Аддитивные технологии: настоящее и будущее

В эпоху инновационной экономики аддитивные технологии (АТ) становятся ярким примером того, как новые разработки существенно улучшают традиционное производство, обеспечивая конкурентные преимущества изделий и открывая новые возможности для многих отраслей промышленности. По оценкам специалистов, аддитивные технологии позволяют увеличить производительность труда в 30 раз, довести коэффициент использования материала до 98%, снизить массу конструкции на 50%. При этом до минимума сокращается длительность цикла «от чертежа до изделия», резко снижаются операционные и капитальные затраты, возрастает экологическая безопасность всех технологических переделов.

В исследовательских центрах ведущих корпораций, таких как Boeing, General Electric, Lockheed Martin, Airbus, Concept Laser и др., выполняются масштабные научно-производственные разработки, направленные на создание специального оборудования и материалов, подготовку кадров и организацию производства изделий методами аддитивного производства для практического использования. Лидирующие позиции в разработках и практическом использовании АТ занимают индустриально развитые страны. Наиболее динамично это направление развивается в США (38% мирового производства), Германии (около 9%), а также Китае (8,7%). К 2020 году мировой рынок аддитивных технологий, по данным компании Wohlers Associates, достигнет 21 млрд долларов США.

Важнейшим условием динамичного развития АТ, как и других инновационных направлений, является радикальная перестройка организации и управления всеми звеньями научно-производственного цикла. Адаптация к шестому технологическому укладу требует кардинального пересмотра бизнес-моделей, так как конкуренция смещается из области издержек в сферу инноваций, клиентоориентированности (кастомизации) и качества. В странах, о которых идет речь, были сформированы принципиально новые отношения между предприятиями внутри производственных коопераций и организациями заказчика. Фактически был создан новый уклад в разделении труда: произошел переход от управления предприятием к управлению кооперацией, связанной с изделием, и от выпуска изделия к управлению его жизненным циклом. При этом развитие гибкой кастомизации создает основу для глубоких изменений, направленных на ускорение и удешевление разработки перспективных моделей и видов продукции, что стимулирует развитие передовых технологий, в том числе аддитивных. Таким образом закладывается производственно-технологическая основа для кооперации предприятий и возможность управления ими на новых принципах. Подобный подход к организации производственных процессов позволяет рассматривать изделия (объекты) как единую сложную систему, а предприятия – как единый производственный комплекс, обеспечивающий весь жизненный цикл изделия (разработку, производство, поддержку эксплуатации и утилизацию) в тесном взаимодействии с организациями заказчика.

Как свидетельствует мировой опыт, важнейшие инновационные проекты реализуются главным образом в рамках крупных международных консорциумов научно-исследовательских организаций и корпоративных объединений. В настоящее время в 22 странах созданы национальные ассоциации по АТ, объединенные в альянс GAPRA (Global Alliance of Rapid Prototyping Associations). Специальный международный комитет GAPRA утверждает все нормативные документы и, кроме того, осуществляет кооперацию членов альянса в сфере разработки 3D-моделей для изготовления конкретных деталей.

В США действует национальный научный центр NAMP, который включает 15 институтов, работающих по тематике АТ. Управление перспективных исследований Министерства обороны США финансирует работы по АТ в составе проекта «Программируемые материалы». Корпорация Boeing с помощью АТ ежегодно изготавливает для своих самолетов 22 тыс. деталей более чем 300 наименований. Компания General Electric с 2010 года инвестировала в работы по тематике АТ около 1,5 млрд долларов США и получила за последние годы 346 патентов на разработки в области металлопорошковых композиций. В Питтсбурге компания GE построила завод по производству металлических деталей методом 3D-печати, а в Европе запустила на базе АТ автоматизированную линию по изготовлению форсунок газовых турбин.

В Европе консорциум в составе научно-исследовательских центров и 10 крупнейших компаний разворачивает работы по внедрению АТ в авиастроение. Этот масштабный проект, носящий название Bionic Aircraft, направлен на создание универсального программного обеспечения для автоматизированного проектирования бионических конструкций на базе АТ. Так, компания Airbus планирует за счет использования 3D-печати снизить к 2020 году массу каждого самолета более чем на 1 тонну.

Объективно оценивая ситуацию с точки зрения известной трехуровневой схемы реализации технологий, можно сказать, что в России находят применение пока только технологии 1-го и 2-го уровней с преобладанием традиционных технологий, то есть в основном – в рамках вспомогательного производства (модели, литейные формы) и изготовления демонстраторов (прототипов и элементов конструкций). Для сравнения: в аэрокосмической отрасли США, по данным PwC, с использованием АТ производится 30% конечных продуктов (3-й уровень), которые находят применение в конструкциях, к 2020 году планируется довести долю таких продуктов до 80%.

В России, как и в других странах, наиболее быстрыми темпами развитие АТ идет в двигателестроении, и тому есть свои причины. Как известно, рост эффективности двигателя требует повышения рабочих температур. Между тем, жаропрочность конструкционных материалов давно находится на пределе, и даже небольшой прогресс в этом направлении дается с трудом. По нашему мнению, единственно значимый резерв сохраняется в развитии систем специального охлаждения компонентов двигателей (детали камер сгорания, лопаток турбин и т.д.), но реализовать подобного рода конструкторские разработки можно лишь с помощью 3D-печати. Только таким способом можно, например, получить турбинные лопатки с толщиной кромки до 0,1 мм и внедрить дефлекторные системы внутреннего охлаждения. АТ позволяют во многих конструкциях отказаться от сварных швов и снизить толщину стенок до значений, которые просто невозможно обеспечить традиционными способами литья и механической обработки. В конечном итоге, наряду с решением этих проблем, получаем существенный выигрыш в массе при повышении КПД, упрощении технологической цепочки и значительном сокращении производственного цикла.

Среди наиболее важных достижений ВИАМ в области АТ отмечу создание замкнутого цикла аддитивного производства деталей сложных технических систем. Он включает производство расходуемой шихтовой заготовки, получение мелкодисперсных металлических порошков отечественных сплавов (в том числе титана, никеля, ниобия) и разработку технологий селективного лазерного спекания (SLS) деталей из этих порошков с последующей газостатической обработкой. Возможность проведения полного цикла исследований создает условия для перехода к выпуску продукции, обеспеченной полным комплектом необходимой научно-технической документации. Созданная инфраструктура позволяет организовать в ВИАМ серийное малотоннажное производство порошков с последующей их сертификацией для ведущих моторостроительных предприятий. В институте спроектирован и изготовлен промышленный атомизатор с бестигельной плавкой: тем самым решается задача изготовления титановых и интерметаллидных порошковых композиций. Благодаря разработкам ВИАМ получен положительный опыт практического применения АТ 3-го уровня для серийных изделий. В сотрудничестве с АО «ОДК-Авиадвигатель», институтами РАН и вузами мы впервые в России изготовили селективным лазерным сплавлением из отечественной металлопорошковой композиции сплава ЭП648-ВИ деталь двигателя ПД-14 (завихритель фронтового устройства камеры сгорания), отвечающую требованиям конструкторской документации. При этом в 10 раз сокращено время, затрачиваемое на производство детали, и в 2,5 раза повышена точность ее изготовления. К настоящему времени для российских предприятий аддитивными методами выпущено более 500 деталей, причем все они изготовлены из отечественных порошковых материалов.

Еще одним успешным примером работы ВИАМ в области аддитивных технологий является разработанный прототип малоразмерного газотурбинного двигателя для беспилотного летательного аппарата. Изделие стало первым отечественным авиадвигателем, полностью «напечатанным» на 3D-принтере, причем он появился у нас всего на год позже, чем аналогичное изделие General Electric. Понятно, что это лишь первый шаг и потребуется еще немало усилий конструкторов и технологов, чтобы в процессе горячих испытаний достичь нужных показателей по числу оборотов, мощности, КПД, надежности. Однако этот шаг исключительно важен для закрепления лидерства ВИАМ в развитии аддитивных технологий на данном направлении, тем более, что часть этих разработок уже внедряется в НПО «Сатурн» и на пермском предприятии «ОДК-Авиадвигатель».

Хочу особо подчеркнуть решающий вклад исследователей, специалистов и всего коллектива ВИАМ в определение вектора развития отечественных аддитивных технологий, формирование научно-технического задела в этой области и создание предпосылок для перехода на качественно новый уровень организации научного и производственно-технологического развития АТ в соответствии с мировыми тенденциями.

На базе ВИАМ в соответствии с поручением правительства Российской Федерации, Военно-промышленной комиссии, Министерства промышленности и торговли разработан «Комплексный план мероприятий по развитию и внедрению аддитивных технологий в Российской Федерации на период 2018–2025 гг.». План разработан с участием таких государственных корпораций, как «Росатом», «Ростех», «Роскосмос», активное участие в этой работе принимают ОДК, ОАК, Корпорация «Тактическое ракетное вооружение», АО «Вертолеты России», КРЭТ, холдинг «Технодинамика», академические институты ФАНО, исследовательские университеты, Росстандарт. В обсуждении комплексного плана участвовали представители более 40 организаций, было сделано около 190 предложений от 24 организаций. Все они учтены.

Перечислю основные блоки мероприятий, которые, по нашему мнению, необходимо реализовать в Российской Федерации.

Первое – это создание единой информационной среды на базе цифровых технологий. Зависимость от программного обеспечения зарубежных компаний при проектировании изделий, особенно военного назначения, абсолютно недопустима, так как существуют прецеденты применения санкций иностранными разработчиками САПР в отношении предприятий России. Создание концепции цифровых платформ для исследований, разработок и производства должно стать одной из первостепенных задач развития инфраструктуры аддитивных технологий в России. Уже определены те организации, которые изъявили желание и готовы в интересах всей межведомственной системы создавать программное обеспечение под разные технологии (лазерная, электронно-лучевая), материалы и виды оборудования.

Вторая главная задача – создание отечественных порошковых композиций нового поколения и отработка соответствующих режимов их синтеза. Здесь имеется много нюансов: это качество порошков, их гранулометрическое соотношение, фокальное пятно лазера, его мощность и скорость движения, и вопрос штриховки, и треки, и в конечном итоге расположение детали в пространстве при построении. Потому что в зависимости от того, как поставить деталь – в вертикальном, горизонтальном положении или под определенным углом, – будут получены разные свойства.

Следующий блок – это разработка на базе отечественного программного обеспечения, применительно к разрабатываемым и серийным порошковым композициям, отечественного оборудования для аддитивных технологий, в том числе источников теплового излучения (лазер/электронный луч/плазмотрон), систем точного позиционирования (сканирующие системы), систем подачи порошковых композиций, манипуляторов и прочего.

Далее – необходима разработка системы нормативной документации для обеспечения внедрения аддитивных технологий на предприятиях государственных корпораций авиационной, ракетно-космической, судостроительной и атомной промышленности. Это и разработка национальных стандартов, и аттестация, и сертификация технологий цифрового аддитивного производства, и методики конечно-элементного анализа технологических процессов и деталей.

Особое внимание в комплексном плане уделяется системе подготовки кадров по базовым инженерным специальностям. Нужно определить базовые университеты, где будут готовить специалистов в области аддитивных технологий. Те ребята, которых выпускают технические вузы сегодня, не смогут быстро адаптироваться. Нужно начинать заранее, проходить практику в соответствующих организациях. Например, в ВИАМ создана специальная магистратура, которая имеет право выдавать дипломы государственного образца, соответственно, мы готовим именно материаловедов в области аддитивных технологий. Для формирования полного образовательного цикла необходимо разработать новые государственные образовательные стандарты по аддитивным технологиям. И тогда вся система будет выстроена.

Итогом реализации комплексного плана должно стать создание научно-технологических центров изучения процессов 3D-печати металлических изделий, разработки технологий изготовления деталей с применением топологической оптимизации (бионического дизайна) и центра аддитивных технологий изготовления различных деталей.

В целом выполнение комплексного плана обеспечит технологическую независимость предприятий Российской Федерации, сокращение отставания российских предприятий от зарубежных компаний, активно внедряющих аддитивные технологии в производство новых изделий.

Считаю, что для выполнения принятых руководством нашей страны решений о создании и внедрении аддитивных технологий в различных отраслях отечественной экономики необходимо объединить и скоординировать усилия научных, финансовых и промышленных организаций России, как это сделано за рубежом.