Осенью 2018 года прошел целый ряд специализированных конференций и семинаров, в рамках которых отмечались тенденции и направления развития технологий для промышленных применений, были представлены новинки оборудования и инструмента, обеспечивающие новые производственные возможности, были показаны инновационные решения для актуальных задач. О некоторых из этих событий, посвященных развитию лазерных и аддитивных технологий, хочется рассказать особенно.

Лучевые технологии и применение лазеров

Девятая конференция «Лучевые технологии и применение лазеров» (BTLA‑2018) проходила с 17 по 19 сентября в городе Пушкине под Санкт-Петербургом и собрала около 200 человек, представляющих ведущие компании, научно-исследовательские организации и вузы России и других стран, в том числе Китая, Финляндии, Нидерландов, Германии, Латвии, Республики Беларусь и Украины. Ее организаторами выступили Государственный морской технический университет (СПбГМТУ) и Институт лазерных и сварочных технологий (ИЛИСТ).

Глеб Андреевич Туричин
Конференция проводится раз в три года и имеет богатую историю продолжительностью в 27 лет. По словам ректора СПбГМТУ и руководителя ИЛИСТ Глеба Андреевича Туричина, именно за эти годы лазерные и теперь аддитивные технологии (АТ) пришли в отечественную промышленность, причем в самые передовые ее отрасли. И российские разработки не только не отстают от зарубежных, а позволяют говорить об импортоопережении. Например, первые работы по лазерной сварке в воздушно-реактивных ракетных двигателях были сделаны в ИЛИСТ. Только за прошлый год институт поставил четыре лазерные технологические установки на отечественные промышленные предприятия. Крайне перспективной областью для внедрения новых технологий, позволяющих существенно повысить производительность производства, является судостроение.
«Это действительно то направление, с которым мы связываем свои ожидания», — подтвердил в своем выступлении и вице-президент Объединенной судостроительной корпорации (ОСК) Дмитрий Юрьевич Колодяжный. Лучевые и лазерные технологии продолжают занимать место в судостроении и кораблестроении, начиная от лазерно-оптических измерительных инструментов и заканчивая судовым машиностроением, крупноблочным строительством. Это те технологии, которые позволяют экономить десятки тысяч нормо-часов при создании образцов пилотных объектов и потом распространять их в серию. По контракту с ОСК СПбГМТУ занимается масштабными исследованиями, которые на выходе будут иметь полный экономический и технологический анализ, а также предложения по модернизации отрасли судового машиностроения. Уже сейчас за счет пробных шагов по внедрению видно, что эффективность может быть повышена в разы. Получить скорость сварки до 2 м/мин — это для ручного или маломеханизированного труда цифры недостижимые. Применение лазерных автоматизированных технологий сварки, по словам докладчика, одна из ключевых задач, которая позволит выйти, по приблизительным оценкам, на 30–40% прирост выручки корпорации за счет внедрения в гражданскую и частично в военную сферу деятельности. Говоря о следующем этапе, который связан с внедрением аддитивных технологий, Дмитрий Юрьевич отметил специфичность судостроительных деталей, имеющих крупные габариты и сложные криволинейные поверхности по сравнению с деталями тех отраслей, где сейчас идет активное продвижение АТ. Опять-таки с СПбГМТУ в настоящее время осуществляется подбор деталей судового машиностроения для изготовления с помощью АТ, идет активный анализ эффективности внедрения АТ по сравнению с традиционными технологиями. Например, с помощью технологии прямого лазерного выращивания были изготовлены экспериментальные детали: лопасть винта (габариты 500×500×400 мм, время выращивания 8 часов), часть гидрозатвора (габариты 300×200×200 мм, время выращивания 8 часов) и др. Уже в 2019 году планируется выйти на отдельные серийные изделия в этой области.
Если же вспомнить о самых крупногабаритных изделиях из металла, то, конечно, с ними имеет дело Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом». Это турбины, ледокольные суда, корпусные энергетические ядерные установки — большие массы материалов, дорогие материалы. Необходимость увеличения коэффициента их использования, возможность перейти к новому дизайну деталей стали движущей силой развития в компании аддитивных технологий, для чего было создано специальное подразделение — ООО «Русатом—Аддитивные технологии» (РусАТ). Заместитель генерального директора АО «Наука и инновации» Алексей Владимирович Дуб обозначил на конференции основные составляющие в рамках платформы жизненного цикла аддитивного производства «Росатома» и соответственно направления для деятельности корпорации: специализированное программное обеспечение «Виртуальный принтер», производство 3D-принтеров, лазерных систем, систем контроля, материалов и порошков, ключевых комплектующих, а также сетевой сервис и обслуживание B2B и В2С. Работы идут в тесной кооперации с рядом ведущих компаний. Так, в создании виртуального 3D-принтера корпорация ориентируется на отечественный программный продукт на базе «Логоса», созданный в Федеральном ядерном центре в Сарове. Разработанная линейка оборудования селективного сплавления (размеры камер построения от 160 до 550 мм) дополнилась новым принтером, который может работать с двумя порошками. В данной разработке также приняли участие ИЛиСТ и НИТУ МИСиС. Подписано соглашение с ВИАМ о сотрудничестве в сертификации отечественных порошков на отечественном оборудовании. Подписано соглашение с Oerlikon по международной сертификации порошков. В результате проведенных работ опробован широкий спектр материалов, обеспечена воспроизводимость результатов на изделиях от 5 г до 30 кг, с габаритами от 10 до 350 мм, с элементами структуры от 300 мкм. Полученные с помощью АТ медицинские изделия из титана проходят предклинические и клинические испытания, в планах корпорации производить образцы изделий внутрикорпусных устройств атомных реакторов.

Очевидно, что поставленные цели должны подкрепляться серьезными исследовательскими и конструкторскими работами, и участники конференции рассказывали о полученных результатах и перспективах развития. Некоторые достижения хотелось бы выделить особо.
Так, в ИЛИСТ разработана линейка роботизированных машин прямого лазерного выращивания (DMD-технология) с максимальным диаметром рабочей зоны 2200 мм и высотой 600 мм, и это не предел — машина следующего типоразмера в работе. Совместно с СКБ «Станкостроение» из Стерлитамака для «НПЦ газотурбостроения «Салют» была изготовлена гибридная машина, которая позволит на основе технологии прямого лазерного выращивания получать изделия более одного метра и затем осуществлять их механическую обработку. О перспективах внедрения такого оборудования рассказал начальник отдела лазерной обработки АО «НПЦ газотурбостроения «Салют» филиала НИИД Сергей Иванович Щербаков. Кстати, он упомянул и о том, что предприятие имеет большой опыт по эксплуатации лазерного оборудования резки, сварки, наплавки, обработки керамических стержней. Один из новых комплексов лазерной порошковой наплавки с пятью управляемыми координатами и волоконным лазером был поставлен НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ» и показал хорошие результаты при наплавке целым рядом материалов. Для ремонта используется на предприятии и проволочная наплавка.

Развитию проволочной наплавки на современном уровне сейчас придается большое значение. В корпорации «Росатом» для производства крупногабаритных изделий начата разработка технологии плазменной наплавки из титановой проволоки, а также оборудования и проволоки для ее реализации. В ИЛИСТ ведутся работы по изготовлению деталей методом лазерной наплавки крупногабаритных деталей, и большое внимание уделяется сплавам на основе алюминия. О перспективах технологии высокопроизводительной проволочной наплавки и последующей обработки говорил и Дмитрий Николаевич Трушников из Пермского государственного университета. Здесь получены хорошие результаты по плазменной наплавке проволокой из нержавеющих, жаропрочных сталей, ведутся работы по титановым сплавам, развивается проект по моделированию данного процесса, что особенно актуально при производстве крупногабаритных изделий. В партнерстве с Пермским заводом металлообрабатывающих центров планируется создание серии гибридных машин выращивания и последующей обработки заготовки.
Перед разработчиком газотурбинных двигателей ОДК «Авиадвигатель» стоят амбициозные задачи по созданию новых перспективных изделий, в т. ч. тяжелого двигателя ПД‑35, что без применения инновационных технологий невозможно. Как рассказал в своем докладе заместитель главного инженера Александр Григорьевич Аксенов, аддитивными технологиями на предприятии занимаются с 2010 года. Внедрены технологии SLS (селективное лазерное спекание), LMD (лазерная порошковая наплавка), SLM (селективное лазерное плавление). Задача для 2018–2020 гг. — изготовление металлических крупногабаритных заготовок с помощью DMD-технологии. Как значимый результат большой совместной работы с ВИАМ было отмечено, что в новом двигателе ПД‑14 находятся 48 завихрителей, которые будут изготавливаться по АТ серийно.
Нельзя не упомянуть уникальный проект, который планируется к реализации в Государственном морском техническом университете — это создание на базе действующей судостроительной верфи «Цифровой верфи». «Чем цифровизация отличается от того, что делалось последние 20–25 лет в рамках внедрения информационных технологий управления жизненным циклом сложных технических изделий и управления ресурсами предприятия?» — задает вопрос в своем выступлении директор института информационных технологий СПбГМТУ Алексей Викторович Липис. Сегодня информационные технологии меняют свою позицию, переходя из технологий вспомогательных в доминирующие, и открывают возможности для реализации принципиально новых физических технологий. И аддитивные технологии тому яркий пример. С другой стороны, появление новых физических технологий требует дальнейшего развития информационных. И проект «Цифровая верфь» — это концепция создания высокоэффективной судостроительной компании путем трансформации бизнес- и технологических процессов на основе комплексного использования современных цифровых информационных и промышленных технологий и лучших практик их применения. Сегодня очевидно, что виртуальный мир позволяет создать практически полностью достоверный цифровой двойник не только самого объекта, но и процесса его постройки, эксплуатации, утилизации, причем исправление ошибки в виртуальном мире значительно дешевле, чем в мире реальном.
Были и другие впечатляющие сообщения, состоявшиеся как в рамках пленарного заседания, так и на тематических секциях по оборудованию и технологиям сварки, наплавки, термообработки и резки, по физическим основам и математическому моделированию лучевых технологий, по метрологии, измерениям и контролю, по аддитивным технологиям, а также в ходе стендовых выступлений. Прозвучали доклады представителей МГТУ им. Н. Э. Баумана, МЭИ, МИСиС, АО «Композит», НТО «ИРЭ-Полюс», Казанского национального исследовательского технического университета им. А. Н. Туполева, СПбГМТУ, Владимирского государственного университета, Томского политехнического университета, ЦИАМ, ВНИИНМ им. А. А. Бочвара, ассоциации «Технологическая платформа «Авиационная мобильность и авиационные технологии» и др. Интересные темы поднимались и в выступлениях представителей зарубежных научных центров и компаний: Oerlikon (Нидерланды) — о развитии аддитивного производства, Fanuc Russia — о трендах развития индустриальных роботов, Федерального института исследования и тестирования материалов (Германия) — по лазерной сварке, Erlas (Германия) — по гибким лазерным системам, Ганноверского университета им. Лейбница — об электронно-лучевой сварке, Ixun Lasertechnik GmbH (Германия) — о лазерной наплавке и закалке и др.
В завершении конференции было подписано соглашение о формировании консорциума ведущих университетов Санкт-Петербурга, осуществляющих подготовку кадров и научные разработки в судостроительной отрасли. В состав консорциума, созданного на базе СПбГМТУ, на правах учредителей также вошли: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина); Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет); АО «Центр технологии судостроения и судоремонта». На церемонии подписания отмечалось, что консорциум создается в соответствии с необходимостью укрепления позиций Российской Федерации как одной из ведущих научных держав мира в области кораблестроения и морской техники, внедрения инновационных разработок в производство, а также повышения рейтингов университетов.

Актуальные темы докладов, представительный состав участников, отличная организация конференции BTLA, включая публикацию тезисов докладов в журнале Journal of Physics: Conference series, индексируемого в Scopus, синхронный перевод заседаний и культурная программа делают ее привлекательной для участников и эффективной для обмена знаниями и опытом между коллегами и единомышленниками. Это подтверждает и статистика, и положительные отзывы участников.

Импульсные волоконные лазеры для маркировки

Широкий спектр предлагаемых на рынке волоконных лазеров и разнообразие их применений в различных отраслях все больше вызывает интерес специалистов промышленных предприятий к лазерным системам обработки материалов. Именно их вниманию был предложен семинар «Применение импульсных волоконных лазеров IPG-Photonics для решения технологических задач в промышленности», организованный интегратором волоконных лазеров ООО «Лазерный центр» (Санкт-Петербург) на площадке крупнейшего производителя волоконных лазеров НТО «ИРЭ-Полюс» (входит в корпорацию IPG-Photonics).Участниками мероприятия стали более 200 человек, посетивших семинар и посмотревших его запись благодаря онлайн-трансляции.

Сергей Георгиевич Горный
Директор ООО «Лазерный Центр» С. Г. Горный сразу акцентировал внимание слушателей на преимуществахпоявления и внедрения волоконных лазеров, остановившись на примере лазерных систем маркировки. Так, в период 2004–2007 гг. компанией предлагались системы с тремя видами лазеров: с ламповой накачкой (мощность лазера 5 кВт, питание 380 В, вес установки 250 кг), с диодной накачкой (мощность лазера 1,5 кВт, питание 220 В, вес установки 35 кг), волоконным (мощность 0,5 кВт, питание 220 В, вес установки 25 кг). Нетрудно догадаться, за какими системами осталось первенство. Но волоконные лазеры победили не только по массогабаритным характеристикам, они дали более удобное равномерное распределение лазерного пучка, широкий диапазон импульсов по длительности, энергии, частотам. Импульсы волоконного лазера имеют возможность для более быстрого управления, у них более крутые фронты, и это полезно для технологических применений.
Современная система лазерной маркировки, состоящая из лазерного излучателя, системы перемещения и фокусировки, программного обеспечения и конструкционного блока, позволяет реализовывать технологии маркировки, 3D-гравировки, маркировки термовлиянием, цветной маркировки и др. Возможна маркировка различных материалов: сталей, окрашенных изделий, изделий из пластика, керамики, специальных материалов электронной техники (кремний, поликор, ситалл) и др. Область применения очень широкая: штриховое кодирование, маркировка проводов, лимбов и шкал приборов, драгоценных камней, инструментов и др. Деликатное воздействие лазерного луча дает возможность обрабатывать не только детали, но и, например, технологические сборки электроники. Доклады о направлениях использования лазерной маркировки были сделаны как специалистами «Лазерного центра», так и представителями компаний АО «ИнСис» (применение оборудования «ТурбоМаркер» на производстве электронной техники), ООО «ПЛ Инжиниринг» (технологии микрообработки, маркировки и резки в производстве электронных компонентов), «АСМед» (маркировка хирургических инструментов), TrotecGmbH (применение комбинированных систем маркировки с импульсными волоконными и СО2‑лазерными излучателями).

Развитие технологии маркировки идет в направлении цветной обработки, внедрения защитных технологий (микромаркировка, штрих-кодирование), обработки материалов. Так, к новым технологиям можно отнести лазерно-эрозионную технологию laserbarking, разработанную в «Лазерном центре» для получения штампов, форм и штамповой оснастки, технологию цветной маркировки Colorit — совместная разработка ООО «ColorIT» и «Лазерного центра».
Важный вопрос в своем выступлении отметил технический директор «Лазерного центра» В. И. Юревич: «Какую систему можно считать прецизионной»? В процессе работы на систему действуют разные факторы: это постоянные и спонтанные ошибки приводов, тепловые процессы лазерной оптики, различие величины отклика материала на лазерное воздействие и т. д. Докладчик предложил считать систему прецизионной, если величина максимальной абсолютной ошибки не превышает одной десятой величины отклика материала. Для стандартных установок «Лазерного центра» типичный размер лазерного пучка составляет единицы и малые десятки микрон, т. е. ошибку необходимо обеспечить на уровне единиц микрометров. И за достижением такой точности стоит серьезная подготовительная работа. Например, стадиями подбора композиции оптических систем являются: аналитический расчет, выбор стартовой точки оптимизации, компьютерное моделирование и оптимизация, оценка влияния мощного лазерного излучения, оценка влияния ошибок изготовления компонентов и возможности их коррекции, оценка влияния прочих факторов. И эти вопросы касаются только фокусировки пучка, а есть еще вопросы математики движения этого пучка. Кроме того, необходимость повышения точности (высокое разрешение сканирования) приводит к тому, что растут требования к вычислительным устройствам. И для того, чтобы избежать применения сложных устройств, приходится использовать сложные расчетные алгоритмы. Cвою динамику имеет система в целом (концепция Lego в данном случае применяться не может). И это тот круг вопросов, с которыми сталкивается разработчик оборудования. И это та цена, которая дает технологу на производстве сбалансированный станок, а значит, технологическую свободу и легкость эксплуатации.
Еще один практический вопрос был поднят на семинаре директором по инновациям «Лазерного центра» И. Н. Фоменко: «А что такое хороший лазерный станок? Это тот станок, который решает технологические задачи, универсален, создает конкурентные преимущества, работает в режиме 24/7, экономически эффективен». Производственные системы могут отличаться не только по точности и производительности, но и по степени автоматизации. Они могут быть мобильными, портальными, под специальные цели и задачи. Кроме того, их внедрение должно быть экономически оправдано. Поэтому в «Лазерном центре» представлен довольно большой ассортимент оборудования, которое может быть предложено с максимальным учетом требований клиентов или спроектировано специально. И это также можно отметить как тенденцию.
Применение волоконных лазеров неизменно растет, причем в тех направлениях и областях, где ранее это было трудно представить. Помимо подробно рассмотренных внедрений для маркировки и гравировки существенных прогресс достигается в лазерной резке, сварке, термообработке, наплавке, аддитивных технологиях и др. Но это темы других семинаров и конференций.

Фото: СПбГМТУ, ООО «Лазерный центр»