Промышленная революция в трех измерениях

Как аддитивные технологии меняют промышленное производство России

Полина Смертина, спецкорреспондент «Коммерсанта», специально для «Вестника атомпрома»

Россия вступает в мировую гонку производителей промышленных принтеров для 3D-печати деталей и оборудования. Цели довольно амбициозные: поставить отечественные принтеры на российские заводы и вывести аппараты на растущий международный рынок, годовой объем которого уже оценивается в $12 млрд. Россия, по мнению экспертов, имеет огромный потенциал: у страны есть перспективные разработки, которые могут повысить эффективность отечественных предприятий. К тому же отрасль уже заручилась поддержкой государства: аддитивные технологии включают в стратегии и дорожные карты развития.

Аддитивные технологии, или трехмерная печать деталей из металлов и полимеров, еще десять лет назад казались диковинными и дорогими развлечениями для промышленных гигантов. Но этап экспериментов подходит к концу: мировая индустрия производства 3D-принтеров и материалов для них уже крепко стоит на ногах. Глобальный рынок трехмерной печати достиг $12 млрд, в мире используется три десятка методов объемной печати фигур из различных материалов, а количество игроков в сегменте приближается к 200. По данным Sculpteo, в 2018 году более 40 % глобальных промышленных компаний уже применяли 3D-печать для изготовления продукции. В их числе Airbus, Boeing, BMW, Deutsche Bahn, GE и другие высокотехнологичные корпорации.

Успешные примеры внедрения перенимают и другие компании в разных странах мира: ежегодно рынок аддитивных услуг растет двузначными темпами. Стало очевидно, что аддитивные технологии уже неотделимы от традиционной промышленности. Трехмерная печать на наших глазах встраивается в привычные производственные процессы и кардинально меняет экономику целых отраслей.

Россия вступила в игру с опозданием на несколько лет. На государственном уровне пользу аддитивных технологий всерьез стали обсуждать только в 2014 году, когда немецкая Siemens уже печатала комплектующие для своих газовых турбин. Теперь, чтобы догнать мировой рынок, России нужно бежать в несколько раз быстрее. В стране уже есть немало уникальных разработок в производстве принтеров и материалов для них. А учитывая низкую базу, в стране есть огромный потенциал для использования 3D-принтеров на промышленных производствах.

3D-ПЕКАРИ

Промышленный 3D-принтер напоминает большую печь, где мощный лазер сплавляет объекты из металлических, керамических или полимерных порошков. Часто используются и однорукие аппараты-роботы, которые специальной печатающей головкой слой за слоем «выращивают» объекты из расплавленного материала. Создать объект можно из чего угодно: пластика и керамики, цемента, стекла, практически любого металла, композитов, воска и прочего.

Громоздкие аппараты создают детали любой сложности и структуры без помощи человека, машинами управляет компьютер, куда заранее загружается программа, но делают это довольно медленно. При этом в аддитивных технологиях не работает эффект масштаба: себестоимость деталей всегда одинакова, сколько бы их не напечатал принтер. С учетом таких особенностей аддитивные технологии вряд ли в ближайшем будущем заменят все привычные станки и способы производства.

На 3D-принтерах экономически выгодно выпускать штучные детали сложной формы и структуры, поэтому технология часто применяется в авиации, космической отрасли и медицине (печать имплантов и протезов). Благодаря принтеру стоимость эксклюзивной детали может снизиться на 44 %, а срок изготовления – в два раза. При этом трехмерная печать – безотходное производство, что позволяет экономить дорогие металлы, например титан. Аппараты даже умеют целиком печатать объекты, состоящие из нескольких элементов (например, цепочку), что сокращает время на сборку.

Аддитивные технологии широко используются и для создания прототипов или оснастки, что сокращает вывод новых продуктов на 75 %, а капитальные затраты на создание производства заготовки снижаются кратно. Одно из новых направлений – ремонт комплектующих. Принтер может нарастить недостающий кусок расколотой детали, ускорив ремонт на 60 %. У завода при этом отпадает надобность иметь большой склад, запасы можно сократить вдвое, ведь напечатать недостающую деталь или отремонтировать старую теперь можно в любой момент.


История в 3D

Зарождение аддитивных технологий (от англ. additive – прибавляемый) началось еще в 1980-х годах. Первооткрывателем трехмерной печати считается инженер и основатель компании 3D Systems Чарльз Халл. В 1984 году он запатентовал способ печати по принципу лазерной стереолитографии (SLA): лазер «выращивает» фигуру, обжигая жидкий фотополимер слой за слоем. Компания 3D Systems по сей день остается лидером в секторе трехмерной печати.

Позднее инженер Скотт Крамп придумал метод послойной печати из расплавленного материала (FDM). 3D-принтер формирует объект, выдавливая материал слой за слоем. Сейчас этот способ является самым распространенным в мире. Примерно в это же время исследователи Джозеф Биман и Карл Декард изобрели прорывной способ селективного лазерного спекания (SLS), когда лазер создает фигуры из металлических порошков.

Настоящую популярность аддитивные технологии получили только к середине 2010-х годов после значительного сокращения стоимости аппаратов. Кроме того, появилась новая ниша домашней трехмерной печати – компактные 3D-принтеры стали покупать люди для производства собственных оригинальных сувениров.


Собрать из крупиц

В России международный тренд на развитие 3D-технологий первыми заметили предприимчивые стартаперы и сотрудники технических вузов. Энтузиасты в разных концах страны независимо друг от друга собирали свои модели 3D-принтеров и разрабатывали собственные технологии.

Денис Власов, совладелец компании-производителя 3D-принтеров и софта «Эксклюзивные Решения», отмечает, что сейчас в стране довольно много наработок в области аддитивных технологий всех методов. По его оценкам, в России работают более двух десятков изготовителей оборудования для трехмерной печати. Большинство производят аппаратуру для самых распространенных способов послойной печати и лазерной стереолитографии (FDM и SLA), в том числе настольные принтеры (на слуху, например, «Импринта» и Picaso).

В сегменте промышленных аппаратов металлической печати ситуация сложнее. Модели таких принтеров для печати методом плавления, спекания и наращивания (SLM, SLS, DPD) имеют семь российских компаний, в том числе «Росатом», «Роскосмос», ИЛИСТ, «Эксклюзивные Решения» и другие, согласно каталогу Минпромторга. Однако большинство из них пока не производят аппараты серийно либо имеют единичные продажи, некоторые модели находятся на этапе эксплуатации опытного образца.

Основной драйвер российского рынка – настольные принтеры для полимерной печати сувениров и фигурок. В 2018 году было продано 2,88 тыс. персональных 3D-принтеров российского производства, по оценкам Минпромторга. Промышленные принтеры продаются хуже: в этом секторе за тот же год отечественные производители продали 18 неметаллических и 5 металлических аппаратов. Общий объем российского производства аддитивных аппаратов в 2018 году достиг скромной отметки в 760 млн руб., по подсчетам министерства.

По словам Дениса Власова, российские принтеры с использованием металлических порошков можно разделить на три сектора: небольшие узкопрофильные системы (для стоматологии и науки) стоят от 10-15 млн руб., аппараты среднего класса для работы с крупными объектами – от 25 млн руб., цены на принтеры промышленного класса для печати изделий высокого качества начинаются от 40-60 млн руб. С увеличением цены значительно растет насыщение принтеров различными узлами, обеспечивающими функционирование усложняющегося процесса.

Никита Кузнецов, директор по проектам кластера передовых производственных, ядерных и космических технологий фонда «Сколково», говорит, что во всем мире не так много компаний, которые производят 3D-принтеры, печатающие металлическими порошками методами селективного лазерного спекания или селективной лазерной наплавки, стоимость таких аппаратов может достигать нескольких десятков миллионов рублей за станок. По его словам, такие принтеры в основном нужны производственным предприятиям, которые нацелены на кастомизацию производства. Один из современных мировых трендов – это создание станков-гибридов, на которых деталь сначала создается аддитивным способом, а потом сразу же механически обрабатывается. На выходе получается готовая деталь, не требующая дополнительной обработки.

Другим трендом, по словам Никиты Кузнецова, является разработка новых материалов для таких принтеров, а также удешевление их конструкции. Наиболее перспективные направления – разработка порошков из тугоплавких металлов, таких как титан и вольфрам, а также сплавов на их основе. Если же говорить об удешевлении себестоимости производства таких принтеров, то сейчас вместо лазерных систем внедряют диоды. Но тут есть свои плюсы и свои минусы. Поэтому рынок 3D-принтеров SLS и SLA также развивается, в том числе и сегмент, связанный с новыми материалами.

Металлические порошки выпускают с десяток российских предприятий, в их числе «Русал» и структуры «Роскосмоса». Кроме того, постоянно идет работа над созданием новых материалов. Перспективные разработки есть, например, и среди участников фонда «Сколково». Никита Кузнецов приводит в пример компанию «Новые дисперсные материалы», которая изобрела уникальную установку по производству микродисперсных (для печати) и нанодисперсных (для нанесения покрытий) порошков из титанового сплава ВТ-6. Исследования показали отличные результаты: выход годной фракции (то есть сферичной и одинакового установленного размера) не менее 70 %, содержание кислорода – 0,02 %. Никита Кузнецов рассказывает, что компания уже сотрудничает с крупнейшей международной металлургической компанией ArcelorMittal, а также отмечает, что именно сегмент новых материалов самый быстрорастущий – около 27 % в год.

В исследовании «Рынок 3D-печати в России и мире» компании J’son&Partners Consulting говорится, что дефицита в материалах для печати нет. Производственные мощности российских предприятий составляют около 20 тонн металлических порошков в год, или 2,5 % мирового объема. При этом внутреннее потребление металлических порошков в России лишь около 5 тонн в год, по оценкам Дениса Власова.

Тесный рынок

При создании любого инновационного рынка возникает избитая проблема «курицы и яйца». Какую стратегию выбрать: сначала разработать добротный продукт, а потом искать покупателя. Или наоборот? Похоже, мы еще не нашли ответа на этот вопрос.

Спрос на аппаратуру, софт и порошки внутри России растет, но по мировым меркам остается крошечным. По самым оптимистичным оценкам J’son&Partners Consulting, объем российского рынка аддитивных технологий не превышает $100 млн в год. С 2011 по 2018 год в России было продано более 36 тыс. принтеров. При этом на предприятиях и в исследовательских центрах установлена лишь одна тысяча профессиональных аппаратов. А промышленных машин стоимостью более $50 тыс., как полагает Федор Антонов, основатель «Анизопринт», во всей стране наберется около 200 штук. А в мире таких аппаратов уже около десяти тысяч.

Отечественным компаниям тесно внутри страны. «Доля России в мировом объеме лишь 3 %. Для примера: США занимает около трети глобального рынка. Российским игрокам сложно расти внутри своего рынка, где довольно мало крупного производства с достаточным количеством денег для экспериментов с инновационными технологиями. За рубеж выйти тоже непросто: высокая конкуренция при довольно медленном процессе внедрения», – говорит Федор Антонов. С 2018 года его компания производит принтеры по запатентованной технологии печати композитными материалами. «Анизопринт» ежегодно продает по несколько сотен аппаратов в ЕС, Китае, Индии и других странах. Около половины заказчиков – научные центры и университеты. Промышленные компании в сфере авиации, судостроения и энергетики приобретают принтеры для печати функциональных прототипов и оснастки. В России у компании около десятка заказчиков, в основном научные центры.

Российским игрокам приходится выживать в конкуренции с иностранными производителями, которые исторически имеют больше опыта в аддитивных технологиях. Ежегодно в Россию ввозится около пяти тысяч иностранных принтеров на сумму около 1,3 млрд руб., по данным J’son&Partners Consulting за 2018 год. При этом российских аппаратов за восемь лет (2011–2018 год) было продано порядка 11 тысяч штук, включая персональные настольные 3D-принтеры.

Отвоевать место в будущем

«Мы производим изделия, которые будут иметь спрос только через несколько лет. Вместе с тем, нам приходится постоянно доказывать, что российские аппараты ничуть не хуже импортных», – говорит Денис Власов. Судя по официальной статистике, российским производителям пусть медленно, но удается отвоевать рынок у зарубежных конкурентов. Если в 2011 году доля российского аддитивного оборудования в РФ составляла мизерные 4 %, то к 2018 году показатель вырос уже до 40 %, по данным Минпромторга. Но большая часть аппаратов все еще завозится из-за границы. Структура заказчиков 3D-принтеров в России мало отличается от зарубежной: основные потребители – авиационная отрасль (около трети объема), другие машиностроительные компании (около четверти объема), научные организации, университеты, школы и медицинские центры.

Одним из крупнейших заказчиков аддитивной техники в России считается госкорпорация «Ростех». Трехмерная печать уже активно используется на всех предприятиях ее авиационного кластера, таких как Объединенная двигателестроительная корпорация, КРЭТ, холдинги «Технодинамика», «Вертолеты России» и Объединенная авиастроительная корпорация. В «Ростехе» отмечают, что сейчас используются принтеры с технологиями селективного сплавления металлов (SLM) и наплавки металлами (DMT). Порошки закупаются у Всероссийского научно-исследовательского института авиационных материалов (ВИАМ), завода «Полема», Ступинского металлургического комбината, «Русала» и других производителей.

Для внедрения технологии в производственные цепочки «Ростех» создал Центр аддитивных технологий (ЦАТ). Его головная площадка расположена на Московском машиностроительном предприятии имени В.В. Чернышева, а распределенные мощности – в Рыбинске, Перми, Санкт-Петербурге и Уфе. Как отмечают в «Ростехе», аддитивные технологии наиболее востребованы в основном для печати статорных и корпусных деталей, большинство изделий применяются в опытных образцах. При этом напечатанный завихритель камеры сгорания двигателя для пассажирского самолета МС-21 уже прошел сертификацию и допущен к серийному производству. В будущем есть планы использовать 3D-технологии для производства частей всех новых видов авиадвигателей, самолетов и вертолетов.

Разработками в аддитивной сфере с 2015 года занимается также государственный Фонд перспективных исследований совместно с ВИАМ. Фонд уже сообщил об успешных летных испытаниях газотурбинного двигателя МГТД-20, изготовленного методом 3D-печати, в составе реактивного беспилотника «Дань-М». Теперь фонд хочет напечатать авиадвигатель и для первой российской крылатой многоразовой ракеты «Крыло-СВ».

Трехмерную печать применяют и в судостроении. Например, «Газпром нефть» сообщала, что использует технологию в тестовом режиме для восстановления деталей оборудования ледоколов и танкеров арктического флота. Компания сейчас получает сертификацию на использование технологического процесса работы с металлическими изделиями способом 3D-печати (документ, удостоверяющий соответствие деятельности нормативам морского регистра). По заказу «Газпром нефти» на промышленном 3D-принтере уже изготовлены первые партии деталей для установки на ледоколе «Андрей Вилькицкий», а также на бункеровщиках «Газпромнефть Зюйд», «Газпромнефть Норд», «Газпромнефть Норд-Вест».

В химической отрасли 3D-принтеры активно внедряет ООО «СИБУР», которое также имеет несколько центров аддитивных технологий. Например, на Вынгапуровском ГПЗ АО «СибурТюменьГаз» при помощи аддитивных технологий изготавливают детали и узлы для промышленного оборудования (различные форсунки, зарядные станции, рабочие колеса насосов, водоотбойные кольца, блокираторы для автоматических включателей и т. д.). Оказалось, что такой метод позволяет быстро изготавливать детали, которые раньше приходилось долго ждать из-за рубежа. Экономический эффект за 2019 год ООО «СИБУР» оценивало в 1,2 млн руб.

Многомерная господдержка

У аддитивных технологий в России большое будущее: рынок все еще не насыщен. Кроме того, отрасль наконец-то заручилась поддержкой государства: аддитивные технологии попали в государственную стратегию развития станкоинструментальной промышленности до 2035 года, которую разработал Минпромторг. Министерство видит два вектора развития отрасли: производство гибридных станков и производство 3D-принтеров. «В России существуют сдерживающие факторы применения аддитивных технологий – отсутствие отраслевых национальных стандартов и систем сертификации, отсутствие квалифицированных кадров на большинстве машиностроительных предприятий, имеющих компетенции в работе с аддитивными машинами, экономическая неэффективность применения, обусловленная высокой стоимостью производства и ограниченной производительностью аддитивных машин, необходимость в дообработке заготовки до конечного изделия», – написано в стратегии. Из документа также следует, что эти проблемы требуют скорейшего решения, иначе влияние аддитивных технологий будет незначительным и страна отстанет от своих конкурентов.

Для ускорения отрасли требуется комплексный подход: поддержка не только производителей 3D-принтеров, но и потребителей аддитивных технологий. Эти факторы учтены еще в одном документе – дорожной карте развития аддитивных технологий, утвержденной еще весной 2020 года. Оператором и лидером отрасли выбран «Росатом», что не случайно, ведь у госкорпорации есть свои разработки в сфере аддитивных технологий и богатый научный и производственный потенциал в области материаловедения и машиностроения. Все компетенции госкорпорации в сфере трехмерной печати объединены на базе единого отраслевого интегратора «Русатом – Аддитивные технологии» (входит в топливную компанию «ТВЭЛ»).

Дорожная карта – своего рода пошаговый план движения отрасли. Он разделен на четыре основных блока: разработка 3D-принтеров, выпуск материалов, создание программного обеспечения и организация производственных и научно-образовательных центров аддитивных технологий. Инновационная технология, как ожидают авторы дорожной карты, будет востребована в таких отраслях, как гражданская авиация, оборонно-промышленный комплекс, судостроение, автопром, энергетическое машиностроение, ядерная энергетика и медицина. Чтобы двигаться сообща, будет создана отраслевая ассоциация для всех заинтересованных участников. Организацию учредят «Росатом», «Ростех», ВИАМ, «Алмаз-Антей» (разрабатывает свой 3D-принтер) и «Газпром нефть». Ожидается, что ассоциация заработает до конца года и откроет двери для всех заинтересованных участников рынка: производителей оборудования и материалов, потенциальных покупателей технологий, научных центров и проектных организаций.

Никита Кузнецов полагает, что выпуск стратегии и дорожной карты по развитию аддитивных технологий необходимы для того, чтобы признать необходимость модернизации производственных мощностей на государственном уровне, а также транслирования этой необходимости до уровня руководств отдельных предприятий. «С одной стороны, отечественные промышленники ждут все тех же решений, что и иностранные игроки: качественного улучшения физико-механических свойств конкретных деталей, которые на текущий момент изготавливаются по традиционным технологиям, – поясняет он. – С другой стороны, внедрение 3D-печати в России (равно как и любой другой новой технологии) идет гораздо сложнее, чем за рубежом. В первую очередь это происходит из-за бюрократических барьеров: внедрение чего-то нового на заводах любой российской госкомпании связано с очень длительным процессом, от первого шага до начала совместных испытаний может пройти несколько лет. Даже успешные испытания не дают гарантии того, что технология будет дальше внедрена».

По мнению Никиты Кузнецова, необходимо четко регламентировать весь процесс внедрения новых систем, а также стимулировать отечественных промышленников внедрять аддитивные технологии для создания кастомизированного производства и работать с отечественным производителем 3D-принтеров и материалов. «Их сейчас не так много, но им есть что показать, а, главное, многим из них сейчас просто нужны опытные внедрения на производстве для отладки технологии», – заключает он.


Атом в трех измерениях

ООО «РусАТ» (входит в АО «ТВЭЛ») охватывает все составляющие аддитивного рынка: производство 3D-принтеров, выпуск аппаратов для создания порошков и разработку программного обеспечения.

Компания уже собрала две модели принтеров: RusMelt 300 Multi Laser и RusMelt 600 Multi Laser. Аппараты работают по технологии лазерного плавления металлического порошка (SLM) по математическим CAD-моделям. В ООО «РусАТ» уточняют, что линейка намного шире. В настоящее время компания завершает разработки конструкторской документации по 3D-принтерам, работающим по технологиям прямого нанесения металла в виде мелкодисперсного порошка DMD (direct metal deposition) и дуговой проволочной наплавки WAAM (wire-arc additive manufacturing). В первом случае разрабатываемые оборудование и технологии направлены на изготовление крупногабаритных деталей для различных отраслей промышленности, в том числе элементов активной зоны ядерного реактора, во втором – на производство изделий сложной геометрической формы, изготовление которых по традиционным технологиям является долгим и трудоемким процессом с низким коэффициентом использования материала. В 2021 году будут собраны опытные образцы оборудования, а в дальнейшем на их основе планируется создание серийных образцов и расширение продуктовых линеек принтеров.

Металлические порошки производятся в Новоуральске на базе НПО «Центротех». Установка газового распыления «Капля» выпускает широкий спектр порошков: алюминиевые и медные сплавы, нержавеющие и высоколегированные стали. Процесс состоит из нескольких этапов: сначала металл расплавляется в печи, затем в специальной камере дробится на капли, а после кристаллизуется в гранулы. Шарики летят вместе с газом по металлопроводу и сбрасывают излишки тепла, а затем сферические гранулы размером от 5 до 400 мкм попадают в сборник порошка. Максимальная производительность – 20 тонн порошка в год, содержание кислорода – не более 0,1 %. «Капля» уже выпустила первые партии порошка нержавеющей стали товарного качества, до конца года планируется наработать 2 тонны материала.

В декабре ООО «РусАТ» запустит еще одну установку – аппарат «Шайба» для создания титановых порошков. Машина будет работать по принципу центробежного плазменного распыления при температуре около 5000 градусов в среде инертной атмосферы аргона и гелия. Преимущество технологии – возможность получать фактически идеально сферичные порошки металлов при низкой доле примесей.

Кроме того, Чепецкий механический завод (ЧМЗ; металлургическое предприятие в составе АО «ТВЭЛ») приступил к реализации проекта по организации серийного производства порошков титановых сплавов для аддитивных технологий. Основные конкурентные преимущества планируется сформировать за счет наличия у ЧМЗ собственного полуфабриката для производства порошков – титановой проволоки.

В ООО «РусАТ говорят, что серийный запуск принтеров и аппаратов для создания порошков ожидается в ближайшее время. По планам госкорпорации, выручка по направлению аддитивных технологий к 2030 году достигнет 50 млрд руб.

«Росатом» выступает не только производителем оборудования, но и крупным потребителем технологий. Госкорпорация уже постепенно внедряет трехмерную печать в свое производство. Сейчас отрабатывается техника изготовления различных деталей, в частности, в ближайшее время планируется изготовить несколько элементов конструкции тепловыделяющей сборки (ТВС) и направить на испытания в одно из конструкторских бюро «Росатома».

В ООО «РусАТ» поясняют, что в перспективе 3D-печать планируется использовать для создания прототипов и изготовления деталей различных габаритов, например, аддитивные технологии могут применяться для создания хвостовиков ТВС, внутрикорпусных выгородок реакторов типа ВВЭР и антидебризных фильтров, необходимых для защиты конструкции ТВС и твэлов от попадания в активную зону реактора посторонних элементов.

Новый способ производства будет полезен не только в атомной промышленности. Принтеры, например, можно использовать для печати протезов и производства малоразмерных газотурбинных двигателей.



ЦИФРЫ

на 21 %, до $12 млрд
вырос глобальный рынок аддитивных технологий в 2019 году, по данным Wohlers Report

$100 млн
составлял российский рынок аддитивных технологий и услуг в 2018 году, по оценкам J’son&Partners Consulting

>40 млн руб.
стоит российский 3D-принтер промышленного класса для печати изделий высокого качества из металлических порошков

~3 тыс. 3D-принтеров
российского производства было продано в России в 2018 году, по статистике Минпромторга

50 млрд руб.
планирует заработать «Росатом» на аддитивных технологиях к 2030 году

>30 оригинальных методов 3D-печати
зарегистрировано в мире

на 75 %
сокращается срок вывода на рынок новых деталей благодаря аддитивным технологиям

на 60 %
увеличивается скорость ремонта деталей с помощью трехмерной печати

на 90 %
могут снижаться издержки производства при использовании 3D-принтеров