Аддитивные технологии — это уже не фантазии
«Росатом» взялся за разработку и продвижение аддитивных технологий и уже может представить результаты
Одним из главных направлений развития современного станкостроения в последние годы стали аддитивные (3D) технологии, то есть технологии изготовления физических объектов методом послойного нанесения (от англ. add — добавление) материала с помощью специальных станков — 3D-принтеров.
Широкое распространение цифровых технологий в области проектирования, моделирования и расчетов, механообработки стимулировало взрывное развитие этих технологий, и уже крайне трудно указать область материального производства, где в той или иной степени не использовались бы 3D-принтеры.
Во всем мире разработка этих технологий и оборудования ведется при активной поддержке государства. В России, например, принят «Комплексный план мероприятий по развитию и внедрению аддитивных технологий на период 2018–2025 годов», в разработке и реализации которого принимали участие крупнейшие российские корпорации и научные институты. В частности, госкорпорация «Росатом», в которой в рамках топливного дивизиона ТВЭЛ создана специализированная компания «Русатом — Аддитивные технологии» (РусАТ). Генеральным директором РусАТ назначен Алексей Дуб, первый заместитель генерального директора АО «Наука и инновации» — научного подразделения «Росатома». Мы встретились с Алексеем Владимировичем, чтобы узнать, как РусАТ собирается эти технологии развивать.
— Почему «Росатом» решил заняться аддитивными технологиями? Зачем вообще госкорпорации непрофильная деятельность?
— Трудно сказать, что такое непрофильная деятельность для такой высокотехнологичной компании, как «Росатом», у которой уже сегодня много направлений деятельности. Но стратегическая цель «Росатома» — к 2030 году увеличить до тридцати процентов долю новых продуктов в общей выручке госкорпорации. У предприятий атомной отрасли много передовых компетенций, в том числе в области создания новых материалов и технологий производства. Отвечая запросам времени и стратегическим задачам, мы занялись развитием аддитивных технологий в 2014 году. До этого мы сделали в ЦНИИТмаше большую работу в области наплавочных металлургических методов, например электрошлаковым переплавом, которые фактически представляют собой последовательную наплавку. Мы считаем, что сегодня технология трехмерной печати позволяет получать до нескольких сотен тонн изделий в год. Я имею в виду и производство больших массивных изделий.
— Вы имеете в виду не только лазерные аддитивные технологии?
— Кроме лазерной 3D-печати есть еще электронно-лучевые и плазменные методы наплавления. В процессе разработки установки аддитивного производства мы сделали выбор в пользу селективного лазерного сплавления. В числе преимуществ такого метода можно назвать возможность выпуска изделий сложной геометрии при высокой точности и повторяемости изделия, а также снижении веса и расхода материала без потери прочностных и других значимых характеристик. Эта технология как один из методов 3D-печати металлами подходит для отработки и понимания технологических возможностей при работе с реактивными материалами — титаном, цирконием, алюминием, которые активно взаимодействуют с кислородом воздуха, а также с материалами типа стали.
— Это был заказ государства или инициатива компании?
— Это была инициатива госкорпорации. Потом она трансформировалась в заказ государства, которое поверило, что мы можем реализовать такую технологию, и мы ее реализовали. Сегодня в рамках Топливной компании «Росатома» ТВЭЛ создан специализированный отраслевой интегратор «Русатом — Аддитивные технологии», на которого возложены задачи развития аддитивных технологий.
Мы начали с установки, которая работает по технологии селективного лазерного сплавления, затем предприятия отрасли начали заниматься получением порошков для 3D-печати. Но примерно через три года, в начале 2017-го, стало понятно, что основная ценность аддитивных технологий — возможность создания изделий нового дизайна. То есть именно цифровая модель и возможность получения из нее материального аналога — главное достоинство трехмерной печати.
— Только сама компания вкладывает в это средства или есть государственные гранты и поддержка других корпораций?
— Вопрос развития такого комплексного направления не может ограничиваться рамками одной компании. Мы активно взаимодействуем с государственными органами. Квинтэссенцией такого взаимодействия является комплексный план развития аддитивных технологий в РФ, который официально поддерживается Министерством промышленности и торговли. В создании этого комплексного плана участвовало более ста российских организаций, прежде всего государственные корпорации, такие как «Росатом», «Ростех» (его авиационная часть), «Роскосмос», и, конечно, ВИАМ.
Причем в этой работе большая научная составляющая. Если мы работаем с порошком или проволокой, то конечное изделие по своим свойствам мало связано со свойствами порошка или проволоки. Нам нужно глубже изучить вопросы энергетического воздействия на этот материал — и лазерного, и электронного, и плазменного. Поэтому мы прогнозируем сотрудничество с Министерством науки. В том числе рассчитываем на взаимодействие в рамках комплексной программы, в которой также принимают участие Курчатовский институт, институты Академии наук, вузы. То есть мы реализуем классический «триумвират» российской науки: академическая наука, прикладная и вузовская.
— Эта работа рассматривается как бизнес или это пока чисто научные исследования?
— Условия современной рыночной среды и темпы технологического развития требуют быстрых результатов, высокой скорости разработки и вывода на рынок новых технологий и продуктов.
Поэтому оптимальным форматом развития новых бизнесов выбраны отраслевые интеграторы — специализированные компании, созданные для развития конкретного направления путем сотрудничества с производственными и научными активами всех предприятий, имеющих профильные компетенции, в том числе за пределами атомной отрасли.
Для госкорпорации, которая год назад приняла решение о формировании полноценного интегратора по этой теме в Топливной компании ТВЭЛ, аддитивные технологии — это бизнес-задача. Мы точно знаем, что в мире это развивается как бизнес. А за счет наличия у нас профильных научных — материаловедческих и технологических — компетенций мы рассчитываем на получение конкурентных преимуществ. Уже сегодня как минимум десять предприятий «Росатома» участвуют в научно-производственной деятельности, которую координирует РусАТ как интегратор.
— Во французской компании Dassault Systmes разработали мощную компьютерную программу определения свойств изделий, полученных с использованием 3D-технологий. Вы предполагаете разработку таких программных продуктов?
— Программное обеспечение и цифровые модели представляют собой главную ценность аддитивных технологий. Понятно, что сегодня в конкурентной борьбе тот, кто может реализовать такой вид изделий, дизайн которых обеспечивает необходимые потребительские свойства за счет меньшего веса, лучшего сочетания прочностных качеств с внешней формой и так далее, получит серьезные конкурентные преимущества.
Аддитивные технологии существенно расширяют компетенции конструкторов, которые получают возможность проектировать и создавать единое изделие очень сложной формы, обеспечивающее необходимый функционал. Изделие, которое до этого состояло из нескольких деталей, соединенных классическими методами сборки — сваркой, пайкой, просто свинчиванием и так далее, сейчас можно сделать за один технологический этап. Возможность надежно проектировать таким образом изделия сложной геометрии — очень важный элемент аддитивных технологий.
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. Поэтому, естественно, необходимо предварительно накопить большое количество результатов разнообразных натурных испытаний материалов, полученных при различных режимах работы. Получив большую базу данных, мы можем обеспечивать гарантированное подтверждение свойств изделия, полученного в рамках соответствующих технологий.
— Вы сказали, что создан интегратор этих работ. То есть это будет не какой-то выделенный дивизион, а надстройка над предприятиями?
— Задача компании РусАТ как интегратора — стать разработчиком и собственником конструкторской документации, создать инфраструктуру производства соответствующих изделий на предприятиях отрасли. Мы в том числе рассчитываем использовать потенциал производств в закрытых автономных территориальных образованиях. Это работа, которая соответствует интеллектуальному уровню наших работников.
Интегратор — это центр, который строит отношения с партнерами, в том числе международными, изучает потребности других отраслей, формирует требования и разрабатывает нормативную базу, которая должна обеспечить качество разрабатываемых изделий. Мы серьезно занимаемся нормативной базой, разработкой конструкторской документации, ее унификацией. В рамках комплексной программы, о которой я сказал, «Росатому» поручено координировать основные направления: программное обеспечение, отечественное оборудование, вместе с ВИАМом мы являемся сопредседателями технического комитета по созданию нормативной отечественной базы.
— ВИАМ ведь тоже занимается порошками…
— Мы недавно подписали соглашение с ВИАМом о том, что, используя их порошки и наше оборудование, мы будем создавать сквозные технологии обеспечения свойств конкретных изделий. Мы не просто знаем о работах ВИАМа, а ведем с ними полноценное сотрудничество по всем направлениям.
— Оборудование аддитивных технологий бывает нескольких видов: когда порошок наносится послойно или когда направление энергии и осаждение материала происходит одновременно в конкретную точку построения; есть и другие виды. Вы работаете во всем спектре оборудования или выбрали определенный вид?
— Мы начали работу с создания оборудования послойного селективного лазерного наслоения, при этом мы знаем о работах, которые проводят в Санкт-Петербурге по прямому лазерному наплавлению. РусАТ сотрудничает по этому направлению с ректором Морского технического университета Глебом Андреевичем Туричиным, компания является для этой организации потенциальным заказчиком. Мы уже обсуждаем изделия, которые хотели бы от них получить. Но установки селективного лазерного сплавления, установки на электронном луче мы предполагаем создать у нас. Имеется в виду также работа не только с металлами, но и с композиционными материалами.
— А какие лазеры вы используете?
— Мы традиционно пользовались лазерами компании IPG, но параллельно Федеральный ядерный центр в Снежинске разработал для нас такой же волоконный лазер, аналогичный по характеристикам. То есть у нас есть альтернатива.
— Детали каких размеров предполагается изготавливать?
— Для метода селективного лазерного сплавления у нас есть линейка оборудования и конструкторская документация, которые позволяют иметь рабочие камеры принтеров от 150 до 900 миллиметров. Параллельно с этим мы разрабатываем оборудование, в котором основным исходным материалом является проволока — метод прямого наплавления; здесь размеры могут достигать нескольких метров. Это создание сложных рам, несущих изделий, обладающих большими габаритами. Причем методами селективного лазерного сплавления мы можем получать не только сплошные изделия сложной формы, но и ячеистые структуры, что считаем своим большим достижением. Ячейки могут быть регулярными и нерегулярными, разной формы и размеров. Мы тесно работаем с медиками и имеем возможность по заказу вписывать эти ячейки в сложную форму. Уже сейчас мы разрабатываем и выпускаем элементы скелета — челюстно-лицевые импланты. При этом мы можем создавать такие ячеистые элементы, структура которых определяется внешними нагрузками: в каком-то месте больше пустого места, в каком-то — меньше. Минимальные размеры изделия, которое мы можем производить, — примерно 300 микрон. Самое большое изделие, которое получено в нашей отрасли, — 350 миллиметров.
— Китайцы демонстрировали закрылки самолета или даже крылья, изготовленные с использованием 3D-технологий.
— Их можно создавать методом наплавки проволокой. Один из наших аванпроектов как раз посвящен разработке подобного рода оборудования под крупные изделия.
— Когда я учился в институте, была популярна порошковая металлургия. В чем-то она напоминает 3D-технологии — тоже спекание порошка. Но она не пошла, поскольку не удалось добиться однородности прочностных свойств изделий. Как в случае аддитивных технологий удается решить эту проблему?
— В порошковой металлургии порошки не расплавлялись в полной мере, в результате структура изделия оставалась той, которая исходно задана порошком. Поры между гранулами порошка, границы раздела между ними не изменялись. При селективном лазерном сплавлении порошок проходит период полноценного расплавления материала, то есть материал претерпевает все стадии классического металлургического передела — кристаллизация, перераспределение элементов и так далее, но за очень короткий период. Соответственно, требования к порошкам по сравнению с порошковой металлургией существенно изменились. Например, при классической порошковой металлургии содержание кислорода, допускаемое в порошках, — одна десятая процента, а в порошках для аддитивных технологий его должно быть на порядок меньше.
Вот почему условия, в которых получают эти порошки, условия их хранения, транспортировки, использования при технологических процессах иные. Изменен и их состав. В частности, необходимое сочетание свойств обеспечивается наличием другого количества легирующих элементов и их соотношения, то есть материалы для аддитивных технологий не такие, как в порошковой металлургии.
— За рубежом такие работы тоже ведутся. Отстали ли мы от них в техническом и теоретическом плане?
— Результаты, которых мы достигли сегодня, показывают, что мы пока незначительно отстаем. В способности создавать изделия мы на одном уровне. Вопрос только в готовности конструкторов-дизайнеров к использованию новых возможностей аддитивного способа производства. А соответствующую материальную базу мы готовы обеспечить. С другой стороны, мы понимаем, что благодаря наличию у нас соответствующих компетенций мы можем создавать изделия и оборудование, которые обеспечивают необходимое качество. И конечно, внедрение аддитивных технологий сегодня требует масштабного подхода по уровню организации научных и производственных процессов и соответствующего им финансирования.
— А зарубежные соисполнители у вас есть?
— Мы в этом году подписали соглашение с крупной компанией Oerlikon, в которой есть подразделение Metco, производящее материалы и изделия для аддитивных технологий. Она располагает уже опробованными и сертифицированными результатами в части материалов и технологий. Мы бы хотели в вопросе нормативной документации учитывать зарубежный опыт и опираться на него. Чтобы облегчить сотрудничество с зарубежными партнерами, имеет смысл ориентироваться на тот уровень формализованных требований, который у них уже есть.
— То есть предполагается выходить на зарубежные рынки?
— Совершенно точно предполагается. У ТВЭЛа есть многолетний опыт работы за рубежом, эта компания — ключевой игрок мирового рынка ядерного топлива, что будет полезно для выхода на новые рынки. Кроме того, бренд «Росатома» имеет репутацию, гарантирующую безопасность и надежность.
— Предполагается ли создание собственного аддитивного производства?
— В наших планах создать минимум четыре центра аддитивного производства — в Москве, Екатеринбурге, Нижнем Новгороде и Томске, поскольку там много наших предприятий. А первое производство медицинских изделий мы планируем запустить уже в следующем году.
— Видимо, это самое востребованное.
— Мы уже работаем с Первым медицинским университетом. Мы сразу решили, что в этом процессе ведущими являются медики, которые должны сказать, что им от нас надо, а мы обеспечиваем их необходимыми структурами, которые будут лучше приживаться, будут легче и будут персонифицированными.
— Вы сказали, что есть проблема — готовность инженеров воспринимать те новые возможности, которые предоставляют аддитивные технологии. Вы как-то думаете о решении кадровых проблем в отрасли и стране?
— РусАТ тесно взаимодействует с вузами. Во-первых, с МИФИ и его филиалами в Обнинске и Снежинске. С Институтом стали, с МГТУ им. Баумана. Мы провели уже не одно мероприятие по обучению конструкторов. Все главные конструкторы отрасли уже сформулировали свои интересы. У нас есть набор пилотных изделий, которые мы должны изготавливать. Это важно и для внешнего рынка, чтобы показать, каким образом мы что-то делаем внутри отрасли, каков результат.
Мы очень рассчитываем на то, что в ближайшие год-два, когда появится больше технологий, оборудования и возможностей, мы почувствуем не просто абстрактный, а конкретный интерес конструкторов. Но уже сегодня у нас потенциальных заказов существенно больше, чем мы можем выполнить. Основная проблема в том, как мы подтвердим свойства соответствующих изделий. Над этим мы работаем.
— Из числа крупных российских частных или условно частных компаний кто-то проявляет готовность к сотрудничеству в использовании этих технологий?
— У нас есть взаимоотношения с группой компаний «Ренова», Уральским турбинным заводом. Большой интерес проявляют компании энергетического сектора, например РЭП-холдинг. К сожалению, хотя мы проводим выставки и развиваем информационную систему, до большинства компаний наша информация не доходит. Поэтому для многих из тех, до кого удается достучаться, оказывается неожиданностью, что аддитивные технологии — это уже не фантазии или баловство, а конкретные изделия, которые можно брать и испытывать, что можно проверять свои конструкторские амбиции.
— Наш разговор наталкивает на мысль, что пример «Росатома» показывает: то, что атомная отрасль была сохранена как корпорация в отличие от других отраслей, например электроники, станкостроения, позволяет решать большие задачи, общие для всей отрасли и даже для страны. В других отраслях такие возможности были утеряны.
— Здесь я с вами соглашусь, потому что эффект масштаба очень важен, и для научной составляющей в том числе. Когда вы вращаетесь в определенном научно-техническом сообществе, где остались традиции высоких требований к уровню и стандартам новых разработок, это облегчает задачу генерации подобного рода проектов. На мой взгляд, сегодня именно крупные корпорации способны двигать такие задачи.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl