На пути к выращиванию реакторов

Как аддитивные технологии развиваются в России

Экспертной полнотой знаний о той или иной отрасли владеют профильные ассоциации, поэтому «Вестник атомпрома» обратился к исполнительному директору Ассоциации развития аддитивных технологий (АРАТ) Ольге Оспенниковой с просьбой охарактеризовать текущее состояние аддитивного рынка России и обозначить ключевые тенденции, влияющие на положение дел на нем.

― Ольга Геннадиевна, для создания общей картины дайте, пожалуйста, экспертную оценку российского аддитивного рынка. Какие сегменты представлены в России?

— Российский рынок аддитивных технологий развивается довольно быстрыми темпами и в настоящее время достаточно сбалансирован. На рынке присутствуют различные производители оборудования для 3D-печати, производители материалов, центры аддитивных технологий, компании, оказывающие инжиниринговые услуги в области аддитивных технологий, организации по разработке специализированного ПО. В России используют все основные материалы, что и во всем мире, — металлы, пластик, фотополимеры.

Исключение — строительный сегмент, потому что он в России находится в самом начале развития. Причины в ограничениях по применению 3D-печати для строительства зданий и сооружений. Они разные, как естественные, так и административные: это и холодный влажный климат на большей части России, и особые требования к строительным смесям (обеспечение вязкости, высокая адгезия между слоями, нормированные сроки твердения, обеспечение устойчивости формы готового изделия), и ограниченная высотность объектов для 3D-строительства, и не до конца сформированная нормативная база. Однако ряд проектов по строительной 3D-печати существует, игроки на рынке инвестируют в это направление.

― В каких сегментах на российском аддитивном рынке представлен Росатом?

— Госкорпорация фокусируется в первую очередь на развитии промышленных систем 3D-печати металлами, а также на развитии сегмента металлических порошков различного состава. В контуре Росатома есть также предприятия, которые разрабатывают и выпускают 3D-принтеры для печати пластиками и другими материалами. Растет объем услуг НИОКР, которые выполняют предприятия Росатома как самостоятельно, так и вместе с бизнес-партнерами и научными организациями. Строительный сегмент Росатом пока не рассматривает как приоритетный и стратегический.

― Насколько Россия в целом импортонезависима в аддитивном сегменте?

— В России представлен довольно широкий номенклатурный ряд оборудования российского производства для аддитивной отрасли — 3D-принтеры с различными размерами рабочих камер, которые работают с разными сплавами. Есть и российские решения для трехмерной печати пластиками. Увеличение доли собственного производства — это тенденция: предприятия расширяют номенклатуру, совершенствуют и наращивают объем производства. За последние несколько лет российские производители серьезно продвинулись в создании 3D-принтеров. В частности, их выводит на рынок Росатом. В сегменте материалов Россия также наращивает собственное производство металлических порошков, пластиковых и фотополимерных материалов для 3D-печати, доля импорта снижается.

Конечно, текущая ситуация накладывает ограничения на поставку высокотехнологичного оборудования из США, Европы, Японии и других стран. Но рынок приспосабливается: все большую роль начинают играть оборудование и материалы местного производства и поставки некоторых видов оборудования из Китая, Индии, Турции. Перебалансировка рынка идет, и мы полагаем, что компании из этих стран увеличат свою долю рынка. Российские компании также ведут себя активно, расширяют номенклатуру, совершенствуют и наращивают объемы выпуска материалов, поэтому и их доля увеличивается.

― Удовлетворяет ли внутреннее производство спрос?

— На российском рынке доминируют три основные технологии. Первая — PBF (Powder Bed Fusion — синтез на подложке), на ее долю приходится около 55% рынка. Вторая — DED (Direct Energy Deposition — прямой подвод энергии и материала), она занимает около 7% рынка. Третья — MEX (Material Extrusion — экструзия материала), на которую приходится более 24% рынка. В сумме, как мы видим, на них приходится более 85% всего российского рынка. Спрос на эти технологии может быть удовлетворен российскими компаниями и частично — поставками из дружественных стран.

А вот такие технологии, как VPP (Vat Photopolymerization — фотополимеризация в ванне), BJ (Binder Jetting — струйное нанесение материала), SHL (листовая ламинация), BIO (3D-биопечать), в меньшей степени освоены российскими производителями. Поэтому, чтобы удовлетворить спрос на них, следует ориентироваться на импорт из дружественных стран.

— Каков объем российского рынка в денежном выражении?

— В настоящее время объем российского рынка аддитивных технологий составляет порядка 6 млрд рублей. Из них примерно 2,5 млрд рублей приходится на оборудование для 3D-печати и комплектующие, 1,2 млрд рублей — на материалы и около 2,3 млрд рублей — на услуги 3D-печати. И, как видите, услуги — это ощутимая часть рынка.

— А каков объем мирового аддитивного рынка?

— Приведу данные наиболее авторитетной и известной консалтинговой компании в аддитивном сегменте, Wohlers Associates, которая ведет мониторинг и выполняет ежегодные исследования мирового рынка аддитивных технологий. По их информации, общий объем продуктов и услуг по направлению «аддитивные технологии» в мире в 2021 году составил $15,2 млрд. Это на 19,5% больше, чем в 2020 году. По итогам 2022 года рост продолжился, прирост по отношению к 2021 году составил 18,3%, в абсолютных цифрах объем рынка превысил $18 млрд.

— Может ли Россия стать экспортером в аддитивном сегменте?

—Думаю, да. Если раньше безусловными лидерами в производстве оборудования для аддитивных технологий были Европа и США, то теперь мы видим быстрое развитие компаний в дружественных нам странах — Китае, Индии, других странах Азии, Латинской Америки. Промышленные 3D-принтеры многих китайских производителей имеют характеристики, аналогичные продукции компаний из США и Европы, то есть компетенции компаний из Китая существенно усилились за последние годы.

В Китай экспорт маловероятен, речь, скорее, может идти о создании совместных предприятий для локализации их продукции на территории России. А вот Индия и другие страны Азии вполне могут стать экспортным направлением. В качестве объектов поставок рассматриваются не только принтеры, но и комплекты с порошками. Напомню, в НПО «Центротех» налажено производство металлических порошков для 3D-печати, объем — до 20 тонн в год. Росатом расширяет номенклатуру порошков. На Чепецком механическом заводе планируется запуск производства порошков из титана и титановых сплавов, прежде всего ВТ6, и из жаропрочных материалов. Титановые сплавы широко применяются в судостроении и авиации. Жаропрочные, на основе никеля, например инконель, идут в газотурбинные двигатели беспилотников. Думаем, что увеличение объемов производства приведет к росту рынка порошков до 2 млрд рублей к 2030 году. В натуральном измерении рынок может превысить 70 тонн, из них почти половина будет приходиться на стальные порошки, а остальной объем распределится между жаропрочными и титановыми сплавами, кобальтом и алюминием. Поскольку оборудование для жаропрочных порошков может выпускать и нержавейку, при колебаниях спроса можно будет быстро под него подстроиться.

— Это значит, что на ЧМЗ появится новое производство?

— Да, проект одобрен, находится на стадии закупки оборудования. Уже выполнены предварительные строительно-монтажные работы, идет подготовка площадки. К концу этого года ЧМЗ планирует получить оборудование и начать его монтаж и наладку.

— Вы сказали, что Росатом выводит на рынок 3D-принтеры. Но от экспертов приходилось слышать, что дальше пилотных образцов дело не движется. Когда Росатом выйдет на серийное производство?

— Во-первых, первая коммерческая поставка уже состоялась. В первом квартале этого года «РусАТ» продал «трехсотый» принтер, то есть машину с размером рабочей камеры 300 на 300 мм компании «СП «Квант» в Сколково. Сейчас там идет устройство площадки, принтер готовят к вводу в эксплуатацию. Во-вторых, на полноценное серийное производство Росатом выйдет уже в конце этого года. Интегратор набирает пул заказчиков, и первое «железо» уже запущено в работу. Поясню: с момента, когда чертежи поступают в работу, до полностью готового к отгрузке принтера проходит месяцев восемь-девять.

— Сколько принтеров Росатом может выпускать в год?

—Мощности НПО «Центротех» позволяют выпускать порядка восьми машин в год. Если расширить узкие места, возможно, получится дойти до десяти. Кроме того, «РусАТ» договорился с ФГУП «Приборостроительный завод», будет размещать часть заказов у них. Уже идет проработка чертежей, некоторые детали запущены в работу. Также Росатом разрабатывает новые модели. Например, на выставке «Металлообработка-2023» была представлена уникальная установка, которую по заказу «РусАТ» и «ТВЭЛ» создала «Корабелка» — Санкт-Петербургский государственный морской технический университет. Это двухроботовый принтер для прямого лазерного выращивания с диаметром рабочей камеры 2,5 м. Посетители увидели, как установка выращивала изделия из металлов прямо на выставке. Затем машина уехала обратно в Санкт-Петербург, чтобы на ней по заказу «ОКБМ Африкантов» выращивать изделия для реакторных испытаний. Это будет одно из первых применений синтезированных, то есть напечатанных на 3D-принтере, материалов в ядерной энергетике. Потом, ориентировочно в первом квартале следующего года, машина вернется в Москву, займет свое место в Центре аддитивных технологий, и на ней будет работать уже «РусАТ». Также «РусАТ» совместно с РФЯЦ-ВНИИЭФ сейчас дорабатывает виртуальный принтер, это будет очень интересная история. Новый программный комплекс откроет широкие возможности для проектирования изделий, оптимизации конструкций и устранит сложности с компоновкой деталей на платформе и оптимизацией работы мультилазерных систем. Думаю, что где-то через полгода его уже начнут активно продвигать. Еще одна разработка — это машина, работающая по технологии селективного лазерного сплавления с рабочим пространством 600 мм по каждому измерению. Это опытный образец, он уже существует «в железе», «РусАТ» выявляет и устраняет недостатки, работает с ПО. Надеемся, что первый коммерческий образец появится к концу 2024 года. Долго ли это? «РусАТ» идет по правилам разработки конструкторской документации, есть порядок с соответствующими ГОСТами, чтобы гарантировать покупателям надежность оборудования.

— Заказы уже есть?

— Да, формируется список. В частности, с авиастроителями есть некоторые договоренности по выращиванию крупногабаритных деталей. Поясню: одно из ограничений аддитивных технологий — это габариты. Нельзя вырастить бесконечно большую конструкцию. Например, для технологии селективного лазерного сплавления, или, иначе, синтеза на подложке, максимальный объем — куб со стороной 600 мм. Все, что больше, — уже поэлементное выращивание с последующей сваркой или иными способами соединения элементов в конструкцию. У прямого лазерного выращивания, когда в лазерную головку напрямую подается порошок либо проволока, не такие жесткие ограничения. Хотя камера диаметром 2,5 м — самая большая, установок такого размера в мире единицы. Но мы планируем с «Корабелкой» идти дальше и создать принтер, на котором можно выращивать детали до 4 м. В нем уже будет шесть роботов. Для него интегратор также собирает заказы, это перспективный проект на несколько лет вперед.

— Уже можно небольшой реактор построить…

— Да, по сути, на это и ориентируются. В феврале проходило крупное отраслевое мероприятие в Нижнем Новгороде, там были Кирилл Борисович Комаров, руководители дивизионов. И представители «ТВЭЛ» и «РусАТ» в своих презентациях стремились донести до конструкторов, что такое аддитивные технологии. Интерес был очень большой, и «Гидропресс» даже вышел с инициативой попробовать широко применить аддитивные технологии для выращивания реакторов малой мощности.

— Можно ли говорить о том, что аддитивные технологии постепенно выходят на массовый рынок?

— Если говорить о крупных игроках, то, например, предприятия Росатома и «Ростеха», а также некоторые ведущие научные и промышленные организации в России уже активно используют аддитивные технологии в научно-исследовательской и производственной деятельности. С помощью 3D-принтеров можно быстро и недорого создать, например, прототип.

Но главное, на мой взгляд, в том, что аддитивные технологии уже перестали быть «дорогой игрушкой» и заняли достойное место среди ключевых технологий цифровой промышленности. Стадия неприятия уже прошла, конструкторы с интересом смотрят на аддитивные технологии, так как они экономят материал, время, снижают риск ошибок. Конечно, нет смысла выращивать какой-то вал простой конфигурации с помощью аддитивных технологий. Такую деталь проще выточить из прутка, и это займет мало времени и не потребует создания специальной оснастки. Аддитивными методами есть смысл выращивать детали со сложной конструкцией внутренних полостей, которые делаются сейчас из, условно, 15 отдельных частей. Их потом соединяют, например сваривают, просто потому, что внутренние каналы никак по-другому не оформить. А аддитивные технологии позволяют вырастить деталь целиком, убрав максимум соединений, которые требуют дополнительной работы и снижают ресурс, потому что все-таки любая сварка — это снижение прочностных характеристик. И если посчитать в целом трудоемкость, то аддитивные технологии позволяют сократить время изготовления деталей в десятки раз. Деталь традиционным способом, например литьем с механообработкой, изготавливается несколько недель, а аддитивными методами — дней 10–15. Надо также учитывать выход в годное: у традиционных методов он может быть очень низким, порядка 30%, остальное — в отходы или на переплавку. Но даже при возврате в процесс — в деталь уже вложены деньги, энергия, время, труд, материал. С учетом всех факторов аддитивные технологии дают очень серьезную экономию.

Еще один момент: можно поспорить об использовании аддитивных технологий для старых, уже освоенных в изготовлении изделий, но для новых синтезирование дает еще и сокращение затрат на стадию подготовки производства, то есть изготовление технологической оснастки, пресс-форм, штамповой оснастки. Все это уходит, остается только работа программиста, технолога, подготовка порошковых материалов или проволоки, после чего следует собственно выращивание деталей достаточно большого объема всего за две недели.

Кроме того, не надо воспринимать 3D-печать только как инструмент для производства образцов. Технология масштабируема. Если у вас есть одна машина, то можно поставить вторую, и они будут выращивать одинаково, обеспечивая повторяемость. Например, если «РусАТ» поставит «трехсотый» принтер, то и десять таких принтеров будут обеспечивать те же режимы.

— Ассоциация объединяет ключевых игроков отрасли. Назовите их, пожалуйста.

— Когда мы создавали Ассоциацию развития аддитивных технологий, то пригласили самых крупных игроков. Это Росатом в лице «Русатом — Аддитивные технологии», «Роскосмос» в лице НПО «Техномаш», «Ростех» в лице Центра аддитивных технологий. Кроме интегратора, от Росатома вошли ЦНИИТМАШ и НПО «Луч». ЦНИИТМАШ — потому что это головной материаловедческий институт, и его специалисты нужны в Ассоциации, чтобы давать экспертную материаловедческую оценку. Одной из последних разработок НПО «ЛУЧ» является трехосевой лазерный сканатор для российских 3D-принтеров по металлу. «РусАТ» же больше нацелен на создание и продажу оборудования, на программное обеспечение. Но на той отраслевой сессии, о которой я говорила выше, Кирилл Борисович Комаров дал поручение проработать возможность зонтичного участия отраслевых предприятий, чтобы привлечь конструкторов, чтобы Росатом был представлен зонтиком предприятий. Мы уже начали с госкорпорацией это поручение прорабатывать, но пока окончательного решения нет. Но в целом Ассоциация — это не чисто отраслевая история. Мы ее создавали, чтобы она объединила максимальное количество различных отраслей, чтобы знать и сообща решать проблемы всех предприятий.

— Какие, например?

— Например, во всех отраслях есть проблема сертификации. Суть ее заключается в том, что сейчас каждый сертифицирует конкретную деталь в конкретном изделии. Скажем, вырастили форсунку, поставили ее в двигатель — провели аттестацию, оформили весь объем нормативной документации, получили разрешение на применение и запустили в серию. Так, например, действуют сейчас авиаторы. Мы же ставим вопрос о сертификации самой аддитивной технологии и материалов, используемых в этой технологии. То есть нужно сертифицировать не изделие, а технологическую цепочку и создать для нее нормативную базу, чтобы конструкторам было проще принимать решения об использовании выращенных деталей в том или ином изделии.

Конечно, специфика в разных отраслях есть и будет. Чтобы учесть все тонкости, в Росатоме создана рабочая группа, в которую вошли ключевые разработчики изделий и интеграторы. И она выработала стратегию, каким образом в отрасли будут широким фронтом внедряться аддитивные технологии. Эта стратегия — не столько регламентированный документ, сколько план действий под контролем рабочей группы. Начинаем мы, безусловно, с более простых, неответственных деталей, на которые не нужно оформлять большой объем документации. Для каждого изделия выбираем набор таких деталей, начинаем их выращивать, постепенно нарабатывая опыт по изготовлению, эксплуатации, по характеристикам материалов, ведь у каждого материала огромное количество физико-механических свойств, которые зависят также от установки, на которой происходит выращивание. И таким образом постепенно будет формироваться база данных свойств материалов изделий, выращенных при помощи 3D-печати.

— Поясните, пожалуйста, для чего нужна эта база данных.

— Есть порошок нержавеющей стали, у него есть какие-то свойства. Как только мы вырастили из него деталь, он приобрел свойства монолитного материала. И у нас есть такая же деталь, изготовленная отливкой или деформированием. Их свойства известны давно. А свойств синтезированного материала у нас нет. Поэтому конструктор спрашивает: «У меня есть отливка и есть штамповка, а у вас что? Оно лучше, хуже, насколько?» И нарабатываемая база данных свойств материалов готовых деталей должна снимать сомнения конструкторов в возможности их применения.

— Сертификация идет в этом направлении?

— Совершенно верно. Идя от простых, постепенно в отрасли начинают оформлять документы на более сложные детали, потому что на них требуется гораздо больший объем доказательной документации. И так будет нарабатываться общая база данных. В итоге, как мы надеемся, накопление данных позволит нам сократить срок испытания реакторных материалов с существующих 30 лет до двух.

— Звучит как революция.

— А у нас задача такая. Возвращаясь к работе Ассоциации: мы хорошо знаем, что происходит в авиации, в судостроении, поэтому сейчас на нашей площадке, учитывая опыт этих и других отраслей, пробуем сформировать единую политику на уровне Минпромторга с привлечением Росстандарта и разрешительных органов. В частности, мы планируем проведение крупного мероприятия с Минпромторгом на базе ВНИИ «Центр», это совет главных конструкторов предприятий ОПК. Хотим пригласить на него специалистов из Росатома, из «Ростеха», чтобы они рассказали главным конструкторам, металлургам и технологам об уже полученном опыте. И хотим рабочую группу, аналогичную той, которая уже есть в Росатоме, создать на базе совета главных конструкторов для того, чтобы смотреть на их проблематику. Такую работу мы планируем начать во втором квартале этого года.

— Среди отраслей, где используются аддитивные технологии, вы назвали судостроение, авиастроение, энергетическое машиностроение. А станкостроение? Создать 3D-печатью станок или детали для него реалистично?

— Да, вполне. Росатом развивает и это направление — как реверс-инжиниринг. Сейчас в России много зарубежного оборудования, для которого не поставляются комплектующие, запчасти в дефиците. И уже есть опыт работы с теми, кто эксплуатирует металлообрабатывающее или прокатное оборудование. Берется деталь, на которую нет никакой конструкторской документации, она оцифровывается, для нее строится математическая модель, и уже дальше по этой модели выпускается комплект конструкторской документации, и деталь изготавливается. Конечно, она может быть изготовлена не только с помощью аддитивных технологий, это может быть комплексное производство: что-то напечатано, что-то изготовлено традиционными методами. Сейчас это очень востребовано. Думаю, что санкции и запрет поставок положительно скажутся на применении аддитивных технологий в России. Ассоциация тоже в эту работу включилась. Мы планируем на нашем сайте сделать что-то вроде маркетплейса, чтобы аккумулировать запросы различных предприятий, не только членов Ассоциации, и смотреть, где можно те или иные детали изготовить. Сейчас идет финальная дошлифовка, личные кабинеты уже находятся в опытной эксплуатации. В первом полугодии этого года, думаю, маркетплейс уже будет работать.

— Кроме сертификации, какие еще проблемы есть в аддитивной отрасли?

— Как у всех — недостаток высококвалифицированных конструкторов и технологов. Они должны объединять компетенции материаловеда и программиста, потому что технология в 3D-печати перекладывается на программный код для принтера. Чтобы решить эту проблему, создаются центры аддитивных технологий в вузах. Мы эту работу ведем с казанским КНИТУ-КАИ, Санкт-Петербургским государственным морским техническим университетом и Санкт-Петербургским политехническим университетом Петра Великого. Идея в том, чтобы студенты выполняли не абстрактные лабораторные работы, а реальные заказы от промышленности, а преподаватели повышали квалификацию благодаря сотрудничеству с технологами и инженерами предприятий.

Еще одна проблема — нехватка средств у предприятий на закупку 3D-принтеров. В ее решении и стимулировании спроса мы, считаю, неплохо продвинулись — с участием Ассоциации был разработан федеральный проект по развитию станкоинструментальной промышленности. В нем участвовали более 400 экспертов — производители оборудования, научные учреждения, заказчики. Мы предложили несколько мер господдержки. Первая — поддержка НИОКР, нацеленных на создание не только оборудования для аддитивного производства, но и комплектующих к нему. Вторая мера — субсидии на закупку 3D-принтеров с учетом индивидуальных требований заказчика, чтобы он был уверен, что за государственные деньги, за которые ему придется отвечать, он получит то, что действительно поможет решить его проблемы.

— Какие тенденции проявляются на аддитивном рынке России?

— Если говорить об оборудовании, то мы видим увеличение доли промышленных систем для работы с металлами: их доля достигла почти 60%. Аналогично доля металлических порошков в общем объеме всех материалов для 3D-печати выросла до 65%. Это значит, что предприятия все активнее внедряют аддитивные технологии для работы с металлами.

Еще одна тенденция — рост спроса на выращивание крупногабаритных изделий. Думаю, что на маленьких принтерах уже наработан определенный опыт изготовления деталей и уже, наверное, хочется идти в большие габариты. А это говорит о том, что появился вкус к аддитивным технологиям. Например, в авиации производители смотрят уже на кронштейны для креплений крыла, там же много поворотных устройств, они сложной конструкции. И за счет применения аддитивных технологий конструкторы видят большой потенциал для снижения веса. Можно применить так называемый бионический дизайн и топологическую оптимизацию. Суть в чем: берется деталь, изготовленная традиционным способом, с определенными габаритами и конфигурацией. Затем делается прочностной расчет для выявления наиболее и наименее нагруженных мест. С наименее нагруженных мест убирается лишний металл, и деталь приобретает более сложную, но и более оптимальную конструкцию, будучи практически равномерно нагруженной по всему объему. Это позволяет увеличить жизнеспособность детали, ее надежность в конструкции и косвенным образом ресурс ее работы в конструкции. Поэтому конструкторы хотят выращивать более сложные и габаритные детали.

Третьей тенденцией я бы назвала расширение числа отраслей, интересующихся возможностями 3D-печати. Интерес проявляют нефтегазовая отрасль, энергетика, автомобилестроение.

— Как, на ваш взгляд, будет развиваться аддитивный рынок в России?

— Мы видим два сценария развития. Первый — в соответствии с обновленной Стратегией развития аддитивных технологий в Российской Федерации на период до 2030 года, разработанной Минпромторгом. Ассоциация как раз занимается ее актуализацией. Прогноз, заложенный в стратегии, — к 2030 году объем российского аддитивного рынка достигнет 13,2 млрд рублей. Но не исключено, что рост окажется куда более серьезным, учитывая соглашение, которое Росатом подписал с правительством России по дорожной карте «Технологии новых материалов и веществ». Если реализуется заложенный в дорожной карте инновационный сценарий, объем рынка вырастет до 23,5 млрд рублей. Конечно, мы рассчитываем, что реализуется именно он. Мы постоянно мониторим ситуацию, опрашиваем предприятия. Согласно прошлогоднему опросу мы видим, что уже более 120 организаций так или иначе развивают у себя аддитивные технологии. Мы также получили 339 запросов от предприятий по различным направлениям внедрения аддитивных технологий. Поэтому считаем, что шансы на ускоренный рост рынка вполне реалистичны.

Фото: АРАТ, редакция газеты «Страна Росатом» / Алексей Башкиров