Со времени изобретения Иоганном Гутенбергом печатного станка и появления первых печатных Библий прошло уже более пяти с половиной столетий. За это время разительно изменились не только технологии, но и само понятие «печать». Сегодня оно может не иметь никакого отношения к тексту — печатаются дома, мясные стейки и даже человеческие органы. Один из самых популярных материалов в 3D-принтинге — металл. Согласно исследованию Market Reports World, рынок 3D-печати металлами в ближайшие четыре года вырастет на 80−100%, а совокупный доход компаний в этом секторе достигнет 1,3 млрд долларов.
От Библии Гутенберга до индустриальных турбин: как расширяются функции печати в наши дни и кому нужны аддитивные технологии
О том, какие существуют технологии 3D-печати, как их внедряют и что стоит учитывать в этом процессе, знает руководитель департамента исследований и разработок компании «Моделирование и цифровые двойники» Денис Хитрых. В прошлый раз в нашем лектории он рассказал о новейших достижениях в цифровом моделировании. Теперь речь пойдет об аддитивных технологиях — и прежде всего о 3D-печати.
Денис Хитрых — кандидат технических наук, MBA. В компании «Моделирование и цифровые двойники» Денис Хитрых и его коллеги создали программу автоматизированного интеллектуального мониторинга, позволяющую выявлять дефекты оборудования и прогнозировать его техническое состояние.
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.
Сторонники 3D-печати металлом высоко оценивают ее потенциал, отмечая возможность создания сложных структур, уменьшения отходов и сокращения сроков изготовления определенных классов металлических деталей по сравнению с традиционными способами производства. Однако общее непонимание процесса, и особенно необходимости перепроектирования деталей для достижения истинных преимуществ, остаётся значительным препятствием для внедрения и повышения окупаемости инвестиций.
Сила притяжения
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.
Различают три способа охлаждения турбинных лопаток: путем конвективного теплообмена, заградительного (пленочного) охлаждения и пористого охлаждения. При первых двух способах охлаждающий воздух проходит по специально выполненным каналам внутри лопатки и выпускается в проточную часть турбины. Для изготовления полых деталей обычно используют керамические стержни, которые производят методом объемного прессования с помощью пресс-форм. Обычно такие формы дорого стоят, непригодны для вторичной переработки и вредны для окружающей среды.
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.
Не магия и не шаманство
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.
Прогнозирование с помощью численного моделирования таких конечных характеристик, как изменение формы и размеров геометрии детали после печати, а также изменчивость механических свойств от режима печати, является одним из ключевых факторов снижения издержек в аддитивном производстве. Благодаря компьютерному моделированию процесса 3D-печати проектирование сложных конструкций осуществляется в среднем на 20%, а простых — на 50% быстрее.
Важную роль также играет определение свойств материалов и предсказание микроструктуры на основе распределения температур, скорости затвердевания, размера и формы расплава. Это нужно для того, чтобы подобрать оптимальный режим работы оборудования, в том числе мощность лазера и скорость подачи сканирования.
Мы уже прошли через боль роста, и сейчас 3D-печать металлами для нас не магия и не шаманство, но доля искусства в ней определенно есть. Сегодня мы уже можем изучить деталь и придумать решение, которое сработает с первого раза, и избежать множества проб и ошибок.
Принтер для турбин
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.
Среди доступных технологий 3D-печати — экструзия материалов, полимеризация в ванне, плавление порошкового слоя, струйная обработка материалов, струйная печать связующим веществом и сплавление металлических порошков.
С помощью этих технологий уже сегодня можно производить не только запасные части для автомобилей (что особенно актуально с учетом наложенных на нашу страну санкций), но и сложные высокотехнологичные изделия, такие как лопатки турбин или горелки газовых турбин. Так, в октябре прошлого года центр аддитивных технологий (ЦАТ) госкорпорации «Ростех» получил от Минпромторга лицензию на серийное производство изделий для гражданских авиалайнеров, вертолетов и двигателей. К настоящему моменту ЦАТ освоил производство более 400 видов различных деталей.
«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.
Пугающая новизна
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.
Спросите себя: «Почему отверстие круглое? Потому, что это сквозное отверстие для винта, или потому, что сверло для создания отверстия круглое?» Когда мы целенаправленно разрабатываем, а не переделываем детали для 3D-печати металлом, то в результате получаем более легкую (облегченную) деталь и расходуем меньше материала.
Компаниям, которые только погружаются в процесс 3D-печати, необходимо понять, как конкретные материалы работают с точки зрения прочности, а также получить четкое представление о том, что требуется для обработки поверхности и термообработки, чтобы гарантировать отсутствие деформации и соответствие деталей требуемым допускам.
Цена сбоя и проблема инертности
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.
В целом компании, которые самостоятельно решают, что им что-то нужно напечатать, должны провести скрининг деталей и рассчитать экономический эффект: будет ли целесообразно печатать изделие, либо технологию на этом этапе нужно использовать для прототипирования, обкатки и создания опытных образцов.
Что касается вопроса замещения на российские аналоги программного обеспечения в промышленности, то год назад, в июле, президиум правительственной комиссии по цифровому развитию и использованию информационных технологий утвердил дорожную карту по развитию высокотехнологичной области «Новые производственные технологии», разработанную «Росатомом» и «Ростехом». В ней планируется создание единой технологической платформы для взаимодействия заказчиков и разработчиков, поставлены амбициозные цели по повышению доли отечественного промышленного ПО в машиностроении, авиастроении, ОПК и других отраслях — индекс технологической независимости должен вырасти до 60% к 2024 году. Однако реальный срок перехода промышленности страны на российское программное обеспечение зависит от многих факторов.
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.
Стоимость полного одномоментного перехода на отечественные аналоги для больших организаций может достигать 3−4 млрд руб.
Поэтому высокотехнологичный импорт, в том числе и наукоемкого программного обеспечения, базирующийся на достижениях современной науки и обеспеченный огромными и многолетними вложениями частного бизнеса крупнейших экономик мира, будет необходим отечественной промышленности еще многие годы.
Поэтому высокотехнологичный импорт, в том числе и наукоемкого программного обеспечения, базирующийся на достижениях современной науки и обеспеченный огромными и многолетними вложениями частного бизнеса крупнейших экономик мира, будет необходим отечественной промышленности еще многие годы.
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.
Будь первым, кто оставит комментарий