Аддитивные технологии (производства) (далее АТ и АП) за последние 20 лет образовали интенсивно развивающийся инновационный сегмент технологии машиностроения: достигнуты впечатляющие практические результаты, сформирован мировой рынок технологий, оборудования и услуг, развернут широкий фронт научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, начата подготовка квалифицированных кадров, появилась предметно ориентированная научная и учебно-методическая литература . Развивается понятийный аппарат этой области технологических знаний, проводятся интенсивные работы по стандартизации и сертификации продукции . Приведенный ниже материал основан на определении аддитивных технологий, предложенном American Society for Testing and Materials - организацией, которая занимается разработкой технических стандартов для материалов, изделий, систем и услуг (стандарт ASTM F2792.1549323–1).

Два основных признака определяют этот сегмент технологий:

Признак аддитивности - конечная конфигурация изделия получается путем целенаправленного добавления дозированных объемов (масс) материала к исходной конфигурации или к подложке;

Признак виртуальности - в основе создания изделия лежит его цифровая модель.

В литературе представлены многочисленные классификационные модели аддитивных технологий. Так, по классификации ASTM аддитивные технологии разделены на 7 групп (русский перевод и пояснения М. А. Зленко ):

1. Material Extrusion - выдавливание материала или послойное нанесение расплавленного строительного материала через экструдер;

2. Material Jetting - разбрызгивание (строительного) материала или послойное струйное нанесение строительного материала;

3. Binder Jetting - разбрызгивание связующего или послойное струйное нанесение связующего материала;

4. Sheet Lamination - соединение листовых материалов или послойное формирование изделия из листовых строительных материалов;

5. Vat Photopolymerization - фотополимеризация в ванне или послойное отверждение фотополимерных смол;

6. Powder Bed Fusion - расплавление материала в заранее сформированном слое или последовательное формирование слоев порошковых строительных материалов и выборочное (селективное) спекание частиц строительного материала;

7. Directed energy deposition - прямой подвод энергии и материала непосредственно в место построения или послойное формирование изделия методом внесения строительного материала непосредственно в место подвода энергии.

Приведенный в работе материал касается, преимущественно, технологий шестой и седьмой групп, относящихся к производству изделий из металлов и сплавов. Этот сегмент АП развивается наиболее интенсивно, ориентирован на производство конечной продукции и представляет наибольший интерес для машиностроения .

Сравнительная характеристика аддитивных и субтрактивных технологий размерного форомообразования

Согласно классификатору методов размерного формообразования , по характеру трансформации исходного объема заготовки в объем детали все существующие методы и технологии на их основе разделяют на четыре класса (табл. 1).

Таблица 1. Классы методов обработки по характеру трансформации исходного объема заготовки

Класс	Описание класса	Название	Примеры технологий
1	В процессе обработки объем заготовки не изменяется по величине, но перераспределяется в пространстве.	Методы перераспределения объема. Redistributive methods.	Ковка, штамповка, гибка.
2	Объем изделия поучают путем удаления «лишнего» объема заготовки.	Методы удаления части объема заготовки. Subtractive methods.	Обработка резанием лезвийным или абразивным инструментом, химическое растворение.
3	Объем изделия получают добавлением материала к исходной заготовке или нанесением материала на технологическую подложку.	Методы наращивания объема изделия. Additive methods.	Гальваника, газотермическое напыление, селективное лазерное спекание или плавление, лазерная стереолитография. лазерное осаждение металла из порошка.
4	Изделие получают одновременным или последовательным удалением материала с одной части заготовки и нанесением его на другую.	Комбинированные (интегрированные) методы формирования объема изделия. Combined (integrated) methods.	Некоторые способы электрохимической обработки, модификации метода химических транспортных реакций, интеграция металлорежущих станков с ЧПУ с лазерной головкой и пр.

Наибольшее распространение получили методы формообразования второго и третьего классов, на которых основаны так называемые субтрактивные и аддитивные технологии.

Технологии второго класса превалировали и будут превалировать в обозримом будущем в машиностроительном производстве. Однако в 80–90-х годах прошлого века в связи с развитием и удешевлением цифровых технологий, появлением прецизионных мехатронных приводов, совершенствованием лазерной техники и другими факторами аддитивные методы и технологии размерного формообразования совершили качественный скачок и стали конкурентоспособными с классическими технологиями обработки со снятием стружки (табл. 2).

Таблица 2. Сравнительная характеристика технологий второго и третьего классов

№	Свойства (характеристики) технологии	класс по табл. 1
		2		3
1	Возможность достижения высокой точности (10^(−7) м) методом последовательных приближений.	Выше	+	Ниже	–
2	Возможность формирования специальных свойств поверхностного слоя.	Выше	+	Ниже	–
3	Производительность и низкая себестоимость в условиях крупносерийного и массового производства.	Выше	+	Ниже	–
4	Развитый парк технологического оборудования.	Есть	+	Нет	–
5	Высокий уровень унификации и стандартизации изделий и средств технологического оснащения.	Есть	+	Нет	–
6	Возможность применения развитого и апробированного теоретического аппарата технологии машиностроения.	Выше	+	Ниже	–
7	Уровень развития программного обеспечения (CAD/CAM/CAE).	Выше	+	Ниже	–
8	Номенклатура методов, способов и технологических операций.	Шире	+	Уже	–
9	Наличие развитой нормативно-справочной базы.	Есть	+	Нет	–
10	Развитая система производства и поставки исходных материалов (за- готовок).	Есть	+	Нет	–
11	Количество единиц технологического оборудования в ТП.	Больше	–	Меньше	+
12	Затраты на логистику, складские и транспортные работы.	Выше	–	Ниже	+
13	Затраты на оснастку и инструменты.	Больше	–	Меньше	+
14	Занимаемые производственные площади.	Больше	–	Меньше	+
15	Затраты на сборку-разборку отдельных сборочных единиц.	Выше	–	Ниже	+
16	Длительность цикла и стоимость технологической подготовки производства новых изделий.	Выше	–	Ниже	+
17	Технологическая надежность (вероятность отказа (брака), как правило, снижается с уменьшением числа операций в ТП).	Ниже	–	Выше	+
18	Затраты трудовых ресурсов.	Выше	–	Ниже	+
19	Коэффициент использования материалов.	Ниже	–	Выше	+
20	Возможность получения изделий с градиентным составом и свойствами.	Ниже	–	Выше	+
21	Степень сложности изготавливаемых изделий.	Ниже	–	Выше	+
22	Технологическая возможность минимизации массы изделия при заданных показателях прочности и жесткости.	Ниже	–	Выше	+
23	Возможность сокращения номенклатуры деталей в изделии.	Ниже	–	Выше	+
24	Функциональная надежность конструкции.	Ниже	–	Выше	+
25	Количество (номенклатура) операций ТП.	Больше	–	Меньше	+
26	Степень гибкости производства.	Ниже	–	Выше	+

Как видно, АТ обладают рядом достоинств и недостатков по отношению к классическим субтрактивным технологиям. Математическим инструментом для выявления области их эффективного практического применения является аппарат и численные средства многопараметрической оптимизации .

Определяющими факторами применения АТ, выступающими в качестве главных критериев их выбора, являются существенное сокращение длительности технологической подготовки производства новых изделий, сокращение цикла их изготовления, возможность использования принципиально новых конструкторско-технологических решений, снижение, в конечном счете, трудоемкости и себестоимости изготовления ответственной продукции. Степень гибкости аддитивных технологий достигает уровня кастомизации, то есть, способности удовлетворять индивидуальные требования потребителей продукции.

Статистический анализ развития аддитивных технологий

Наиболее авторитетным источником информации о состоянии и развитии АТ, признанным мировым технологическим сообществом, является консалтинговая компания Wohlers Associates Inc. (WAI), издающая c 1996 года ежегодные статистические отчеты (Wohlers Report) (www.wohlerassociatrs.com). Согласно Wohlers Report-2014, мировой объем рынка продукции и услуг к 2013 году достиг 3 млрд долл. (рис. 1). Среднегодовой прирост рынка ∆р за 26 лет составил 27 %. Прогнозируется увеличение объема рынка от 3,07 в 2013 до 21 млрд долл. в 2020 году. В предыдущем отчете (2013 г.) объем рынка в 2012 оценивался в 2,26 млрд долл. с прогнозом объема рынка 10,8 млрд долл. на 2021 году (рис. 2).

Рис. 1. Динамика мирового объем продукции АП в 1993–2013 годах

Рис. 2. Прогноз развития мирового объема АП продукции и услуг (млд. Долл.)

Около 40 % рынка продукции и услуг в 2013 году приходилось на оборудование и материалы и 60 % - на услуги и производство продукта (рис. 3).

Рис. 3. Прогноз динамики структурных составляющих мирового рынка продукции и услуг АП (млд. долл.)

Статистические данные WAI приводятся во многих работах, посвященных АТ , однако методика прогнозирования нигде не обсуждается, хотя ее влияние на достоверность прогнозов является определяющим. На основе имеющихся статистических данных возможны два основных подхода к краткосрочному прогнозированию.

Первый из них основан на гипотезе об относительной устойчивости величины среднегодового прироста ∆р мирового рынка продукции и услуг АП. Принимая на ближайшие 10 лет ∆р = const, прогнозируемый объем рынка Р можно описать выражением вида

Р = Р0 (1 + ∆р)^(n–1) = Р0 1,27^(n–1), (1)

где Р0 - объем рынка в 2013г., n - порядковый номер последующего года, начиная с 2013 (2013 г. принят за 1). Расчет дает 20,3 млрд долл. в 2021 году. По данным Wohlers Report-2014, прогнозируется увеличение рынка до 21 млрд долл. (рис. 2), что близко к значению, полученному по выражению (1). По данным некоторых других источников эта цифра значительно выше. Это означает, что в этих источниках прогнозируется увеличение не только объема рынка АП на указанный период, но и среднегодового прироста этого объема.

Второй подход базируется на гипотезе, широко используемой в наукометрии и заключающейся в том, что скорость увеличения объема знаний в некоторой новой быстро развивающейся области науки и техники пропорциональна текущему значению этого объема , то есть

где V - текущий объем знаний, k - коэффициент пропорциональности.

Решение уравнения (2) имеет вид

V =V0exp kt, (3)

где V0 - объем знаний в начальный момент времени t.

В первом приближении без учета инерционных процессов можно считать, что объем рынка изменяется подобно объему знаний.

Анализируя с этой точки зрения статистические данные (рис. 1) (без учета 2013 г.) и принимая в качестве точки отсчета 1993 г. (объем рынка V0 принят 0,09 млрд долл.), находим k = 0,17 и выражение (3) преобразуем к виду

V = 0,09 · 1,19^(n–1). (4)

Таким образом, выражение (1) является частным случаем (3). Однако, среднегодовой прирост в нашем расчете 19 %, что заметно ниже 27 %. Расчет дает для 2020 года 9,86 млрд долл., что хорошо согласуется с предыдущим прогнозом WAI (рис. 2).

Из рис. 3 видно, что соотношение долей отдельных компонентов мирового рынка АП перераспределяется в сторону увеличения доли реализуемой продукции. Заметна тенденция ускоренного развития сегмента рынка АП, связанного с непосредственным изготовлением изделий из металлов и сплавов (рис. 4), быстро растет спрос на соответствующее оборудование. Отмечается тенденция к увеличению доли конечного продукта в товарной продукции АП (рис. 5).

Рис. 4. Динамика продаж оборудования для АП металлических изделий

Рис. 5. Динамика доли конечной продукции (%) на рынке АП

Рис. 6. Использование оборудования для АТ мировым технологическим сообществом

Уровень развития АТ в различных странах мира характеризуется количеством установленных единиц соответствующего оборудования (рис. 6). Видно, что на долю США приходится (2013 г.) 38 % мирового парка машин, в то время, как на долю России - 1,4 % (преимущественно машины для лазерной стереолитографии).

Статистические данные WAI раскрывают основные технологические задачи, для решения которых используют АТ:

•  визуализация – 10,4 % (16,8 % в 2004 г.);
• презентационные модели - 9,5 % (в 2004 г.);
• контрольные сборки - 17,5 % (11,4 % в 2004 г.);
• мастер-модели для изготовления оснастки - 11,3 % (10,6 %);
• мастер-модели для литья металлов - 10,8 % (8,1 %);
• компоненты инструментальной оснастки - 4,8 % (6,9 %);
• функциональные детали - 28,1 % (16,4 %) в том числе - конечное изделие - 19,2 % (8,2 % в 2004 г.);
• в обучении и исследованиях - 6,4 %;
• другие задачи - 1,3 %.

Совершенно очевидно, что промышленные успехи в области АП связаны и определяются созданием и быстрым развитием соответствующей области знаний. На рис. 7 показана динамика расширения числа научных публикаций и числа цитирований в этой области знаний. Данные приведены в Wohlers Report-2014, поэтому 2014 год отражен не полностью.

Рис. 7. Динамика числа публикаций (слева) и числа цитирований за двадцать лет

Статистика получена путем поиска публикаций и цитирований с ключевой фразой additive manufacturing. Несмотря на то, что далеко не все публикации по рассматриваемой тематике были учтены, приведенную статистику следует рассматривать, как достоверную выборку в связи с распространенностью ключевого термина. Можно показать, что развитие научных знаний в области АТ соответствует экспоненциальному закону и количество новых знаний прогрессивно нарастает.

Отметим, что количество российских публикаций по вопросам АП составляет всего 0,76 % от общемирового. Россия занимает 26-е место в мире, разделяя его с Грецией, Израилем, Финляндией и Польшей. За последние 15 лет в России был выдан 131 патент по различным аспектам АП (0,14 % от мирового количества), причем 14 из них получены российскими заявителями, а 117 - иностранными. Для сравнения, Южная Корея, США, Япония и Китай совместно владеют 90 % патентов в этой сфере.

Аддитивные технологии в производстве авиакосмической техники

В производстве авиакосмической техники аддитивные технологии обеспечивают следующие основные преимущества:

1. Стоимость вывода 1 кг массы на орбиту Земли составляет от 12 до 25 тыс. долл. Поэтому возможность снижения массы изделия за счет повышения его конструктивной сложности является весьма актуальной для ракетно-космического машиностроения.

Анализ, проведенный в рамках проекта ATIKINS, показал, что снижение массы магистрального самолета на 100 кг на протяжении всего жизненного цикла влечет за собой экономию $2,5 млн на топливных расходах и сокращает выбросы углекислого газа на 1,3 млн  тонн.

Однако степень усложнения конструкции изделия ограничивается возможностями существующих методов, технологий на их основе и средств технологического оснащения. Так, аддитивные технологии обеспечивают получение системы полостей произвольной формы в теле детали, а субтрактивные - нет. Поэтому в последнем случае приходится использовать дорогостоящие заготовительные технологии с относительно низким уровнем технологической надежности и удорожанием производства из-за брака. В качестве примера рассмотрим одну из основных, лимитирующих деталей газотурбинного двигателя - лопатку турбины (рис. 8).

Рис. 8. Сечения лопатки турбины ГТД

Лопатку с сечениями, формирующими магистраль подачи охлаждающего воздуха, получают литьем по выплавляемым моделям. Отверстия для входа воздуха на передней кромке лопатки изготовляют малопроизводительным электроэрозионным прошиванием с последующей доводкой абразивной суспензией. К настоящему времени созданы опытно-экспериментальные образцы лопаток с применением SLS и SLM - технологий. Обсуждается вопрос о ремонте лопаток турбин с применением АТ.

2. Коэффициент использования материала (КИМ) при традиционном производстве основных деталей двигателей авиакосмической техники составляет 0,05–0,2. Применение АТ позволяет повысить этот коэффициент до 0,7–0,9, что обеспечит значительное сокращение затрат на дорогостоящие материалы. Значение КИМ при изготовлении металлических деталей с применение АТ определяется, главным образом, массой поддержек, подлежащих удалению (рис. 9).

Рис. 9. Вариант конструкции поддержек соединительного блока

3. Сокращение длительности цикла и стоимости технологической подготовки производства новых изделий имеет первостепенное значение, особенно в опытно-экспериментальном производстве. С развитием АТ опытно-конструкторские организации могут не только осуществлять быстрое натурное моделирование составных частей опытного изделия, но и значительно ускорить как изготовление сложных деталей, так и введение изменений в их конструкции в процессе доводки и испытаний изделия. Так, по данным ОАО КБХА применение АТ при изготовлении 5 основных деталей двигателя позволяет в среднем сократить цикл изготовления в 5 раз.

4. Замена сборочной единицы деталью одного наименования повысит надежность составной части изделия и также сократит цикл ее изготовления. Так, на рис. 9 показан соединительный блок, который при традиционном исполнении представляет собой сборочную единицу, состоящую из 8 наименований деталей.

АП смесительной головки позволяет сократить число наименований деталей с 138 при классической технологии до 1–3 при АП.

5. Основные детали горячей части двигателей современных летательных аппаратов, работающие, как правило, в экстремальных условиях, изготавливают из материалов с низкой обрабатываемостью резанием, поэтому понятен интерес создателей ГТД и ЖРД к АТ, позволяющим в ряде случаев снизить трудоемкость и себестоимость технологии. Так, компания GE Aviation часть деталей нового двигателя LEAP производит с применением АТ (рис. 10).

Рис. 10. Двигатель LEAP компании GE Aviation

Производство авиакосмической техники характеризуется, как правило, единичным и серийным (мелко- и среднесерийное) типами производств. Поэтому при выборе альтернативных технологий следует учитывать степень их гибкости. Гибкость технологий аддитивного формообразования выше, чем традиционных, поскольку при переходе на новую деталь нет необходимости подготавливать новую заготовку и средства технологического оснащения. АТ-технологии эффективны при обработке относительно малых партий изделий, когда высокая стоимость материалов компенсируется снижением постоянных затрат, связанных с традиционными технологиями (рис. 11). Как видно, 42 единицы - тот размер партии самолетных шасси, при котором себестоимость изготовления методом литья под давлением и селективного лазерного спекания одинакова .

Рис. 11. Критический размер партии деталей, определяющий рентабельность АТ

Доля аэрокосмической отрасли на мировом рынке аддитивных технологий составляет около 12 % (2013 г.) и имеет тенденцию к росту . Некоторые детали авиационно-космической техники, изготовленные с привлечением АТ, показаны на рис. 12.

а) крыльчатка

б) лопаточный ротор

в) охлаждающий элемент

г) лопатка турбины

д) топливная форсунка

е) элементы СПТ

Рис. 12. Изделия авиационно-космической техники, полученные с применением АТ

Рассмотрим состояние дел с практическим внедрением АП в авиационно-космическую индустрию промышленно развитых странах мира .

Впервые о полномасштабном внедрении АТ сообщила корпорация General Electric (GE). Это привело к возрастанию в 2012 году стоимости ее акций с 19.87 до 23 долл. за акцию. Такая реакция рынка привела к вовлечению в инновационный процесс АП ряда других компаний (Siemens, Mitsubishi и др.).

В 2013 году в подразделении GE Aviation была создана лаборатория Additive Lean Lab, которая занялась внедрением аддитивного производства в АПК. К 2016 году лабораторией подготовлены условия для промышленного изготовления топливных форсунок двигателей нового поколения LEAP самолетов Airbus A320 NEO, Boeing 737MAX и COMAC C919 (www.voxelfab.com). Используя АП, GE может производить до 25 000 форсунок в год (комплект форсунок на двигатель - 19 шт.). Согласно прогнозу специалистов GE Aviation, в ближайшем будущем половина всех деталей современных авиадвигателей будет изготавливаться с применением АТ.

При помощи SLM-технологии изготовлен и успешно протестирован инжектор двигателя для ракеты RL-10. Центр космических полетов им. Дж. Маршалла (Хантсвилл) и компания Directed Manufacturing провели огневые испытания инжектора, разработанного по государственной американской программе сверхтяжелого ракетоносителя (РН) для пилотируемых полетов Space Launch System (SLS). Был представлен самый большой компонент РД, изготовленный средствами АП, состоящий из двух частей, в то время как похожие инжекторы включают в себя 115 деталей. При экстремальных условиях были проверены свойства материала инжектора (сплав никеля и хрома).

Другим инновационным подходом создания АТ-технологий является метод прямого лазерного спекания металла (DMLS), разработанный крупнейшей компанией EOS. С его помощью компания Space Exploration Technologies Corp. (SpaceX) изготовила методом послойного синтеза камеру сгорания двигателя SuperDraco (рис. 13) многоразового космического корабля (КК) Dragon, что позволило получить тягу 7257 кГ.

Рис. 13. Испытания двигателя с КС (компания SpaceX)

Камера сгорания (КС) является ключевым лимитирующим элементом ЖРД. Поэтому ряд компаний проводят интенсивные работы по внедрению аддитивных технологий в производство КС. Так, европейский аэрокосмический концерн Airbus Group подтверждает возможность снижения себестоимости при использовании технологии DMLS для производства конструкций сложной геометрической формы типа КС в условиях единичного или мелкосерийного производства.

Снижение массы и улучшение аэродинамического качества деталей летательных аппаратов, характерные для применения АП, приводят к экономному расходу топлива (на 15%) и снижению уровня загрязнения окружающей среды (на 3%) (по данным компаний Snecma и GE Aviation). Специалисты Института физики атмосферы космического агентства Германии (IAP DLR) показали, что подобное сокращение выбросов в атмосферу сэкономит авиакомпаниям до 1 млн долл. ежегодно. Помимо этого, в АТ деталей планируется использовать новый керамический композиционный материал, который позволит работать при более высоких температурах.

Метод DMSL активно используется при изготовлении спутников. Инженеры Airbus Defence and Space (подразделения Airbus Group) применили метод для оптимизации конструкции кронштейнов, связывающих корпус спутника с солнечными батареями и радиоантеннами. Созданные на установке EOSINT M 280 детали соответствовали требуемым техническим условиям: выдерживать силовую нагрузку до 20 кН в температурном диапазоне от –180 °C до +150 °C. В дополнении к техническим характеристикам АП позволило на 20 % сократить расходы на производство и трудоемкость изготовления кронштейнов.

Компанией RedEye этим же методом изготовлены топливные баки для спутников Lockheed Martin Space Systems с двухкратным снижением расходов на их производство.

Развитием инновационных аддитивных технологий интересуются не только отдельно взятые компании. Как показывает практика, интерес к 3D-печати получил статус государственного значения в мире, поэтому каждое космическое агентство считает стратегически необходимым использовать его в производстве космической техники (КТ). Европейское космическое агентство (ESA) объявило о запуске проекта AMAZE, целью которого является АП металлических частей для космических кораблей, двигателей самолетов и ракет. Проводятся работы по созданию и доводке космического спутника, собранного полностью из таких частей.

В 2014 году 3D-принтер компании Made In Space доставлен на Международную космическую станцию (МКС) для создания деталей КТ в условиях невесомости. По мнению специалистов есть реальная возможность изготавливать на орбите до 30% запчастей.

С 2016 года на орбите функционирует спутник российского производства, изготовленный с применением АТ специалистами Томского научного центра.

В январе 2014 года совершил первый полет истребитель Tornado GR4 военно-воздушных сил Великобритании, при изготовлении которого использованы металлические детали, изготовленные компанией Rolls-Royce с привлечением АТ. На основе успешных испытаний принято решение о серийном производстве части запчастей для британских истребителей с применением АТ. Показано, что это позволит экономить до 0,3 млн фунтов стерлингов в год.

Технологии послойного наложения расплавленной полимерной нити (Fused Deposition Modeling - FDM) позволяет использовать материалы производственного класса для изготовления деталей, работающих в условиях воздействия агрессивной среды и высоких температур. Среди продукции, созданной по данной технологии, особо важной для ОПК считается изготовление боевых беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и учебных «дронов». К конкретным примерам относятся кронштейны видеокамер для наступательных БЛА Taranis компании BAE Systems (www.defensetech.org), антенны и «дроны» двойного назначения RDASS 4 компании Leptron. В 2014 году БЛА, построенный по технологии FDM, представлен специалистами Шеффилдского университета (рис. 14, а).

Рис. 14. Беспилотный летательный аппарат, созданный на основе АТ

Подобные работы проводятся и в нашей стране. ОАО «КБ «Луч», входящим в состав государственной корпорации «Ростех», создан экспериментальный образец беспилотного летательного аппарата, планер которого изготовлен с использованием аддитивных технологий (рис. 14, б). Возможности аддитивного производства обеспечили значительную экономию финансовых средств и времени на создание финального образца беспилотной авиационной техники, а также перспективы изготовления (восстановления повреждений) непосредственно в районе боевых действий.

Следует отметить, что в авиакосмической промышленности широко используются и в ряде случаев являются критическими технологии, аддитивные по своей сути, которые практически не обсуждаются и не рассматриваются в работах по аддитивной тематике. Это технологии, связанные с намоткой изделий из углеродного, стеклянного, полимерного волокна на многошпулечных намоточных машинах с пропиткой связующим веществом и последующим отвердеванием .

Заключение

В производстве авиационнокосмической техники проявляется повышенный интерес к применению АТ. Ведущие компании мира проводят широкий круг НИОКР в этой области, появились промышленные образцы изделий АП, начат серийный выпуск ряда наименований деталей, прогнозируется расширение сферы их эффективного применения. Сдерживающими факторами являются высокие цены на материалы, оборудование, сложная и длительная процедура сертификации продукции.

Моргунов Ю. А., Саушкин Б. П., Московский политехнический университет

Литература:

1. Зленко М. А., Попович А. А., Мутылина И. М. Аддитивные технологии в машиностроении. - С.-Пб.: Издательство С.-Пб. политехнического университета. 2013. - 222 с.
2. Шишковский И. В. Основы аддитивных технологий высокого разрешения. - СПб.: Изд-во Питер, 2015. - 348 с.
3. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Пер. с англ. Под ред. И. В. Шишковского - М.: Техносфера, 2016. - 656 с.
4. Additive fabrication terminology unraveled. www.additive3d.com\nm_01.htm.
5. ASTM Additive manufacturing committee approves terminology standard. Электронный ресурс: www.astmnewstroom.org/default.aspx?pageid=1944.
6. W. E. Frazier, Metal Additive Manufacturing: A Review, J. Mater. Eng. Performance, 23 , 1917–1928 (2014).
7. Наукоемкие технологии машиностроительного производства. Физико-химические методы и технологии/Под ред. Б. П. Саушкина. - М.: Форум. 2013. - 920 с.
8. Публичный аналитический доклад по развитию новых производственных технологий/Сколковский Институт науки и технологий, 2014. - 202 с.
9. Михайлов Ю М. Перспективы использования аддитивных технологий в ОПК. 2015. Электронный ресурс: federal book.ru/OPK-11/111/Mihaylov. pdf.
10. Новый справочник химика и технолога/Под ред. А. В. Москвина/Раздел 8. Саушкин Б. П. Основы технологии. - СПб.: НПО «Профессионал», 2006. - 1464 с.
11. E. Atzeni and A. Salmi, Economics of Additive Manufacturing For End-Usable Metal Parts, Int. J. Adv. Manuf. Tech., 62 , 1147–1155 (2012).
12. Сироткин О. С. Современное состояние и перспективы развития аддитивных технологий/Авиационная промышленность. 2015, 2. - С. 22–25.
13. Чумаков Д. М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники/Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 78 www.mai.ru/science/trudy/.
14. Исаченко В. А., Астахов Ю. П., Саушкин Б. П. Технологии ракетно-космического машиностроения - проблемы и перспективы/Технология машиностроения, 2016, № 1. - С. - 10–14.
15. Панов Д. В., Саушкин Б. П. Коротков А. Н. Композиты и станки для их обработки/Ритм, 2014, 7. - С. 32–36

Аддитивные технологии находят активное применение в энергомашиностроении, приборостроении, авиационной промышленности , космической индустрии, там, где высока потребность в изделиях сложной геометрии. В России с аддитивными технологиями познакомилось уже немало предприятий. Предлагаем вашему вниманию материал из альманаха «Управление производством» , в котором описывается несколько примеров эффективного внедрения 3D-печати.

Аддитивные технологии открыли возможность изготовления деталей любой сложности и геометрии без технологических ограничений. Геометрию детали можно менять еще на стадии проектирования и испытания.

Подготовка файлов для печати осуществляется на компьютерах со стандартным программным обеспечением , в работу принимаются файлы формата STL. Это широко используемый сегодня формат хранения трехмерных объектов для стереолитографических 3D-принтеров. Инвестиции в проект составили порядка 60 млн рублей.

Александр Зданевич, ИТ-директор НПК «Объединенная Вагонная Компания»: «Технологии аддитивной печати прогрессируют, и, вероятнее всего, уже в ближайшем будущем они изменят лицо целого ряда индустрий. Главным образом это касается предприятий, на которых выпускаются штучные товары под конкретный заказ. С массовым производством дело обстоит сложнее, хотя разные типы 3D-принтеров уже сейчас находят применение в данной области.

Существует множество технологий объемного синтеза. Одной из перспективных для промышленного внедрения является . Процесс можно разделить на два этапа. На первом формируется слой построения в виде равномерно распределенного по поверхности рабочей платформы жидкого фотополимера . Затем происходит выборочное отверждение участков данного слоя в соответствии с текущим сечением построенной на компьютере 3D-модели.

Применительно к железнодорожному машиностроению данную технологию можно использовать на этапе подготовки литейного производства, в частности, при производстве комплекта литейной оснастки. Один и тот же комплект оснастки, уникальный под каждую отливку, используется на протяжении тысяч циклов производства соответствующих литейных форм.

От соблюденной в процессе изготовления комплекта оснастки точности всех предусмотренных конструкторами параметров напрямую зависит качество конечного изделия. Традиционный способ изготовления комплекта оснастки путем механической обработки материалов (металла, пластика, иногда и дерева) весьма трудоемок и длителен (подчас занимает до нескольких месяцев), при этом чувствителен к ошибкам.

В «отпечатанные» модели можно встроить и другие узлы и агрегаты. Трехмерная печать полностью окупается за счет высокой скорости изготовления прототипов, а также за счет «доработки на столе» прямо в ОГК, которая экономит уйму времени и денег, нежели изготовление натурных образцов в «железе» на производстве.

Значительную работу по продвижению аддитивных технологий проводит Госкорпорация «Росатом» . Руководство уверено, что скоро в госкорпорации будут присутствовать все компоненты «цифрового производства» – от разработки материалов, оборудования, технологий до производства изделий. В отрасли реализуется программа по аддитивным технологиям, она состоит из подразделов: технология, сырье, оборудование, стандартизация. Разработкой технологий производства металлических порошков для 3D-печати в Росатоме занимаются три института: «Гиредмет», ВНИИХТ, ВНИИНМ. Одновременно ведется работа по созданию опытного образца 3D-принтера для трехмерной печати металлических и композитных изделий. Росатом планирует представить образец уже к концу 2017 года.

Трехмерная печать полностью окупается за счет высокой скорости изготовления прототипов, а также за счет «доработки на столе» прямо в ОГК, которая экономит уйму времени и денег, нежели изготовление натурных образцов в «железе» на производстве.

«К началу 2018 года мы должны весь цикл по аддитивным технологиям внутри Росатома замкнуть. Нам нужен еще год, чтобы запустить свой собственный пилотный образец установки, и примерно столько же – для того, чтобы договориться со всеми сторонами, которые обеспечивают используемую нормативную составляющую», – рассказал Алексей Дуб.

В структуре Росатома аддитивные технологии развиваются в топливной компании «ТВЭЛ», которая активно сотрудничает с созданным при УрФУ региональным инжиниринговым центром, работая над созданием российского 3D-принтера. Для Уральского электрохимического комбината и его предприятий порошковая металлургия не новинка. Например, на заводе электрохимических преобразователей порошки применялись при производстве фильтров для газовой диффузии урана при разделении изотопов, также для припоев и поверхностного напыления.

В научно-образовательном центре «Современные производственные технологии» Томского политеха

Одним из первопроходцев в области лазерных принтеров можно назвать научно-образовательный центр «Современные производственные технологии» Томского политехнического университета . Он укомплектован принтером электронно-лучевого сплавления (электронно-лучевым), лазерным принтером, принтерами, печатающими армированными композитами, а также ультразвуковым томографом, осуществляющим здесь же, «у станка», неразрушающий контроль готовых изделий. Специалисты центра изготавливают АМ-установки, разрабатывают программное обеспечение к ним и намерены продвинуться дальше «лаборатории».

В центре аддитивных технологий ТПУ настроен весь производственный цикл – от идеи до реализации готового изделия. Можно произвести и протестировать детали для обшивки космических кораблей, импланты для черепно-лицевой хирургии, изделия сложной формы для и многое другое, а также создать новые цифровые установки, например, для печати инструментов на МКС. «С помощью наших уникальных технологий мы можем создавать импортозамещающую продукцию, которая в разы дешевле импортных аналогов, при этом по качеству не хуже», – уверен директор центра Василий Федоров.

У развития аддитивных технологий есть и сдерживающие факторы.

• Во-первых, высокая стоимость технологии (оборудования и материала), впрочем в процессе развития технологий цена постепенно снижается.
• Во-вторых, нехватка квалифицированных, знающих технологию кадров.
• В-третьих, недостаточная освоенность, отсутствие метрологического обеспечения вызывает опасения при производстве деталей высокой важности.
• АМ-процессы (Additive Manufacturing) пока не интегрированы в технологию изготовления изделий. «Понятно, что любой ответственный конструктор не поставит в ответственное изделие деталь, не зная при этом, сколько она прослужит», – прокомментировал Алексей Дуб.
• Важной задачей является необходимость разработки системы сертификации и стандартизации аддитивных изделий, технологических процессов, порошков и композиций. Для решения этих вопросов при Росстандарте был сформирован технический комитет, который ведет работу по созданию нормативной документации в сфере аддитивных технологий.

3D-принтинг начинает распространяться в мире, и Россия не должна отставать в этой области. Применение данных технологий позволяет удешевить изделие, ускорить его проектирование и производство.

– глава Минпромторга Денис Мантуров

Заключение

Популярность неуклонно растет. Хотя суммарный объем мирового рынка относительно невелик (порядка 6 млрд долларов), ежегодные темпы роста не могут не впечатлять – в среднем 20-30%. Впрочем единогласия в оценке роли аддитивных технологий в промышленности все еще нет: одни говорят, что внедрение методов 3D-печати приведет к закату промышленности в традиционном смысле, другие – что трехмерные принтеры станут лишь одним из элементов производственных схем. Но несмотря на все существующие разногласия, большие перспективы аддитивных технологий в промышленности невозможно отрицать.

Непосредственное выращивание изделий со сложной геометрией и из специфических материалов оказывается весьма выгодным с экономической точки зрения. Оно позволяет экономить материал, время, снижает риск ошибок. 3D-принтеры перестали быть «дорогой игрушкой», сегодня они занимают полноправное место среди ключевых технологий

Распечатать

Детали & Материалы

Аддитивные технологии в российской промышленности

AF-технологии – эффективное звено современного производства

Аддитивные технологии (AF – Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, сегодня одно из наиболее динамично развивающихся направлений "цифрового" производства. Они позволяют на порядок ускорить НИОКР и решение задач подготовки производства, а в ряде случаев уже активно применяются и для производства готовой продукции .

В недалеком прошлом, лет 10–15 назад, аддитивные технологии использовались преимущественно в традиционно технологически продвинутых отраслях – автомобильной, авиационной и аэрокосмической промышленностях, а также в приборостроении и медицине, где тандем "время – деньги" всегда имел особое значение.

В эпоху инновационной экономики время, затраченное на производство товара, является важнейшим фактором успеха или неуспеха бизнеса. Даже качественно произведенный товар может оказаться невостребованным, если рынок к моменту выхода новой продукции уже насыщен подобными товарами компаний-конкурентов. Поэтому все больше направлений промышленности активно осваивают AF-технологии. Все чаще их используют научно-исследовательские организации, архитектурные и конструкторские бюро, дизайн-студии и просто частные лица для творчества или в качестве хобби. Во многих колледжах и университетах аддитивные машины, или, как их часто называют, 3D-принтеры являются неотъемлемой частью учебного процесса для профессионального обучения инженерным специальностям.

Существует множество технологий, которые можно назвать аддитивными , объединяет их одно: построение модели происходит путем добавления материала (от англ. аdd – "добавлять") в отличие от традиционных технологий, где создание детали происходит путем удаления "лишнего" материала.

Классической и наиболее точной технологией является SLA-технология (от Stereolithography Apparatus), или стереолитография, – послойное отверждение жидкого фотополимера лазером.

Существует много видов фотополимерных композиций, поэтому спектр применения прототипов, полученных по SLA-технологии, очень широк: макеты и масштабные модели для аэро- и гидродинамических испытаний, литейные и мастер-модели, дизайн-модели и прототипы, функциональные модели и т. д.

Селективное лазерное спекание – SLS-технология (Selective Laser Sintering), SelectiveLaserMelting) – еще одно важное направление аддитивных технологий.

Здесь строительным (модельным) материалом являются сыпучие, порошкообразные материалы, а лазер является не источником света, как в SLA-машинах, а источником тепла, посредством которого производится сплавление частичек порошка. В качестве модельных материалов используется большое количество как полимерных, так и металлических порошков.

Порошкообразный полиамид применяется в основном для функционального моделирования, макетирования и изготовления контрольных сборок. Полистирол используется для изготовления литейных выжигаемых моделей.

Отдельным направлением является послойное лазерное спекание (сплавление) металлопорошковых композиций. Развитие этого направления AF-технологий стимулировало и развитие технологий получения порошков металлов. На сегодняшний день номенклатура металлических композиций имеет широкий спектр материалов на основе Ni и Co (CoCrMO, Inconel, NiCrMo), на основе Fe (инструментальные стали: 18Ni300, H13; нержавеющая сталь: 316L), на основе Ti (Ti6-4, CpTigr1), на основе Al (AlSi10Mg, AlSi12). Производятся порошки бронз, специальных сплавов, а также драгметаллов – главным образом для нужд дентальной медицины.

Из металлических порошков "выращивают" заготовки пресс-форм, специальные инструменты, оригинальные детали сложной конфигурации, которые затруднительно или невозможно получить литьем или механообработкой, импланты и эндопротезы и многое другое. Уже сейчас при штучном и мелкосерийном производстве зачастую становится экономически выгодным "вырастить" небольшую партию деталей на SLS-машине, чем изготавливать литейную или штамповую оснастку. В сочетании с HIP (Hot Isostatic Pressing – горячее изостатическое прессование) и соответствующей термообработкой такие детали не только не уступают литым или кованым изделиям, но и превосходят их по прочности на 20–30%.

Очень широкие перспективы открываются для еще одной аддитивной технологии – технологии "струйной печати" – InkJet- или PolyJet-технологии. Эта технология предполагает нанесение модельного материала или связующего состава с помощью струйных головок. Особый интерес InkJet-технологии представляют для литейного дела.

Они позволяют "выращивать" непосредственно литейные формы, т. е. "негатив" детали, и исключить стадии изготовления формовочной оснастки – мастер-модели и литейной модели. Компания ExOne (и ее дочернее предприятие ProMetal GmbH) выпускает машины типа S-Max, которые позиционируются не как "прототипирующие машины", а как вполне "рядовое" технологическое индустриальное оборудование, устанавливаемое в общей технологической цепи производства не только опытной, но и серийной продукции. Практически все автомобильные компании мира обзавелись такими машинами. Оно и понятно – с их помощью стало возможным не в разы, а на порядок сократить время прохождения НИОКР по критически важным для автостроителей позициям – литейным деталям: блоки и головки цилиндров двигателей, мосты и коробки передач, деталям, на изготовление которых в традиционном опытном производстве тратились месяцы, а с учетом экспериментальной доводки и подготовки производства – многие месяцы. Теперь конструктор может увидеть свой новый двигатель на испытательном стенде не через полгода, а через две недели после завершения технического проекта.

Сегодня в России существует множество компаний, оказывающих услуги по прототипированию, однако в основном это небольшие предприятия, обладающие одним-двумя недорогими 3D-принтерами, способными выращивать несложные детали. Связано это с тем, что высокотехнологичное оборудование, способное обеспечить высокое качество изделий, стоит дорого и требует для работы и обслуживания квалифицированного, специально обученного персонала. Далеко не каждая компания может себе это позволить, ведь для покупки необходимо четко понимать, каким образом и насколько эффективно это оборудование будет использоваться, будет ли оно загружено работой. Слабостью таких компаний является отсутствие комплексности решения задач. В лучшем случае дело ограничивается оказанием достаточно простой услуги – изготовлением прототипа или модели тем или иным способом. Тогда как AF-технологии – это не только и не столько 3D-принтер, но важная часть 3D-среды, в которой происходит рождение нового продукта – от замысла конструктора до материализации его идей в серийном производстве. Среда, в которой новый продукт создается, "живет", эксплуатируется, ремонтируется вплоть до завершения "жизненного цикла" этого продукта.

Поэтому для полноценного использования AF-технологий нужно создать эту среду: освоить 3D-проектирование и моделирование, CAE- и САМ-технологии, технологии оцифровки и реинжениринга, сопутствующие технологии, включая и вполне традиционные, но переформатированные под 3D-среду. Причем освоить не в отдельно взятом университете или крупной заводе – такие есть промышленностью в целом на всех уровнях – этого нет даже в отдельно взятой, например, авиационной или автомобильной промышленности. Тогда и AF-технологии будут выглядеть не экзотическими изысками, а вполне естественным и эффективным звеном общей 3D-среды создания, производства и жизненного цикла изделия.

Существуют на рынке и крупные компании, обладающие оборудованием высокого уровня, которые, как правило, решают достаточно сложные производственные задачи и оказывают более широкий спектр полезных услуг, сопутствующих прототипированию, способных от начала до конца провести НИОКР и проконтролировать качество работ на каждом этапе. К таким предприятиям можно отнести ФГУП "НАМИ", АБ "Универсал", НПО "Салют", ОАО "НИАТ" (Москва), УМПО (Уфа), НИИ "Машиностроительные Технологии", (СПбГПУ), ОАО "Тушинский машиностроительный завод" и ряд других. Однако такой комплексный подход по силам далеко не каждому предприятию, особенно в условиях безучастной позиции со стороны государства.

В целом ситуация с внедрением AF-технологий в российскую промышленность остается крайне неблагополучной. Ученые, инженеры и технологи не нашли нужных слов, чтобы привлечь внимание государства к опасному отставанию в абсолютно необходимой для отечественной промышленности инновационной сфере. Не нашли аргументов, чтобы убедить власти в необходимости разработки национальной программы развития аддитивных технологий , создания отечественной индустрии AF-машин. Россия практически не участвует в международных организациях, оказывающих значительное влияние на развитие AF-технологий в мире.

Ключевыми проблемами при внедрении AF-технологий в первую очередь являются кадры, которые, как известно, решают все; собственно 3D-машины, высококлассное AF-оборудование, которое невозможно приобрести и невозможно создать без целевой поддержки со стороны правительства в той или иной форме (что, кстати, и делается за рубежом в подавляющем большинстве случаев); материалы – отдельная и сложная проблема междисциплинарного характера, решение которой опять-таки целиком и полностью зависит от качества управления процессом со стороны государства. Это неподъемные для отдельной отрасли задачи. Это проблема, которая может быть решена только при условии целенаправленного взаимодействия высшей школы, академической и отраслевой науки.

Прекрасным примером "рыночного вмешательства" государства в решение сложных технологических задач является литейный завод ACTech, построенный во Фрайбурге (недалеко от Дрездена) в конце 90-х годов в период ренессанса Восточных территорий. Завод совсем небольшой по нашим меркам – всего 6500 кв. метров общей площади, построен с иголочки, в чистом поле и был оснащен самым передовым технологическим оборудованием, главной фишкой которого были AF-машины для выращивания песчаных форм (от компании EOS, Мюнхен). Это был, пожалуй, первый пример комплексного подхода – завод был оснащен современным оборудованием для реальной работы в 3D-среде: AF-машины, измерительная техника, ЧПУ-станки, плавильное, литейное и термическое оборудование. В настоящее время там работают около 230 чел., 80% которых – ИТР и менеджмент. Теперь это один из самых известных заводов с мировым именем, клиентами которого являются практически все ведущие автомобильные компании Германии, многие европейские и американские авиационные фирмы. На завод достаточно передать 3D-файл будущего изделия и описать задачу: материал, количество, желательные сроки изготовления и что вы хотите получить – отливку или полностью обработанную деталь, от этого зависят сроки выполнения заказа – от 7 дней до 8 недель. Примечательно, что около 20% заказов – это единичные детали, около 40% составляют заказы на 2–5 деталей. Почти половина отливок – чугун; примерно треть – алюминий; остальное – сталь и другие сплавы. Специалисты завода активно сотрудничают с фирмами – изготовителями AF-оборудования, ведут совместные НИР с университетами, завод является и успешным коммерческим предприятием, и полигоном для отработки новых технологических процессов.

Жизненный цикл нового изделия.
Работа проведена для ЗАО НПО "Турботехника"

Рынок аддитивных технологий в России развивается, но происходит это очень медленно, поскольку, чтобы вывести эти технологии на должный уровень, необходима поддержка государства. При должном внимании к внедрению AF-технологий они могут значительно повысить скорость реагирования на потребности рынка и экономическую эффективность многих отраслей промышленности.

Кирилл Казмирчук, заместитель директора НИИ "Машиностроительные технологии", СПбГПУ
Вячеслав Довбыш, заведующий лабораторией вакуумного литья металлов и полимеров НИИ "НАМИ"

Фотографии и материалы предоставлены авторами

Мировой рынок аддитивных технологий растет с каждым годом: уже сегодня его объем превышает $5 млрд, а после 2025 года будет составлять более $21 млрд. Страны-технологические лидеры, такие как США, Германия, Великобритания, Япония и другие, суммарно контролируют более 50% мирового рынка аддитивного производства и останутся локомотивами его развития в долгосрочной перспективе. На долю России пока приходится порядка 1% рынка, при этом страна отстает от лидеров по всем основным направлениям – начиная от производства материалов и оборудования и заканчивая внедрением готовой продукции.Обзор мирового рынка

Ежегодные темпы роста мирового рынка аддитивных технологий составляют 15%. При сохранении CAGR на этом уровне к 2025 году объем рынка увеличится с текущих $5,31 млрд до $21,5 млрд.

К этому времени до 51% рынка будет приходиться на авиационную промышленность, сферу здравоохранения и автомобилестроение. Отрасли, в которых в 2025 году будет наиболее заметно использование технологий аддитивного производства, показаны на рис. 1.

Сегмент «Прочие» включает энергетическую и пищевую промышленность, строительную отрасль и др.

Страны Северной Америки были и остаются крупнейшим потребителем аддитивных технологий в мире. В 2015 году объем североамериканского рынка оценивался $2,35 млрд с перспективой роста до $7,65 млрд к 2025 году. Второй по величине – это рынок стран Европы и Ближнего Востока. В 2015 году его суммарный объем составлял $1,81 млрд, а к 2025 году он может увеличиться до $7,18 млрд.

Одним из самых быстро растущих является рынок Азиатско-Тихоокеанского региона. В период 2015-2025 гг. ежегодные темпы роста составят 18,6%, а объем увеличится более чем в пять раз – с $1,01 млрд в 2015 до $5,56 млрд в 2025 году. При этом на долю Китая будет приходится порядка 70%.

В странах Северной Америки технологии 3D-печати активно внедряются в аэрокосмической, оборонной и автомобильной отраслях. В последние годы резко увеличилось количество стартап-проектов как в этих, так и других сферах.

Внедрение аддитивных технологий в Европе и на Ближнем Востоке происходит медленнее, чем в странах Северной Америки. Основной фокус здесь делается на использование 3D-печати на основе лазерных технологий в судостроительной отрасли и в промышленности. В то же время в последние годы отмечается рост инвестиций в технологии 3D-печати со стороны автомобилестроительных компаний.

Китай широко применят 3D-печать для массового производства компонентов для аэрокосмической промышленности. Прогнозируемое снижение стоимости производства позволит стране в ближайшие годы нарастить объемы выпускаемой продукции.

Ключевые тенденции

К характерным тенденциям мирового рынка аддитивных технологий последних лет можно отнести:

• Постоянное увеличение доли деталей, изготавливаемых с использованием аддитивных технологий, в качестве конечных («готовых») изделий – direct manufacturing
• Стремительное развитие технологий 3D-печати, снижение сроков и стоимости производства за счет применения гетерогенных материалов
• Увеличение масштабов внедрения технологий 3D-печати в авиационной, аэрокосмической отраслях, автомобилестроении, сфере здравоохранения, а также в сегменте производства потребительских товаров
• Применение 3D-печати для создания быстро переналаживаемых производств, позволяющих сократить время от этапа разработки концепции до создания опытного образца на 70 и более процентов
• Рост объема финансирования НИОКР в сфере аддитивного производства
• Консолидацию рынка путем формирования консорциумов, объединяющих предприятия, исследовательские центры и университеты, а также объединение бывших конкурентов. Практически ежегодно на рынке появляются новые компании, новые технологии. Но часть из них, не выдерживая конкуренции, исчезает, а часть – уходит под крыло крупных компаний
• Создание специализированных организаций с целью объединения усилий компаний и научных кругов, занимающихся разработкой решений для аддитивного производства (пример – Американский Национальный институт инноваций в области аддитивной промышленности («America Makes»)
• Удешевление производства за счет снижения стоимости оборудования и повышения доступности технологий

  Ключевые игроки

  Число производителей оборудования для аддитивного производства также увеличивается с каждым годом. На сегодняшний день лидерами мирового рынка являются следующие компании:

  • 3D Systems (США)
  • EOS GmbH (Германия)
  • SLM Solutions (Германия)
  • Stratasys (США)
  • Objet Geometries (США-Израиль)
  • EnvisionTEC (США-Германия (DLP)
  • ExOne (США)
  • Voxeljet (Германия)
  • Arcam AB (Швеция)

    Значимые слияния и поглощения (M &A)

    • В 2016 году американский концерн General Electric приобрел две европейские компании, специализирующиеся на 3D-печати, – шведскую Arcam AB и немецкую Concept Laser GmbH. Сумма сделки составила $1,4 млрд
    • Корпорация Siemens до 85% увеличила долю в британской компании Materials Solutions, специализирующейся на аддитивных технологиях в газотурбиностроении
    • В начале 2017 года BMW, Google и Lowe’s инвестировали $45 млн в американский стартап Desktop Metal, занимающийся созданием инновационной технологии 3D-печати металлических изделий. В общей сложности инвесторы вложили в этот проект, состоящий из 75 инженеров и программистов, более $100 млн
    • В апреле 2012 года произошло слияние компаний Stratasys (США) и Objet (Израиль)
    • Компания по производству металлопорошковых машин MTT Technologies (Великобритания) объединилась с Renishaw с целью продвижения своей продукции
    • Компания 3D Systems в течение последних нескольких лет купила более 20 фирм, работающих в области производства 3D-принтеров, программных продуктов, материалов и в сфере оказания услуг. Одной из крупнейших сделок стала покупка в январе 2012 года компании ZCorporation за $135 млн

      Прогнозы развития

      • Применение гранул и порошковых материалов в 3D-печати позволит отказаться от использования треугольных и цилиндрических форм при изготовлении изделий
      • Применение углеродистого (графитового) волокна и металлопорошков позволит улучшить механические, химические и термические характеристики изделий (в частности, для нефтегазовой и оборонной отраслей)
      • Производители систем компьютерного проектирования и моделирования (CAD, CAE) ведут разработки решений для 3D-печати, которые позволят снизить погрешность при изготовлении изделий и повысить точность производства
      • Усовершенствование характеристик и развитие аддитивных технологий позволит повысить точность, скорость и качество 3D-печати. К 2020 году скорость работы 3D-принтеров увеличится вдвое
      • Одним из ключевых направлений развития сервисных услуг на рынке 3D-печати станет лизинг 3D-принтеров
      • Развитие получит производство 3D-принтеров, позволяющих создавать крупногабаритные изделия с высокой точностью
      • Материал «графен», известный своими уникальными физическими и электрическими свойствами, будет применяться для производства металлических жил (волокон) и элементов питания

      

      Технологии аддитивного производства в авиационной и аэрокосмической отраслях

      Аддитивные технологии сегодня широко применяются в авиационной и аэрокосмической промышленности для производства комплектующих из металла, а также упрощения процессов их тестирования. Благодаря высокой производительности печатной 3D-технологии, появилась возможность упростить и ускорить процесс производства деталей из таких металлов как алюминий, медь, железо и магний. Также 3D-технологии могут применяться в производстве крышек топливных баков, легковесных деталей двигателя и многих других деталей.

      Авиационная промышленность остается одним из ключевых драйверов роста мирового рынка аддитивного производства. К 2025 году на ее долю будет приходиться около 15% от общего объема рынка.

      В 2015 году объем рынка технологий аддитивного производства в авиационной промышленности составлял $723,2 млн. Согласно прогнозам, к 2021 году он увеличится до $2,23 млрд.

      Основные сегменты

      Основными сегментами рынка аддитивных технологий в авиационной промышленности являются: производство готовой продукции (46,5%), сервисные услуги (32,3%), поставка исходных материалов (21,2%).

      

      Сервисный сегмент включает в себя услуги (годовое техническое обслуживание, установка и пуско-наладка оборудования и средств производства изделий) предоставляемые подрядными организациями на контрактной основе.

      Сегмент поставки сырья включает исследование, разработку (НИОКР) и поставку новых видов материалов компаниям авиационного комплекса.

      Ключевые тенденции

      Сегмент оказания сервисных услуг растет быстрыми темпами и к 2021 году обойдет сектор производства готовой продукции. При CAGR на уровне 25,3% к 2025 году его объем составит $905 млн (против $233,8 млн в 2015 году) или 40,5% от общего объема рынка. Основными драйверами роста станут увеличение числа договоров и повышение спроса на услуги по обслуживанию ранее приобретенных оборудования и деталей летательных аппаратов, находящихся в эксплуатации.

      Ежегодные темпы роста сегмента производства готовой продукции будут ниже – на уровне 14,1%. К 2021 году он будет занимать 33,2% в структуре рынка, а его объем составит $740,7 млн (против $336,2 млн в 2015 году). Рост будет обеспечиваться расширением номенклатуры продукции, изготавливаемой с использованием аддитивных технологий.

      К другим тенденциям рынка аддитивных технологий в авиационной промышленности следует отнести:

      • Увеличение масштабов использования аддитивных технологий при производстве комплектующих летательных аппаратов, постепенное вытеснение ими традиционных методов производства
      • Сокращение времени и снижение стоимости (до 10 раз) производства отдельных комплектующих
      • Все больше компаний, выпускающих изделия из пластика и керамики с использованием аддитивных технологий, будут осваивать технологии производства комплектующих из металла
      • В период до 2021 года количество сделок по слиянию и поглощению будет расти с каждым годом. Компании продолжат объединяться с целью расширения номенклатуры и повышения качества производимой продукции и предоставляемых услуг
      • Децентрализация крупных производств приведет к росту числа малых производственных предприятий и, как следствие, снижению стоимости выпускаемой продукции
      • Оптимизация цепочки поставок готовой продукции

        Ключевые игроки

        По состоянию на 2015 год на долю четырех крупнейших компаний приходилось 71,8% рынка аддитивных технологий в авиационной промышленности. Однако появление новых игроков, специализирующихся на аддитивном производстве металлических изделий, может привести к снижению доли лидеров к 2021 году.

        

        Применяемые технологии

        Основные технологии аддитивного производства, применяемые в авиационной и аэрокосмической промышленности, включают:

        • Метод послойного плазменного осаждения металлического волокна с использованием плазменной установки с дуговым подогревателем (применяется компаниями Norsk Titanium и университетом Кренфилда)
        • Метод послойного электронно-лучевого наплавления (применяется компанией Sciaky) и метод послойного лазерного наплавления металлического волокна (применяется Optomec, DM3D, RPM Innovations)
        • Метод послойного лазерного наплавления металлического порошка (применяется Optomec, Accufusion, BeAM, DM3D)
        • Метод послойного селективного лазерного наплавления металлического порошка (применяется EOS, Concept Laser, SLM Solutions, Realizer, Renishaw, 3D Systems)
        • Метод послойного селективного электронно-лучевого наплавления металлического порошка (применяется Arcam)
        • Указанные технологии применяются в авиационной и аэрокосмической промышленности для производства таких видов оборудования и компонентов, как входные клапаны, реактивные сопла, лопатки турбин, воздухозаборники, комплектующие крыла летательных аппаратов, шарнирные навески, инжекторы авиационных двигателей и др.

        

        Драйверы и ограничители рынка аддитивных технологий в авиационной и аэрокосмической отраслях

        Драйверы:

        • Рост спроса на новые летательные аппараты в мире – как гражданские авиалайнеры, так и грузовые самолеты
        • Необходимость снижения стоимости производства авиалайнеров и отдельных комплектующих
        • Необходимость повышения эффективности производственных процессов с целью снижения временных затрат на производство авиалайнеров и отдельных комплектующих
        • Необходимость оптимизации цепочки поставок готовых видов продукции
        • Переход к производству цельных готовых конструкций (отказ от сборки с применением разных деталей и комплектующих)
        • Упрощение процессов испытания и сертификации готовых изделий
        • Необходимость сокращения топливных расходов компаний за счет применения меньшего числа комплектующих при производстве летательных аппаратов и, как следствие, снижения их веса
        • Необходимость сокращения объема отходов производства

          Ограничители:

          • Комплектующие, изготовленные с помощью аддитивных технологий, должны соответствовать стандартам, установленным для изделий, производимых традиционными методами
          • В отдельных случаях внедрение комплектующих, изготовленных с использованием аддитивных технологий, сдерживается их несоответствием отраслевым стандартам
          • Производство отдельных комплектующих с использованием аддитивных технологий может быть освоено только в долгосрочной перспективе
          • Количество изделий, производимых с использованием аддитивных технологий, пока остается сравнительно небольшим
          • Темпы замены старых комплектующих на изделия, производимые с использованием аддитивных технологий, остаются низкими
          • Механические свойства отдельных материалов, применяемых для аддитивного производства, не позволяют использовать их в авиационной промышленности

            Основные прогнозы до 2021 года

            Анализ рынка технологий аддитивного производства применительно к авиационной и аэрокосмической промышленности позволяет сделать следующие прогнозы в перспективе до 2021 года:

            • Объем производства новых авиалайнеров (гражданских и грузовых) в мире будет увеличиваться, что создаст устойчивый спрос на металлические изделия, изготовленные с использованием аддитивных технологий
            • Основными заказчиками изделий станут крупные авиаконцерны (в том числе Boeing и Airbus)
            • Авиационная и аэрокосмическая промышленность будет формировать устойчивый спрос на услуги сервисных компаний. Число заключаемых сервисных договоров будет увеличиваться с каждым годом
            • Номенклатура деталей и комплектующих для летательных аппаратов, производимых с использованием аддитивных технологий, будет увеличиваться
            • Наряду с этим ожидается увеличение спроса на системы компьютерного проектирования и моделирования (CAD, CAE)
            • Объем финансирования программ НИОКР, нацеленных на развитие аддитивного производства в авиационной промышленности, будет увеличиваться
            • Ужесточение конкуренции на рынке приведет к повышению качества производимой готовой продукции и предоставляемых услуг в сфере аддитивного производства

              Аддитивные технологии в России

              С точки зрения вклада в общий рынок аддитивных технологий, Россия пока сильно отстает от стран-технологических лидеров. Причем отставание отмечается по всем основным направлениям – производство оборудования для 3D-печати, масштабы применения технологий в ключевых промышленных отраслях, производство сырья и вспомогательных материалов и т.д. На данный момент доля России в структуре мирового рынка аддитивного производства составляет около 1%.

              Потребности России в металлических порошках для 3D-принтеров, а также оборудовании закрываются преимущественно за счет импорта продукции. Основные объемы поставок сырья приходятся на Германию и Великобританию.

              Среди крупнейших потребителей порошковых материалов на российском рынке можно назвать такие предприятия, как ПАО «Авиадвигатель» и ПАО «НПО «Сатурн» (в обоих случаях – разработка газотурбинных технологий и двигателей), а также ЗАО «Новомет-Пермь» (производство погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти). Значительную работу по развитию и продвижению аддитивных технологий проводят госкорпорации «Росатом» и «Роскосмос».

              Очевидно, что стимулирование разработок в области аддитивного производства в России необходимо поддерживать как с помощью государственного субсидирования (компенсации затрат предприятий на производство и НИОКР), так и за счет прямых инвестиций. Одним из крупнейших игроков, оказывающих финансовую поддержку проектам в сфере аддитивных технологий, является Фонд развития промышленности, выдающий компаниям льготные займы.

              О компании Frost & Sullivan

              Frost & Sullivan - международная консалтинговая компания, поддерживающая партнерские отношения с клиентами. Мы помогаем заказчикам встать на путь стратегических инноваций, справиться с глобальными вызовами и реализовать открывающиеся возможности для роста. Вот уже более 50 лет Frost & Sullivan разрабатывает эффективные стратегии роста для компаний из списка Global 1000, молодых развивающихся фирм, государственных институтов и инвестиционно-финансовых организаций.

Аддитивные технологии с полным основанием относят к технологиям XXI века. Они имеют огромный потенциал в деле снижения энергетических затрат на создание самых разнообразных видов продукции. Степень их использования в промышленном производстве является верным индикатором индустриальной мощи государства и его инновационного развития. На данный момент российские предприятия используют импортные металлические порошки. Серийного производства порошковых материалов для аддитивных технологий в России нет.

Исследовательская группа «Инфомайн»
Основана в 1993 году. Специализируется на изучении рынков промышленной продукции в России и странах СНГ. Основными направлениями исследований являются: минеральное сырье, металлы и химические продукты. За прошедшие годы специалистами компании подготовлено свыше 1000 обзоров. Клиентами «Инфомайн» являются более 500 производственных, торговых, консалтинговых компаний, банков и научных организаций из 37 стран мира. Среди них: «Газпром», «Лукойл», ТНК-ВР, АФК «Система», ГМК «Норильский никель», «Евраз Груп С. А.», Объединенная компания «Русал» и др. Профессионализм компании подтверждается многочисленными публикациями в научных и научно-популярных журналах, а также выступлениями на конференциях различного уровня.

Металлические порошки обладают уникальными химико-металлургическими свойствами, что позволяет использовать их в различных областях. С появлением аддитивных технологий порошковая металлургия получила новые перспективы развития. Порошковая металлургия является наиболее экономичным методом изготовления изделий, она характеризуется низким уровнем отходов по сравнению с традиционными технологиями (литьем, механической обработкой, холодной и горячей обработкой давлением) и минимальным количеством операций для получения изделий с размерами, близкими к окончательным. Другая особенность порошковой металлургии - возможность производства материалов и изделий, которые невозможно получить традиционными металлургическими методами. С помощью аддитивных технологий упрощаются производственные процессы в авиационной промышленности, энергомашиностроении, приборостроении - везде, где есть потребность в изделиях сложной геометрии и «выращивании» металлических деталей. В настоящее время с точки зрения внедрения аддитивных технологий Россия отстает от ведущих стран мира. По-прежнему российские потребители зависят как от поставок импортных высококачественных металлических порошков, так и от импорта самих 3D-принтеров.

Состояние аддитивных технологий в мире
Технология трехмерной печати (3D) начала развиваться в конце 80-х годов прошлого века. Пионером в этой области является компания 3D Systems, которая в 1986 году разработала первый стереолитографический аппарат. Первые лазерные машины - стереолитографические (SLA) и затем порошковые (SLS-машины) - отличались очень высокой стоимостью, выбор материалов был достаточно узкий, и до середины 1990-х годов они использовались главным образом в научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности, связанной с оборонной промышленностью. В дальнейшем, после широкого распространения цифровых технологий в области проектирования, моделирования и механообработки, 3D-технологии начали бурно развиваться. Для 3D-технологий в настоящее время рекомендован термин Additive Manufacturing (AM). По данным Wohlers Associates, мировой рынок АМ-технологий в 2014 году составил около 3 млрд долларов при средних темпах роста на уровне 20–30%. Прогнозируется, что к 2020 году объем рынка может достичь 16 млрд долларов. Рынок аддитивных технологий стремительно меняется, происходит слияние и поглощение компаний-производителей машин, возникают новые центры оказания услуг в области AM-технологий, эти центры объединяются в европейскую, а теперь уже и в глобальную сеть. 63% всех аддитивных машин в мире производится в США. Наиболее заметно внедрение АМ-технологий в таких отраслях, как авиационная промышленность, судостроение, энергетическое машиностроение, а также стоматология и восстановительная хирургия. Главными заказчиками и потребителями AM-продукции являются авиационная и автомобильная отрасли США и Европы. Эти технологии привлекают крупные промышленные компании: Boeing, Mersedes, General Electric, Lockheed Martin, Mitsubishi, General Motors. Например, компания Boeing в последние годы значительно увеличила номенклатуру деталей, изготавливаемых по AM-технологиям. Сейчас таким образом изготавливается более 22 тысяч деталей 300 наименований для 10 типов военных и коммерческих самолетов, включая Dreamliner. Отказ от производства цельнометаллического листа в пользу спекания порошков при формировании каркасов ряда моделей Boeing позволил компании перейти на принципиально новый уровень производства. По мнению специалистов General Electric, через 10 лет примерно половина деталей энергетических турбин и авиационных двигателей будет изготавливаться с помощью AM-технологий. Активно применяются аддитивные технологии в бытовой электронике и медицине, в том числе в стоматологии. По словам представителей компании Arcam, произведенные ими устройства были использованы для создания более 30 000 титановых имплантатов для реконструкции тазобедренных суставов. Основным отличием АМ-технологий является то, что они применяются для формирования детали при помощи наращивания материала, в отличие от удаления в случае механической обработки. Использование аддитивных технологий позволяет изготавливать детали с характеристиками, недоступными для других методов обработки (например, с криволинейными отверстиями или внутренними пустотами). Послойный метод построения детали дает абсолютно новые возможности, например изготовление «деталь в детали», деталей с переменными по толщине свойствами материала (так называемые градиентные материалы), выпуск сетчатых конструкций, которые невозможно получить ни литьем, ни механообработкой. Значительные перспективы для 3D-технологий открываются в аэрокосмической отрасли. Это связано с тем, что с их помощью стало возможным кардинально уменьшить отношение массы материала, необходимого для выпуска детали, к массе конечной детали. Для большинства деталей, изготавливаемых традиционным способом, это соотношение может достигать 20:1, при использовании аддитивных технологий этот показатель составляет в худшем случае 2:1.

Рис. 1. Аппарат селективного лазерного сплавления SLM 280 компании SLM Solutions (Германия)

Почти все компании, использующие лазер, по-разному называют свои технологии. Это сделано для того, чтобы отличить себя от конкурентов, но по технической сути все они являются технологиями селективного лазерного сплавления - SLM-технологиями. Однако это название негласно закреплено за компанией SLM Solutions. Компания SLM Solutions (Германия) является одним из мировых лидеров в области технологий лазерного синтеза. SLM Solutions активно сотрудничает с компанией FILT. В результате этого сотрудничества появилась наиболее «продвинутая» на сегодняшний день машина SLM 280 (рис. 1). Этот аппарат отличается наличием двух лазеров: внешний контур детали и тонкие стенки обрабатывает первый лазер мощностью 400 Вт, основное тело детали - второй, более мощный лазер (1000 Вт). Сочетание двух лазеров разной мощности позволяет выпускать детали с толщиной отдельных фрагментов до 0,3 мм. Это также придает аппарату существенные преимущества: увеличивается скорость построения детали (до 5 раз), улучшается внутренняя структура материала и чистота внешней поверхности.

Виды аддитивных технологий
По методам формирования слоя принципиально отличаются два вида аддитивных технологий. Технология Bed Deposition предполагает на первом этапе формирование слоя порошка с последующей выборочной (селективной) обработкой сформированного слоя лазером или иным способом. Этой технологии достаточно точно соответствует термин «селективный синтез» или «селективное лазерное спекание» (SLS - Selective Laser Sintering), если «отверждающим» инструментом является лазер, который в данном случае, в отличие от лазерной стереолитографии (SLA-технологии), является источником тепла, а не ультрафиолетового излучения. Второй вид Direct Deposition - прямое, или непосредственное, осаждение материала, т. е. непосредственно в точку, куда подводится энергия и где в данный момент происходит построение фрагмента детали. Наиболее широко на рынке представлены модели группы Bed Deposition. Большая часть компаний - производителей таких аппаратов использует в своих машинах лазер в качестве источника энергии для соединения частиц металлопорошковых композиций. К ним относятся: Arcam (Швеция), Concept Laser (Германия), EOS (Германия), Phenix Systems (Франция), Realizes (Германия), Renishaw (Великобритания), SLM Solutions (Германия), Systems (США). В 2012 году в эту группу вошли китайские компании Beijing Long Yuan Automated Fabrication Systems и Trump Precision Machinery. Ко второй группе машин (Direct Deposition) относятся аппараты компаний POM Group, Optomec, Sciaky (США), Irepa Laser (Франция), InssTek (Ю. Корея). В России отсутствует серийное производство АМ-машин, которые используют в качестве материала металлические порошки. Вместе с тем целый ряд организаций занимается разработкой и созданием опытных образцов подобного типа аппаратов. Например, ОАО «Электромеханика» (Тверская область) в рамках совместной работы с ФГБОУ ВПО «МГТУ «СТАНКИН» изготовило автоматизированную 3D-установку для выращивания в вакууме точных титановых заготовок сложных деталей методом послойного синтеза электронным лучом из металлического мелкодисперсного порошка. ОАО «ТВЭЛ» совместно с научными организациями Уральского отделения РАН ведет разработку и организацию производства установок УрАМ-550 для селективного лазерного сплавления металлических порошков с размером рабочей камеры 500×500×500 мм. «Росатом» в кооперации с Минобрнауки планирует создать опытный образец 3D-принтера для изготовления металлических изделий на базе НПО «ЦНИИТМАШ». Специалистами ОАО «Национальный институт авиационных технологий» разработаны несколько типов экспериментальных лазерных установок послойного синтеза. Разработки аппаратов для лазерного послойного синтеза ведутся также Институтом проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ).

Рис. 2. АM-машина X line 1000R компании Concept Laser

До недавнего времени самой большой AM-машиной компании считалась X line 1000R (рис. 2) с размерами зоны построения 630×400×500 мм. Она была разработана совместно с Фраунхоферским институтом лазерных технологий (FILT) при участии Daimler AG и вышла на рынок в 2013 году. Первая такая машина установлена на Daimler AG для выращивания автомобильных компонентов из алюминия. К этой модели недавно была добавлена модификация X line 2000R, оснащенная двумя лазерами мощностью по 1000 Вт. Область построения увеличена до 800×400×500 мм. Компания пошла навстречу требованиям клиентов из аэрокосмической и автомобильной отраслей, повысив скорость построения изделий.

Рис. 3. Аппарат DMD IC106 компании POM

Компания POM (Precision Optical Manufacturing) является разработчиком DMD-технологии и держателем патентов на оригинальные технические решения по лазерным системам и системам управления с обратной связью с одновременным регулированием в режиме реального времени основных параметров построения детали: объема подачи материала, скорости перемещения головки и мощности лазера, которые обеспечивают стабильность и качество рабочего процесса (рис. 3). Эта технология позволяет производить параллельную или последовательную подачу двух видов материала с различными физико-химическими свойствами и таким образом создавать биметаллические компоненты, например формы для литья пластмасс (тело формы из меди, рабочая часть - из инструментальной стали), или наносить специальные покрытия, например на гильзы цилиндров, поршневые кольца, кулачковые валы, седла клапанов.

Технологии производства металлических порошков
В настоящее время не существует общих требований к металлопорошковым композициям, применяемым в AM-технологиях. Разные компании - производители AM-машин предписывают работу с определенным перечнем материалов, обычно поставляемых самой этой компанией. Общим требованием к порошкам для AM-машин является сферическая форма частиц. Это связано с необходимостью компактного укладывания в определенный объем и обеспечения «текучести» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением. На рынке представлены десятки видов разнообразных композиций: от обычных конструкционных сталей до жаропрочных сплавов и драгметаллов. Сфера их применения уже в настоящее время крайне разнообразна - от стоматологии до ювелирной промышленности. Основными технологиями получения порошков для AM-машин являются газовая атомизация, вакуумная атомизация и центробежная атомизация. Согласно технологии газовой атомизации металл расплавляют в плавильной камере (обычно в вакууме или инертной среде) и затем сливают в управляемом режиме через специальное устройство-распылитель, где производится разрушение потока жидкого металла струей инертного газа под давлением. В Европе три компании - ALD (Голландия), PSI - Phoenix Scientific Industries Ltd. (Великобритания) и Atomising Systems (Великобритания) - производят атомайзеры в качестве товарной продукции. При вакуумной атомизации процесс происходит за счет растворенного в расплаве газа. Атомайзер состоит из двух камер - плавильной и распылительной. В плавильной камере создают избыточное давление газа (водород, гелий, азот), который растворяется в расплаве. Во время атомизации металл под действием давления в плавильной камере поступает вверх к сопловому аппарату, выходящему в распылительную камеру, где создают вакуум. Возникающий перепад давлений побуждает растворенный газ к выходу на поверхность капель расплава и «взрывает» капли изнутри, обеспечивая при этом сферическую форму и мелкодисперсную структуру порошка. Технологии центробежной атомизации весьма разнообразны, но наибольший интерес представляют те, которые позволяют получать порошки наиболее ценных для аддитивных технологий сплавов - реактивных и тугоплавких металлов. Единственным сдерживающим фактором развития аддитивных технологий является высокая стоимость расходных материалов (металлических порошков). В настоящее время рядом компаний ведутся работы по внедрению менее затратных технологий производства порошков (в том числе титановых). Прорыв в этом направлении приведет к значительному росту спроса на 3D-устройства, способные воспроизводить металлические модели.




Рис. 4. Атомайзер EIGA 50 компании ALD (Голландия)

Мировым лидером в производстве оборудования для газовой атомизации является компания ALD (в настоящее время входит в группу AMG Advanced Metallurgical Group). Она имеет в своей производственной линейке атомайзеры как лабораторного (объем тигля 1,0–2,0 л), так и индустриального назначения с производительностью до 500 кг за одну плавку и более. Компания ALD является также изготовителем атомайзеров для получения порошковых композиций по технологии EIGA - индукционная плавка с распылением инертным газом. Базовые модели EIGA 50 и EIGA 100 отличаются размерами применяемого фидстока - прутка соответственно 50 и 100 мм. Машины EIGA (рис. 4) имеют невысокую скорость распыления - около 0,5 кг/с, однако позволяют распылять достаточно большой объем материала в течение одной плавки - от единиц до десятков килограммов.

Рис. 5. Установка центробежного распыления расплава ООО «Сферамет»

В России имеется опыт получения порошковых материалов методом центробежного распыления с торца прутковой заготовки, оплавляемой плазменной дугой. Метод был разработан в 1970-х годах в ВИЛСе. В последние годы этот метод получил дальнейшее развитие в работах OOO «Сферамет» (Московская область). ООО «Сферамет» является разработчиком оборудования и технологий нового поколения для получения сферических гранул металлов и сплавов методом центробежного распыления расплава. Исходным материалом для получения гранул на разработанной установке УЦР-6 (рис. 5) служат литые цилиндрические заготовки диаметром 76-80 мм и длиной 700 мм. На этой установке были получены гранулы дисперсностью 50 мкм.

Выпуск металлических порошков для аддитивных технологий в России
Интенсивное использование аддитивных технологий в России сдерживается как отсутствием АМ-машин, так и отсутствием мелкодисперсных металлических порошков. В настоящее время российские предприятия используют импортные порошки, поставляемые в основном компаниями - производителями установок. Серийное производство металлических порошков для аддитивных технологий в России отсутствует. ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов» (ВИАМ, Москва) производит в относительно небольших количествах металлопорошковые композиции для аддитивных технологий. В ближайшее время здесь планируются запуск современного промышленного оборудования и коммерческий выпуск порошков. По мнению генерального директора ВИАМ академика Е.Н. Каблова, для имеющегося российского парка установок аддитивного производства необходимо около 20 тонн порошков в год. По оценкам компании «Инфомайн», этот объем завышен, и общая емкость рынка порошков для работающих установок аддитивных технологий в России составляет на начало 2016 года не более 6–7 тонн. Целый ряд российских компаний занимаются в настоящее время вопросами производства металлических порошков для аддитивных технологий. По оценкам экспертов, уже в 2016 году на отечественном рынке могут появиться прошедшие сертификацию коммерческие металлопорошковые композиции различных марок. В настоящее время ВИАМ самостоятельно обеспечивает себя порошками, однако мощности небольшие (до 2 тонн в год). Движение ВИАМ к производству порошков для аддитивных технологий началось с организации производства припоев для высокотемпературной вакуумной пайки. Требования к порошковым припоям близки к аналогичным требованиям, предъявляемым к металлопорошковым композициям, используемым при аддитивных технологиях, в том числе по сочетанию фракций разного размера. С 2010 года ВИАМ активно ведет работы по созданию производства мелкодисперсных металлических порошков распылением расплава инертным газом на установке ERMIGA10/100VI. Разработаны и освоены технологии получения порошков более 10 марок никелевых и титановых припоев (10–200 мкм). Были начаты серийные поставки припоев моторным заводам. Ведутся работы по получению мелкодисперсных порошков для аддитивных технологий. Порошки для лазерной LMD-наплавки (40–80 мкм) поставляются в ОАО «Авиадвигатель», на котором проводятся работы по отработке технологий наплавки бородок бандажных полок лопаток ТВД. Ведутся работы по получению порошков для селективного лазерного сплавления (20–40, 10–50 мкм).

Рис. 6. Установка послойного лазерного сплавления M2 Cusing компании Concept Laser

В 2014 году ВИАМ приобрел установку для селективного лазерного сплавления металлических порошков Concept Laser M2 Cusing (рис. 6), позволяющую получать детали практически любой сложности внутреннего строения напрямую из металлических порошков без использования оснастки. Начаты исследования в области получения деталей по полному циклу, что обеспечит в дальнейшем ускорение внедрения аддитивных технологий в производство. Также в ФГУП «ВИАМ» методом послойного лазерного сплавления на установке M2 Cusing фирмы Concept Laser из порошка ЭП648-ВИ (ВХ4Л) начато изготовление завихрителей для двигателей 100-07, 100-08, 100-09. В рамках НИР по заказу Федерального космического агентства проведены работы, показавшие возможность получения порошков (гранул) на основе никеля и титана для проведения селективного лазерного сплавления.

Аддитивные технологии в «росатоме»: цикл от порошков до применения

Рис. 7. Дорожная карта развития аддитивных технологий «Росатома»

Импорт в Россию аппаратов для аддитивных технологий
Россия удовлетворяет потребности в 3D-принтерах, работающих на металлических порошках, за счет импорта этой продукции. По данным «Инфомайн», Россия импортировала в 2009–2015 годах 29 установок для аддитивных технологий на металлических порошках на сумму около 12 млн долларов. При этом характерным является тренд на рост импортных поставок (рис. 10). Как видно, 2014 и 2015 годы характеризовались наивысшим уровнем поставок на сумму свыше 200 тыс. долларов.

Рис. 8. Атомайзер ALD VIGA-2B

Научный центр порошкового материаловедения (НЦПМ) при Пермском научно-исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) приобрел в 2011 году атомайзер ALD VIGA-2B (рис. 8). В апреле 2014 года АМ-машина была запущена. Установка предназначена для исследований и получения небольших экспериментальных партий порошков. Она позволяет распылять все нетугоплавкие металлы и сплавы с температурой плавления до 1700 °C. По словам специалистов Научного центра, порошки получаются сферические, но неоднород-ные - крупностью от 0,5 до 100 мкм.

Рис. 9. Структура поставки в РФ 3D-принтеров основными зарубежными производителями в 2009–2015 гг., %