Слой за слоем: как 3D-печать помогает сократить издержки в производстве
ТЕХНОЛОГИИ / НОЯБРЬ #8_2023
Беседовала Галина ФЁДОРОВА / Фото: Страна Росатом
По прогнозам Минпромторга, объем рынка аддитивных технологий в России с 2019 по 2030 год вырастет в четыре раза. Как такая динамика повлияет на машиностроение? Сможет ли 3D-печать заменить традиционные производства? Какие аддитивные технологии уже освоены в Росатоме? Обо всем этом рассказывает заместитель гендиректора компании «Русатом — Аддитивные Технологии» (РусАТ) по науке Сергей Тепаев.
Для чего РусАТ развивает и внедряет аддитивные технологии? Что это дает производству?
Эффект от применения аддитивных технологий двойной: во‑первых, повышение производительности труда и сокращение количества технологических переделов, во‑вторых, новые технические возможности для инженеров-конструкторов.
Повышение производительности труда — мировая тенденция. В XX веке в западных капиталистических странах, повышая производительность труда, сокращали издержки и увеличивали прибыль. В СССР рост производительности труда решал проблему дефицита рабочей силы после Гражданской и Великой Отечественной войн. Если на Западе инициатором роста производительности труда был владелец капитала, то у нас традиционно в этой роли выступало государство. Более того, в советское время в различных отраслях промышленности директивно спускали в отрасли коэффициенты повышения производительности труда или снижения трудоемкости.
Сегодня существенно повысить производительность труда помогают аддитивные технологии. Например, крыльчатка и покрывной диск — компоненты насоса, изготовленные традиционным путем, — состоят из двух элементов, соединенных посредством сварки. С помощью 3D-печати инженер-конструктор может совместить два этих элемента и сразу изготовить единую деталь, сокращая при этом не только трудоемкость производства, но и количество технологических переделов.
Аддитивные технологии дают возможность уйти от классических конструкций и найти нестандартные решения сложных инженерных задач. Яркий пример в атомной отрасли — производство антидебризного фильтра (АДФ), защищающего твэлы от посторонних предметов в первом контуре реактора. С помощью 3D-печати инженеры-конструкторы могут оптимизировать дизайн АДФ, в несколько раз снизить срок его изготовления, а также кратно увеличить коэффициент использования материала.
Другой пример — изготовление губы воздухозаборника для учебно-пилотажного самолета. В традиционном производстве оно состоит из нескольких технологических процессов: холодной штамповки, подготовки к пайке и непосредственно самой пайки. При этом деталь должна соответствовать высоким требованиям аэродинамического качества (нулевая аэродинамическая зона), а также иметь прочность, обеспечивающую птицестойкость в полете. Уже на этапе подготовки штампованных изделий к пайке появляется много брака, плюс сам процесс пайки длительный и сложный. В РусАТе мы печатаем такую деталь за 16 часов. Весь процесс осуществляет один оператор аддитивного оборудования с ЧПУ.
Этот пример показывает возможности снижения количества технологических процессов и численности производственного персонала. Для различных производств нужны разные специалисты: механики, штамповщики, сварщики. С одной стороны, мы сокращаем количество рабочих мест на предприятиях за счет повышения производительности труда, с другой стороны — повышаем квалификацию сотрудников и, соответственно, их заработную плату. На рынке труда профессия оператора оборудования с ЧПУ (в том числе и аддитивного) более привлекательна для молодежи, чем сборщика или сварщика.
Еще один пример — использование аддитивных технологий в прототипировании, а также при создании опытных образцов и изделий малой серийности. Связано это с тем, что при освоении процессов производства новой продукции с применением аддитивных технологий нет необходимости в проектировании и изготовлении оснастки и специального инструмента.
Важную роль аддитивные технологии играют в вопросах оценки эргономики прототипов, например, в транспортной промышленности. Такие задачи пытались решить с использованием технологии дополненной реальности (AR), но она не может передать тактильные ощущения, а напечатанное изделие может.
Эффект от применения аддитивных технологий двойной: во‑первых, повышение производительности труда и сокращение количества технологических переделов, во‑вторых, новые технические возможности для инженеров-конструкторов.
Повышение производительности труда — мировая тенденция. В XX веке в западных капиталистических странах, повышая производительность труда, сокращали издержки и увеличивали прибыль. В СССР рост производительности труда решал проблему дефицита рабочей силы после Гражданской и Великой Отечественной войн. Если на Западе инициатором роста производительности труда был владелец капитала, то у нас традиционно в этой роли выступало государство. Более того, в советское время в различных отраслях промышленности директивно спускали в отрасли коэффициенты повышения производительности труда или снижения трудоемкости.
Сегодня существенно повысить производительность труда помогают аддитивные технологии. Например, крыльчатка и покрывной диск — компоненты насоса, изготовленные традиционным путем, — состоят из двух элементов, соединенных посредством сварки. С помощью 3D-печати инженер-конструктор может совместить два этих элемента и сразу изготовить единую деталь, сокращая при этом не только трудоемкость производства, но и количество технологических переделов.
Аддитивные технологии дают возможность уйти от классических конструкций и найти нестандартные решения сложных инженерных задач. Яркий пример в атомной отрасли — производство антидебризного фильтра (АДФ), защищающего твэлы от посторонних предметов в первом контуре реактора. С помощью 3D-печати инженеры-конструкторы могут оптимизировать дизайн АДФ, в несколько раз снизить срок его изготовления, а также кратно увеличить коэффициент использования материала.
Другой пример — изготовление губы воздухозаборника для учебно-пилотажного самолета. В традиционном производстве оно состоит из нескольких технологических процессов: холодной штамповки, подготовки к пайке и непосредственно самой пайки. При этом деталь должна соответствовать высоким требованиям аэродинамического качества (нулевая аэродинамическая зона), а также иметь прочность, обеспечивающую птицестойкость в полете. Уже на этапе подготовки штампованных изделий к пайке появляется много брака, плюс сам процесс пайки длительный и сложный. В РусАТе мы печатаем такую деталь за 16 часов. Весь процесс осуществляет один оператор аддитивного оборудования с ЧПУ.
Этот пример показывает возможности снижения количества технологических процессов и численности производственного персонала. Для различных производств нужны разные специалисты: механики, штамповщики, сварщики. С одной стороны, мы сокращаем количество рабочих мест на предприятиях за счет повышения производительности труда, с другой стороны — повышаем квалификацию сотрудников и, соответственно, их заработную плату. На рынке труда профессия оператора оборудования с ЧПУ (в том числе и аддитивного) более привлекательна для молодежи, чем сборщика или сварщика.
Еще один пример — использование аддитивных технологий в прототипировании, а также при создании опытных образцов и изделий малой серийности. Связано это с тем, что при освоении процессов производства новой продукции с применением аддитивных технологий нет необходимости в проектировании и изготовлении оснастки и специального инструмента.
Важную роль аддитивные технологии играют в вопросах оценки эргономики прототипов, например, в транспортной промышленности. Такие задачи пытались решить с использованием технологии дополненной реальности (AR), но она не может передать тактильные ощущения, а напечатанное изделие может.
Стандартизация аддитивных технологий
Росстандарт утвердил четыре национальных стандарта, устанавливающих методы испытаний металлопорошковых композиций для 3D-печати. Документы разработало ООО «Русатом — Аддитивные Технологии» в рамках работы в техническом комитете по стандартизации — ТК 182 «Аддитивные Технологии».
В Росатоме действует рабочая группа во главе с директором по технологическому развитию Андреем Шевченко; результатом ее работы должен стать выпуск всей необходимой документации для применения аддитивных технологий на объектах использования атомной энергии (ОИАЭ). Согласно утвержденной дорожной карте, определены виды, номенклатура, материалы, классы безопасности продукции, применяемой на ОИАЭ.
В Росатоме действует рабочая группа во главе с директором по технологическому развитию Андреем Шевченко; результатом ее работы должен стать выпуск всей необходимой документации для применения аддитивных технологий на объектах использования атомной энергии (ОИАЭ). Согласно утвержденной дорожной карте, определены виды, номенклатура, материалы, классы безопасности продукции, применяемой на ОИАЭ.
Аддитивные технологии в будущем заменят традиционное производство?
Их применение нужно рассматривать как рядовой технологический процесс, а не как альтернативу традиционному производству, тем более не стоит их противопоставлять. 3D-печать должна встроиться в производственную систему и заменить существующие технологические операции там, где это целесообразно. Нет смысла печатать болты на 3D-принтерах — их изготавливают методами горячей и холодной высадки, что экономически целесообразно в условиях больших объемов производства.
Какие ограничения существуют у аддитивных технологий?
Не стоит рассматривать аддитивные технологии как панацею. Они должны занять существенную нишу в машиностроении, но не противоречить базовому материаловедению. Сплавы, подходящие для аддитивного производства, должны быть свариваемыми, детали — поставляться в отожженном состоянии. Мы никогда не получим с помощью 3D-печати характеристик инструментальных сталей, подвергающихся химико-термической обработке. А вот печатать технически сложные изделия, которые сегодня изготавливаются с помощью множества трудоемких операций, в том числе сборочных, можем вполне.
Какие технологии аддитивного производства внедряют и развивают в РусАТе и почему выбрали именно их?
В аддитивном производстве, как и в сварочном, используется множество технологий. Мы определили для себя три основные технологии, которые помогут нам зайти в отрасли среднего и тяжелого машиностроения. Это серьезный вызов: можно заниматься простыми принтерами и выпускать продукцию широкого потребления, а можно замахнуться на наукоемкие технологии и изготавливать оборудование для авиационной, ракетно-космической, энергетической отраслей машиностроения.
Первая — технология SLM (selective laser melting, селективное лазерное сплавление). Принцип этой технологии следующий: на платформу наносится слой порошка, оптическая система — сканатор — отражает и перенаправляет плавящий материал луч, источником энергии которого является лазер. Затем стол опускается на заданное количество микрон (как правило, от 20 до 200, в зависимости от режима печати), на платформу наносится следующий слой порошка, и процесс плавления материала происходит снова. Так деталь наращивается слой за слоем.
С помощью технологии SLM можно кратно увеличить производительность труда и сократить цикл изготовления за счет исключения сборочных операций и снижения объемов механической обработки. Увидеть эффект можно на простом, но ярком примере производства концевика разъема СНЦ — детали, применяемой в электрических цепях авиационного бортового радиоэлектронного оборудования. В ней один элемент — сердечник — литой, а второй — гильза — делается из трубы и затем вальцуется — специально деформируется, чтобы получилось неразъемное соединение. При традиционном производстве время изготовления концевика разъема СНЦ — 20 часов. На 3D-принтере его можно напечатать за 2 часа 40 минут: подготавливается 3D-модель детали, задаются технологические режимы печати, осуществляется сам процесс 3D-печати, и через определенное время деталь вынимается из рабочей камеры принтера, очищается от порошка — изделие готово! Его не нужно собирать, вальцевать (подвижное и неразъемное соединение формируется в процессе печати) и механически обрабатывать. Скорость производства увеличивается почти в 10 раз!
Сейчас в линейке РусАТа две SLM-установки: RusMelt 310M и RusMelt 610M.
Мы отрабатываем режимы печати на установках, до конца года планируем получить литеру О1 на конструкторскую документацию и достигнуть уровня TRL7.
Основными заказчиками нашей продукции мы как организация, входящая в контур ГК «Росатом», видим предприятия атомной отрасли. Но интерес к ней проявляют и другие отрасли промышленности, например, ведутся переговоры с ПАО «ОДК» о поставке более 30 принтеров для заводов корпорации.
Вторая технология — DMD (direct material deposition, прямой лазерный синтез — ПЛС, или прямое лазерное выращивание — ПЛВ). В отличие от технологии SLM, где материал наносится на платформу тонкими слоями и потом сплавляется, здесь порошок подается напрямую через сопло в рабочую зону, где его расплавляет лазер.
Сейчас мы прорабатываем целевое изделие — выгородку ядерного реактора, относящуюся к первому контуру безопасности. Выгородка расположена по периметру активной зоны и предназначена для уменьшения неравномерности энерговыделения периферийных твэлов путем поглощения избыточного энерговыделения. В этом году мы заканчиваем очередной этап, включающий испытания элементарных и конструктивно-подобных образцов фрагмента выгородки.
На традиционном производстве выгородку изготавливают 13 месяцев по сложной технологии. В цикле производства участвуют более 100 человек. Если задействовать роботизированные аддитивные комплексы, то с этой задачей справятся 10 человек, а цикл производства сократится до 10 месяцев.
Третья технология — электронно-лучевая наплавка с помощью установки ЭЛУНП. Источник энергии — электронный луч, плавящий проволоку в среде вакуума и выращивающий деталь послойно. ЭЛУНП может кратно повысить коэффициент использования материала и довести его до значения 0,9.
Еще одна причина, по которой мы выбрали эту технологию: при изготовлении массивных заготовок из тугоплавких материалов, таких как тантал и молибден, альтернатив электронно-лучевой наплавке проволокой нет.
А еще РусАТ одним из первых в мире реализовал электронно-лучевую наплавку магниевых сплавов. Детали из таких сплавов используются во многих отраслях промышленности. В авиационной отрасли они широко применяются при изготовлении деталей систем управления самолетом.
Их применение нужно рассматривать как рядовой технологический процесс, а не как альтернативу традиционному производству, тем более не стоит их противопоставлять. 3D-печать должна встроиться в производственную систему и заменить существующие технологические операции там, где это целесообразно. Нет смысла печатать болты на 3D-принтерах — их изготавливают методами горячей и холодной высадки, что экономически целесообразно в условиях больших объемов производства.
Какие ограничения существуют у аддитивных технологий?
Не стоит рассматривать аддитивные технологии как панацею. Они должны занять существенную нишу в машиностроении, но не противоречить базовому материаловедению. Сплавы, подходящие для аддитивного производства, должны быть свариваемыми, детали — поставляться в отожженном состоянии. Мы никогда не получим с помощью 3D-печати характеристик инструментальных сталей, подвергающихся химико-термической обработке. А вот печатать технически сложные изделия, которые сегодня изготавливаются с помощью множества трудоемких операций, в том числе сборочных, можем вполне.
Какие технологии аддитивного производства внедряют и развивают в РусАТе и почему выбрали именно их?
В аддитивном производстве, как и в сварочном, используется множество технологий. Мы определили для себя три основные технологии, которые помогут нам зайти в отрасли среднего и тяжелого машиностроения. Это серьезный вызов: можно заниматься простыми принтерами и выпускать продукцию широкого потребления, а можно замахнуться на наукоемкие технологии и изготавливать оборудование для авиационной, ракетно-космической, энергетической отраслей машиностроения.
Первая — технология SLM (selective laser melting, селективное лазерное сплавление). Принцип этой технологии следующий: на платформу наносится слой порошка, оптическая система — сканатор — отражает и перенаправляет плавящий материал луч, источником энергии которого является лазер. Затем стол опускается на заданное количество микрон (как правило, от 20 до 200, в зависимости от режима печати), на платформу наносится следующий слой порошка, и процесс плавления материала происходит снова. Так деталь наращивается слой за слоем.
С помощью технологии SLM можно кратно увеличить производительность труда и сократить цикл изготовления за счет исключения сборочных операций и снижения объемов механической обработки. Увидеть эффект можно на простом, но ярком примере производства концевика разъема СНЦ — детали, применяемой в электрических цепях авиационного бортового радиоэлектронного оборудования. В ней один элемент — сердечник — литой, а второй — гильза — делается из трубы и затем вальцуется — специально деформируется, чтобы получилось неразъемное соединение. При традиционном производстве время изготовления концевика разъема СНЦ — 20 часов. На 3D-принтере его можно напечатать за 2 часа 40 минут: подготавливается 3D-модель детали, задаются технологические режимы печати, осуществляется сам процесс 3D-печати, и через определенное время деталь вынимается из рабочей камеры принтера, очищается от порошка — изделие готово! Его не нужно собирать, вальцевать (подвижное и неразъемное соединение формируется в процессе печати) и механически обрабатывать. Скорость производства увеличивается почти в 10 раз!
Сейчас в линейке РусАТа две SLM-установки: RusMelt 310M и RusMelt 610M.
Мы отрабатываем режимы печати на установках, до конца года планируем получить литеру О1 на конструкторскую документацию и достигнуть уровня TRL7.
Основными заказчиками нашей продукции мы как организация, входящая в контур ГК «Росатом», видим предприятия атомной отрасли. Но интерес к ней проявляют и другие отрасли промышленности, например, ведутся переговоры с ПАО «ОДК» о поставке более 30 принтеров для заводов корпорации.
Вторая технология — DMD (direct material deposition, прямой лазерный синтез — ПЛС, или прямое лазерное выращивание — ПЛВ). В отличие от технологии SLM, где материал наносится на платформу тонкими слоями и потом сплавляется, здесь порошок подается напрямую через сопло в рабочую зону, где его расплавляет лазер.
Сейчас мы прорабатываем целевое изделие — выгородку ядерного реактора, относящуюся к первому контуру безопасности. Выгородка расположена по периметру активной зоны и предназначена для уменьшения неравномерности энерговыделения периферийных твэлов путем поглощения избыточного энерговыделения. В этом году мы заканчиваем очередной этап, включающий испытания элементарных и конструктивно-подобных образцов фрагмента выгородки.
На традиционном производстве выгородку изготавливают 13 месяцев по сложной технологии. В цикле производства участвуют более 100 человек. Если задействовать роботизированные аддитивные комплексы, то с этой задачей справятся 10 человек, а цикл производства сократится до 10 месяцев.
Третья технология — электронно-лучевая наплавка с помощью установки ЭЛУНП. Источник энергии — электронный луч, плавящий проволоку в среде вакуума и выращивающий деталь послойно. ЭЛУНП может кратно повысить коэффициент использования материала и довести его до значения 0,9.
Еще одна причина, по которой мы выбрали эту технологию: при изготовлении массивных заготовок из тугоплавких материалов, таких как тантал и молибден, альтернатив электронно-лучевой наплавке проволокой нет.
А еще РусАТ одним из первых в мире реализовал электронно-лучевую наплавку магниевых сплавов. Детали из таких сплавов используются во многих отраслях промышленности. В авиационной отрасли они широко применяются при изготовлении деталей систем управления самолетом.
Основные российские потребители аддитивного оборудования в промышленности, 2021 г.
Для каких отраслей РусАТ уже выполняет заказы?
Портфель заказов РусАТа можно разделить на три блока: услуги печати и постобработки, поставка 3D-принтеров с сопутствующим технологическим оборудованием и инжинирингом, поставки металлопорошковых композиций. В рамках предоставления услуг печати и постобработки РусАТ выполняет заказы для предприятий атомной и других отраслей промышленности.
Как обучают специалистов в области аддитивных технологий?
Образовательные учреждения предлагают вводить группы, потоки по направлению аддитивных технологий. Я же убежден, что аддитивному производству целесообразно обучать всех студентов в курсе общего машиностроения, чтобы рядовой конструктор, изучая различные виды производства: литье, кузнечное дело и т. п., — обучался и технологиям 3D-печати. Они должны входить в набор базовых знаний современного инженерного специалиста. Кафедры целесообразно создавать, если они не будут противопоставлять себя традиционным методам производства.
РусАТ сотрудничает с 14 ведущими технологическими университетами, мы создаем центры аддитивных технологий общего доступа.
Портфель заказов РусАТа можно разделить на три блока: услуги печати и постобработки, поставка 3D-принтеров с сопутствующим технологическим оборудованием и инжинирингом, поставки металлопорошковых композиций. В рамках предоставления услуг печати и постобработки РусАТ выполняет заказы для предприятий атомной и других отраслей промышленности.
Как обучают специалистов в области аддитивных технологий?
Образовательные учреждения предлагают вводить группы, потоки по направлению аддитивных технологий. Я же убежден, что аддитивному производству целесообразно обучать всех студентов в курсе общего машиностроения, чтобы рядовой конструктор, изучая различные виды производства: литье, кузнечное дело и т. п., — обучался и технологиям 3D-печати. Они должны входить в набор базовых знаний современного инженерного специалиста. Кафедры целесообразно создавать, если они не будут противопоставлять себя традиционным методам производства.
РусАТ сотрудничает с 14 ведущими технологическими университетами, мы создаем центры аддитивных технологий общего доступа.
Объем российского рынка аддитивных технологий, целевой прогноз, млн руб.
Что мешает внедрять аддитивные технологии в производство? И как преодолеть эти помехи?
Сначала очень мешало недоверие инженеров на производствах. Я и сам, работая в авиационной отрасли, сомневался в том, что 3D-технологии можно применять в авиастроении. Это было связано с неправильным представлением о возможностях аддитивных технологий: их изначально противопоставляли традиционным видам производства, отсюда и «аллергия» машиностроителей. Сейчас аддитивное производство заняло свою нишу, демонстрирует потенциал и эффективность, поэтому и отношение к нему меняется.
Еще одна проблема: сложно вносить изменения в конструкторскую документацию серийно производимых изделий. Для того чтобы продемонстрировать выгоду при изготовлении детали, необходимо провести ряд типовых испытаний (статических, динамических, климатических и др.). К сожалению, не у всех предприятий есть возможность их финансировать.
Еще один барьер на пути развития аддитивного производства — недостаточность стандартов, регламентирующих требования к аддитивным технологическим процессам. Это сильно ограничивает возможности внедрения аддитивных технологий в практику серийного изготовления продукции.
Стандарты — это документы, закрепляющие наилучшие практики, поэтому разработка стандарта без опыта в рассматриваемой области невозможна. Другими словами, получается замкнутый круг: нет нормативной базы — никто не внедряет аддитивные технологии, а не внедряют их потому, что отсутствует нормативная база для этого. Этот замкнутый круг необоходимо разорвать. В качестве исходной информации для разработки стандартов могут быть использованы результаты НИР и НИОКР, опыт организации аддитивного технологического процесса, статистические данные по определяемым характеристикам выпускаемого сырья или продукции.
В целях формирования фонда стандартов по инициативе госкорпорации «Росатом» создан и работает в течение восьми лет технический комитет по стандартизации ТК 182 «Аддитивные технологии». За это время при участии ТК 182 разработано и утверждено более 50 стандартов.
Таким образом, наличие единой терминологии, установленные требования к сырью и конечной продукции, а также признанные на национальном уровне методы испытаний помогут внедрению аддитивных технологий.
Сначала очень мешало недоверие инженеров на производствах. Я и сам, работая в авиационной отрасли, сомневался в том, что 3D-технологии можно применять в авиастроении. Это было связано с неправильным представлением о возможностях аддитивных технологий: их изначально противопоставляли традиционным видам производства, отсюда и «аллергия» машиностроителей. Сейчас аддитивное производство заняло свою нишу, демонстрирует потенциал и эффективность, поэтому и отношение к нему меняется.
Еще одна проблема: сложно вносить изменения в конструкторскую документацию серийно производимых изделий. Для того чтобы продемонстрировать выгоду при изготовлении детали, необходимо провести ряд типовых испытаний (статических, динамических, климатических и др.). К сожалению, не у всех предприятий есть возможность их финансировать.
Еще один барьер на пути развития аддитивного производства — недостаточность стандартов, регламентирующих требования к аддитивным технологическим процессам. Это сильно ограничивает возможности внедрения аддитивных технологий в практику серийного изготовления продукции.
Стандарты — это документы, закрепляющие наилучшие практики, поэтому разработка стандарта без опыта в рассматриваемой области невозможна. Другими словами, получается замкнутый круг: нет нормативной базы — никто не внедряет аддитивные технологии, а не внедряют их потому, что отсутствует нормативная база для этого. Этот замкнутый круг необоходимо разорвать. В качестве исходной информации для разработки стандартов могут быть использованы результаты НИР и НИОКР, опыт организации аддитивного технологического процесса, статистические данные по определяемым характеристикам выпускаемого сырья или продукции.
В целях формирования фонда стандартов по инициативе госкорпорации «Росатом» создан и работает в течение восьми лет технический комитет по стандартизации ТК 182 «Аддитивные технологии». За это время при участии ТК 182 разработано и утверждено более 50 стандартов.
Таким образом, наличие единой терминологии, установленные требования к сырью и конечной продукции, а также признанные на национальном уровне методы испытаний помогут внедрению аддитивных технологий.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ