаказу, что недопустимо в современной геополитической обстановке, замечает В. Береговский.
Из этих ошибок был извлечен урок. У 3D-машины ЦНИИТМАШа зависимость от поставок из-за рубежа минимальная, уверяют разработчики. «Импортные комплектующие есть, но их не так много. Например, рельсовые направляющие покупаем в Корее и Японии. Но в любой момент можем произвести их сами, просто стоить будут дороже. Контроллеры пока берем Siemens. Будет проблема с поставкой — возьмем другие», — утверждает Е. Третьяков.
Что касается лазеров, то весь мир использует российские. Вот и ЦНИИТМАШевцы заказали лазер во Фрязино. Системы прецизионного перемещения полностью российские. «К сожалению, при разработке конструкции принтера мы не смогли сразу найти отечественного производителя сканирующих устройств, а это один из основных узлов принтера. Но недавно нашли производителя в России и с удовольствием будем покупать сканеры у них», — добавляет он.
ПРИНТЕР 2.0
«Конечно, первая машина не может быть совершенной, — признается Е. Третьяков. — Мы уже видим, что сделали бы по-другому, и занимаемся созданием усовершенствованной модели 3D-принтера». Принтер 2.0 будет оборудован двумя лазерами и двухпорошковой подающей системой, что увеличит производительность установки и позволит работать одновременно с двумя типами порошкового материала при изготовлении одного изделия.
Рабочую камеру можно подстроить под пожелания заказчика. «Готовы выпускать принтеры с разными размерами рабочего пространства и формы. Можем сделать камеру не прямоугольной, как сейчас, а круглой или цилиндрической», — рекламирует свою продукцию В. Береговский. Впрочем, он оговаривается, что рабочую камеру для однолазерной машины логично только уменьшать, а двухлазерную — вписать в размеры первого принтера, что соответствует мировым тенденциям. По его словам, в мире есть лишь одна четырехлазерная машина, и ее рабочая камера выше, нежели в российском образце, а остальные размеры у них одинаковы.
Планируется еще больше автоматизировать устройство и добавить элементы для юстировки оптического тракта с целью повышения точности изготовления. «Также думаем над снижением себестоимости самих принтеров за счет изменения принципа подачи порошковых материалов и увеличения износостойкости подвижных элементов. Мы понимаем, как это сделать, и уже патентуем оригинальные решения. Когда начнем промышленную эксплуатацию установки, идей станет больше», — добавляет Е. Третьяков. Есть и планы доработать ПО. Опытный образец второй модификации принтера инженеры рассчитывают собрать в I квартале 2017 года.
Организационная схема создания новой установки тоже уникальна. Головным исполнителем проекта создания новой модификации 3D-принтера выступает вуз — Московский институт стали и сплавов, значительная роль и у другого вуза — ФГАОУ ВО «СПбПУ». Научным руководителем выступает АО «Наука и инновации», индустриальным партнером — входящий в ТВЭЛ Уральский электрохимический комбинат.
«Это другая машина, и, несмотря на то что наш институт является головным разработчиком, в проекте определено, что серийно выпускать этот тип машин будет уральская производственная площадка, создаваемая на базе УЭХК», — комментирует В. Береговский.
Кроме того, если в более раннем гранте Минобрнауки основной упор делался на создание первого поколения отечественного принтера и порошков, то во втором все внимание уделено исследованиям процессов, которые происходят при их плавлении. «А в этом вопросе компетенций больше у МИСиСа как у материаловедческого института», — объясняет наш собеседник.
Стоить принтер будет значительно дешевле зарубежных машин. Цена аналогичного западного принтера в базовой комплектации по текущему курсу — 90–100 млн рублей, отечественная машина обойдется в 55–60 млн. «Себестоимость меньше, но в цену мы закладываем небольшой процент на модернизацию и исследования, чтобы через какое-то время предложить покупателям более совершенную модель», — уточняет В. Береговский.
«Наша главная задача — чтобы российские предприятия получили не только высокотехнологичную технику мирового уровня, но и оперативное сервисное обслуживание», — заключает В. Береговский.
«Конечно, первая машина не может быть совершенной, — признается Е. Третьяков. — Мы уже видим, что сделали бы по-другому, и занимаемся созданием усовершенствованной модели 3D-принтера». Принтер 2.0 будет оборудован двумя лазерами и двухпорошковой подающей системой, что увеличит производительность установки и позволит работать одновременно с двумя типами порошкового материала при изготовлении одного изделия.
Рабочую камеру можно подстроить под пожелания заказчика. «Готовы выпускать принтеры с разными размерами рабочего пространства и формы. Можем сделать камеру не прямоугольной, как сейчас, а круглой или цилиндрической», — рекламирует свою продукцию В. Береговский. Впрочем, он оговаривается, что рабочую камеру для однолазерной машины логично только уменьшать, а двухлазерную — вписать в размеры первого принтера, что соответствует мировым тенденциям. По его словам, в мире есть лишь одна четырехлазерная машина, и ее рабочая камера выше, нежели в российском образце, а остальные размеры у них одинаковы.
Планируется еще больше автоматизировать устройство и добавить элементы для юстировки оптического тракта с целью повышения точности изготовления. «Также думаем над снижением себестоимости самих принтеров за счет изменения принципа подачи порошковых материалов и увеличения износостойкости подвижных элементов. Мы понимаем, как это сделать, и уже патентуем оригинальные решения. Когда начнем промышленную эксплуатацию установки, идей станет больше», — добавляет Е. Третьяков. Есть и планы доработать ПО. Опытный образец второй модификации принтера инженеры рассчитывают собрать в I квартале 2017 года.
Организационная схема создания новой установки тоже уникальна. Головным исполнителем проекта создания новой модификации 3D-принтера выступает вуз — Московский институт стали и сплавов, значительная роль и у другого вуза — ФГАОУ ВО «СПбПУ». Научным руководителем выступает АО «Наука и инновации», индустриальным партнером — входящий в ТВЭЛ Уральский электрохимический комбинат.
«Это другая машина, и, несмотря на то что наш институт является головным разработчиком, в проекте определено, что серийно выпускать этот тип машин будет уральская производственная площадка, создаваемая на базе УЭХК», — комментирует В. Береговский.
Кроме того, если в более раннем гранте Минобрнауки основной упор делался на создание первого поколения отечественного принтера и порошков, то во втором все внимание уделено исследованиям процессов, которые происходят при их плавлении. «А в этом вопросе компетенций больше у МИСиСа как у материаловедческого института», — объясняет наш собеседник.
Стоить принтер будет значительно дешевле зарубежных машин. Цена аналогичного западного принтера в базовой комплектации по текущему курсу — 90–100 млн рублей, отечественная машина обойдется в 55–60 млн. «Себестоимость меньше, но в цену мы закладываем небольшой процент на модернизацию и исследования, чтобы через какое-то время предложить покупателям более совершенную модель», — уточняет В. Береговский.
«Наша главная задача — чтобы российские предприятия получили не только высокотехнологичную технику мирового уровня, но и оперативное сервисное обслуживание», — заключает В. Береговский.
СТАНДАРТНЫЕ ПРОБЛЕМЫ
Новому подходу, несмотря на его преимущества, предстоит проделать еще длинный путь. Изготовленные по инновационной технологии ответственные детали, которые применяются, например, в авиационной технике, двигателях, должны пройти испытания, сертификацию, лицензирование и только тогда смогут полноценно войти в производственную цепочку. А для начала необходимо создать единую систему национальных стандартов, межотраслевую информационную базу материалов и оборудования для аддитивного производства. Поэтому параллельно с созданием установки идет активная работа по формированию системы сертификации и стандартизации аддитивных изделий и порошков.
По инициативе АО «НИИ» и ВИАМа при Росстандарте создан технический комитет № 182, который занимается стандартизацией процессов, связанных с аддитивным производством, и создает его нормативную базу. В. Береговский является председателем подкомитета №2, который разрабатывает ГОСТ по оборудованию и программному обеспечению для этих технологий. А ЦНИИТМАШ, головное материаловедческое предприятие Росатома, обладает сертифицированной лабораторией для исследований любых материалов. «Мы можем давать экспертные заключения относительно характеристик готовых деталей, полученных по этой технологии», — объясняет В. Береговский.
Главной же головной болью разработчиков стала система закупок Росатома. По оценке В. Береговского, закупочные процедуры способны сильно затянуть, если не остановить, деятельность наукоемкой отрасли. Высокооплачиваемые сотрудники, вместо того чтобы заниматься наукой, половину своего рабочего времени тратят на оформление документов для закупок. «При этом себестоимость работ вырастает процентов на 50, потому что наукоемкая машина включает в себя тысячи комплектующих, и для приобретения каждой деталюшки мы должны писать огромные трактаты, посылать официальные запросы цен», — добавляет он.
К тому же длительность каждой закупки лишит ЦНИИТМАШ возможности на равных конкурировать с другими игроками. «Не сомневаюсь, что через какое-то время на рынок с подобной продукцией выйдут частные компании. А как мы с ними будем конкурировать, если нам для закупки деталей нужны месяцы? — вопрошает В. Береговский. — Например, требуется купить хомут за 2 тыс. рублей. Нужно направить три официальных запроса и получить не менее трех официальных ответов с ценой, потом составить аналитические справки, посчитать цены по методическим указаниям, и только после этого через какое-то время мы за 2 тыс. рублей наконец купим этот хомут».
«И это я говорил о такой простецкой вещи, как хомут. Если же речь идет о более дорогих контроллерах, то мы обязаны устраивать конкурс! С учетом и без того длительного срока поставки — три месяца — общее время, которое проходит с момента возникновения потребности до реальной поставки, уходит в бесконечность», — возмущается наш собеседник.
«Мы постоянно находимся между молотом и наковальней: с одной стороны, с нас требуют соблюдения сроков, с другой — нам просто выкручивают руки, не дают работать. Эту установку мы успели выпустить в срок с большой кровью и только благодаря нашему опыту», — констатирует В. Береговский. «Применение схемы закупок понятно, когда нужно приобрести что-то в рамках реализации программы капитальных вложений, но использовать ее для комплектации мелкосерийного производства наукоемкого оборудования в условиях жесткой конкуренции, когда у конкурентов этих процедур нет, нелогично», — рассуждает он.
Первый замгендиректора АО «НИИ» Алексей Дуб считает, что «в условиях рынка и конкуренции необходимо научиться так применять преимущества отраслевой системы закупок, чтобы по оперативности наши исполнители не уступали коммерческим структурам, но при этом были защищены от некомпетентных потенциальных поставщиков».
Новому подходу, несмотря на его преимущества, предстоит проделать еще длинный путь. Изготовленные по инновационной технологии ответственные детали, которые применяются, например, в авиационной технике, двигателях, должны пройти испытания, сертификацию, лицензирование и только тогда смогут полноценно войти в производственную цепочку. А для начала необходимо создать единую систему национальных стандартов, межотраслевую информационную базу материалов и оборудования для аддитивного производства. Поэтому параллельно с созданием установки идет активная работа по формированию системы сертификации и стандартизации аддитивных изделий и порошков.
По инициативе АО «НИИ» и ВИАМа при Росстандарте создан технический комитет № 182, который занимается стандартизацией процессов, связанных с аддитивным производством, и создает его нормативную базу. В. Береговский является председателем подкомитета №2, который разрабатывает ГОСТ по оборудованию и программному обеспечению для этих технологий. А ЦНИИТМАШ, головное материаловедческое предприятие Росатома, обладает сертифицированной лабораторией для исследований любых материалов. «Мы можем давать экспертные заключения относительно характеристик готовых деталей, полученных по этой технологии», — объясняет В. Береговский.
Главной же головной болью разработчиков стала система закупок Росатома. По оценке В. Береговского, закупочные процедуры способны сильно затянуть, если не остановить, деятельность наукоемкой отрасли. Высокооплачиваемые сотрудники, вместо того чтобы заниматься наукой, половину своего рабочего времени тратят на оформление документов для закупок. «При этом себестоимость работ вырастает процентов на 50, потому что наукоемкая машина включает в себя тысячи комплектующих, и для приобретения каждой деталюшки мы должны писать огромные трактаты, посылать официальные запросы цен», — добавляет он.
К тому же длительность каждой закупки лишит ЦНИИТМАШ возможности на равных конкурировать с другими игроками. «Не сомневаюсь, что через какое-то время на рынок с подобной продукцией выйдут частные компании. А как мы с ними будем конкурировать, если нам для закупки деталей нужны месяцы? — вопрошает В. Береговский. — Например, требуется купить хомут за 2 тыс. рублей. Нужно направить три официальных запроса и получить не менее трех официальных ответов с ценой, потом составить аналитические справки, посчитать цены по методическим указаниям, и только после этого через какое-то время мы за 2 тыс. рублей наконец купим этот хомут».
«И это я говорил о такой простецкой вещи, как хомут. Если же речь идет о более дорогих контроллерах, то мы обязаны устраивать конкурс! С учетом и без того длительного срока поставки — три месяца — общее время, которое проходит с момента возникновения потребности до реальной поставки, уходит в бесконечность», — возмущается наш собеседник.
«Мы постоянно находимся между молотом и наковальней: с одной стороны, с нас требуют соблюдения сроков, с другой — нам просто выкручивают руки, не дают работать. Эту установку мы успели выпустить в срок с большой кровью и только благодаря нашему опыту», — констатирует В. Береговский. «Применение схемы закупок понятно, когда нужно приобрести что-то в рамках реализации программы капитальных вложений, но использовать ее для комплектации мелкосерийного производства наукоемкого оборудования в условиях жесткой конкуренции, когда у конкурентов этих процедур нет, нелогично», — рассуждает он.
Первый замгендиректора АО «НИИ» Алексей Дуб считает, что «в условиях рынка и конкуренции необходимо научиться так применять преимущества отраслевой системы закупок, чтобы по оперативности наши исполнители не уступали коммерческим структурам, но при этом были защищены от некомпетентных потенциальных поставщиков».
ЦИФРОВЫЕ ПРОИЗВОДСТВА
Доля установок 3D-печати металлами в линейке создаваемых сегодня 3D-принтеров растет неимоверно быстро. «Все идет к тому, что произойдет переосмысление подхода к производству и все эти высокотехнологичные машины в конечном итоге объединятся в так называемые цифровые производства, — прогнозирует Е. Третьяков. — Горизонтальная модульная архитектура позволяет без проведения дополнительной сложной модернизации перейти к роботизированным цифровым производствам на основе одной или нескольких единиц разработанных 3D-установок.
Внутри такой системы будет автоматизировано все — от координации установок между собой (как в программном, так и в физическом смысле — например, при передаче заготовок) до обработки готовой детали. Сама система будет располагаться в замкнутом контуре, на входе в который подаются исходный материал в виде порошка и чертеж в виде 3D-модели, а на выходе — получается готовое изделие, описывает он.
Такая организация промышленного производства позволит перейти к созданию новых материалов с заранее заданными свойствами, многократно снизить энерго- и материалоемкость и, как следствие, издержки производства.
«Мы и свою машину изначально готовим не как отдельное устройство для изготовления деталей, а как модуль для цифрового производства. Для этих целей в ней предусмотрена сменяемость основного узла — модуля построения. Будет достаточно сделать дополнительные приводы, дать ей программу общения с другими устройствами цифрового производства — и, собственно говоря, у нас готовый цифровой цех получается. Осталось поменять мышление конструкторов и технологов», — заключает В. Береговский.
Доля установок 3D-печати металлами в линейке создаваемых сегодня 3D-принтеров растет неимоверно быстро. «Все идет к тому, что произойдет переосмысление подхода к производству и все эти высокотехнологичные машины в конечном итоге объединятся в так называемые цифровые производства, — прогнозирует Е. Третьяков. — Горизонтальная модульная архитектура позволяет без проведения дополнительной сложной модернизации перейти к роботизированным цифровым производствам на основе одной или нескольких единиц разработанных 3D-установок.
Внутри такой системы будет автоматизировано все — от координации установок между собой (как в программном, так и в физическом смысле — например, при передаче заготовок) до обработки готовой детали. Сама система будет располагаться в замкнутом контуре, на входе в который подаются исходный материал в виде порошка и чертеж в виде 3D-модели, а на выходе — получается готовое изделие, описывает он.
Такая организация промышленного производства позволит перейти к созданию новых материалов с заранее заданными свойствами, многократно снизить энерго- и материалоемкость и, как следствие, издержки производства.
«Мы и свою машину изначально готовим не как отдельное устройство для изготовления деталей, а как модуль для цифрового производства. Для этих целей в ней предусмотрена сменяемость основного узла — модуля построения. Будет достаточно сделать дополнительные приводы, дать ей программу общения с другими устройствами цифрового производства — и, собственно говоря, у нас готовый цифровой цех получается. Осталось поменять мышление конструкторов и технологов», — заключает В. Береговский.
КОММЕНТАРИИ ЭКСПЕРТОВ
АЛЕКСЕЙ ДУБ,
первый заместитель гендиректора АО «Наука и инновации»:
«Два года назад в Росатоме была сформулирована программа развития аддитивных технологий, согласно которой к 2018 году мы должны полностью освоить весь цикл таких технологий: от производства порошков до промышленного выпуска 3D-принтеров. Все совместные проекты с Минобрнаукой, которые сегодня реализуют предприятия Росатома — ЦНИИТМАШ, УЭХК, — часть этой программы. Мы исходили при принятии решений о постановке задач из того, что главным фактором будет рынок. К 2025 году рынок аддитивных технологий прогнозируется на уровне $52 млрд, при этом эффект от влияния этих технологий на развитие других отраслей оценивается в 10 раз выше — $500 млрд.
Поэтому вопрос, быть или не быть Росатому законодателем новых производственных технологий (такой термин используется в этой области), фактически не стоял. Был другой вопрос: за какой период времени мы сможем это сделать? И вот сейчас уже готова однолазерная установка для сплавления металлических порошков с размером рабочей зоны 550 на 550 см и собственным ПО.
Мы практически параллельно начали работы по созданию следующего поколения — мультилазерного автоматизированного комплекса для послойного синтеза полиметаллических изделий; в них участвуют как отраслевые, так и неотраслевые предприятия: АО «НИИ», АО НПО «ЦНИИТМАШ», АО «Гиредмет», НПО «УЗГЦ», АО «УЭХК», НИТУ МИСиС, ФГАОУ ВО «СПбПУ». Например, ЦНИИТМАШ, обладая машиностроительными компетенциями, является главным конструктором самой установки, а индустриальным партнером и производителем металлических порошков выступает УЭХК.
Главная задача, которая сейчас перед нами стоит, — овладеть этой аддитивной технологией. Мы понимаем все процессы, которые происходят во время 3D-печати, у нас есть опыт создания высокотехнологичного оборудования. Поэтому делаем не лабораторный прототип, а промышленный принтер, на котором сразу начнем отрабатывать технологию аддитивной печати металлическими порошками. Первую однолазерную машину мы создали всего за полтора года. Это очень короткий срок по сравнению с зарубежными компаниями, которые занимаются этим в разы дольше. Вторая установка будет производительнее первой за счет использования двух лазеров, а также порошков двух разных составов — это даст возможность получать детали с уникальными свойствами. Скорость построения будет более 30 см³/ч, цена принтера — примерно в полтора раза ниже, чем у зарубежных аналогов. Запуск планируется в конце 2017 года.
Однако наличие самого 3D-принтера еще не означает, что мы автоматически сразу овладеем технологией производства ресурсных изделий. Основная проблема — отсутствие достаточной материаловедческой базы. Поэтому уже с июня на первой установке мы начали проводить эксперименты и наполнять эту базу. По отдельным продуктам ее наполнение пойдет быстрее, по каким-то — медленнее, но к концу 2018 года она будет в основном сформирована.
Параллельно с конструированием решались вопросы обеспечения исходными материалами на основе титана и нержавеющей стали. Технологические вопросы получения порошков нужных размеров: состав, включая содержание газов и вредных примесей; размеры — 20–40 мкн; обеспечение необходимой сферической формы и сыпучести; отсутствие пористости — сегодня решены. Этим занимаются «Гиредмед», ВНИИХТ, МИФИ.
Помимо этого, чтобы существенно ускорить процессы внедрения — каждый раз не прибегать к физическим экспериментам, а иметь возможность оперативно отрабатывать основные элементы технологии на модели, — запланировано создать виртуальную модель 3D-принтера. Мы рассчитываем, что подключение ВНИИЭФа позволит оперативно решить эту задачу. К 2018 году вместе с промышленной установкой мы планируем получить и виртуальную модель, которая позволит моделировать нужные физические процессы.
Отрасли овладение технологией 3D-принтинга даст две вещи. Во-первых, позволит не только не отстать в технологическом плане от остального мира, но и оказаться в числе лидеров; во‑вторых, эта технология даст более эффективную экономику при производстве изделий из дорогих материалов сложной формы. Поэтому мы надеемся, что за два года наши конструкторы начнут широко и активно применять ее в своих разработках — это позволит существенно сократить время перехода к новым изделиям и перейти к цифровому производству. И кроме того, аддитивные технологии не имеют ряда технологических ограничений, которые есть у традиционных литья и сварки.
Полгода назад в Росстандарте по нашей инициативе был образован технический комитет № 182 по аддитивным технологиям, который занимается созданием нормативной документации; я являюсь его сопредседателем. К концу 2017 года эта работа будет выполнена, и по основному набору материалов — нержавеющая сталь, высокопрочные материалы — у нас будет достаточно опыта и данных, чтобы говорить: технология печати металлическими порошками у нас есть».
Поэтому вопрос, быть или не быть Росатому законодателем новых производственных технологий (такой термин используется в этой области), фактически не стоял. Был другой вопрос: за какой период времени мы сможем это сделать? И вот сейчас уже готова однолазерная установка для сплавления металлических порошков с размером рабочей зоны 550 на 550 см и собственным ПО.
Мы практически параллельно начали работы по созданию следующего поколения — мультилазерного автоматизированного комплекса для послойного синтеза полиметаллических изделий; в них участвуют как отраслевые, так и неотраслевые предприятия: АО «НИИ», АО НПО «ЦНИИТМАШ», АО «Гиредмет», НПО «УЗГЦ», АО «УЭХК», НИТУ МИСиС, ФГАОУ ВО «СПбПУ». Например, ЦНИИТМАШ, обладая машиностроительными компетенциями, является главным конструктором самой установки, а индустриальным партнером и производителем металлических порошков выступает УЭХК.
Главная задача, которая сейчас перед нами стоит, — овладеть этой аддитивной технологией. Мы понимаем все процессы, которые происходят во время 3D-печати, у нас есть опыт создания высокотехнологичного оборудования. Поэтому делаем не лабораторный прототип, а промышленный принтер, на котором сразу начнем отрабатывать технологию аддитивной печати металлическими порошками. Первую однолазерную машину мы создали всего за полтора года. Это очень короткий срок по сравнению с зарубежными компаниями, которые занимаются этим в разы дольше. Вторая установка будет производительнее первой за счет использования двух лазеров, а также порошков двух разных составов — это даст возможность получать детали с уникальными свойствами. Скорость построения будет более 30 см³/ч, цена принтера — примерно в полтора раза ниже, чем у зарубежных аналогов. Запуск планируется в конце 2017 года.
Однако наличие самого 3D-принтера еще не означает, что мы автоматически сразу овладеем технологией производства ресурсных изделий. Основная проблема — отсутствие достаточной материаловедческой базы. Поэтому уже с июня на первой установке мы начали проводить эксперименты и наполнять эту базу. По отдельным продуктам ее наполнение пойдет быстрее, по каким-то — медленнее, но к концу 2018 года она будет в основном сформирована.
Параллельно с конструированием решались вопросы обеспечения исходными материалами на основе титана и нержавеющей стали. Технологические вопросы получения порошков нужных размеров: состав, включая содержание газов и вредных примесей; размеры — 20–40 мкн; обеспечение необходимой сферической формы и сыпучести; отсутствие пористости — сегодня решены. Этим занимаются «Гиредмед», ВНИИХТ, МИФИ.
Помимо этого, чтобы существенно ускорить процессы внедрения — каждый раз не прибегать к физическим экспериментам, а иметь возможность оперативно отрабатывать основные элементы технологии на модели, — запланировано создать виртуальную модель 3D-принтера. Мы рассчитываем, что подключение ВНИИЭФа позволит оперативно решить эту задачу. К 2018 году вместе с промышленной установкой мы планируем получить и виртуальную модель, которая позволит моделировать нужные физические процессы.
Отрасли овладение технологией 3D-принтинга даст две вещи. Во-первых, позволит не только не отстать в технологическом плане от остального мира, но и оказаться в числе лидеров; во‑вторых, эта технология даст более эффективную экономику при производстве изделий из дорогих материалов сложной формы. Поэтому мы надеемся, что за два года наши конструкторы начнут широко и активно применять ее в своих разработках — это позволит существенно сократить время перехода к новым изделиям и перейти к цифровому производству. И кроме того, аддитивные технологии не имеют ряда технологических ограничений, которые есть у традиционных литья и сварки.
Полгода назад в Росстандарте по нашей инициативе был образован технический комитет № 182 по аддитивным технологиям, который занимается созданием нормативной документации; я являюсь его сопредседателем. К концу 2017 года эта работа будет выполнена, и по основному набору материалов — нержавеющая сталь, высокопрочные материалы — у нас будет достаточно опыта и данных, чтобы говорить: технология печати металлическими порошками у нас есть».
ОЛЕГ ЕЛИСТРАТОВ,
заместитель генерального директора УЭХК по развитию:
«От успешной работы собранного в ЦНИИТМАШе однолазерного принтера зависит успех нашей установки. Все технологические решения перейдут в двухлазерную систему. Фактически наша машина является продолжением первой работы. Все нюансы были известны еще до того, как УЭХК предложили стать индустриальным партнером в этом проекте. Ставка сделана на кооперацию предприятий отрасли, которые дополняют друг друга. Никакой конкуренции между нами нет, наоборот, мы работаем в единой команде. Если рынок будет развиваться в соответствии с прогнозами, то работы хватит всем.
В 2015 году консорциум предприятий во главе с МИСИСом и АО «Наука и инновации» выиграл тендер на создание двухлазерного аддитивного 3D-принтера. Эта работа включает и отработку технологий плавления и получения металлических порошков. УЭХК участвует в этом проекте в качестве индустриального партнера и финансирует порядка 1/3 стоимости всех работ — это около 110 млн рублей. Остальное — Минобрнауки. В 2017 году машина будет создана и по соглашению с Минобрнауки на своей площадке мы должны организовать промышленное производство 3D-принтеров, а потом в течение четырех лет отчитываться перед министерством о получаемой выручке с продаж данного оборудования.
По условиям тендера индустриальный партнер непосредственно не может участвовать в этих работах. Но мы контролируем каждый этап работ и вникаем в их суть, потому что нам потом предстоит организовывать производство этих принтеров. Перед нами отчитываются четыре главных исполнителя: МИСИС, ЦНИИТМАШ как главный конструктор, Гиредмет и Питерский политех. АО «НИИ» осуществляет научное руководство. Таким образом распределяется ответственность за результат.
Этап проектирования закончился в прошлом году, сейчас идет разработка КД. Разработка и изготовление отдельных устройств принтера будут закончены в конце этого года. Особенность установки заключается в том, что в принтере используется не один порошок, а два. На рынке таких установок еще нет, поэтому есть некоторые нерешенные вопросы относительно принципов раскладки и сбора порошков. Устройством для раскладки порошков занимается наше предприятие — УЗГЦ. Со следующего года начнется сборка.
УЭХК также стремится организовать на Новоуральской промышленной площадке производство металлических порошков. Кстати, так поступают и западные компании, которые существенную часть прибыли зарабатывают на расходных материалах. По порошкам мы сотрудничаем с несколькими организациями: УрФУ, ВНИИНМом, Гиредметом, Заводом электрохимических преобразователей, ВИЛСом, СПбПУ. Есть ряд организаций, каждая из которых владеет одной технологией, и с ними мы планируем здесь, в Новоуральске, организовать производство различных порошков — по себестоимости существенно дешевле импортных аналогов. Производство наше, технология их. Первые порошки будут из нержавеющей стали, алюминия и меди. Титан — это следующий шаг. Особенность рынка порошков для аддитивных технологий такова, что в первое время потребуются небольшие количества порошков широкой номенклатуры. Мы это понимаем и будем с партнерами стараться закрывать все направления.
Способ плавления достаточно чувствительный, поэтому для достижения нужных характеристик изделия приходится подбирать режимы плавления под каждый конкретный порошок каждого производителя. В этом направлении тоже идет работа и создается база данных, где все это будет прописано.
В 2018 году мы должны уже продать две такие машины, в 2019 году — пять и далее по 10 штук в год. У нас уже есть предложения о покупке принтеров от разных организаций, перекрывающие новоуральские планы по производству. Разработка и производство принтеров на двух площадках (ЦНИИТМАШ, УЭХК) с правильным распределением работ позволят закрыть все российские потребности. Наши установки будут значительно дешевле существующих импортных однолазерных аналогов. Есть спрос и на предприятиях топливной компании «ТВЭЛ», сейчас мы активно формируем список функциональных деталей, которые экономически и технически будет выгоднее печатать на принтере.
Потребности российского рынка пока больше, чем мы можем ему предложить. Поэтому задачи набирать сейчас заказы у нас нет. Главное — в рамках консорциума отраслевых предприятий и вузов сделать конкурентоспособный принтер и организовать его производство, построив взаимовыгодную кооперацию российских предприятий».
В 2015 году консорциум предприятий во главе с МИСИСом и АО «Наука и инновации» выиграл тендер на создание двухлазерного аддитивного 3D-принтера. Эта работа включает и отработку технологий плавления и получения металлических порошков. УЭХК участвует в этом проекте в качестве индустриального партнера и финансирует порядка 1/3 стоимости всех работ — это около 110 млн рублей. Остальное — Минобрнауки. В 2017 году машина будет создана и по соглашению с Минобрнауки на своей площадке мы должны организовать промышленное производство 3D-принтеров, а потом в течение четырех лет отчитываться перед министерством о получаемой выручке с продаж данного оборудования.
По условиям тендера индустриальный партнер непосредственно не может участвовать в этих работах. Но мы контролируем каждый этап работ и вникаем в их суть, потому что нам потом предстоит организовывать производство этих принтеров. Перед нами отчитываются четыре главных исполнителя: МИСИС, ЦНИИТМАШ как главный конструктор, Гиредмет и Питерский политех. АО «НИИ» осуществляет научное руководство. Таким образом распределяется ответственность за результат.
Этап проектирования закончился в прошлом году, сейчас идет разработка КД. Разработка и изготовление отдельных устройств принтера будут закончены в конце этого года. Особенность установки заключается в том, что в принтере используется не один порошок, а два. На рынке таких установок еще нет, поэтому есть некоторые нерешенные вопросы относительно принципов раскладки и сбора порошков. Устройством для раскладки порошков занимается наше предприятие — УЗГЦ. Со следующего года начнется сборка.
УЭХК также стремится организовать на Новоуральской промышленной площадке производство металлических порошков. Кстати, так поступают и западные компании, которые существенную часть прибыли зарабатывают на расходных материалах. По порошкам мы сотрудничаем с несколькими организациями: УрФУ, ВНИИНМом, Гиредметом, Заводом электрохимических преобразователей, ВИЛСом, СПбПУ. Есть ряд организаций, каждая из которых владеет одной технологией, и с ними мы планируем здесь, в Новоуральске, организовать производство различных порошков — по себестоимости существенно дешевле импортных аналогов. Производство наше, технология их. Первые порошки будут из нержавеющей стали, алюминия и меди. Титан — это следующий шаг. Особенность рынка порошков для аддитивных технологий такова, что в первое время потребуются небольшие количества порошков широкой номенклатуры. Мы это понимаем и будем с партнерами стараться закрывать все направления.
Способ плавления достаточно чувствительный, поэтому для достижения нужных характеристик изделия приходится подбирать режимы плавления под каждый конкретный порошок каждого производителя. В этом направлении тоже идет работа и создается база данных, где все это будет прописано.
В 2018 году мы должны уже продать две такие машины, в 2019 году — пять и далее по 10 штук в год. У нас уже есть предложения о покупке принтеров от разных организаций, перекрывающие новоуральские планы по производству. Разработка и производство принтеров на двух площадках (ЦНИИТМАШ, УЭХК) с правильным распределением работ позволят закрыть все российские потребности. Наши установки будут значительно дешевле существующих импортных однолазерных аналогов. Есть спрос и на предприятиях топливной компании «ТВЭЛ», сейчас мы активно формируем список функциональных деталей, которые экономически и технически будет выгоднее печатать на принтере.
Потребности российского рынка пока больше, чем мы можем ему предложить. Поэтому задачи набирать сейчас заказы у нас нет. Главное — в рамках консорциума отраслевых предприятий и вузов сделать конкурентоспособный принтер и организовать его производство, построив взаимовыгодную кооперацию российских предприятий».
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ НОМЕРА
