Мировой рынок: рост на 27,4% ежегодно
Глобальные тенденции и лидеры отрасли
Во всех развитых странах наблюдается настоящий бум аддитивных технологий. Цифры говорят сами за себя: с 2010 по 2014 годы мировой рынок рос в среднем на 27,4% ежегодно. В итоге объем достиг 3 миллиардов долларов.
Без сомнения, мировыми лидерами являются США, Германия и Китай. Примечательно, что в 22 странах уже созданы национальные ассоциации по аддитивным технологиям, которые объединены в альянс GARPA.
| Страна-лидер | Специализация | Примеры применения |
|---|---|---|
| США | Аэрокосмическая отрасль, медицина | Boeing: 22 000 деталей для 10 марок самолетов |
| Германия | Автомобилестроение, машиностроение | Concept Laser, EOS |
| Китай | Массовое производство, электроника | Быстрое прототипирование |
Возьмём ситуацию с корпорацией Boeing. Благодаря 3D-печати компания изготавливает более 22 тысяч деталей 300 наименований для 10 марок коммерческих и военных самолетов. Впечатляет, правда?
Ещё один яркий пример — новейший авиадвигатель LEAP, разрабатываемый совместно General Electric Aviation и Snecma. Он впервые оснащен топливными форсунками, изготавливаемыми методом послойного синтеза из порошкового сплава Co-Cr. Вместо 20 сваренных деталей получается одна — на 25% легче и в 5 раз прочнее.
Преимущества 3D-печати перед традиционным производством
Почему аддитивные технологии меняют промышленность
Аддитивные технологии имеют ряд неоспоримых преимуществ перед традиционными методами производства сложных изделий. Тут всё ясно.
Замначальника Управления инновационного развития и НИОКР АО «Станкопром» Д. В. Кузнецов в своем докладе перечислил ключевые выгоды:
- ✓ Возможность удовлетворения как можно большего числа индивидуальных заказчиков
- ✓ Расширение номенклатуры изделий
- ✓ Создание изделий со сложной или даже невозможной в обычном производстве конфигурацией
- ✓ Сокращение издержек: себестоимости при малых партиях, затрат на электроэнергию
- ✓ Уменьшение размеров производственных площадей
И это ещё не всё. Аддитивные технологии позволяют сократить длительность производственного цикла и сроки поставки. Выпуск изделий происходит без применения технологической оснастки. Гибкость производства резко повышается, необходимость переналадки оборудования под новое задание исчезает. Отходов — минимум.
В 2014 году компания SpaceX успешно испытала двигатель малой тяги с камерой сгорания, изготовленный методом DMLS, для разрабатываемого космического корабля Dragon V2. Космос становится ближе.
Станкопром — координатор развития отрасли
Государственный подход к развитию технологий
По поручению Министерства промышленности и торговли РФ АО «Станкопром» становится координатором развития аддитивных технологий в России. В работу вовлекаются все отечественные организации, обладающие компетенциями, включая потенциальных потребителей.
Председатель совета директоров холдинга С. И. Макаров считает: «ОАО «Станкопром» имеет четкое понимание долгосрочного спроса на новые производственные технологии и располагает всей необходимой научно-производственной базой, включая совместно созданный с участием МГТУ «СТАНКИН» единый федеральный инжиниринговый центр ООО «Станкоинжиниринг».
На конференциях были систематизированы проблемы и перспективы развития данного направления. Работа идет системно.
Главные препятствия для российских производителей
Что мешает развитию аддитивных производств
Не всё так просто, как хотелось бы. Основные трудности развития аддитивных производств в России существенны:
| Проблема | Уровень сложности | Пути решения |
|---|---|---|
| Отсутствие широкого положительного опыта проектирования | Высокий | Накопление практических кейсов |
| Отсутствие отечественных материалов | Критический | Разработка новых композиций |
| Начальный уровень оборудования и ПО | Высокий | Инвестиции в НИОКР |
| Кадровый вопрос | Средний | Обучение на базе вузов |
| Отсутствие стандартов | Средний | Разработка нормативной базы |
Справедливости ради, стоит отметить: несмотря на все сложности, у отечественной науки и промышленности есть все предпосылки для развития данного направления. Так считает генеральный директор ВИАМ Е. Н. Каблов.
Семь направлений развития аддитивных производств
Стратегические приоритеты отрасли
Основными направлениями развития аддитивных производств в области машиностроительных технологий должны стать:
- → Перспективные материалы для аддитивного производства
- → Оборудование для производства материалов
- → Технологии послойного синтеза
- → Оборудование послойного синтеза
- → Комплексные технологии изготовления изделий
- → Сеть центров коллективного пользования
- → Испытания, сертификация и стандартизация изделий и материалов
Для информационно-методического обеспечения должны быть сформированы база данных потребностей предприятий, база данных используемых и требуемых материалов, новые подходы и принципы к проектированию, стандарты конструкторско-технологической подготовки производства, комплексное обучение на базе вузов.
Сопутствующим оборудованием и программным обеспечением являются оборудование для разделения материалов на фракции, контроля размеров микрогранул, система рециркуляции микрогранул и специализированное ПО.
Развитие аддитивных технологий может быть реализовано на трех уровнях: производство моделей, производство прототипов, производство деталей, которые отвечают требованиям конструкторской документации и устанавливаются в сложных технических системах на полный ресурс эксплуатации.
Отечественные наработки: от ВИАМ до частных компаний
Кто уже работает с аддитивными технологиями
ВИАМ создал аддитивное производство полного цикла. Успешно ведется кооперация с ИПЛИТ РАН и СПбПУ по разработке аддитивных технологий для изготовления и ремонта деталей газотурбинных двигателей.
Важный момент: ВИАМ впервые в России изготовил по аддитивной технологии с применением отечественной металлопорошковой композиции деталь перспективного авиационного двигателя ПД-14. Завихритель фронтового устройства камеры сгорания полностью отвечает требованиям конструкторской документации. Цикл изготовления деталей методом селективного лазерного сплавления в среднем в 10 раз меньше, чем по технологии литья по выплавляемым моделям. Эта работа была выполнена совместно с ОАО «Авиадвигатель».
ОАО «Авиадвигатель» начал внедрение аддитивных технологий ещё в 2004 году, когда была получена первая отливка с применением SLS технологии. Дальше — больше:
- ★ 2010 год — внедрение SLS технологий для изготовления полистирольных моделей
- ★ 2011 год — LMD технологий для ремонта деталей
- ★ 2013 год — SLM технологий для изготовления металлических деталей
С 2011 года более 90% всех фасонных отливок изготавливаются по технологии литья по выращенным моделям. Экономия средств на проектирование и изготовление оснастки в год составляет примерно 40–60 миллионов рублей.
Среди отечественных разработчиков материалов можно упомянуть ОАО «ВИЛС», СПбПУ, ОАО «Композит», ЦНИИ КМ «Прометей». Разработчики оборудования: ОАО НИАТ, «Алексинский химический комбинат», «Электромеханика». Индустриальные партнеры: ОАК, РОСКОСМОС, ОСК.
Заинтересованность внедрением аддитивных технологий высказал представитель КАМАЗа. Росатом готов выступать и как разработчик, и как потребитель. И это не конечный список.
Небольшие коллективы также предлагают свои наработки. ООО «Сферамет» разрабатывает оборудование и технологию нового поколения для получения сферических гранул металлов и сплавов методом центробежного распыления расплава.
С 2008 года «НЦ «Керамические двигатели им. А. М. Бойко» применяет аддитивные технологии селективного лазерного сплавления для изготовления из безусадочных металлокерамических порошков легких неохлаждаемых керамических газотурбинных двигателей мощностью 200–2000 Вт. Начальная температура рабочего тела — 1350°С, КПД — 42–46%. Разработана программа по созданию таких двигателей с более высокой температурой рабочего тела.
ООО «НПК ТЭТа» разрабатывает и выпускает электронно-лучевые установки, предназначенные для сварки, пайки, наплавки и термообработки. На конференции прозвучал доклад о применении установки 6Е250 для 3D-выращивания металлических изделий.
Таких компаний немало. Важная задача — собрать и оценить эти наработки и оказать поддержку тем, кто уже имеет солидный багаж и опыт.
Центры коллективного пользования
Воронежский центр — крупнейший в России
На базе нового завода «Воронежсельмаш» открыт крупнейший в России «Центр аддитивных технологий» коллективного пользования. Центр включает ряд направлений деятельности:
- ✔️ Производство учебных 3D принтеров «Альфа» (более 400 принтеров поставлено в учебные заведения за период с августа 2014 до февраля 2015 гг.)
- ✔️ 3D сканирование и моделирование
- ✔️ Производство фотополимерных пластиковых и гипсово-композитных изделий
- ✔️ Вакуумное литье полимеров
- ✔️ Производство методом селективного плавления металла
- ✔️ инжиниринг и обучение
В демонстрационном центре по зарубежному оборудованию представлены 10 основных технологий аддитивного производства. Центр готов выступать как технологический и производственный партнер по отечественным и зарубежным материалам и отработке технологий построения изделий.
Рис. 1. Воронежский центр аддитивных технологий. Фото с сайта http://3d-made.com
Центры аддитивных технологий работают и на базе технических университетов: МГТУ «Станкин», МГТУ им. Н. Э. Баумана, ФГУП НАМИ, СПбПУ. Они участвуют в разработке оборудования и технологий.
Прямое лазерное выращивание: прорывная технология
Институт лазерных и сварочных технологий СПбПУ
Институт лазерных и сварочных технологий СПбПУ (ИЛиСТ) ведет разработку технологии высокоскоростного изготовления деталей и компонентов авиационных двигателей методами гетерофазной порошковой металлургии.
Разрабатываемая технология (технология прямого лазерного выращивания) производительнее технологий послойного синтеза в десятки раз. Она обеспечивает получение изделий с механическими характеристиками на уровне деформируемых сплавов и не требует последующего газостатирования.
Высокие производительность и коэффициент использования материала позволяют значительно снизить длительность производственного процесса и конечную себестоимость выпускаемых изделий по сравнению с традиционными технологиями литья и последующей механообработки.
Становится возможным получение изделий с градиентными свойствами за счет изменения в процессе выращивания химического состава подаваемых в зону лазерного воздействия порошков. Возможность перемещения технологической головки относительно изделия с помощью роботизированных манипуляторов, а также высокая производительность процесса, позволяет выращивать крупногабаритные изделия.
По экспертной оценке ОАО «ОДК», приведенной директором ИЛиСТ Г. А. Туричиным, потребность в машинах прямого лазерного выращивания для авиастроения, космической техники, судостроения, энергетики и других отраслей составляет почти 300 машин. Наиболее востребована технология в настоящее время в авиастроении — до 240 машин.
Рис. 2. Экспериментальный технологический комплекс прямого лазерного выращивания
Рис. 3. Образцы, полученные прямым лазерным выращиванием, ИЛиСТ СПбПУ
На выставке «Металлообработка–2015» посетители увидели образцы, полученные методом прямого лазерного выращивания на разработанном в ИЛиСТ экспериментальном технологическом комплексе.
Также на стенде ИЛиСТ были представлены образцы высокопроизводительной лазерной наплавки (до 17 кг/ч) с использованием мощных лазеров (до 15 кВт). Образцы наплавки демонстрировались на стендах МГТУ им. Н. Э. Баумана и НТО «ИРЭ-Полюс».
Международное сотрудничество и локализация
Конструктивный диалог с зарубежными партнерами
Нельзя отметать и конструктивное сотрудничество с зарубежными партнерами. Интересное предложение на конференции прозвучало от ООО «НИССА Диджиспейс», представителя фирмы Concept Laser, о локализации производства в России новой востребованной модели Concept Laser M2 Cusing.
Машина работает с российскими порошками, имеет открытые настройки и режимы, может быть запущена без подключения к Интернет. Использование в комплекте отечественного лазера производства НТО «ИРЭ-Полюс» уже говорит об определенном уровне локализации.
27 мая в ВИАМ прошло заседание Межведомственной рабочей группы (МРГ) по разработке дорожной карты развития аддитивных технологий, созданной решением Научно-технического совета Военно-промышленной комиссии РФ. В состав рабочей группы входят представители Минпромторга, Минобрнауки, Фонда перспективных исследований, ВИАМ, Ростех, Станкопром, ОДК, Росатом и других организаций.
В ходе заседания участники обсудили план работ группы и утвердили перечень задач по подготовке дорожной карты.
Развитие отечественных аддитивных технологий идет системно и широким фронтом. Есть над чем подумать.
www.stankoprom.ru, www.ilwt-stu.ru
www.viam.ru
