Трудности на пути к большому рынку
Для внедрения технологии 3D-печати в массовое производство нужно решить принципиальные вопросы. Первый барьер — экономический. Стоимость изготовленных деталей слишком высока. Дело в том, что, во-первых, у 3D-принтеров низкая производительность. Металлическая деталь весом один килограмм изготавливается методом селективно-лазерного сплавления за сутки. Это очень низкий показатель, который не позволяет внедрять 3D-печатные элементы в крупносерийное производство. Во-вторых, оборудование для 3D-печати очень дорого стоит. Соответственно, в связи с тем, что производительность 3D-принтеров низкая, а стоимость высокая, — амортизация вносит существенный вклад в себестоимость. И, наконец, третье — высокая стоимость материалов для печати, что связно с отсутствием массового спроса.
Получается замкнутый круг, но сфера применения аддитивных технологий расширяется, и со временем его удастся разорвать.
Как только запрос на 3D-печать станет массовым, цены упадут в разы
Еще один барьер — сертификация. При производстве деталей необходимо подтверждение соответствия качества продукции установленным требованиям, особенно при использовании в ответственных конструкциях .
Основная сложность при сертификации — необходимость большого количества специальных испытаний. Кроме того, для новых технологий требуется разрабатывать и утверждать программы и методики исследования. В результате этот процесс занимает много времени и становится очень дорогостоящим.
Читайте также: Профессия биолог: плюсы и минусы выбора. Кто такой биолог и чем он занимается
Кроме того, на данный момент недостаточно хорошо исследованы свойства напечатанных деталей в зависимости от того, в каком техническом процессе они используются. Дело в том, что при печати применяют разные технологии, инструменты и материалы, и разработанных стандартов пока недостаточно. Изменение всего одного-двух параметров при производстве может привести к тому, что прочное изделие начнет деформироваться или крошиться при эксплуатации. Поэтому нужно проводить больше исследований и испытаний, стандартизировать процессы, материалы и технологии.
Подробнее о стандартизации в сфере 3D-печати читайте в статье: «Стандартизация аддитивных технологий»
Ассоциация государственных научных центров «НАУКА»
23 марта 2020 года во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов (ВИАМ) прошла III Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее».
Аддитивные технологии с полным основанием относят к технологиям XXI века. Они в определяющей степени создают условия перехода промышленности к производственным технологиям нового поколения, которые принципиально меняют весь технологический уклад и влекут за собой изменение всего производственного цикла. Степень их использования в промышленном производстве является верным индикатором индустриальной мощи и инновационного развития государства.
На сегодняшний день ВИАМ является одним из лидеров в развитии аддитивных технологий в нашей стране. Именно поэтому институт стал главной площадкой для обсуждения важнейших вопросов в данной области. В этом году в работе конференции приняли участие более 500 человек из 200 организаций. Добавим, что мероприятие посетил заместитель Министра промышленности и торговли Российской Федерации Олег Евгеньевич Бочаров.
Как отметил Генеральный директор ВИАМ, академик РАН Евгений Николаевич Каблов, сегодня в мире аддитивные технологии переживают бум, фактически – это новая промышленная революция. «Аддитивные технологии – это важнейшее направление, которое постоянно будет находиться в поле зрения руководства страны», – подчеркнул он.
В своем докладе Генеральный директор ВИАМ напомнил об утвержденной указом Президента РФ «Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации». По словам Евгения Каблова, одним из основных инструментов, обеспечивающих преобразование фундаментальных знаний, поисковых и прикладных научных исследований в продукты и услуги, способствующие достижению лидерства российских компаний, должна стать Национальная технологическая инициатива.
В феврале этого года Президиум Совета при Президенте РФ по модернизации экономики и инновационному развитию России одобрил дорожную карту «Технет» Национальной технологической инициативы. «Одним из основных направлений реализации дорожной карты является создание партнерств – совместных центров компетенций по приоритетным направлениям НИОКР в таких областях, как цифровое проектирование и моделирование, новые материалы, аддитивные технологии, промышленная сенсорика, робототехника», – подчеркнул Евгений Каблов.
По его словам, сегодня отмечается увеличение интереса к аддитивным технологиям со стороны различных научных и промышленных организаций России, расширяются сферы применения этих технологий. Но существует несколько факторов, сдерживающих широкое внедрение аддитивных технологий в серийное производство. В частности, это отсутствие отечественного оборудования и программного обеспечения, обеспечивающего формирование единой информационной среды на базе цифровых технологий.
Генеральный директор ВИАМ также отметил недостаточное взаимодействие отраслевых центров компетенции аддитивных технологий в области разработки оборудования, программного обеспечения и материалов. «Необходимо создание консорциумов на базе институтов РАН, ГНЦ и национальных исследовательских центров», – заявил он.
Евгений Каблов констатировал, что актуальным направлением развития аддитивных технологий в России является разработка системы государственных стандартов. «Особо следует отметить важность широкого общественного обсуждения первых редакций двух стандартов в области аддитивного производства, а также разработку в 2020 году восьми проектов стандартов», – сообщил руководитель ВИАМ.
Читайте также: Краткие сведения о профессии стропальщик
Еще одним очень важным направлением является начало работ по сертификации аддитивных технологий в авиационной промышленности. К слову, в апреле этого года ВИАМ выпустит первый паспорт на отечественный жаропрочный никелевый сплав ЭП648ПС.
По мнению Евгения Каблова, для широкого внедрения в нашей стране аддитивных технологий необходимо сформировать в рамках Национальной технологической инициативы отдельную государственную программу развития и внедрения в Российской Федерации аддитивных технологий. В частности, она должна включать создание единой информационной среды на базе цифровых технологий, создание производства отечественных материалов нового поколения, а также разработку отечественного оборудования, национальных стандартов и нормативной документации. Кроме того, в данную программу необходимо включить совершенствование системы подготовки кадров по базовым инженерным специальностям, прежде всего на базе корпоративных и национальных исследовательских университетов с выпуском соответствующих образовательных стандартов.
В своем докладе Евгений Каблов также рассказал о сотрудничестве ВИАМ с государственными корпорациями, вузами и промышленными предприятиями в области аддитивных технологий. Ярким примером такого взаимодействия является работа с ОДК. Так, в корпорации была принята концепция развития аддитивного производства, ключевую роль в ее разработке сыграл ВИАМ.
По словам Евгения Каблова, в рамках сотрудничества с Фондом перспективных исследований ВИАМ совместно с ОКБ им. М.П. Симонова приступил к разработке на базе аддитивного производства перспективных малоразмерных газотурбинных двигателей в классе тяг 20 и 150 кгс для беспилотных летательных аппаратов.
«Внедрение инновационных решений в конструкцию разрабатываемых МГТД позволит снизить массу двигателя за счет топологической оптимизации деталей сложной геометрии, таких как камера сгорания, турбина, центробежный компрессор», – отметил он.
Заместитель Министра промышленности и торговли Российской Федерации Олег Евгеньевич Бочаров от имени ведомства поприветствовал участников конференции. По его словам, данная конференция – это прекрасная возможность для специалистов всесторонне обсудить наиболее актуальные вопросы по внедрению всех имеющихся достижений в области аддитивного производства.
Кроме того, замминистра призвал специалистов в области аддитивных технологий к кооперации для решения задач отрасли, а также предложил участникам конференции обсудить пути ее развития.
Заместитель генерального директора – генеральный конструктор АО «Объединенная двигателестроительная корпорация», доктор технических наук Юрий Николаевич Шмотин рассказал о развитии аддитивных технологий в ОДК.
«Основная задача, которую мы планируем решить с помощью применения аддитивных технологий, – это производить конкурентоспособную продукцию, – отметил он. – 3D-печать позволит удешевить продукцию и повысить ее эксплуатационные характеристики. При этом коэффициент использования материалов возрастает с 0,1 до 0,98, то есть практически безотходное производство. Время создания детали, как предполагается, сократится на 80 процентов. Кроме того, в ОДК ставится задача внедрить аддитивные технологии и в ремонт двигателей».
По его словам, при внедрении аддитивных технологий конструктор и технолог начинают работать вместе, при этом по-другому ставятся задачи при проектировании детали: количество деталей в двигателе будет, к примеру, не девять тысяч, а четыре. «К 2030 году мы должны сделать так, чтобы количество деталей в массе двигателя достигало 20 процентов, но амбициозная задача 30–35 процентов», – сказал Юрий Шмотин.
Заместитель главного инженера АО «ОДК-Авиадвигатель» по аддитивным технологиям Александр Григорьевич Аксенов выступил с докладом «Аддитивные технологии в программах создания авиационных двигателей семейства ПД-14 и ПД-35».
Читайте также: Что нужно знать чтобы стать хирургом. Профессия хирург: описание, плюсы и минусы
Первый заместитель генерального директора АО «Наука и инновации», доктор технических наук Алексей Владимирович Дуб сделал доклад о реализации программы развития новых производственных технологий в Госкорпорации «Росатом» в 2020 году.
После пленарного заседания работа конференции продолжилась по двум секциям.
Секция №1
«Материаловедение и технологические процессы аддитивного производства»
Кандидат технических наук Никита Андреевич Щипаков (ФГАУ «НУЦСК» при МГТУ им. Н.Э. Баумана) выступил с докладом «Особенности неразрушающего контроля изделий, изготовленных аддитивными технологиями».
Представитель ВИАМ, кандидат технических наук Александр Геннадьевич Евгенов сделал доклад «Перспективы разработки высокопроизводительных режимов селективного лазерного сплавления жаропрочных сплавов на основе никеля для изготовления деталей ГТД».
Доктор технических наук Сергей Георгиевич Паршин из ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» рассказал об аддитивном изготовлении металлических изделий дуговой наплавкой с подачей активированной проволоки.
Доктор технических наук Николай Васильевич Петрушин (ВИАМ) подготовил доклад «Кристаллографическая структура, микроструктура и фазовый состав жаропрочного сплава ЖС32, полученного методом СЛС на монокристаллической подложке».
Представитель ФГБОУ ВО «Удмуртский государственный университет», кандидат физико-математических наук Михаил Дмитриевич Кривилев представил доклад «Получение градиентных материалов селективным лазерным плавлением: эксперимент, моделирование, технология».
«Усталостные характеристики литейных жаропрочных никелевых сплавов, полученных методом селективного лазерного сплавления» – тема доклада сотрудника ВИАМ, кандидата технических наук Михаила Александровича Горбовца.
Доктор технических наук Павел Алексеевич Кузнецов (ГНЦ ФГУП «ЦНИИ КМ «Прометей») рассказал об особенностях механических и коррозионных свойств нержавеющих сталей.
Алексей Игоревич Курчев из АО «ОДК-Авиадвигатель» рассказал о ремонте деталей ГТД методом лазерной порошковой наплавки LMD.
Представитель ВИАМ Антон Николаевич Раевских выступил с докладом «Исследование особенностей структуры никелевых жаропрочных сплавов, полученных селективным лазерным сплавлением, с применением метода дифракции обратно-отраженных электронов (EBSD/ДОЭ)».
Игорь Владимирович Беркутов (ООО «НТЦ «Эталон») сообщил о результатах экспериментальных исследований ультразвуковых методов контроля качества сложнопрофильных заготовок и изделий, полученных селективным лазерным сплавлением.
Кандидат технических наук Андрей Владимирович Самохин (Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН) сделал доклад «Сфероидизация порошковых материалов в термической плазме электродугового разряда».
Сотрудник ПАО «НПО «Сатурн», кандидат технических наук Кирилл Андреевич Виноградов представил вниманию участников конференции доклад «Применение инновационных методов проектирования и изготовления деталей ГТД».
Представитель ВИАМ, кандидат физико-математических наук Павел Николаевич Медведев в своем докладе рассмотрел вопрос формирования структуры и кристаллографической текстуры в жаропрочных никелевых сплавах в процессе СЛС.
Кандидат технических наук Александр Александрович Сапрыкин (ФГБУН Институт физики прочности и материаловедения СО РАН) рассказал о способе получения низкомодульных сплавов на основе системы титан–ниобий селективным лазерным сплавлением.
Представитель ВИАМ, кандидат технических наук Денис Владимирович Зайцев проинформировал собравшихся о строении и идентификации фаз в жаропрочных никелевых сплавах, синтезированных методом СЛС.
Жанна Александровна Сентюрина из ОАО «Композит» подготовила доклад «Исследование влияния ориентации образцов при селективном электронно-лучевом сплавлении на микроструктуру и свойства сплава ВТ6с».
Иван Александрович Редькин (ОК РУСАЛ) сделал доклад «Порошковые материалы ОК РУСАЛ для аддитивных технологий».
Кандидат физико-математических наук Александр Кириллович Петров (ФГБОУ ВО «МГУ им. М.В. Ломоносова») рассказал об основных направлениях развития аддитивных технологий в московском университете.
Секция №2
«Программное обеспечение, моделирование и оборудование для аддитивных технологий»
Доктор физико-математических наук Владимир Егорович Пуха (ФГБУН «Институт проблем химической физики» РАН) выступил с докладом «Основы 2D- и 3D-технологий высокотемпературных керамик с использованием сверхзвуковых струй».
Доктор технических наук, профессор Глеб Андреевич Туричин (ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный морской технический университет) подготовил доклад «Аддитивные технологии и оборудование для высокоскоростного изготовления деталей и компонентов крупногабаритных изделий».
Валерий Рамилевич Фатхриев из ООО «Би Питрон СП» сообщил о программных решениях Dassault Systemes для оптимизации конструкции изделий и подготовки аддитивного производства.
Представитель ООО «Эм-Эс-Си Софтвэр РУС», кандидат технических наук Сергей Андреевич Сергиевский сделал доклад «Компьютерное моделирование процесса печати на 3D-принтерах деталей из металлов с использованием программного комплекса Simufact Additive».
Сотрудник ФГБОУ ВО «МГТУ им. Н.Э. Баумана», кандидат технических наук Ольга Владимировна Белова рассказала о потенциале применения аддитивных технологий в энергетике.
Бенуа Жобер Николя из компании AddUp (Франция) рассказал об оборудовании AddUp для селективного лазерного плавления и оборудовании BeAM для лазерной газопорошковой наплавки.
Представитель ФГУП «НАМИ» ГНЦ РФ Кирилл Николаевич Казмирчук подготовил доклад «Цифровое производство в машиностроении».
Антон Сергеевич Аксенов (АО «ВНИИ «Сигнал») выступил с докладом «Применение 3D-печати для создания корпусной детали из композитного материала».
Иван Сергеевич Головунин (Shanghai Union Technology Corporation (UnionTech), Китай) рассказал об опыте применения SLA-технологии UnionTech в аэрокосмической отрасли.
Представитель АО «Консистент Софтвеа Дистрибушн» Кирилл Федорович Меренков проинформировал участников конференции о применении аддитивных установок печати металлами в промышленности.
Читайте также: Какие предметы нужно сдавать на косметолога?
Кандидат химических наук Валерий Иванович Путляев (ФГБОУ ВО «МГУ им. М.В. Ломоносова») подготовил доклад «Стереолитографическая 3D-печать кальцийфосфатной биокерамики со сложной архитектурой порового пространства».
Сергей Геннадиевич Селезнев из ООО «ИФ АБ Универсал» представил доклад «Результаты разработки опытной установки послойного синтеза деталей из металлических порошков «Инженерной фирмы АБ Универсал».
Доклад сотрудника ФГУП «ЦАГИ» ГНЦ РФ Валерия Викторовича Зиняева был посвящен исследованию применения SLM-технологий при изготовлении конструктивных элементов аэродинамических моделей металлического порошка.
Павел Андреевич Алейников (ООО «Остек-СМТ») сообщил об опыте применения компьютерной томографии в аддитивном производстве на отечественных предприятиях.
Представитель ФГБУН Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, кандидат технических наук Татьяна Михайловна Томилина сравнила традиционные и аддитивные методы применительно к созданию эффективных виброизоляторов и звукопоглотителей.
Отметим, что Жанне Сентюриной и Валерию Путляеву были вручены памятные подарки за лучшие доклады.
По итогам конференции было принято решение.
3D-печать сегодня
Несмотря на перечисленные проблемы, 3D-печать в некоторых областях производства весьма популярна. Себестоимость такой продукции фактически не зависит от объемов партии. А изготовление одной детали по традиционной технологии обойдется почти во столько же, что и партия из 500 единиц. Следовательно, там, где нужен индивидуальный подход, использование аддитивных технологий оправдано. Поэтому самые популярные направления в 3D-печати:
- прототипирование ;
- медицина;
- ювелирная промышленность;
- производственная оснастка .
Аддитивные технологии активно используются в ремонте узлов и агрегатов, когда нужно изготовить вышедшею из производства запчасть. Например, у автобусов и поездов очень широкий спектр изделий , которые эксплуатируются десятками лет. За это время чертежи и технологии для старых деталей могут быть утрачены. Если что-то сломалось, то понять, как изготавливалась деталь, или найти подходящий аналог почти невозможно. Поэтому здесь много интересных кейсов для 3D-печати.
Следующее направление — стратегические проекты крупных компаний. Например, руководство General Electric решило, что в новом авиационном двигателе будут использованы 3D-печатные элементы. Это принципиальная позиция корпорации, вне зависимости от расходов. Так, компания GE стала первой, кто сертифицировал металлические детали, напечатанные на 3D-принтере. Экономическая целесообразность этого проекта весьма сомнительная, но General Electric делала ставку на технологическое развитие.
Кстати, это не единственный пример в авиации. При сборке самолетов Airbus уже использовались порядка 100 тысяч деталей , напечатанных на 3D-принтере из пластика. Этот материал тоже сертифицирован.
Интерес к 3D-печати в авиакосмической отрасли можно объяснить тем, что здесь не нужны большие партии запчастей — авиаконцерн выпускает в месяц не больше 30–40 самолетов одной модели. Кроме того, в отрасли не принято экономить на стоимости деталей, по сравнению, к примеру, с автомобилестроением, где один завод может выпускать десятки тысяч легковых авто за тот же период.
Преимущества аддитивных технологий
Новые аддитивные технологии приходят на замену традиционным способам в производстве, электронике, науке и других областях. У этих технологий есть много преимуществ:
- Сокращение рабочего процесса и значительное уменьшение производственных отходов. Создание деталей обычным способом довольно трудоемкий процесс. Сначала делается заготовка, потом вытачивается на разных инструментах. Это долго и в итоге образуется много отходов. При изготовлении деталей литьем, необходимо в начале изготовить формы. Использование 3Д-принтеров позволяет обходиться без предварительных заготовок, а материала требуется ровно столько, сколько уйдет на изделие без сопутствующих отходов.
- Сокращение материалов на изготовление и себестоимости изделий. С внедрением аддитивных технологий значительно сокращается количество материалов для изготовления деталей, а значит, себестоимость готового продукта будет ниже. В некоторых отраслях при традиционных способах производства производственные отходы могут составлять до 80%.
- Вариативность и индивидуализация изделий. Для изготовления разных вариантов изделия достаточно внести небольшие изменения в 3Д-модель. Это очень удобно, когда в сжатые сроки нужно усовершенствовать изделие или представить несколько вариантов. Также это хорошо для изготовления единичных деталей. 3Д-принтинг значительно облегчил работу конструкторов: больше не нужно ждать пока по схеме будут создавать изделие несколько дней, работа займет несколько часов.
- Изготовление деталей высокой сложности. С помощью традиционных методов вроде литья не всегда можно изготовить детали со сложной геометрической формой. Но на 3Д-принтерах можно вырастить практически любую модель, где каждый изгиб и угол будет в точности соответствовать компьютерному эскизу.
- Улучшенные характеристики готового изделия. Послойное изготовление позволяет создать продукцию, которая по своим характеристикам превосходит изделия, созданные традиционным способом. Например, детали, созданные на металлическом принтере по своим качествам намного лучше изготовленных с помощью литья или штамповки.
- Быстрота и легкость обучения персонала. Обучиться создавать трехмерные модели намного проще, чем обучение созданию таких изделий ручным способом. Тем более, что времени на это уйдет намного меньше.
- Мобильность производства. Сотрудник, создающий модели в программе, может находиться в любой части света. Аддитивные технологии позволяют быстро вносить корректировки и быстро пересылать готовые файлы коллегам по электронной почте.
- Точность размеров. У продукции, изготовленной с помощью аддитивных технологий, можно задать разметы с точностью до миллиметров.
- Экологичность. Использование 3Д-принтинга сокращает вредное влияние на окружающую среду. Выброс парниковых газов снижается за счет оптимизации процессов и использования меньшего количества материалов.
- Снижение веса деталей. Использование аддитивных технологий в некоторых отраслях позволяет изготавливать более легкие, но не менее прочные изделия. Например, двигатели для самолетов.
3D-печать завтра
Многие пытаются найти массовое применение 3D-принтерам в категории потребительских товаров.
Почти одновременно компании Nike, Reebok и Adidas заявили о разработках кроссовок с использованием 3D-печати. Их подошвы сложной сетчатой формой, которую невозможно создать литьем. Некоторые из них уже можно купить в Москве . Это лимитированные серии, и для самих производителей, скорее, маркетинговый ход. Однако такие кроссовки по праву можно назвать серийно изготовленным изделием для потребительского рынка, которое создано с помощью 3D-принтера.
Не менее перспективно расширять область применения 3D-печати в сфере производства функциональных деталей, например дронов и космических кораблей. В связи с выводом группировок спутников связи Starlink и OneWeb запрос на 3D-печать в этом направлении будет только увеличиваться.
Все больше напечатанных деталей используется при создании суперкаров, где цена вопроса не так важна, как технические характеристики. И постепенно со спортивных автомобилей технологии могут перейти на премиальный сектор, потом на бизнес сегмент и так далее.
Альтернативный вариант
Существуют и радикальные идеи о смене парадигмы производства. Самая фантастическая связана с производством автомобилей. Сейчас их сотнями тысяч выпускают на огромных заводах, после чего развозят по всему миру, что предполагает сложную логистику и колоссальные затраты. Сначала все детали будущего автомобиля нужно доставить от поставщиков из разных стран в сборочный цех, а потом готовую продукцию передать дилерам, которые передадут ее конечным потребителям.
Радикальная парадигма заключается в том, что автомобили будут производить небольшими партиями на территории локального дилера с помощью 3D-печати. При таком производстве сокращаются затраты на логистику, хранение запасов и персонал. Кроме того, если клиенту потребуется редкая деталь, не нужно несколько месяцев ждать доставки, ее можно изготовить на принтере здесь и сейчас.
Сегодня радикальная парадигма — утопия. Изменения будут происходить очень постепенно. И большим шагом в этом направлении может стать как сертификация, так и взаимозаменяемость изделий. Производители автомобилей должны разрешить своим поставщикам изготавливать одну и ту же деталь как с помощью традиционной технологии литья, так и на 3D-принтере. Но это произойдет не раньше, чем через 10 лет.
