Научные проблемы российских аддитивных технологий
Трехмерная печать становится массовым явлением в промышленности, в том числе в России
В июле правительство РФ утвердило «Стратегию развития аддитивных технологий в Российской Федерации на период до 2030 года» (распоряжение №1913-р от 14 июля 2021 года). В России к 2030 году будет создано около 180 центров аддитивных технологий, из них около десяти создаст госкорпорация «Росатом».
Ашхен Овсепян, генеральный директор SIU System (АО «НПО Систем»)
Фото: АО «НПО СИСТЕМ»
Ашхен Овсепян, генеральный директор SIU System (АО «НПО Систем»)
Фото: АО «НПО СИСТЕМ»
Аддитивное производство (аддитивный технологический процесс, англ. additive manufacturing — это способ изготовления деталей, основанный на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки).
Некоторые специалисты понимают аддитивные технологии широко. Например, Алексей Казанский, директор Института машиностроения, материаловедения и транспорта при Саратовском ГТУ им. Ю. А. Гагарина, полагает, что рынок аддитивных технологий однозначно развивается и уже сейчас достаточно велик, «если кроме технологии 3D-печати отнести к нему технологии нанесения наплавленных покрытий и получения наплавленных рабочих элементов деталей машин с использованием процессов принудительного формообразования».
Важно отметить, что в 2020 году решением стратегического совета корпорации «Росатом» статус нового бизнеса «Аддитивные технологии» был повышен до стратегической программы. Куратор — заместитель директора департамента поддержки новых бизнесов Илья Трофимов. Привлекаются и финансируются научные центры, например по теме «Разработка технологий и аддитивного оборудования прямого выращивания заготовок элементов внеядерного острова и пространственных изделий с применением проволочных материалов».
В целом отрасль аддитивных технологий в РФ в 2020 году достигла следующих показателей (данные Минпромторга РФ):
- объем российского рынка аддитивных технологий (аддитивного оборудования и комплектующих, материалов для аддитивной печати, услуг и программного обеспечения) составил 3560 млн руб.;
- объем российского рынка аддитивного оборудования и комплектующих составил 2054 млн руб.;
- объем продаж российских компаний на внутреннем рынке аддитивного оборудования и комплектующих составил 804 млн руб.;
- объем продаж российских компаний на внешнем рынке аддитивного оборудования и комплектующих составил 40 млн руб.
Основные рынки аддитивных технологий авторы стратегии разделяют на следующие составляющие:
- традиционные рынки, сформировавшиеся и технологически зрелые рынки;
- новые сегменты традиционных рынков, проходящие стадии активного роста, формирования собственной структуры и, как следствие, постепенного выделения в качестве самостоятельных рынков;
- формирующиеся рынки будущего, потенциально способные обеспечить значительный объем потребления в перспективе.
По мнению правительства РФ, к перспективным традиционным рынкам применения, выделяемым в производственном процессе, относятся оснастка, формы и модели для литья, прототипирование, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, изготовление экспериментальных образцов. К новым рынкам, выделяемым в производственном процессе, относится изготовление серийного производства полнофункциональных аналогов деталей и промышленной продукции, а также производство промышленной продукции с характеристиками, реализация которых традиционными методами затруднительна. К формирующимся рынкам будущего относятся 3D-печать зданий, 3D-печать электронных комплектующих, 3D-биопечать органов, 3D-биопечать лекарств, 3D-биопечать пищевых продуктов, автономное производство в космосе, изготовление серийного производства крупногабаритных полнофункциональных аналогов деталей и промышленной продукции.
Василий Киселев, основатель Top 3D Group, пояснил нам, что, по оценкам, рынок РФ не превышает 2% мирового объема. Рынок 3D-печати в РФ вошел в фазу бурного роста с конца 2010-х годов. За это время на глобальном и российском рынках формировались экосистема и пул игроков, который постоянно обновляется. Сейчас можно с уверенностью сказать, что рынок перенасыщен участниками: производителями, дистрибуторами, интеграторами и реселлерами, а конкуренция находится на высоком уровне. «На мой взгляд, сейчас рынок больше открыт для новых партнерств, синергии среди уже существующих компаний, чем для совершенно новых игроков»,— добавил он. Василий Киселев уверен, что сейчас происходит массовое принятие 3D-печати — и малым и средним бизнесом, и крупными корпорациями. Текущие технологии существенно удешевляются, а новых, более конкурентных пока нет. Следующим этапом будет развитие скорости, мультиматериальности и сложности 3D-печати по адекватной цене за счет новых технологических совершенствований. Но из-за пандемии сложно прогнозировать, когда именно это произойдет.
Какие предприятия стимулируют российский спрос на 3D-принтинг
Обычно это производственные компании, которым требуется оснастка или прототипирование, кроме того, это вузы, школы и другие образовательные учреждения, медицинские и R&D-центры, стоматологи, ювелиры. В основном их объединяет желание разрабатывать и выпускать новую продукцию.
«3D-печать выгодна производствам тем, что позволяет за считаные минуты воплотить изделие в жизнь прямо на рабочем столе. Легкость проектирования и "отправки в печать" физического объекта сейчас соизмерима с распечаткой файла на обычном офисном 2D-принтере, при этом стоимость оборудования — от 30 тыс. руб. и расходных материалов от 1000 руб. за 1 кг пластика»,— произвел для нас подсчеты Василий Киселев.
Роман Тихонов, руководитель отдела развития аддитивных технологий СИБУРа, в эксклюзивном интервью рассказал «Ъ-Науке», что как в России, так и на мировом уровне рынок аддитивных технологий показывает стабильный рост (примерно 18% в год). Рынок активно развивается на протяжении последних пяти лет, и 2021 год не стал исключением. Российские компании не уступают зарубежным в качестве производимого оборудования, предлагают более привлекательную стоимость и порой уникальные решения (как, например, инновационная технология 3D-печати металлов из необработанного сырья). Наибольший спрос на аддитивные технологии наблюдается в авиационной и космической промышленности, в военно-промышленном комплексе. Основные инвесторы и заказчики аддитивных технологий в России — это, к примеру, Объединенная авиастроительная корпорация, Объединенная двигателестроительная корпорация, ВИАМ. Но в последние годы спрос активнее растет в других отраслях, в частности в нефтехимической. Динамика обусловлена как перспективностью 3D-печати, так и количеством успешно реализованных кейсов у СИБУРа, «Газпром нефти» и BAS.
«Если говорить в целом о нашей потребности в 3D-принтерах, счет уже сейчас идет на десятки единиц оборудования,— поделился инсайдом Роман Тихонов.— В 2020 году с помощью аддитивных технологий мы изготовили более 14 тыс. различных деталей. В среднем это позволило до восьми раз сократить сроки поставки, время проведения ремонтных работ, а также сэкономить более 50 млн руб. Сегодня в СИБУРе работают восемь центров по развитию аддитивных технологий. Приведу пример экономии за счет 3D-печати. На производстве в Тобольске нам понадобилось заменить износившийся эластичный клапан установки. Такие клапаны производятся лишь вместе с оборудованием, которое стоит десятки тысяч евро и доставляется обычно от трех недель и дольше. Благодаря 3D-печати мы за неделю изготовили ЗИП-комплект для клапана из полиамида, и его себестоимость была почти в 50 раз ниже стоимости клапана на рынке. Экономический эффект от применения аддитивных технологий в этом конкретном случае составил более 7 млн руб. На предприятиях мы используем технологии 3D-печати методом наплавления (FDM) и селективного лазерного спекания (SLS), поскольку СИБУР специализируется на полимерах. Также мы активно апробируем изделия, изготовленные с помощью выборочного лазерного плавления (SLM)».
По состоянию на 18 августа 2021 года в базе данных ФИПС по термину «аддитивные технологии» числилось 333 документа, в том числе 184 российских изобретения, 46 полезных моделей и 103 заявки на изобретения. Примеры:
- изобретение 2701228 (2019) «Термопластичный гранулированный материал (фидсток) и способ его изготовления», патентообладатель ООО «Передовые порошковые технологии»;
- полезная модель 193256 (2019) «Устройство локальной термостабилизации изделий из композитных материалов при аддитивном производстве», патентообладатель ООО «Карфидов Лаб», один из авторов — Владимир Колесников;
- полезная модель 193473 (2019) «Установка для аддитивного изготовления трехмерного изделия», патентообладатель ООО «Научный логистический центр»;
- полезная модель 204194 (2021) «Экструдер для обработки полимерных материалов в аддитивных технологиях», патентообладатель ФГАОУ «Севастопольский государственный университет».
Примерно половину патентов получили иностранные заявители, например Boeing, Fisher Controls и General Electric из США, Airbus из Евросоюза, Bosch и SLM Solutions из Германии, Safran Helicopter Engines, Alstom, TAMI Industies, Hydromecanique et Frottement и 3DCeram из Франции, Pure New World из Австралии, Nuovo Pignone из Италии, Arcam из Швеции, Philips Lighting из Нидерландов, Хуачжунский университет науки и технологий из Китая. В целом патентная активность в этой научно-технической области России низкая.
Поскольку 3D-принтеры на являются объектом государственной регистрации (как, например, автотранспортные средства, охотничье оружие или ювелирные изделия из драгоценных металлов), количество их в РФ точно неизвестно. Оценка парка принтеров приведена в таблице.
Российский парк 3D-принтеров на ноябрь 2021 года (шт.)
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
* Устройство, собранное из разных комплектующих с долей отечественных компонентов 20–80% по стоимости.
** Включая MeltMaster3D-250HT, RusMelt 300M и RusMelt 600M разработки ЦНИИТМАШ.
Примечание: не учитываются 3D-ручки для рисования пластиком, которых импортируется до 200 тыс. в год, в основном из Китая,— Honya Technology, Jurong Riwell, Zhroya Toys и др. (строго говоря, они являются не принтерами, а ручными устройствами для создания 3D-объектов); работоспособное количество оценивается в 1 млн штук.
Источник: автор на основе мнений экспертов российского 3D-рынка.
Видно, что отечественные устройства составляют меньшинство. Основные импортеры иностранных принтеров даны в таблице «Основные импортеры иностранных принтеров».
Проблемы аддитивных технологий
Эксперты так пояснили нам научно-технические проблемы российского 3D-принтинга и аддитивных технологий.
Александр Малащенко, заместитель директора Научно-исследовательского и проектного института «Авиамашиностроительные технологии» Иркутского Национального исследовательского технического университета (ИРНИТУ) обратил наше внимание на то, что «основными барьерами для внедрения аддитивных технологий в авиастроительной отрасли являются ряд нерешенных проблем по обеспечению механических свойств и ресурсных характеристик материалов, точности формы и качества поверхности получаемых деталей, а также высокая стоимость и трудоемкость производства. Одним из подходов к преодолению этих барьеров является создание гибридных технологий, представлявших сочетание процессов аддитивного выращивания деталей и различных видов механической и упрочняющей обработки с реализацией на основе робототехнических комплексов. Для внедрения аддитивных технологий в производство авиатехники необходимо сформировать отраслевую нормативную базу на основе комплексных испытаний материалов, изделий и технологических сочетаний».
Директор ООО «Современные технологии» (производство расходных материалов для 3D-печати торговой марки Bestfilament), сотрудник Томского политехнического университета Денис Берчук так осветил вопрос о преобладании импортной 3D-техники: «На текущий момент отечественные производства как оборудования для 3D-печати, так и расходников действительно основаны на зарубежной сырьевой и элементной базе. Что касается расходных полимерных материалов, то для 3D-печати очень важны их стабильные и неизменные свойства. Отечественные производители сырья пока не наладили стабильного производства подобных материалов. Да, в лабораториях сейчас разрабатываются различные полимерные композиции или добавки. Однако это небольшие объемы, до промышленного производства или полноценного выхода на рынок им еще очень далеко, в том числе и из-за отсутствия сырьевой базы. Надо понимать, что каждый компонент, необходимый для разработки, приходится ждать довольно долго, необходимо серьезное финансирование. Эти причины, к сожалению, очень тормозят развитие перспективного направления в нашей стране. Про элементную базу для оборудования и говорить не стоит, так как 80–100% комплектующих в приборах иностранного производства».
Основные импортеры иностранных принтеров
|
Источник: автор на основе мнений экспертов российского 3D-рынка.
Видно, что основные поставщики из Китая, а крупнейшие импортеры — из Московского региона. Лидером коммерции является АО «НПО Систем».
Денис Берчук также высказался об экологических проблемах: «Что касается экологических проблем, то развитие 3D-печати вряд ли существенным образом влияет на ситуацию. Основной материал для 3D-печати сейчас — это полилактид. Он является биоразлагаемым и более безопасным для экологии. Что касается других материалов, то, во-первых, они используются строго по назначению. Во-вторых, материалы 3D-печати легко подвергаются вторичной переработке, что также несколько снижает нагрузку на экологию».
Не все эксперты выдерживают бравурный тон. Так, Игорь Петров, генеральный директор московской исследовательской группы «Инфомайн»: «В пандемийный 2020 год российский аддитивный рынок просел. Согласно анализу нашей компании, импорт 3D-принтеров, работающих на металлических порошках, уменьшился на 29,2%. При этом поставки из-за рубежа самих металлических порошков снизились на 40%. Следует отметить, что доля отечественных порошков на рынке продолжает увеличиваться, что является явно оптимистичным трендом».
Чего ждать от аддитивных технологий
Идеологически аддитивные технологии не являются чем-то принципиально новым. Испокон веков практиковались наскальные рисунки (методом послойного нанесения стойких красителей), многослойные кулинарные блюда (пироги, торты), ковроделие, вязание на спицах, гончарное дело. Если отбросить пиар вокруг 3D-производства, то мы увидим эволюционное развитие традиционной линии в технологиях типа наплавки, намотки, наклейки, покраски, наварки, напайки, напыления, пропитки, лакирования, нанесения ионно-плазменных покрытий — с возрастающим вкладом автоматизации и роботизации. В частности, лазерные аддитивные технологии по металлам родственны сварочным технологиям, в которых один слой сварочных материалов наплавляется на другой.
Скептики из числа конструкторов во многом правы в мысли, что попытки использовать традиционные материалы для обеспечения оптимума свойств изделий 3D-печати вряд ли будут удачными. Потребуется пересмотр материалов, которые должны применяться, и сегодня так и происходит.
В коммерческом смысле важны не сами 3D-устройства, а их скорость, точность, стабильность результатов, степень попадания в изначальную 3D-виртуальную модель / образ.
Важное отличие аддитивных технологий промышленного уровня в том, что не всегда возможно использовать классическое определение свойств материалов. В традиционных технологиях конструктор берет свойства из справочной литературы, и они не меняются (или меняются по известным законам). Принтеры используют порошки, пластичные филаменты, жидкости сложного состава — и из них выращивают изделие. Учет трансформации свойств исходного материала в свойствах изделия — обязательное и важное отличие программного обеспечения для аддитивных технологий.
К самому 3D-образу предъявляются все более жесткие требования. В частности, при создании цифровой модели в число обязательных задач входят тепловые задачи и задачи напряженно-деформированного состояния, тесно увязанные между собой.
Есть научно-техническая необходимость высокоточных расчетов удельного тепловложения в каждый физический фрагмент получаемой структуры в процессе 3D-печати. Иначе есть риск, что аддитивная технология приведет к накоплению напряжений, способных снизить ресурс изделия. Специалистам уже понятно, что желательно использовать по крайней мере три уровня расчетов: микро, мезо и макро. В частности, замечено, что зеренная структура на металлических 3D-принтерах получается существенно более дисперсной по сравнению с классическими технологиями. Это приводит к повышенной прочности за счет возрастания площади границ зерен при сохранении высоких пластических свойств, что принципиально важно для ответственных деталей, например лопаток турбореактивных двигателей или антидебризных фильтров в активных зонах атомных реакторов.
По мнению большинства опрошенных нами экспертов, отставание России в производстве 3D-принтеров промышленного и профессионального типов, в разработке научно-обоснованных технологических регламентов аддитивного производства не является фатальным. За 2019–2020 годы образовательные структуры в России закупили до 10 тыс. единиц учебных 3D-принтеров. Верстаются и дорабатываются учебные программы, педагоги проходят курсы обучения и повышения квалификации. К 2030 году обширное количество новых специалистов вольется в аддитивную промышленность России.
Можно ожидать появления гибридных способов с применением 3D-принтеров наподобие аддитивно-субтрактивно упрочняющей технологии фигуристых металлических деталей (разрабатывается Фондом перспективных исследований) и производства композитных биообъектов с использованием природных полимеров (исследуется в ДНЦ физиологии и патологии дыхания).
Насчет 3D-пищевых принтеров научно-общественное мнение в России еще не сложилось, но исследования уже ведутся, например в Институте физиологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (в Японии и США уже начали бизнес на 3D-аддитивных мясных деликатесах).
Экспорт российских принтеров прогнозируется до 2030 года незначительным, на уровне нескольких десятков в год, и ограниченными странами СНГ и отдельными странами третьего мира (Иран, Ирак, Афганистан, Вьетнам, Венесуэла, Куба). Относительно высокий экспортный потенциал видится у металлических принтеров разработки ЦНИИТМАШ, у специализированных лазеров для спекания порошков от РФЯЦ-ВНИИТФ, а также у композитных принтеров с углеродной нитью от ООО «Анизопринт».
Ашхен Овсепян, генеральный директор SIU System (АО «НПО Систем»)
— Как вы оцениваете состояние рынка аддитивных технологий в мире по состоянию на август 2021 года?
— Мы не стремимся оценивать рынок аддитивных технологий самостоятельно, для этого есть отраслевые отчеты, на которых мы строим свою стратегию развития. В частности, мы используем в работе отчеты Wohlers Reports. По общим данным, рынок растет примерно на 15–20% в год.
Сложившаяся в последний год ситуация с COVID-19 не повлияла на эту тенденцию, а даже создала дополнительные условия развития. Мы, например, почувствовали это на заказах, когда произошел разрыв логистических цепочек и в стране возник дефицит индивидуальных средств защиты. Мы начали производство защитных масок, и, если изначально планировалось брать готовые изделия и делать специальный крепеж на 3D-принтере, то впоследствии мы разработали собственную маску, что позволило нам не зависеть от подрядчиков, показать свои таланты в разработке. Так сделали многие заказчики, ускорилось развитие локальных производств.
Говоря о технологических прорывах, принято называть 2040 год, поскольку, согласно прогнозам, именно в этот период должна случится технологическая сингулярность, но, конечно, чем раньше, тем лучше. Отечественный 3D-принтинг постепенно расцветает, однако 2021 год нами на карте не был замечен как особо примечательный. Но точно каждый следующий год будет аддитивно лучше предыдущего.
Если говорить о мировых трендах в области аддитивных технологий, то можно сделать акцент на популярности печати металлом и на массовом производстве, на разработке и применении новых материалов, а также изменении поведения заказчиков. Клиенты стали понимать суть технологий, правильно формулируют технические задания. Это радует.
— Какие структуры обеспечивают мировой спрос?
— Развитие аддитивных технологий двигают два направления.
Аддитивная философия — свободная геометрия и много эксклюзива, которые востребованы в таких отраслях, как авиация, космос, здравоохранение.
Скорость, которая позволяет сразу запускать АТ в массовое производство. Благодаря ускорению процесса построения, новым материалам, которые сразу внедряются в индустрию, 3D-принтеры востребованы в автомобилестроении, нефтегазовой промышленности и других областях. Например, 3D-принтер Nexa3D печатает со скоростью 1 см в минуту по оси Z. При этом цена изделия в общем круге производства становится соизмеримой с традиционным массовым производством.
— Какие предприятия стимулируют российский спрос на 3D-принтинг?
— Многие предприятия переходят на аддитивку, например, мы работаем с авиационным кластером «Ростеха», у них уже есть детали, полностью изготовленные аддитивными технологиями. Это меняет мышление инженеров: в следующем поколении деталей мы увидим уже другие конструктивные элементы, о которых даже не мечтали ранее.
В развитии 3D-печати очень важно уходить в отработку технологий. В этом смысле важную роль играет центр инноваций SIU System. На своей базе мы отрабатываем решения, тестируем варианты топологической оптимизации, налаживаем серийное производство. Найденные решения позволяют сэкономить материал, повысить эргономичность изделия и улучшить его свойства. Например, если мы можем сделать крепеж в самолете более легким и деталь будет весить не 2 кг, а 1 кг, это позволит в течение пяти лет сэкономить более $5 млн на перевозках, ведь в авиационной отрасли каждый килограмм имеет свою цену.
— Как можно оценить потребности промышленности в 3D-принтерах разных видов? Например, 100, 500, 5000 единиц?
В рамках аддитивных технологий нельзя рассуждать о единицах принтеров, ведь они разные (персональные, профессиональные и промышленные), и тут важно количество и размер делателей и узлов, которые можно произвести. Турбина авиационного двигателя и сувенир в виде ящерицы имеют разный вес в индустрии. Выбор технологий, материалов, размеров принтеров зависит от задач. Мы видим востребованность отдельных 3D-принтеров в разных областях, например, песок и металл — в металлургии; керамика — это авиация, космос, ювелирная отрасль, здравоохранение; воск — ювелирная отрасль и авиация; металл — машиностроение, медицина, авиация и космос, нефтегазовая отрасль; полимеры и пластики востребованы везде.
Мы считаем, что любое производственное предприятие определенного уровня должно иметь хотя бы один 3D-принтер, и не настольный, для крупных компаний — два и более. Таким образом емкость рынка 3D может исчисляться сотнями тысяч единиц.
— Какие именно технологии вы развиваете в приоритетном порядке для 3D-печати?
— В центре инноваций SIU System мы используем те технологии, которые сейчас имеют высокий спрос. Это прежде всего металлическая печать, печать керамикой, фотополимерная печать, печать воском и другие виды 3D-печати. Часто мы адаптируем технологии под нужды заказчика и используем спектр технологий для одного проекта.
Мы не рассматриваем вопрос разработки собственной линейки 3D-принтеров, так как видим свою задачу в популяризации и развитии аддитивных технологий, в том, чтобы увеличивать количество интеграций 3D-принтеров. Сейчас важно увеличивать количество эффективных и красивых историй успехов.
Выводы «НПО Систем»
3D-принтеры — это лишь инструмент, основная ценность аддитивных технологий — это продукты, которые они производят. Эволюционно возник новый метод производства, который позволяет катализировать и локализовать продукт. Аддитивные технологии вышли на уровень стабильного роста.
С нашей точки зрения, Россия в этой отрасли позади не по причине технологических отставаний, а по причине низкой скорости принятия решений (длительная отработка бюджета, согласования технических заданий, бюрократические процессы и т. д.). Рассуждения заказчиков, с которыми мы сталкиваемся, сводятся к выжидательной позиции: подожду пять лет, пока технологии пройдут отработку, принтер обновится и т. д., а потом буду внедрять без рисков. Эта стратегия оставляет предприятие за бортом. Компании, которые рискуют, ставят и осваивают, начинают мыслить по-другому и через пять лет уже имеют отработанные технологии, благодаря которым можно внедрять и предлагать классный продукт.
В России также отсутствует партнерский менталитет. Зачастую заказчик находится в иллюзии, что, купив принтер за миллионы евро, он нажмет кнопку и получит блестящий результат. Это теория провала. В успешных в этом отношении странах подход принципиально другой: заказчик в партнерстве с поставщиком прорабатывает задание, осваивает технологию, экспериментирует и дает обратную связь производителю. В его интересах — освоить принтер классно, чтобы делать классные детали. Обратная связь по цепочке партнеров принципиально важна, ведь она позволяет производителю постоянно улучшать оборудование и выпускать 3D-принтеры, отвечающие запросам рынка. Таким образом, партнерство — от заказчика через интегратора к производителю и обратно — помогает индустрии развиваться.
Сейчас направление движения положительное, и только от нас будет зависеть, насколько мы будем сильны в аддитивных технологиях в мире. С нашей стороны мы приложим все усилия, чтобы Россия заняла достойное первое место, ведь у нас так много талантливых специалистов и высокотехнологичных компаний.