Сфера применения аддитивных технологий (технологий послойного синтеза) в последнее время расширяется за счет новых - и весьма экзотических - начинаний. Производители спортивной обуви тестируют возможности 3D-печати для производства кроссовок; художники-мультипликаторы изучают перспективы изготовления персонажей своих произведений на 3D-принтерах; в Барселоне трехмерную печать собираются использовать на площадке знаменитого долгостроя - Собора Святого Семейства (Sagrada Familia)
С каждым годом все больше примеров использования аддитивных технологий и в «традиционных» отраслях: авиапроме, энергетике, электротехнике, машиностроении, медицине. В России аддитивные технологи пока использует и внедряет относительно небольшое число промышленных компаний и исследовательских центров, причем большинство из них делает акцент на прототипировании, которое специалисты считают важным, но технологически уже близящимся к завершению направлением. Побеседовав с Александром Фертманом, директором по науке ядерного кластера «Сколково», Sk.ru выяснил, какова роль Фонда в содействии развитию бизнеса компаний, которые внедряют перспективные технологии в России.
Пожалуй, самое полное описание того, что такое аддитивное производство (АП) и как оно внедряется в России, содержится в одной из глав 400-страничного публичного аналитического доклада Сколтеха, посвященного новым производственным технологиям (английский термин - advanced manufacturing ). Рабочей группой по подготовке исследования, опубликованного минувшей осенью, руководила Ирина Дежина. Вот какое определение АП содержится в докладе: «Аддитивное производство представляет собой класс перспективных технологий кастомизированного производства деталей сложной формы по трехмерной компьютерной модели путем последовательного нанесения материала (как правило, послойного) – в противоположность так называемому вычитающему производству (например, традиционной механической обработке)». Менее наукообразную интерпретацию предложил журнала «Химия и жизнь»: «Суть аддитивного производства — в сложении, а не вычитании, в таком способе создания детали сложной формы, когда материал наносится последовательно, как правило, слой за слоем, поэтому расходуется его столько, сколько необходимо, не больше и не меньше. Процессом управляет компьютер, в чьей памяти заложена трехмерная модель будущей детали, нарезанная на тонкие слои-сечения. Устройство, подающее материал, скажем, экструдер, движется по траекториям, заданным компьютером, слой за слоем конструируя будущее изделие. В общем - очередной виток автоматизации производства. Предполагается, что готовая деталь не нуждается в традиционной механической обработке. Так что аддитивное производство — это еще один способ изготовления деталей и предметов из разных материалов наряду с литьем, прокатом, штамповкой и резкой».
Уникальные возможности аддитивного производства наверняка оценят любители персонализированного дизайна. Фото: Flickr
Александр Фертман в беседе с Sk.ru перечислил целую серию преимуществ, связанных с применением аддитивных технологий. Это сокращение сроков и стоимости запуска изделия в производство благодаря отсутствию необходимости в специализированной инструментальной оснастке; возможность оперативно вносить изменения в проект на этапе производства; оптимизация функционала продукции за счет использования сложной геометрии и комбинации разных материалов, сокращение потерь и отходов производства (в аналитическом отчете Сколтеха приводятся данные европейского исследования, установившего, что экономия сырья при изготовлении одного из элементов гондолы самолета методами АП может достигать 75%); упрощение логистики и сокращение времени поставок. Уникальные возможности АП наверняка оценят и любители персонализированного дизайна.
Большие перспективы аддитивных технологий, убежден Александр, лежат в области создания комбинированных изделий, в которых требуемые параметры обеспечивает использование сразу нескольких материалов: «Представьте, что в одной части детали вам необходимо получить те свойства, которые обеспечивает медь, а в другой – те, которые обеспечивает алюминий. Получить такую деталь удастся лишь на установке для аддитивного производства. Направление только зарождается, публикаций на этот счет пока мало».
Несмотря на то, что на протяжении последних 20-ти лет АП рассматривается как новая перспективная технология, его история насчитывает около полутора веков и уходит корнями в такие области, как фотоскульптура (изготовление скульптуры по фотоснимкам, изображающим предмет с разных сторон) и топография (конкретнее – послойный метод изготовления пресс-форм для печати рельефных карт). Как отмечается в уже упомянутой публикации «Химии и жизни», гигантская скульптура «Рабочий и колхозница» (1937 год) в Москве – тоже пример аддитивного производства: «Метровую модель скульптуры разрезали на слои, тщательно их измерили, затем размеры пропорционально увеличили и по ним изготовили деревянные формы, по которым, в свою очередь, выгнули стальные листы для каждого слоя, а их уже сварили в готовую скульптуру».
Что касается «новых» аддитивных технологий, где главная роль отведена компьютерному моделированию трехмерных деталей любой сложности и их воссозданию слой за слоем с помощью автоматических систем, то произошедший в 2009 году всплеск интереса к ним может быть связан с окончанием срока действия одного из ключевых патентов, который описывал метод FDM с использованием плавкой пластиковой нити. «Это сделало возможным радикальное (вплоть до 90%) снижение цен на системы 3D-печати, и не только открыло рынок для широкого круга потребителей, но и заставило многих производителей и инвесторов пересмотреть свое отношение к АП и связанными с ним возможностями, проблемами и рисками. Представители авиакосмической промышленности, автомобилестроения и даже архитекторы и строители увидели в АП перспективный инструмент для решения своих задач», - говорится в докладе Сколтеха.
Александр Фертман отмечает: это широкому общественному и экспертному обсуждению перспектив аддитивных технологий – примерно полгода; что до внедрения АП в России, то оно началось раньше. «Например, на двигателестроительном НПО «Сатурн» в Рыбинске аддитивные технологии применяют уже несколько лет, причем специалисты этого предприятия убедительно доказывают экономический эффект, который дает применение этих технологий», - приводит пример собеседник Sk.ru. Всплеск интереса к аддитивному производству в нашей стране он связывает с прошедшим в сентябре прошлого года заседанием Совета при президенте РФ по модернизации экономики и инновационному развитию России, на котором обсуждали развитие новых производственных технологий. В протоколе Совета сформулирован целый ряд поручений - как по развитию исследований, так и по ускорению технологического развития и внедрению перспективных технологий в производство.
Упомянутая научным руководителем ядерного кластера «Сколково» экономическая целесообразность, а также здравый смысл - вот что сдерживает распространение любых технологий. Пока Александру Фертману в открытой печати не доводилось встречаться с универсальной моделью расчета экономики аддитивного производства. «Каждому, кто берется за такое производство, надо проводить свой расчет экономической модели, определяя, самый ли это выгодный технологический метод либо есть более дешевая альтернатива», - поясняет Фертман. «Зачем нам «аддитивные рельсы» и «аддитивные балки», если они дороже чугунного моста и в любой момент могут лопнуть? Зачем нам пластиковые бутылки и кружки, напечатанные на 3D-принтерах, если каждую надо печатать не меньше часа и стоит она соответственно гораздо больше тех, что производят серийно литьем и штамповкой? – задается аналогичным вопросом «Наука и жизнь». - Тем не менее, у аддитивного производства со всей очевидностью есть ниша, которую можно описать так: производство единичных изделий и мелких партий уникальных деталей из дорогих материалов и в тех случаях, когда стоимость станочной обработки высока. На самом деле это очень большая ниша, начиная от ремонта и восстановления деталей сложных агрегатов и индивидуальных протезов до создания уникальных деталей сложной конфигурации».
Острый интерес к аддитивным технологиям проявляет авиакосмическая отрасль, где требуется мелкосерийное производство высококачественных деталей. Еще несколько выдержек аналитического доклада «Новые производственные технологии»: «Ряд систем и материалов прошел сертификацию, и сегодня АП-технологии используются для мелкосерийного производства деталей летательных аппаратов. Компания General Electric заявила, что готова к относительно массовому производству топливных форсунок для своего нового турбовинтового двигателя LEAP с помощью процесса DMLS из кобальтохромового порошка. Компания отметила, что может выпускать по меньшей мере 25 тысяч форсунок в год (одному двигателю требуется 19 форсунок). Журналисты утверждают, что компания Boeing произвела методами аддитивных технологий более 20 тысяч деталей, которые уже используют в военных и гражданских самолетах компании». В документе утверждается, что «исследование сокращения затрат, вызванного применением АП в аэрокосмической индустрии, указывает на значительный выигрыш при работе над некоторыми деталями и задачами». Аддитивные технологии оказались чрезвычайно востребованными для ремонта и восстановления деталей больших механизмов, например, турбинных лопаток. Расчеты показывают, что если в авиационном двигателе, сделанном из сплава титана, алюминия и ванадия, восстанавливать лопатки по технологии точного лазерного формирования, то можно сэкономить 715 тысяч долларов в год. В литературе упоминается множество других сходных примеров сокращения расходов на авиационные детали – прогнозируемая экономия для авиакомпании в размере 2,5 млн долларов только за счет снижения на 50-80% веса металлических креплений в салоне при их изготовлении с помощью технологий АП. NASA, перейдя на аддитивное производство жаропрочных инжекторов для ракетных двигателей, сократило время изготовления с полугода до трех недель и снизила затраты вдвое – с 10 до 5 тысяч долларов. Стран с собственной космической программой не так много, и Россия может быть довольно серьезным потребителем продукции аддитивного производства, полагает Александр Фертман.
Аддитивные технологии и «Сколково»
Мировой рынок аддитивных технологий только формируется, его объем пока не поражает воображение. Авторы аналитического доклада Сколтеха оценили размер этого рынка в 2012 году в 2,2 млрд. долларов, причем на продукцию приходилось лишь 54% этой суммы (еще 26% - производство оборудования, 19% - производство исходных материалов). Среднегодовой прирост рынка за 2010-2012 год составил более 27%. «На рынке оборудования взрывной рост характерен для персональных 3D-принтеров, которые в 2008-2011 годах показывали трехзначные темпы роста. Продажи промышленных 3D-принтеров также растут, хотя и не столь быстрыми темпами», - говорится в докладе.
Александр Фертман. Фото: Sk.ru.
Рынок установок для АП делят на три основных сегмента. Быстрее всего растет сегмент дешевых 3D-принтеров для офисов, ориентированных на изготовление концептуальных макетов. Второй сегмент - оборудование средней ценовой категории для создания прототипов деталей с различной степенью точности и/или функциональности. Дешевые и средние по стоимости установки обычно работают с полимерным материалом. Третий сегмент - установки высокого класса, которые стоят от 200 тысяч до 2 млн долларов. Они работают с полимерами, металлическими и керамическими порошками, с их помощью можно делать крупногабаритные детали. Ведущие изготовители установок - американские компании 3D Systems и ExOne, израильская Stratasys, шведская Arcam, а также немецкие EOS и Voxejet.
В 2013 году производством и продажей установок занимались 16 компаний в Европе, 7 - в Китае, 5- в США и 2 – в Японии. По числу смонтированных систем с большим отрывом лидируют США, собравшие у себя 38% промышленных установок. Значительное количество установок эксплуатируется также в Японии (9,7%), Германии (9,4%) и Китае (8,7%). Доля России составляет менее 1,5%.
«Очень малое количество компаний [в России – прим. Sk.ru] располагает мощностями для производства функциональных комплектующих из материалов хорошими эксплуатационными характеристиками , тем более мало кто способен производить эти детали в промышленных количествах. Полноценное использование преимуществ АП, которые оправдали бы его применение в промышленном производстве, предполагает высокий уровень управления всем жизненным циклом продукции - нечто, что в российской промышленности практически отсутствует», - пишут составители доклада «Новые производственные технологии».
Александр Фертман говорит о целесообразности формирования консорциумов в области создания технологических решений «под ключ» по требованиям представителей того или иного рыночного сегмента. Проработка концепции консорциумов закреплена в решении Президиума Совета по модернизации, которое фиксирует отсутствие в России предприятий, способных реализовать производство детали - от проектирования и оптимизации дизайна до конечного продукта с гарантированными характеристиками. «Воронежсельмаш» заявляет о том, что владеет полным циклом (или, точнее, может собрать необходимую кооперацию). Действительно, это предприятие насыщено оборудованием, что позволяет ему претендовать на лидирующие позиции в формируемом сейчас консорциуме в области аддитивных технологий», - отмечает директор по науке ядерного кластера «Сколково», оговариваясь, что полный цикл аддитивного производства в России, возможно, могут реализовывать оборонные предприятия, но информация об этом не находится в публичном пространстве.
С учетом того, что АП пока нацелено на выпуск продукта скорее штучного, нежели массового, оно становится очень сколковской историей. «У наших компаний часто возникает необходимость производства малых серий, и АТ могут в каких-то случаях сократить расходы производственные расходы, что открывает новые возможности для малого и среднего бизнеса, он становится более гибким. Этот инструмент может стать чрезвычайно полезным для наших стартапов», - полагает Александр Фертман.
С момента образования Фонда «Сколково» важное место среди инновационных приоритетов ядерного кластера занимают лазерные, пучковые и плазменные технологии. Расширить список приоритетов за счет аддитивных технологий и порошковых материалов для АП было решено в ноябре прошлого года на заседании Консультативного научного совета Фонда, рассказал Александр Фертман. Сейчас, по его словам, кластер «находится на стадии определения того, кто же в России ведет разработки и реализует проекты в данных областях не на словах, а на деле, чтобы наладить сотрудничество с этими командами». Несколько резидентов ядерного кластера занимаются разработкой технологий помола для производства порошков, применяемых при аддитивном производстве, хотя создать материал нужного качества с использованием мельниц довольно сложно. Биомедицинское направление трехмерной печати в «Сколково» активно и успешно развивает компания «3D Биопринтинг Солюшенс». Этот резидент биомедицинского кластера создал первый российский биопринтер, печатающий ткани и органы живыми клетками, и уже напечатал на нем органный конструкт щитовидной железы мыши.
Один из наиболее вероятных кандидатов в сколковские резиденты – томская компания, которая занимается разработкой электронных пушек для 3D-систем. Кластер ведет переговоры с группой ученых и технологов из московского Института металлургии и материаловедения им. Байкова о реализации проекта по модернизации плазмохимической технологии производства порошков с последующей сфероидизацией, а также с нижегородской командой во главе с Владимиром Чувильдеевым, заместителем директора по научной работе Научно-исследовательского физико-технического института. «Эта группа уже довольно давно работает с немецкой машиной для производства деталей методом селективного лазерного спекания и сейчас ведет собственные разработки по созданию оборудования и технологий для изготовления ответственных деталей аддитивными методами. Профессор Чувильдеев входит в состав команды резидента кластера ЯТ «РусТек», которая занимается термоэлектриками. Было бы ценно привлечь его команду к проектам, связанным с аддитивными технологиями», - полагает Александр Фертман.
Дополняя картину наиболее заметных точек на карте современного аддитивного производства в России, он рассказал: «В Лазерном центре МГТУ им. Баумана создают установки для аддитивных технологий; работы в этом направлении ведут и в университете «Станкин». Достаточно интересный Лазерный центр действует в Политехническом университете Петербурга - там исследователи во главе с Глебом Туричиным изучают вопросы пористости формируемых деталей. Отмечу также инжиниринговый центр «Лазерные и аддитивные технологии» в Екатеринбурге на базе Уральского федерального университета».
В отсутствие одной страны, монополизировавшей оборудование для аддитивного производства (как отмечает Александр, «американцы себя лидерами не считают, отдавая пальму первенства Германии, Китаю и Японии»), у России неплохие шансы занять устойчивые позиции в этой области, чему способствует специфика момента – экономические неурядицы и охлаждение отношений с Западом.
«Во время кризиса и США, и многие европейские страны предпочитают не сокращать, а, наоборот, наращивать ассигнования на НИОКР, чтобы на выходе из кризиса, в период роста экономики, иметь технологическое преимущество», - говорит собеседник Sk.ru. В последние месяцы ему не раз доводилось слышать о проблемах с импортом порошковых материалов, необходимых для АП. «Сложнее стало покупать за границей не только металлические порошки, которые могут быть использованы в продукции двойного назначения, но и полимерные порошков, которые более пригодны для прототипирования, - делится наблюдениями коллег Александр Фертман. - По довольно широкой номенклатуре ограничения были всегда, мне самому приходилось писать письма с объяснениями, как будут использованы приобретаемые устройства, приборы и материалы. Сейчас, когда уровень доверия не так высок, как прежде, контролирующие органы западных стран меньше доверяют нашим объяснениям. Официально существование проблемы не афишируется, но участники профильных конференций в последнее время сетуют на качество порошковых материалов: их чистоту, стабильность размеров гранул, сферичность и т.д.» Недавно во Всероссийском институте авиационных материалов прошло совещание с участием вице-премьера Дмитрия Рогозина. Встреча была посвящено как раз запуску в России производства качественных порошков для АП.
Особенностью нынешнего момента собеседник Sk.ru называет оформившийся запрос на технологическое обновление. «Задача национальной технологической инициативы в области новых производственных технологий - определить и развить перспективные направления, причем не те, в которых мы окажемся в догоняющей позиции, а те, которые будут формировать продукты и услуги завтрашнего и послезавтрашнего дня. Надо сфокусировать усилия на технологиях, которые позволят нам вписаться в мировую систему разделения труда, может быть, не всегда на главных ролях, но и на главных тоже».
Одним из основных слагаемых успеха при развитии в России аддитивного производства Александр Фертман считает наличие в стране сильных исследовательских групп, занимающихся моделированием свойств материалов и процессов. «Приступая к изменению конструкции, важно понимать, как сохранить свойства деталей - механические, тепловые, электрические и так далее. Делать это экспериментальным путем нецелесообразно - сложно, долго и дорого. Моделирование этих свойств и процессов - сильная сторона России, наши научные команды занимаются этой деятельностью для таких мировых гигантов, как, например, GE или Siemens. В области моделирования мы не просто конкурентоспособны, а находимся на лидирующих позициях в мире», - убежден Александр Фертман.
Одна из таких профессиональных групп является резидентом Фонда «Сколково». Компания «Кинтех Лаб» была основана учеными из МФТИ, МГУ, Курчатовского института. Ее услугами в области предсказательного многоуровневого моделирования современных материалов и процессов пользуются не только крупные российские, но и иностранные заказчики (GE Global Research, Motorola, Siemens, Qualcomm, Daimler, Renault и другие).
Традиционно сильные компетенции у российских разработчиков - в области инструментария для АП, лазеров и электронных пушек. Мировая экспертиза в области лазеров, по оценке Александра Фертмана, в значительной мере имеет российские корни. Так, 80% мирового рынка волоконных лазеров большой мощности занимает продукция американской IPG Photonics. Это детище уехавшего сначала в Германию, а потом перебравшегося в США физика Валентина Гапонцева. «На прошедшей в середине марта в Москве выставке «Фотоника. Мир лазеров и оптики-2015» IPG Photonics позиционировала себя не как иностранную компанию, а как российского интегратора. Представители одного из подразделений IPG Photonics, фрязинского «ИРЭ-Полюс», объявили о готовности производить оборудование для АП», - свидетельствует А. Фертман.
Что касается электронных пушек, то на их базе установки для аддитивного производства сегодня выпускают всего два серьезных мировых производителя. Один из них, шведская компания Arcam, выбравшая для себя нишу медицинских имплантов и занявшая лидирующие позиции в их 3D-печати, насколько известно собеседнику Sk.ru, намерена сотрудничать с российскими производителями. «Представители Arcam участвовали в международном форуме «Инновации. Технологии. Производство» на базе НПО «Сатурн» в Рыбинске. На нескольких российских предприятиях используется оборудование Arcam, и, на мой взгляд, прослеживаются очевидные перспективы для расширения сотрудничества».
Сильная научная база, связанная с электронными пушками, сформировалась в Томске. «Мы надеемся, что в ближайшее время ряды резидентов Фонда «Сколково» пополнит томская команда, разрабатывающая технологию для резки и сварки электронным пучком и сейчас активно включившаяся в работы в области аддитивного производства», - рассказал директор по науке ядерного кластера.
Еще одна сфера, в которой перед Россией могут открыться хорошие перспективы, – промышленный дизайн и инжиниринг применительно к новым аддитивным технологиям. С учетом того, что это направление развивается всего несколько лет, то и к решению вопросов дизайна специалисты только приступают. «Когда инженер или конструктор проектировал деталь, он исходил из того, что умеет делать фрезерный станок, не учитывая, что возможны и другие варианты. Как следствие, при «новом» аддитивном производстве используются «старые» методы, разработанные для изготовления деталей на фрезерном станке либо посредством литья, хотя новые технологии дают куда больше возможностей, - рассказывает Александр Фертман. – В США два первых университетских курса по промышленному дизайну для аддитивного производства начали читать лишь в прошлом году. Россия традиционно не относится к мировым лидерам в области дизайна, но признано сильна в моделировании физических процессов. При этом наши соотечественники работают во многих ведущих дизайн-бюро по всему миру. Это та область компетенций, которой мы можем воспользоваться».
«В «Сколково» мы будем стараться создать ядро сети по развитию новых производственных технологий. Это относится и к системам проектирования, и к лазерным и пучковым системам, и к промышленной автоматизации, и к технологиям создания материалов. Я рассчитываю на поддержку всех кластеров Фонда и, конечно, наших резидентов и промышленных партнеров. Надеюсь, что в ближайшее время вокруг ядерного кластера сформируются команды, способные развернуть бизнес на базе технологических решений в данных областях», - полагает Александр Фертман.