IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Введение

Технологии аддитивного производства (от английского слова add – «прибавлять») уже почти три десятилетия остаются модной темой дискуссий. Но если еще недавно вопрос их практического применения был предметом спора, то сегодня наряду с роботизацией и цифровизацией трехмерная печать включена в перечень основного инструментария четвертой промышленной революции, переход к которой на последнем экономическом форуме в Давосе был признан свершившимся фактом. При этом прогнозы на будущее все еще разнятся радикально: одни говорят, что внедрение методов 3D-печати приведет к закату промышленности в традиционном смысле, другие – что трехмерные принтеры станут лишь одним из элементов производственных схем.

Пока достовернее выглядит второй вариант. Хотя это не отменяет того, что интерес к аддитивным технологиям во всем мире стабильно растет. По данным американской консалтинговой фирмы Wohlers, объем глобального рынка трехмерной печати в 2015 году составил порядка $5,1 млрд, увеличившись почти на 26% к предыдущему году. При этом средний темп роста за последние четверть века равен все тем же внушительным 26%. Цифры серьезные, но с чем связана столь убедительная динамика?

Технологии и оборудование аддитивного производства

«Я разумею под скульптурой то искусство, которое осуществляется в силу убавления», – говорил гениальный мастер эпохи Возрождения Микеланджело Буонарроти. Традиционное производство, по сути, близко этому – берется исходный материал, от него отсекается лишнее. Суть аддитивных технологий противоположна – здесь изделие создается слой за слоем. За процессом следит компьютер, ориентируясь на точную трехмерную модель. У метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, появляется возможность создавать более сложные изделия (например, с внутренними полостями). Во-вторых, снижается риск ошибки в человеко-машинном диалоге. В-третьих, можно выпускать детали, не нуждающиеся в финишной обработке. Недостатки в массовом производстве пока есть – цена вопроса (за счет стоимости оборудования и расходных материалов она может быть на порядок выше традиционной штамповки и отливки), скорость, обеспечение требуемых физико-механических характеристик материала изделия. Это удерживает от повсеместного внедрения трехмерных принтеров и заставляет искать области их применения, учитывающие все факторы.

Считается, что родоначальником 3D-принтинга являются США. Именно американский инженер Чарльз Халл, основатель компании 3D Systems, в 1986 году собрал первый в мире стерео литографический 3D-принтер (метод SLA-печати), благодаря чему появилась возможность практического применения технологии (ее опробовали в оборонной сфере). Приблизительно в то же время Скотт Крамп, позже основавший компанию Stratasys, выпустил аппарат послойного наплавления (FDM-печать). На старте обе технологии развивались параллельно, но со временем их пути стали расходиться. FDM-принтинг подразумевает «печать» трехмерных объектов за счет наплавления последовательных слоев полимерного материала. SLA – это «выращивание» трехмерного объекта в емкости с фотополимерным материалом, слой за слоем отверждаемым под действием ультрафиолетового лазерного излучения.

За два прошедших десятилетия были разработаны несколько процессов и систем АП, а возможности их применения существенно расширились и сегодня охватывают диапазон от быстрого прототипирования и изготовления простых физических макетов до поддержки в разработке дизайна продукции, создания литейных моделей и, в последнее время, непосредственного производства серийных изделий. В частности, GE Aviation объявил о серийном выпуске топливных форсунок для двигателя LEAP. Первые АП-системы производили изделия преимущественно из полимерных материалов (пластиков), тогда как сегодняшние установки способны производить детали из металла. В аддитивных процессах с использованием металлов детали формируются путем последовательной послойной наплавки или спекания металлического порошка. Такая возможность привлекательна тем, что позволяет изготовление деталей точной или близкой к заданной формы без инструментальной оснастки с минимальной последующей механообработкой, либо вообще без нее. Это представляет особый интерес для авиационно-космической промышленности и биомедицины, поскольку делает возможным выпуск изделий с высокими эксплуатационными характеристиками при низких общих затратах.

Рынок АП-установок делится на три сегмента. Самые высокие темпы роста отмечаются для дешевых 3D-принтеров, ориентированных на создание концептуальных макетов и пригодных для эксплуатации в офисной среде. Второй набор технологий, занимающий промежуточное положение по стоимости, предназначен для создания прототипов деталей с различной степенью точности и/или функциональности. Дешевые и средние по стоимости установки обычно ориентированы на полимерные материалы. Установки высокого класса, составляющих третий сегмент, позволяют производство полимерных, металлических и керамических деталей; их цены варьируются от $200 тыс. до $2 млн. Установки высокого класса могут быть оптимизированы в расчете на изготовление крупногабаритных деталей, достижение высокой производительности, использование нескольких материалов или с любой другой целью, что повышает стоимость системы. В число ведущих изготовителей систем АП входят американские компании 3D Systems и ExOne, израильская Stratasys, шведская Arcam, а также немецкие EOS и Voxejet. Распределение смонтированных систем представлено на рис.1.

Рис.1.Распределение АМ-машин по миру в процентах от общего числа

Состояние отрасли аддитивных технологий в России

Советский Союз в свое время стоял у истоков стереолитографии – еще в 1970-х годах в стране велись серьезные работы по созданию технологических лазеров. Но после распада СССР из-за дефицита финансирования многие проекты были свернуты, и к настоящему времени сформировалось отставание России от мировых лидеров.

В России первым крупным проектом в области аддитивных технологий стало АО «Центр аддитивных технологий», основанное 16 мая 2014 года.

Сегодня происходит процесс формирования отрасли аддитивных технологий как организованной системы. Со стороны государства курирует процесс Министерство промышленности и торговли РФ через Департамент развития станкостроения, аддитивных технологий и робототехники. Координатором действий назначена компания ГК «Ростех», в лице АО «Станкопром». Ответственность за разработку и создание отечественного аддитивного оборудования берет на себя АО «Центр аддитивных технологий», создание сырьевой базы и сертификации возлагается на ФГУП «ВИАМ» и ОАО «ВИЛС».

Существенным ограничением для разработки отечественного оборудования для аддитивного производства может стать его стоимость – если она не окажется значительно, ниже стоимости оборудования существующих поставщиков или же новое оборудование не будет обладать принципиально новыми возможностями, делающими его привлекательным для российского рынка, разработка такого оборудования окажется нецелесообразной.

Аддитивные технологии: шесть кейсов

Кейс-1: Потребители: «Авиадвигатель»

Пермский моторный завод «Авиадвигатель» осваивался в новой среде постепенно. Впервые технологию селективного лазерного спекания (SLS) в компании применили в 2010 году для изготовления литых деталей по выжигаемым моделям. В 2011 году приобрели оборудование для ремонта деталей методом лазерной наплавки (LMD). В 2013 году началось освоение выращивания металлических деталей по технологии селективного лазерного плавления (SLM). Также при помощи аддитивных технологий завод выполняет работы по доводке деталей для двигателей наземного применения — газовых турбин и электростанций.

С 2011 года «Авиадвигатель» сотрудничает с ВИАМом и закупает у него порошки, полученные методом газовой атомизации отечественных жаропрочных сплавов на основе никеля.

По качеству отечественные порошки не уступают иностранным, а в ряде случаев даже превосходят их. Отечественные фирмы, в отличие от зарубежных, неохотно берутся за малые — менее 10‒50 кг — партии порошков, а если берутся, то поднимают цену на продукцию.

Кейс-2: Производитель порошков и не только: ВИАМ

Путь ВИАМа к производству порошков начался с необходимости организовать производство припоев, а припои для высокотемпературной вакуумной пайки в основном производятся в виде порошков. Требования к этим порошкам очень напоминают требования, предъявляемые к металлопорошковым композициям, используемым при аддитивных технологиях, в том числе по сочетанию фракций разного размера. И под свою технологию получения разных порошков ВИАМ спроектировал и изготовил в Англии, на фирме PSI, соответствующую установку — атомайзер. Эта установка позволяет получать нужные институту порошки в очень узком интервале. Но т.к. атомайзеры признали машинами двойного назначения, то институт начал прорабатывать возможность самостоятельного проектирования и изготовления установки.

Кроме того, ВИАМ участвует в разработке оборудования для аддитивных технологий и программного обеспечения, которую ведет Санкт-Петербургский политехнический университет.

Кейс-3: Производитель порошков: НЦПМ

Научный центр порошкового материаловедения (НЦПМ) при Пермском научно-исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) работает на немецкой лабораторной установке ALD VIGA-2B, которая создает металлические порошки и сплавы газодинамическим распылением. АМ-машину купили в 2011 году, а запустили в апреле 2014 года. Она предназначена для исследований и получения небольших экспериментальных партий. Установка позволяет распылять все нетугоплавкие металлы и сплавы с температурой плавления до 1,7 тыс. °C.

Кейс-4: 3D-печать: Томский политехнический институт.

По части лазерных принтеров одним из первопроходцев можно назвать Томский политехнический университет. На базе ТПУ недавно открылся научно-образовательный центр «Современные производственные технологии», который укомплектован принтером электронно-лучевого сплавления (электронно-лучевым), лазерным принтером, принтерами, печатающими армированными композитами, а также ультразвуковым томографом, осуществляющим здесь же, «у станка», неразрушающий контроль готовых изделий. Принтеры разработаны в ИФВТ при Томском политехе, а томограф — в санкт-петербургском ФТИ им. А.Ф. Йоффе.

Специалисты центра изготавливают АМ-установки и разрабатывают программное обеспечение к ним. Томские специалисты намерены продвинуться дальше «лаборатории», у них есть все шансы опередить других российских производителей, которым пока далеко до промышленной эксплуатации.

Кейс-5: Уральская кооперация

Пример конструктивной кооперации — сотрудничество топливной компании «ТВЭЛ» с региональным инжиниринговым центром, созданным при УрФУ. Центр оснащен немецкими установками селективного лазерного сплавления металлических (EOSINT M280) и пластиковых (EOS P396) порошков. По заказу центра компания «Распылительные системы и технологии» проектирует установку для получения порошков. Опытная установка уже функционирует, на ней проводится испытание форсунки со сверхзвуковым истечением. В несколько отверстий вставляются сопла Лаваля, через которые газ истекает со сверхзвуковой скоростью, это позволяет получать очень мелкие порошки. Опытная установка позволяет распылить всего 5‒10 кг сплава, а промышленная, которая пока существует в виде компьютерной модели, сможет в считанные минуты превратить в порошок 60 кг и более.

Кроме того, ТВЭЛ совместно с УрФУ работают над созданием российского 3D-принтера. На предприятиях ТВЭЛ уже решают, какие детали можно делать прогрессивным способом, а какие лучше по старинке — литьем и ковкой.

Кейс-6: Потребители: КБ «Луч»

Представители КБ «Луч» на выставке в рамках первой конференции по аддитивным технологиям представили беспилотный летательный аппарат. Беспилотник спроектировали на компьютере, причем оптимальную конструкцию предложила специальная программа. Затем все узлы и детали летательного аппарата были напечатаны при помощи 3D-принтера — эта работа заняла 30 часов. Сотрудникам КБ осталось только собрать аппарат. На всю работу, от замысла до изготовления беспилотника, ушло всего два месяца, в то время как традиционно это занимает несколько лет. Естественно, длительность производственного цикла сказывается на стоимости устройства. Такие беспилотники можно изготавливать даже в полевых условиях. А если в ходе использования аппарата возникнет необходимость добавить функциональных возможностей, его можно доработать прямо на месте. Если же аппарат получит повреждения, то их можно будет устранить, напечатав пострадавшую деталь.

Заключение

Интерес к аддитивным технологиям во всем мире стабильно растет. Трехмерная печать в 2015 году составит порядка $5,1 млрд, увеличившись почти на 26% по сравнению с 2014 годом. При этом средний темп роста за последние четверть века равен все тем же внушительным 26%.

Таким образом, аддитивные технологии в купе с роботизацией, цифровизацией и трехмерной печатью входят в перечень основного инструментария четвертой промышленной революции.

Что касается применяемых в промышленном производстве систем 3D-печати с большим отрывом лидируют США (38%), Японии (9,7%), Германии (9,4%) и Китае (8,7%). Доля России составляет 1,4%.

В России аддитивные технологии не так развиты, как во всём мире. Это связано с тем, что после распада СССР многие проекты по технологическим лазерам были свернуты, что и предопределило текущее отставание.

Сегодня перед страной стоит амбициозная задача активного формирования отрасли аддитивных технологий для обеспечения стратегического технологического суверенитета страны в будущем. Необходимо преодолеть 30-летнюю историю развития аддитивных технологий в мире за период в 2-3 года. И эта задача обязательна к реализации.

Библиография

1. Светлана Романова, Екатерина Трипотень. Аддитивные технологии в России: размещено 28 октября 2015 http://www.up-pro.ru/library/modernization/technologies/additive-russia.html (дата обращения: 21.12.2016).

2. Мария Яковлева 3-D принтер как один из ключевых инструментов «Индустрии 4.0» : размещено 12 октября 2016. http://www.up-pro.ru/library/modernization/technologies/trehmernyj-pryjok.html (Дата обращения: 21.12.2016).

3. Александр Механик. Порошки избавляют от лишнего: размещено 27 февраля 2015. http://vpk.name/news/127409_poroshki_izbavlyayut_ot_lishnego.html?utm_source=dlvr.it&utm_medium=twitter (21.12.2016).

Код для цитирования: Скопировать