Аддитивные технологии для атомной энергетики

Каковы перспективы применения аддитивных технологий для атомной энергетики?

Совершенно очевидно, что невозможно пропустить аддитивные технологии (АТ) как не значимые для атомной энергетики (АЭ). Вопрос состоит только в том, как скоро мы будем готовы применить эти технологии и в каких объемах. На сегодняшний момент у нас есть как минимум 4 примера изделий, которые мы готовы пробовать изготавливать для АЭ. Сюда входит, например, насосное оборудование, а также производство деталей для топливных элементов. Я полагаю, что в течение 3–5 лет АТ станут такой же очевидной составной частью АЭ, как и традиционные технологии.

Возможно ли привести примеры эффективного внедрения АТ в мире и в Госкорпорации «Росатом» в частности?

На сегодняшний момент в мире уже применяется большое количество деталей, изготавливаемых по АТ. Если говорить о печати не только металлическими порошками, то таких примеров очень много: от простых бытовых изделий до целых домов. Что касается энергетического сектора или машиностроения, то лидерами по применению АТ являются компании General Electric, Siemens, Caterpillar и автопроизводители. К примеру, GE запланировал производство новой турбины, где большая часть элементов должна производиться методами АТ. Siemens также выпустил колесо турбины. Автопроизводители обращаются в центры АТ за изготовлением деталей сложного дизайна, а также используют эти технологии для изготовления запчастей снятых с производства автомобилей. Один из примеров будущего: автопроизводитель передает клиенту только цифровую модель, а конечный потребитель в центре АТ печатает нужные ему детали. Хочется отметить, что к АТ относится и композитное производство, где применяется послойное выкладывание. Таким образом, на сегодняшний день многие самолеты изготовлены с помощью АТ.

В Госкорпорации «Росатом» мы начинаем производство изделий для медицины, исходя из сроков их сертификации. Полученный опыт при освоении таких сложных изделий уже применяется для внедрения элементов для наших основных производств.

Каковы критерии и обоснования для перехода от традиционных методов изготовления к АТ?

Прежде всего это желание иметь цифровое производство, когда его основные элементы возможны для оцифровки. То есть параметры технологических процессов могут быть записаны и определены в виде цифры, что обеспечивает их абсолютно объективный контроль. Исходя из этого основным критерием является задача обеспечить стопроцентное качество или нулевой отказ. И даже несмотря на экономический аспект в вопросе перехода на АТ, когда цикл производства дешевле в несколько раз, повышение качества и снижение брака на сегодняшний день являются главными критериями.

Какие технологии аддитивного производства выбраны для развития в «Росатоме»?

Для развития в «Росатоме» выбраны технологии прежде всего печати металлическими порошками, т. к. это основной конструкционный и функциональный материал для «Росатома». Но это не означает, что в части вспомогательных производств, таких как изготовление прототипов, литейных форм, мы не будем использовать пластические массы для печати. А если вернуться к вопросу применения композиционных материалов, то здесь возможна печать пластиком, укрепленным волокном или с добавлением металлических порошков. Такие методы тоже предлагаются к развитию и внедрению.

Какие могут быть предложены механизмы внедрения АТ в отрасли?

Внедрение новых технологий в различные отрасли может происходить двумя путями. Первый — это реинжиниринг уже существующих конструкций, когда в рамки действующей конструкции вписываются новые элементы. В таком случае происходит объединение нескольких деталей, и возможно вместо 5–10 отдельных элементов конструкции изготовить одну сложную деталь. Второй способ — это полное изменение формы изделия с учетом преимуществ АТ. Речь идет о так называемой топологической оптимизации, когда изделие может быть в 10 раз легче при тех же функциональных свойствах. В нашей отрасли будут использоваться оба направления. Известны компании, которые для ускорения внедрения АТ в свое развитие приняли решение о конструировании и проектировании новых изделий, преимущественно базируясь на аддитивных технологиях.

Мы будем стараться применить оба способа, но в сочетании. В «Росатоме» будет три основных центра компетенции АТ: в Новоуральске, Сарове и Москве. По мере развития, возможно, число этих центров увеличится. Для начала это будут отраслевые центры коллективного пользования, где будут принтеры, квалифицированные специалисты по работе с цифровыми моделями. Конечно же, мы обязательно должны ориентироваться на взаимодействие с зарубежными и отечественными компаниями, т. к. понимаем, что есть компетенции не только у нас: отечественные компании во многом продвинулись вперед.

Чье оборудование, порошки и программное обеспечение (ПО) используются для моделирования и производства. Есть ли специальные требования для отрасли?

Мы начали заниматься АТ через создание оборудования прежде всего для понимания, какие технологические ограничения у нас могут быть. На сегодняшний момент у нас создана линейка однолазерных принтеров. Условно однолазерных, потому что уже сегодня мы можем использовать два лазера в этих же машинах. Одновременно с этим у нас есть принтеры II поколения, в которых могут использоваться одновременно два разных металлических порошка. Наши принтеры позволяют создавать различные структуры, начиная от ячеек размером 500 микрон с толщиной стенки 300 мкм и до размеров согласно размерам камеры принтера, то есть до 500 миллиметров.

Изначально используемые порошки были преимущественно зарубежного производства, но сейчас и отечественная продукция готова к применению. Производством порошков занимается ВИАМ, компания «Полема». В нашей отрасли на базе УЭХК запускается производство порошков. В отличие от традиционного производства, где модифицирование материала влечет за собой изменение свойств конечной детали, в аддитивном производстве именно конечные свойства детали будут влиять на модифицирование материала изготовления.

Основным в аддитивном производстве является цифровая модель изделия, верифицированная под возможности производства на конкретном принтере. Исходя из этого мы разрабатываем программный продукт «ЛОГОС» с ПО «Виртуальный принтер», который объединит в себе возможности создания дизайна изделия, проведения конструкторских расчетов свойств изделий и перевода их в итоговые файлы для последующей печати на 3D-принтерах. Наличие ПО собственной разработки позволяет нам ускорить процесс конструирования изделия и в том числе не допускать потери интеллектуальной собственности.

Как решаются вопросы контроля и сертификации? Какие методы и методики существуют?

Вопросы сертификации и контроля для АТ являются важной задачей еще и потому, что в процессе аддитивного производства, к сожалению, невозможно его остановить, достать деталь, исправить брак и продолжить печать. Весь процесс происходит абсолютно без участия человека, и в этом его преимущество. Задаются нужные параметры, загружается необходимое сырье — порошок, соблюдаются внешние условия. Если все эти факторы соответствуют требованиям, то мы уже заранее определяем качество будущей детали. Исходя из этого пошаговый контроль является очень важной и неотделимой частью цифрового производства. Мы не можем контролировать процесс только по контрольным точкам, отбирая пробы в определенный момент.

Вопрос сертификации может решаться традиционным путем, когда по одному изделию из партии проводится испытание и мы судим о всей серии производства. Либо мы должны контролировать внутреннюю структуру изделий новыми методами, и здесь наиболее часто используется рентгеновская томография.

Какие трудности для внедрения отечественных решений существуют?

Субъективно, рынок заполнен предложениями западных и китайских компаний, многие уже купили подобное оборудование, и поэтому нам приходится доказывать наше преимущество. Но мы понимаем свои задачи: демонстрировать возможности, выгодно конкурировать по цене оборудования и защищать себя от внешнеполитических факторов в рамках импортозамещения. Как и на любом другом перспективном рынке, нам нужно мобильно осваивать использование технологий в реальном конструировании. И чем быстрее наши конструктора станут применять новые технологии для создания изделий будущего, тем быстрее мы перейдем на АТ, на новые способы конструирования и производства. Как известно, цикл с использованием АТ ускоряет время появления не просто нового дизайна, а принципиально новых изделий в 10 раз.

Вы ждете поддержки государства или это задачи отраслевой науки?

Мы активно взаимодействуем с государством в части продвижения АТ. Не секрет, что Министерство образования и науки нам в значительной степени помогло в создании оборудования на первом этапе, довольно активно поддерживало и продолжает поддерживать работы по созданию материалов и ПО для АТ. При этом мы считаем, что на сегодняшний момент АТ становятся задачами и отраслевой науки, поэтому мы как отраслевая организация имеем инвестиционные проекты по освоению аддитивного производства и считаем, что центр тяжести будет смещаться именно в этом направлении. Но все-таки существуют системные вопросы освоения технологий в рамках государства и их последующая передача в отрасли, создания нормативной базы для оценки качества и сертификации изделий. Без помощи государства не только в материальных, но и организационных вопросах нам обойтись будет сложно.

На сколько глобально АТ изменят существующие традиционные производства?

Аддитивные технологии — это новая философия нашей будущей жизни. Они естественны по природе, когда маленькие детали растут и превращаются в большие. Другой важный вопрос состоит в том, что мы будем отходить от традиционных форм конструирования и проектирования, разделяя исходное большое изделие на части, переходя на конструирование и производство изделия целиком. Фактически АТ позволяют выращивать большую часть конечного изделия в рамках одного технологического процесса. И в этом смысле это является абсолютным переходом от классической схемы, когда мы имеем материал и его свойства, с помощью технологических операций получаем всего лишь другую форму и, только соединяя разные детали, получаем готовый продукт. В АТ свойств исходного материала фактически нет, мы сразу получаем свойства нового изделия. В этом и состоит основное отличие нового производства.

Статья опубликована в журнале «Аддитивные технологии» № 2-2018.