От Библии Гутенберга до индустриальных турбин: как расширяются функции печати в наши дни

Поклонники научно-фантастической медиафраншизы «Звёздный путь» хорошо знакомы с репликатором — машиной, которая сначала синтезировала еду по требованию, но со временем превратилась в универсальный инструмент, способный производить любое количество сложных предметов, начиная от одежды и заканчивая запасными частями звездолета «Энтерпрайз». Согласно задумке авторов, репликатор перестраивал субатомные частицы, чтобы сформировать молекулы и организовать их так, чтобы получился нужный объект.

В отличие от машины из сериала, в современной технологии 3D-печати используются только те материалы, которые можно легко сплавить через экструзию или процессы спекания: пластмассы, металлы и глины. По этой причине печать еды, бетона и некоторых других материалов носит пока ограниченный характер, а объем рынка несравним с рынком 3D-печати металлами.

Я впервые познакомился с 3D-печатью в середине 2000-х годов в конструкторском бюро, которое занималось проектированием авиационных двигателей для военных самолетов. Рабочие лопатки первых ступеней турбин высокого давления современных авиационных двигателей могут работать длительное время без охлаждения при температуре газа не больше 1250−1300 К. При более высоких температурах газа перед турбиной сопловые и рабочие лопатки необходимо охлаждать.

В качестве замены традиционного процесса мы решили использовать технологию 3D-печати керамикой, которая позволяет производить изделия со сложной геометрией без использования пресс-формы. В ходе исследования мы разработали рабочую пасту, изготовили и протестировали партию образцов с заданными физико-механическими свойствами, а также подготовили технико-экономическое обоснование. Этот первый положительный опыт по использованию аддитивных технологий в дальнейшем применялся при производстве других деталей и узлов газотурбинного двигателя. Однако он показал, что из-за несовершенства технологии на тот период времени аддитивную печать можно было использовать только на ограниченном спектре задач.

Критически важный шаг для успешной печати металлами — моделирование процесса 3D-печати. Для этого в нашей компании «Моделирование и цифровые двойники» (АО «МЦД») мы используем программное обеспечение Ansys Additive Print от американской компании Ansys, Inc. — отечественные аналоги в настоящий момент отсутствуют. Это ПО позволяет нам спрогнозировать итоговую форму напечатанной детали, послойно визуализировать искажения и напряжения, выявить участки потенциального разрушения, автоматизировать генерацию оптимальных поддерживающих структур и определить тепловую деформацию напечатанной детали.

Мы делаем упор именно на моделирование, чтобы оптимизировать геометрию деталей заказчика, сократить количество сбоев во время печати и разработать оптимальные опорные конструкции для компенсации деформаций.

Несмотря на то, что на данный момент печать металлом не является главным инструментом производственного или инженерного процесса, подвижки в этом направлении есть. Сегодня серийному и экспериментальному производству зачастую становится экономически более выгодно напечатать небольшую партию деталей на 3D-принтере, чем заниматься изготовлением литейной или штамповой оснастки.

«РусАТ» — дочерняя компания ГК «Росатом» и отраслевой интегратор по направлению «Аддитивные технологии» — развивает две технологии аддитивной печати: послойного плавления металлического порошка и прямого металлического наплавления. Также в «РусАТ» разработана линейка 3D-принтеров с разными объемами построения, способных работать с двумя порошками одновременно при изготовлении одной детали.

Наибольший спрос на аддитивные технологии наблюдается сегодня в авиационной и космической промышленности, а также в ВПК. Такие компании, как «ОДК-Авиадвигатель», «ОДК-Сатурн» и ПАО «ОДК УМПО», используют или пытаются использовать аддитивные технологии в своем производственном контуре. Но в последние годы спрос активнее растет и в других отраслях, в частности, в нефтехимической. Так, ПАО «Транснефть» относительно недавно запустило проект по реверс-инжинирингу насосного оборудования и замене материала, из которого изготовлена проточная часть насоса. Компания предполагает переход с традиционных технологий изготовления крыльчаток центробежных насосов с помощью литья на 3D-печать.

Хотя 3D-печать действительно меняет картину производства, большинство компаний в мире (не только в России) еще не готовы к масштабному внедрению этой технологии, так как до сих пор не изменили подход к проектированию своих изделий. Из-за новизны технологии производители не знают, что печатать и как проектировать детали для печати. Они берут детали, изготовленные традиционными способами, и ожидают таких же результатов от 3D-печати металлами. Но так не бывает, поскольку 3D-печать металлом — это совершенно новый процесс производства, который имеет свои собственные специфические возможности, достоинства и недостатки.

Для преодоления трудностей я советую инженерным группам использовать подход, основанный на перепроектировании, переоценке деталей и узлов путём углубления в причины, по которым та или иная часть была спроектирована именно таким образом, а не иначе.

Аддитивное производство предлагает уникальные преимущества: более гибкие, эффективные и экономичные способы создания прототипов и конкретных изделий. Однако для раскрытия прорывного потенциала аддитивного производства необходима организация беспрепятственного сотрудничества и интеграции между проектировщиками, производителями и поставщиками аддитивных технологий.

Также важно отметить, что по мере роста популярности аддитивного производства проблемы с надежностью, приводящие к поломке деталей, будут сохраняться. Один сбой во время печати из-за внутренних напряжений или тепловой деформации может стоить компании десятки и сотни тысяч рублей, вкладываемых в разработку изделия, может задержать доставку деталей заказчику и даже разрушить детали дорогостоящего 3D-принтера.

Еще одной проблемой для массового внедрения 3D-печати в России является инертность. Например, во многих российских компаниях на высоком уровне организованы процессы создания электронной конструкторской документации, подготовки чертежей, выполнения первичных расчетов на прочность и прочее, но, когда дело касается аддитивных технологий, они не понимают, с чего начать.

Индекс технологической независимости, указанный в дорожной карте, относится в первую очередь к программным продуктам для автоматизации производственного процесса и управления бизнесом, включая системы для автоматизации проектирования различной промышленной продукции, управления бизнесом предприятий (ERP), работе с клиентами (CRM) и пр. При этом следует учитывать, что процесс импортозамещения обойдется компаниям в крупную сумму.

Для сравнения: американская компания ANSYS, Inc. — мировой лидер в разработке ПО для компьютерного инженерного анализа и создания цифровых двойников — за последние 10 лет для целей НИОКР привлекла частный капитал в размере 2 млрд долларов. Российские частные софтверные компании такими инвестициями пока похвастаться не могут. Будем надеяться, что только пока.

Так или иначе, в ближайшие два десятилетия аддитивное производство займет свое место в качестве ключевой технологии производства, поддерживающей переход к стабильной и ресурсоэффективной экономике.

Возможно, аддитивные технологии сыграют главную роль в обращении вспять глобального потепления. Это может быть достигнуто благодаря снижению веса производимых продуктов (а значит, и экономии используемых материалов), а также за счет уменьшения энергопотребления и сокращения отходов.

Мы будем наблюдать, как аддитивное производство поможет зарождению прорывной медицины. Я верю, что уже сейчас мы фактически стоим у порога новой медицины, в которой биопечать играет важную роль. Очень скоро производство донорских органов для человека станет обычным делом, а 3D-принтеры будут использоваться так же часто, как компьютерные томографы во время пандемии коронавируса. Меня радует, что мы медленно, но верно приближаемся к появлению полноценного репликатора. И это здорово.