Аддитивные производства с применением 3D-принтеров являются выигрышными для России при участии в мировом экономическом соревновании с блоком недружественных государств. Ожидаемый дефицит кадров к 2030 году, вызванный демографической ямой, может быть отчасти компенсирован за счет цифровизации аддитивных технологий, обладающих высокой адаптивностью и широким потенциалом для трансформации и рационализации производства и логистики поставок.

 

Владимир Тесленко,  

кандидат химических наук

 

 

Введение

 

 

В последнее десятилетие наблюдается широкое распространение аддитивного производства. Высокая скорость наладки оборудования и отсутствие необходимости в изготовлении пресс-форм делают технологию 3D-печати незаменимой для малотиражного производства. Технология 3D-печати предполагает послойное наплавление, или нанесение, или отверждение материала по одному из порядка ста известных способов.

 

Актуальность внедрения цифровых технологий в аддитивное производство диктуется следующими ключевыми моментами. Процесс аддитивного производства сопровождается большой вариабельностью, т. к. в процессе сплавления по мере выращивания детали происходит постоянное изменение тепловых потоков и, как следствие, изменение теплонапряженного состояния. В результате процессы, происходящие в ванне расплава, существенно отличаются от задаваемых технологическими режимами сплавления, что влечет за собой изменение параметров микроструктуры, приводит к появлению пор, трещин, снижению геометрической точности процесса — в целом к производственному браку.

 

Оптимизации конструкции заготовки (система рационального назначения припусков) и предварительная коррекция заготовки на величину, обратную термическим искажениям, позволяют лишь частично компенсировать термические искажения. Необходимо адаптивное управление качеством сплавления (т. е. непосредственно в процессе выращивания) за счет своевременного изменения скорости и мощности сплавления в управляющей программе. Установка прямого лазерного выращивания (УПЛВ) может быть оборудована камерой для получения изображения сплавляемых слоев. Внешний вид сплавляемых слоев коррелирует с параметрами микроструктуры, в этой связи ставится задача определить эту связь с помощью нейронных сетей и машинного обучения и адаптивно изменять технологические параметры выращивания для обеспечения требуемой микроструктуры в процессе ПЛВ. Зарубежные установки обладают такой запатентованной системой мониторинга и адаптивного управления, а отечественные УПЛВ, в частности установленные на «ОДК-Кузнецов», — не оборудованы.

 

Решение задачи создания такой программно-­аппаратной системы является целью проекта предприятия.

 

Особенно важны аддитивные технологии (АТ) на базе комплексного, системного парка 3D-принтеров и 3D-сканеров для оборонного комплекса и его базиса — тяжелой индустрии, в том числе реинжиниринга (расшифровки и усвоения) передовых западных научно-­технологических достижений.

 

 

Генеральный директор Центра Аддитивных Технологий ГК «Ростех» Владислав Кочкуров так прокомментировал нам в эксклюзивном интервью вклад аддитивных технологий на примере авиатехники в России: «Уникальная технология 3D-печати обеспечивает многократное сокращение сроков изготовления деталей, что особенно важно сегодня, в эпоху снижения зависимости от зарубежных материалов и комплектующих. Каждый наш продукт — своего рода вклад в импортозамещение отечественной авиации. Скорость — важное, но не единственное преимущество аддитива. Возможность применения принципиально иных конструкторско-­технологических решений, а в конечном счете — снижение массы изделия без потери прочностных характеристик — существенный плюс для авиации. Меньший вес летательного аппарата при сохранении его аэродинамических характеристик означает более высокую грузоподъемность и, как следствие, повышенную рентабельность.

 

Если говорить о барьерах, которые присутствуют в отрасли на сегодняшний день, то первый — это несовершенство нормативной базы и ограниченное количество технологических платформ для селективного лазерного спекания при общей квалификации материала. Длительный и дорогостоящий процесс кроссплатформенного переноса режимов сплавления и общей квалификации материала на аддитивные установки российского и китайского производства также осложняет процесс производства в авиастроении. Плюс ко всему при переходе к серийному производству есть необходимость проведения спецквалификации материала и заготовки детали в соответствии с нормами Росавиации, а также применения единых методик оценки и объемов испытаний. Над этими барьерами в данный момент активно работает и отрасль, и профильные министерства».

 

По оценке экспертов, через десять лет около 30% компонентов авиационных двигателей будет изготовлено с помощью аддитивных технологий [1]. 

 

 

Несмотря на существенный прогресс аддитивных технологий, субтрактивное производство, включая обработку металла резанием, остается основным методом получения готовых изделий, в том числе в высокотехнологичных секторах экономики, таких как аэрокосмическая отрасль. Развитие технологий обработки металлов, повышение требований к скорости и точности резания, а также качеству обработанной поверхности стимулирует дальнейшее исследование задействованных физических и механических процессов, а в этом существенную роль играет численное моделирование. Основой численного исследования является реалистичная модель, учитывающая существенные физические процессы. При высокоскоростной обработке металлов определяющую роль играет динамическая пластическая деформация, сопровождающаяся изменением микроструктуры (ростом плотности дислокаций, образованием двой­ников и субзеренных границ, измельчением зерен и т. д.), а также формирование полос сдвига и разрушение материала по полосам сдвига. Обратные проблемы наблюдаются при 3D-печати, например, слабая адгезия слоев, асимметрия напечатанного материала, технологическая пористость [2]. На практике применяется постобработка, в частности, изостатическое прессование, облучение атомарными и кластерными ионами и др.

 

 

Клуб аддитивных технологий презентовал в конце мая 2024 г. масштабное комплексное исследование российского рынка технологий аддитивного производства. Динамика взлета рынка аддитивных технологий в РФ впечатляет своими выдающимися темпами. В исследовании показано, что с 2021 по 2023 год наблюдался значительный рост общего объема рынка: на 33,9% с 2021 по 2022 год и на 60,1% с 2022 по 2023 год. Общий объем рынка в 2023 году, согласно оценке, составил 15,5 млрд руб., что более чем в 2 раза превышает объем 2021 года. Крупнейший сегмент рынка — 3D-принтеры (6853,9 млн руб­лей), рост в 2023 году составил 76%. Другие значимые сегменты: материалы (3426,6 млн руб­лей, рост — 45,8%) и услуги аддитивных центров (2797,3 млн руб­лей, рост — 35%).

 

 

 

Минпромторг РФ, курирующий АТ, прорабатывает ряд мер для стимулирования АТ, в том числе путем решения научно-­технических проблем. Так, Валерий Пивень, директор Департамента станкостроения и тяжелого машиностроения, пояснил нам через пресс-­службу Минпромторга РФ так: «Сейчас аддитивные технологии отождествляют собой переход производства на новый, современный, высокотехнологичный уклад. И это немудрено: безотходное производство, быстрое прототипирование, изготовление высококачественных изделий со сложной геометрией, гибкость производства — это лишь малая часть тех преимуществ аддитивных технологий перед традиционными средствами производства, благодаря которым все больше отраслей промышленности внедряет их на свои производства. И поэтому наша задача как Минпромторга России максимально стимулировать развитие этой отрасли промышленности в Российской Федерации. Для этого в создаваемом национальном проекте технологического лидерства «Средства производства и автоматизации» мы собираемся предусмотреть ряд мер государственной поддержки для реализации НИОКРов, повышения стоимостной конкурентоспособности и обеспечения льготных кредитов в рамках ФРП с возможностью их списания за счет субсидии Минпромторга России».

 

 

Одновременно существенные усилия по научно-­ис-следовательским, теоретическим и опытно-­конструк-торским работам в сфере АТ осуществляют несколько федеральных министерств, включая Минстрой и Минсельхоз, ГК «Росатом», ряд институтов РАН, сеть технических вузов, отдельные частные компании. Финансирование осуществляется за счет федерального и местных бюджетов, по госзаданиям и госзаказам, в рамках корпоративных научно-­технических программ, а также грантами от Минобрнауки РФ, Минсельхоза РФ, Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-­технической сфере и других инновационных фондов поддержки технического бизнеса, а также частными предприятиями, например, ООО «Завод Сигнал». Часть проекта выполняется в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет — 2030».

 

В частности, в ФГАОУ ВО «СПбПУ» организован и функционирует научно-­образовательный центр «Конструкционные и функциональные материалы», который обладает широкими компетенциями в области аддитивных технологий. Результаты этих работ имеют фундаментальный и прикладной характер и нашли широкое применение в промышленности, в частности, в порошковой металлургии, приборостроении, космической технике, транспорте, оборонной и других отраслях промышленности. Коллективом исполнителей за предшествующие годы накоплен значительный опыт в реализации проектов в области разработки новых материалов и аддитивных технологий.

 

По оценке экспертов, объем финансирования НИОКР в области 3D-печати в России за последнее десятилетие существенно вырос, причем очевидно нарастание прикладной науки для актуальных проблем террагерцевой электроники, атомной специальной энергетики, разнообразной авиатехники, морского дела (в том числе беспилотных аппаратов), космоса (включая микроспутники).

 

О назначении данных вложений можно судить по открытым закупкам НИР, выданным патентам на изобретения и полезные модели, по рефератам грантов, а также выложенным в открытый доступ кандидатским и докторским диссертациям (по базам данных ФИПС, ЕГИСУ НИОКТР и «Закупки.гов.ру»). Приблизительная картина выглядит так.

 

 

Человек

 

 

Развитие аддитивных технологий применительно к медицине стало особо актуально в связи с СВО на Украине и значительным числом пострадавших, как военнослужащих, так и гражданских лиц. Так, аддитивные и биотехнологии в реконструктивной хирургии дефектов костей черепа и твердой мозговой оболочки прорабатывает Научно-­исследовательский институт травматологии и ортопедии им. Я.Л. Цивьяна. Для выполнения исследования на разных этапах привлекались сотрудники из различных учреждений (консультации, совместные разработки), в т. ч.: Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского СО РАН, ООО «ЛОГИКС Медицинские Системы» (Новосибирск). В процессе выполнения клинического раздела научно-­исследовательской работы проводилась оценка отдаленных результатов хирургического лечения больных с приобретенными дефектами костей черепа, которым выполнялись реконструктивные нейрохирургические вмешательства с использованием индивидуальных имплантатов, полученных методом трехмерной печати из порошка титанового сплава в период с 2016 по 2024 год. Были разработаны способы профилактики осложнений после оперативных вмешательств с применением индивидуальных титановых имплантатов. Разработаны и предложены концепции по применению специальных титановых имплантатов при операциях по поводу мальформации Киари I типа.

 

Важные исследования 3D-печати ведут МФБА РФ, Федеральный научный центр реабилитации инвалидов им Г.А. Альбрехта, около десяти медицинских вузов и др. Отрадно, что осуществляются конкретные, узкоспециализированные разработки (поверхностно-­модифицированные высокопористые имплантаты на основе титана, изготовленные аддитивными методами, для черепно-­челюстно-лицевой хирургии). Коллектив под руководством Дмитрия Владимировича Штанского (НИТУ МИСИС) разработал плоские высокопористые титановые имплантаты, производимые аддитивными методами, с многокомпонентным покрытием, полученным методом плазменно-­электролитического окисления. Разработку технологии аддитивного производства металлических внутрисосудистых имплантированных протезов методом селективного лазерного сплавления осуществляет Всеслав Юрьевич Новиков (Белгородский государственный национальный исследовательский университет), партнер по проекту — ООО «РК Групп» (г. Грозный). Разработку технологии трехмерной печати вязкими биополимерами с использованием гетерофазной системы для получения изделий медицинского назначения ведет Российский химико-­технологический университет имени Д.И. Менделеева.

 

Правоохранительная система, в частности органы борьбы с изменниками и предателями, также настроена на использование 3D-печати в судебно-­экспертной деятельности. Так, в диссертации кандидата юридических наук Анастасии Юрьевны Поляковой (Уфимский университет науки и технологий), обоснована доступность технологии получения моделей из фотографий и кадров видеозаписи. Рассмотрен общий алгоритм работы программного обеспечения фотограмметрии для создания 3D-моделей из совокупности перекрывающихся изображений объекта-­оригинала.

 

Применение технологий биопринтинга в перспективе позволит повысить среднюю продолжительность жизни до 100 лет, а ментальную — до 115–150 на единицу народонаселения [3].

 

 

Машины

 

 

По 3D-железу можно отметить три направления:
• Создание годных 3D-сканеров, 3D-принтеров и вспомогательного оборудования (органохимические смесители термопластов, плазменные синтезаторы металлических порошков для лазерной 3D-печати и пр.).
• Ремонтные устройства для «больных и болезненных» 3D-принтеров.
• Собственно 3D-принтинг.

 

Рассмотрим только третий аспект.

 

Многие исследователи и разработчики АТ изначально ориентированы на промышленные предприятия. Например, МФТИ по направлению изготовления электронных устройств с помощью печатного и лазерного оборудования имеет группу организаций-­партнеров, заинтересованных в промышленном применении разрабатываемых технологий: АО «НИИМЭ», АО «НПО «Орион», АО «ПКК Миландр», ООО НПЦ «Лазеры и аппаратура ТМ», ООО «С-Компонент», ООО «Аэролайф-­М», ООО «ИТИ».

 

Для авиатехники актуально повышение качества АТ. Один из путей реализуется за счет анализа и устранения вариабельности процесса при синтезе изделий из металлопорошковых композиций, оптимизации режимов последующей постобработки методами поверхностного пластического деформирования на основе оптимизационного моделирования процессов. В частности, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева взялся за грант Минобрнауки (32 млн руб.), чтобы решить следующие укрупненные задачи повышения показателей качества:
— разработка методической и алгоритмической основы для учета и снижения вариабельности процесса аддитивного производства путем экспериментального и виртуального моделирования производственного процесса изготовления ответственных деталей из металлопорошковых композиций;

— разработка методов улучшения характеристик поверхностного слоя деталей аддитивного производства (повышение точности геометрии, уменьшение шероховатости) за счет использования технологий обработки свободным абразивом и поверхностным пластическим деформированием;
— разработка и верификация инспекционных показателей для учета изменчивости свой­ств материала и параметров технологических процессов, связанных с аддитивным производством и постобработкой.

 

В результате будут получены:
— аналитическая модель влияния стохастичности факторов аддитивного производства на показатели качества деталей по характеристикам дефектов (поры, трещины, несплавления) макро- и микроструктуры.
— аналитическая модель влияния стохастичности факторов аддитивного производства на показатели качества деталей по параметрам неоднородности химического состава и наличию примесей.
— оптимизационные модели повышения характеристик поверхностного слоя деталей методом ППД (алмазное выглаживание роликом) для деталей, полученных аддитивными технологиями, учитывающие исходный разброс (стохастичность) характеристик поверхностного слоя.

 

Интересны АТ при комплексных/составных энергетических источниках. Например, в Казанском национальном
исследовательском техническом университете им. А.Н. Туполева — ­КАИ ведется разработка научно-­технологических основ создания новых функционально-­градиентных материалов на основе принципов управления структурой сплавов в процессе лазерно-­акустического аддитивного производства. Лазерно-­акустический метод аддитивного производства позволяет сформировать образцы с градиентной пористостью, химическим составом и свой­ствами. Показано, что введение ультразвуковых колебаний с частотой 22 кГц позволяет управлять пористостью образцов в процессе их выращивания методами аддитивного производства, а как следствие — химическим составом и свой­ствами. В ходе проекта разработана технология формирования пористых материалов биомедицинского назначения из сплава ВТ6/Ta/Zr.

 

Проект в РТУ МИРЭА касается нового научного направления — аддитивного производства устройств гибкой электроники. Оно обладает большим потенциалом как в области поисковых и фундаментальных научных исследований, так и в области развития прикладных проектов по выводу на массовый рынок большого количества разнообразных новых продуктов с новыми потребительскими свой­ствами. Гибкая электроника и аддитивное производство являются в настоящее время одними из наиболее интенсивно развивающихся направлений в науке и технике. Объединение данных направлений обладает синергетическим потенциалом для расширения и развития стратегического проекта «Печатная электроника». Гибкая электроника может быть использована в самых разных областях, где потребность в гибкости/эластичности, специфические механические нагрузки или ограничения в сложности формы традиционных жестких печатных плат не позволяют их эффективно использовать. Однако значительные затраты на производство устройств гибкой электроники традиционными методами замедляют развитие этого направления и, как следствие, практического использования гибкой электроники в коммерческих целях. Положение может изменить 3D-печать. В рамках проекта будут разработаны: технологии 3D-печати экспериментальных устройств гибкой электроники методом FDM (как из оригинального материала, так и из коммерчески доступных материалов), электропроводящий гибкий полимерный композиционный материал для 3D-печати методом FDM, функциональный прототип сенсорной системы роботизированной руки, а также проект технического задания на создание коммерчески доступного и ориентированного на массовый рынок настольного 3D-принтера для изготовления гибкой электроники и электронных компонентов.

 

Привлекает внимание разработка фотонной аддитивной технологии с использованием «черного света» (длинноволнового УФ-излучения). Проект направлен на развитие в РТУ МИРЭА нового подхода к аддитивному производству радиоэлектронных изделий из керамических материалов с применением новейшей фотонной технологии керамики, называемой blacklight sintering (BLS). Фотонная технология спекания керамики основывается на поглощении материалом различных видов излучения (лазерного, ИК-излучения, излучения ксеноновой импульсной лампы) и переходе его энергии в теплоту, которая обеспечивает процесс спекания. К выполнению научно-­исследовательских работ привлечено АО «НПП "Исток" им. Шокина».

 

Синергетические эффекты композиций разнородных материалов при 3D-печати — еще одно интересное направление. Так, в НОЦ «Аддитивные технологии» Томского государственного университета создана и запущена новая лаборатория по синтезу передовых наноструктурных материалов на основе металломатричных композиционных материалов. Показана возможность получения аддитивных керамических структур из термопластичных суспензий с контролируемыми реологическими свой­ствами. Особое значение имеет результат, свидетельствующий о том, что внутренняя структура керамики представляет собой монолитный керамический каркас без различимых границ между горизонтальными и вертикальными (стенками) слоями материала в образцах. Разработаны научные основы масштабируемой технологии контролируемого синтеза порошков металлокерамических композиционных материалов.

 

Человек — машина

 

 

«Корпускулярно-­волновой» дуализм комбинации «человек — ­машина» очевиден: с одной стороны, машинное зрение, роботоприводы, искусственный интеллект, а с другой — поведенческие, бихевиористические, психологические проблемы операторов принтеров, их ремонтников и клинеров (cleaning persons), а также эффективных манагеров. Создаются большие автоматизированные линии 3D-принтеров и даже целые роботизированные комплексы для производства и восстановления изделий. Разрабатывается машинное зрение в АТ. Готовится применение ИИ в АТ.

 

Так, большие автоматизированные линии 3D-принтеров с машинным зрением конструирует Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева. Разработана программа, которая снимает и ретранслирует видео с штатной камеры УПЛВ в оригинальном качестве (есть задержка отображения (~4 сек), которая не влияет на качество сохраняемых данных).

 

Искусственный интеллект позволяет адаптировать 3D-печать к внешним воздействиям — погоде, вспышкам на солнце, землетрясениям, бытовым и промышленным вибрациям и т. п., а также к проблемам когнитивного освоения 3D-печати для разных возрастных групп (дети, молодежь, средний возраст, старики), формального уровня интеллекта (по IQ) и рас с подрасами (негры и белые, среди белой расы — нордическая, альпийская и средиземноморская)…

 

Еще несколько специалистов высказали нам свое понимание акцентов в научно-­техническом развитии аддитивных технологий.

 

 

Степень российских комплектующих в принтерах; где критические «затыки»?

 

Артем Соломников,
генеральный директор 
ООО «Компания Импринта» 

 

Как и вся промышленность, мы также сталкиваемся с зависимостью от импорта в части электронных компонентов, в большей степени, чем по остальной номенклатуре комплектующих наших 3D-принтеров. Стоит отметить, что с 2014 года количество импортных позиций, которые конкретно нам удалось заместить, выросло, однако в целом по отрасли мы видим, что блоки питания, шаговые двигатели, элементы механических направляющих пользуются большей популярностью у производителей импортного производства. Это связано в первую очередь с ценой, а она связана с объемом, который потребляют все наши производители (а он невелик). Нельзя называть эти комплектующие критическими «затыками», т. к. производители данных компонентов в России ­все-таки есть, но, к сожалению, это может потребовать пересмотра стоимости оборудования для конечного потребителя, к чему последний не готов.

 

 

Какие существуют барьеры для внедрения АТ в промышленность, какие способы их преодоления Вы видите?

 

 

Евгений Матвеев,
генеральный директор 
ООО «Ф2 Инновации»

 

 

Основной барьер для внедрения АТ связан с низкой технологической зрелостью компаний. Промышленность все еще живет в парадигме, что АТ — это дорого, долго и сложно, а российское оборудование ненадежно. Нужно понимать, что аддитивные технологии, как и другие методы производства, экономически эффективны и работают только в том случае, если есть специалисты, которые знают техпроцесс, есть конкретная и корректная задача, правильно подобраны геометрия детали и материалы и выбрано надежное промышленное оборудование для реализации. Однако уровень технологического развития российских промышленных компаний за последние пару лет значительно вырос. Положительная тенденция определяется не только современным техническим и материальным оснащением предприятий, но и готовностью принимать современные технологии, в том числе и аддитивные.

 

 

Как Вы относитесь к патентному праву вообще, и есть ли у Вас планы патентовать свои разработки в РФ в Китае и других странах? 

 

 

Михаил Шишкин,
генеральный директор 
ООО «РЭК»

 

Мы активно прорабатываем вопрос выхода на внешние рынки, в частности, на рынок Китая. В связи с чем необходимо узнавать рынки присутствия и рынок Китая, в частности. Наши эксперты изучают патентное право и готовятся к патентованию новой технологии, которая сейчас в разработке у нас в России. 

 

Патентное право в Китае соблюдается, но на отличных от наших условиях. Мало кто знает, но есть особенность прохождения порядка подачи документов. Для подачи в международную систему патентования необходимо сначала осуществить подачу заявки в РФ. После подачи заявки в России нужно будет обратиться за защитой в другие государства в течение года, чем мы и планируем заниматься.

 

 

Заключение

 

За аддитивные технологии в нашей стране взялись серьезно. Куратором дорожной карты назначен «Росатом», одним из драйверов развития является «Ростех» и входящая в него корпорация ОДК, для координации создана некоммерческая ассоциация АРАТ, появляются полезные параллельные структуры, в частности «Клуб аддитивных технологий» (КАТ). Приходит в голову историческая аналогия становления ракетной области с «конкуренцией» мощных структур Михаила Янгеля и Владимира Челомея, давших существенные плоды, которыми мы пользуемся и сегодня.

 

Будем следить за развитием 3D-печати.

 

Литература

1. https://www.ge.com/additive/additive-­manufacturing/industries/aviation-­aerospace
2. Анализ, классификация и предотвращение образования дефектов в экструзионной 3D-печати https://istina.msu.ru/publications/article/619792003/
3. Биологическая 3D-печать в России https://www.kommersant.ru/doc/5951499

 

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 4-2024