Российская промышленность расширяет использование аддитивных технологий

3d-печать Комментарии к записи Российская промышленность расширяет использование аддитивных технологий отключены

Аддитивные технологии постепенно проникают в самые разные подотрасли машиностроительного комплекса и металлургии. По оценке директора Института статистических исследований и экономики знаний НИУ ВШЭ Леонида Гохберга, сейчас уже более 17% российских предприятий в той или иной форме внедрило аддитивные технологии у себя на производстве. Пока это проникновение носит нишевый характер — 3D печать все еще слишком дорогое удовольствие для серийного выпуска изделий, особенно крупных размеров.

Но в ряде ниш она уже сегодня экономически более предпочтительна по сравнению с традиционными способами получения изделий. Например, кастомизация продукции — быстрое изготовление небольших партий изделий, изготовленных по требованим индивидуального заказчика. Так, российская компания «Инновакс» делает рукоятки управления для вертолетов — 10 комплектов в год. Стоимость одного комплекта (левый и правый джойстики+клипсы) при использовании 3D-печати составляет 30 тыс. рублей. «Если сравнивать конечную стоимость деталей, произведенных с помощью 3D-печати и традиционным способом, то первые будут существенно дороже. Но если сопоставить весь цикл проекта — от идеи до реализации, то мы видим, что несколько месяцев задержки при организации серийного производства — это потери от простоя и недополученная прибыль. В итоге использование аддитивных технологий на этапе прототипирования дает существенную финансовую выгоду», — говорит Артур Герасимов, генеральный директор компании «Инновакс».

Итак, 3D-технологии позволяют, не дожидаясь конца разработки, печатать элементы и прототипы, исправлять и дорабатывать их. Например, в ЗАО «Промтрактор-Вагон», при помощи 3D-печати создают прототипы деталей и узлов перед запуском в массовое производство. Ранее, на создание натурного прототипа из специального пластилина, тратились недели и месяцы, при этом постоянно делались кропотливые замеры, а затем подгонки деталей модели. Теперь же процесс значительно ускорился. «3D-принтер «выпекает» деталь конструкции в среднем за 20-40 минут (в зависимости от сложности детали). 3D-печать позволяет доработать узлы и компоненты изделий до начала серийного производства, устранить мелкие недочеты, которые неизбежны при проектировании новой продукции», — говорит главный конструктор ЗАО «Промтрактор-Вагон» Андрей Яковлев. В частности, с помощью 3D-печати на предприятии был изготовлен набор деталей вагонной тележки «33».

В металлургическом производстве аддитивные технологии получили распространение в качестве вспомогательного инструмента при литье — для изготовления мастер-модели, по которой будет отлито изделие, в том числе при малых партиях, если невозможна печать металлами, для которых применимо литье. «В данном случае производственные технологии не исключают, а дополняют друг друга, и каждая имеет свое назначение и свои сильные стороны», — отмечает Алексей Боровков, проректор по цифровой трансформации Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. К примеру, на заводе судовой электроники имени А.А. Кулакова 3D-печать используют для изготовления литейных форм. С помощью полимера Somos PerFORM формы для вертикального термопластавтомата печатаются на 3D-принтере, что значительно дешевле и быстрее изготовления их на фрезерном станке с ЧПУ. Напечатанная форма может выдерживать температуру до 268°C и использоваться для 200 отливок без потери качества.

Импортзамещение принтеров

Массовое применение аддитивных технологий невозможно без организации собственного производства оборудования и материалов — 3D-принтеров и порошков, металлических и полимерных.

Производство отечественных 3D-принтеров началось только с 2011 года и сразу же столкнулось с рядом проблем. Машины не могли обеспечить высокой точности и скорости производства изделий, при этом имели значительные габариты. «Не всем потенциальным заказчикам нужна такая большая машина, как наша: кому-то больше подойдет, например, принтер с меньшей зоной построения, кому-то нужны высокопроизводительные машины для крупной серии, кому-то — более дешевые, под единичные изделия. Исходя из этого, надо заполнять рынок тем, что интересно заказчику», — объяснял заведующий лабораторией аддитивных технологий ЦНИИТМАШа Артем Юдин.

Постепенно в результате консолидированных усилий государства и бизнеса в стране возникли десятки мелких и крупных компаний, производящих отечественное оборудование, начиная от комплектующих и заканчивая программным обеспечением для их работы. Сегодня отечественные 3D-принтеры на 70-90% состоят из российских же деталей, что делает их в разы более дешевыми по сравнению с импортными аналогами. «Мы, как производители 3D оборудования, не можем сказать, что отечественные принтеры обладают недостатками по сравнению с зарубежными моделями. Все-таки стоит смотреть на каждую модель по отдельности и сравнивать ее с аналогами, а не слепо считать, что все российское оборудование уступает западному», — говорит Андрей Тырса, коммерческий директор PICASO 3D. И это действительно так, если сравнить, например, отечественный 3D-принтер «LAR P», разработанный отечественной компанией «ЛАР Технологии» c его мировым аналогом китайского производства EP-M100. Российский принтер в 1.5 — 2 раза дешевле, имеет большую скорость построения — 15 см3/час против 10 у EP-M100, и сопоставимую с китайской мощность лазера — 200 Вт. В то же время, рабочая зона нашего принтера меньше, чем у китайской модели, а габариты — больше.

Активно работают и крупные компании. «Отраслевой интегратор Росатома уже разработал две модели принтеров по технологии лазерного плавления металлического порошка по математическим CAD-моделям: RusMelt 300 Multi Laser и RusMelt 600 Multi Laser. Сейчас проводится отладка режимов печати, чтобы к концу 2021 года наша компания смогла принимать заказы. Необходимо особо отметить, что принтер RusMelt 600 Multi Laser обладает зоной построения 600 на 600 мм, позволяющей печатать уникальные по своим габаритам изделия для используемой технологии печати. Подобные машины в мире представлены у единиц ведущих производителей, да и то в опытном исполнении, нет ни одного серийного образца», — сообщил нам генеральный директор ООО «Русатом — Аддитивные технологии» Михаил Турундаев.

Порошок и «мозги» теперь свои

Российскими производителями наработаны технологические процессы, которые позволяют масштабировать имеющееся производство материалов для 3D печати в необходимых для потребителя объемах. Когда 3D-печать только начала входить в моду, килограмм импортного алюминиевого порошка стоил 250 евро, а сегодня отечественный аналог продается по 20 долларов за килограмм.

В ноябре 2020 года ООО «НПО «Центротех» (предприятие «ТВЭЛ» Госкорпорации «Росатом») запустило в промышленную эксплуатацию установку «Капля» — предназначенную для производства металлических порошков для 3D-печати.

Оборудование сможет распылять и производить широкий спектр металлических порошков для металлических 3D-принтеров и порошковой металлургии в целом. Производительность установки составляет 20 тонн в год. По оценкам ее разработчиков, этого хватит не только для удовлетворения внутренних потребностей «Росатома», но и для выхода на внешний рынок. В декабре 2020 года в опытно-промышленную эксплуатацию была запущена лабораторная установка центробежного плазменного распыления «Шайба» для получения титановых порошков.

Тульский завод порошковой металлургии «Полема» стал первым отечественным производителем и поставщиком синтезируемых материалов для 3D-печати, разрешенных к использованию в морском и авиадвигателестроении.

Тульский завод порошковой металлургии «Полема» приступил к выпуску порошков для использования в аддитивном производстве. Объем производства металлических порошков для аддитивных и MIM-технологий составит до 100 тонн в год. «Это позволит нам перекрыть весь импорт по сплавам с железной, никелевой и кобальтовой основами», — утверждает управляющий директор АО «Полема» Дмитрий Мартынов.

Постепенно уходит в прошлое и тотальная зависимость от импортного ПО для 3D-принтеров. «Мы с коллегами из Сарова (РФЯЦ-ВНИИЭФ) разрабатываем на основе ПО «Логос» программное обеспечение, которое позволит реализовать три вещи: конструировать новые изделия или вести реинжиниринг тех изделий, которые уже есть; обеспечивать проверку и подтверждение свойств этого изделия путем моделирования условий и процессов, в которых оно может находиться; проверять возможность технологической реализации изделия. Эта программа будет интегрирована с программным обеспечением управления принтером», — говорит Алексей Дуб, первый заместитель генерального директора АО «Наука и инновации» — научного подразделения «Росатома». Помимо «Росатома» этим занимаются компания Аскон — система КОМПАС-3D, компания Топ Системы — комплекс T-FLEX CAD и компания Нанософт — система nanoCAD.

Действовать сообща

За рубежом все производители аддитивных технологий давно объединены в отраслевые ассоциации, государство и частный бизнес создавали интеграторы, инжиниринговые центры, организовывали кооперацию и обмен информацией между участниками. Достаточно вспомнить проект BionicAircraft от Аirbus: с целью производства самолетов с применением аддитивных технологий, в нем приняли участие девять компаний из шести стран, а Евросоюз выделил необходимые средства. В России же дело обстояло ровно наоборот: какой-либо тесной связи между участниками рынка предприятиями, заводами, исследовательскими центрами, университетами практически не было.

Но недавно ситуация изменилась. В феврале 2020 года, корпорация «Росатом» разработала и направила на согласование в Правительство РФ «дорожную карту» развития аддитивных технологий до 2030 года. В ней прописаны четыре основные цели развития аддитивных технологий в России. Это создание и развитие инфраструктуры для внедрения 3D-печати в производство, разработка обширной программы НИОКР по созданию конкурентоспособных принтеров, новых материалов и систем управления, обеспечение отрасли высококвалифицированными кадрами и, наконец, развитие рынка и создание высокотехнологичных производств.

Согласно Карте, ключевую роль в развитии аддитивных технологий в России будет играть государство в лице министерств и госкорпораций, таких как Росатом, Ростех, Роскосмос, ФГУП «ВИАМ» и других крупных компаний и организаций. Чтобы наладить взаимодействие между игроками профессионального сообщества: государственными органами, заводами, университетами, частным бизнесом, была создана Ассоциация развития аддитивных технологий. Соучредителями Ассоциации являются ведущие игроки рынка: Госкорпорация «Росатом», Госкорпорация «Роскосмос», Госкорпорация «Ростех», АО «Концерн ВКО «Алмаз-Антей», ПАО «Газпром нефть» и ФГУП «ВИАМ». «Главная задача созданной Ассоциации развития аддитивных технологий — консолидация усилий профильных организаций и госкорпораций в части развития компетенций во всех переделах 3D-печати с целью выведения российской отрасли аддитивных технологий на передовые позиции в мире», — сообщил Михаил Турундаев.

Остро стояла проблема стандартизации. «Предприятия готовы применять трехмерную печать на производствах, но не знают, какими стандартами пользоваться при оценке качества изделий и как понять, соответствуют ли они принятым требованиям. Например, мы закупили готовое решение зарубежного производителя, включающее 3D-принтер и расходные материалы, имеющее международную сертификацию, для того чтобы работать с компаниями из авиастроительной отрасли. Для работы в авиации нужно получать заключение независимой инспекции о соответствии стандартам, при этом российского ГОСТА еще нет», — рассказал Артур Герасимов из компании «Инновакс».

Но в 2015 году при Росстандарте был создан Технический комитет по стандартизации №182 «Аддитивные технологии», который и занялся разработкой соответствующих документов. На конец 2020 года готово 29 документов. Среди них ГОСТ Р 59037-2020 «Аддитивные технологии. Конструирование металлических изделий. Руководящие принципы»; ГОСТ Р 59038-2020 «Аддитивные технологии. Подтверждение качества и свойств металлических изделий»; ГОСТ Р 59036-2020 «Аддитивные технологии. Производство на основе селективного лазерного сплавления металлических порошков. Общие положения». И другие. По оценкам экспертов Евразийской сертификационной комиссии, все они не имеют зарубежных аналогов в области аддитивных технологий. В 2021 году должно быть разработано еще 11 стандартов.

Постепенно складывается и система подготовки кадров для работы в области аддитивных технологий. Профильные образовательные программы начали внедряться в МГТУ им. Баумана, Санкт-Петербургском политехническом университете, МИСиСе, Университете ИТМО, «СТАНКИНе» и других вузах.

По словам президента Топливной компании Росатома «ТВЭЛ» Натальи Никипеловой, технологии аддитивного производства могут стать «точками роста» инновационной экономики в России. «Аддитивным технологиям предстоит совершить революцию в промышленном производстве, изменить традиционный подход к его организации. Уже очевидно, что 3D-печать позволяет экономить время, исходное сырье и минимизировать отходы, выпускать изделия со сложной геометрией, уникальные образцы с заданными характеристиками. Конечно, 3D технологии не смогут полностью заменить традиционное производство. Но это и не нужно, главное — соблюдать баланс, применять инновационные методы там, где это действительно сможет сделать работу проще, быстрее и эффективнее», — считает она.

Если все пойдет так как запланировано, то уже к 2030 году Россия должна стать мировой 3D-державой: по прогнозам экспертов «Росатома», рост рынка 3D должен составлять до 30% ежегодно, все семь ключевых аддитивных технологий должны быть внедрены, импорт 3D-принтеров и материалов должен снизиться с 60−50% до 30%. Общий объем экспорта отечественных принтеров, материалов и ПО должен будет составлять 52,9 млрд руб., мощности производства центров аддитивных технологий составят более 500 тонн металла в год.

Будут массово создаваться центры быстрого прототипирования — универсальные площадки, позволяющие осуществлять быстрое создание опытных образцов изделий в 3D формате по конкурентоспособным ценам. В этом смысле Россия будет следовать общемировым трендам: США и Китай уже давно создают подобные центры в больших количествах.

3D-печать — семейство технологий послойного воспроизведения объемных изделий на основе цифровых моделей. На сегодняшний день можно выделить семь основных технологий, отличающихся друг от друга по способам печати и используемым материалам.

Самой распространенным способом 3D-печати является моделирование методом послойного наплавления (fused deposition modeling, FDM). Ключевым преимуществом FDM является возможность изготовления крупных изделий. В тоже время, она имеет низкую размерную точность и разрешение, поэтому не подходит для моделей со сложной геометрией и мелкими деталями.

Стереолитография (SLA) — технология, основанная на послойном отверждении жидкого материала (фотополимера) под воздействием лазерного луча или ультрафиолетовой лампы. Ее применение обеспечивает высокое качество поверхности созданного изделия, возможность использовать выращенный прототип в качестве готового изделия, снижает расход материала. К недостаткам можно отнести высокую стоимость производства, — один литр фотополимера стоит 80—120 долларов, да и сами SLA-принтеры стоят очень дорого.

Технология лазерного послойного спекания (selective laser sintering, SLS) нейлона или полиамида. SLS-принтеры не нуждаются в полном расплавлении частиц материала, что дает им возможность работать гораздо быстрее. Это позволяет изготавливать большие изделия или целые партии небольших объектов за одну печатную сессию, — изделия со сложной геометрией, детали механизмов и двигателей, небольшие партии готовых изделий. В тоже время, детали, произведенные с помощью SLS, зачастую требуют постобработки.

Тип 3D-печати Selective laser melting (SLM) — похож на SLS, только в качестве спекаемого слоями вещества используется металлический порошок, и частицы последнего расплавляются полностью. Это дает возможность создавать изделия со сложной геометрией, с внутренними полостями и каналами охлаждения. Применяется при изготовлении сложных конструкций, функциональных деталей в различных механизмах, а также в создании прототипов изделий сложной формы.

Сплавление мелкодисперсных частиц металлического порошка лазером непосредственно по CAD-модели (Laser-aided Direct Metal Tooling, DMT) похоже на SLM, только распыление порошка осуществляется не по всей платформе построения, а прямо в область плавления на поверхности заготовки, благодаря чему можно делать детали из композитных материалов и модифицировать их, наносить жаропрочные и износостойкие покрытия.

Многоструйное моделирование (Multi Jet modeling, MJM) использует в качестве «строительного материала» фотополимеры или вещества на основе воска. С помощью MJM создаются прототипы, восковые модели и мастер-модели для литья в силикон. Реже используются прямое изготовление металлических изделий (Direct Metal Deposition, DMD).

Есть и нетрадиционные аддитивные технологии, не получившие пока широкого тиражирования. Так например, директор Института лазерных и сварочных технологий СПбГТУ, профессор Глеб Туричин разработал уникальную аддитивную технологию прямого лазерного выращивания. Сжатая струя газа подает металлический порошок в зону воздействия лазерной головки, которая перемещается по заданной конструктором траектории изделия. Это позволяет создавать детали сложной формы с практически неограниченными габаритами, причем очень быстро. Так, заказанное заводом ОДК кольцо диаметром почти два метра, вырастили всего за 15 часов. (подробнее об этой технологии см. «Русский аддитивный прорыв» в №12 «Эксперта» за 2017 г.).

Источник: https://expert.ru/2021/05/5/yest-chto-dobavit/

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top