Аддитивные технологии, как наиболее перспективное направление

2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Евгений Кабалов: Мы тоже должны понимать, что только говорить о лазерных
технологиях явно недостаточно. Для аддитивных технологий широко используются и
другие средства воздействия на поверхность, на материалы. Это электронный луч, это
плазменная технология. Нужно понимать, для каких деталей наиболее приемлемы те или
иные виды технологий, то есть источник по доставке энергии к поверхности, где идет
процесс консолидации различных частиц, чтобы получить слой материала с нужным
уровнем свойств. И мы должны тоже для себя ясно понимать, что существующие методы
контроля, которые сейчас применяются в промышленности, не годятся для того, чтобы
контролировать детали, полученные методом аддитивных технологий. Потому что
структура принципиально другая, и она обладает очень сильной анизотропией, здесь
нужны другие подходы.
Вообще сама проблема аддитивных технологий еще требует достаточно глубоких и
фундаментальных исследований в плане оценки энергетического воздействия на
поверхности, где идет процесс образования нужного нам слоя.
Понятно, что есть как металлические материалы и неметаллические. Во многом за
рубежом пытаются привязывать материалы к конкретным машинам. Делаются машины
не из открытой платформы, она уже достаточно привязана к конкретным материалам.
Поэтому нам тоже нужно ответить и сказать, как мы свою промышленность будем
строить.
Вы знаете, что прошли две конференции на базе ВИАМ. Одна конференция проходила
под руководством Дмитрия Олеговича Рогозина, там выставка была, и Фонд
перспективных исследований там активно принимал. Вторая конференция тоже прошла
под темой "Настоящее и будущее аддитивных технологий", и там достаточно активно шла
дискуссия и обсуждение. Но ключевым является то, что у нас отсутствует нормативная
документация. Фактически в стране нету нормативной документации, которая бы дала
возможность нам говорить на одном и том же языке, чтобы мы друг друга понимали.
Даже определение термина, что такое аддитивные технологии, у каждого звучит поразному. Так же как и подходы, какая должна быть классификация процессов по видам
материалов, по видам воздействия луча.
Но нам всё-таки надо четко, работы в авиадвигателях… Я благодарен Александру
Александровичу Иноземцеву, с которым мы вместе, "Авиадвигатель", впервые сделали в
России совместно деталь, которая реально ставится на двигатели, делаем уже третью
деталь. Но вопросы стандартизации, обеспечения воспроизводимости свойств тех или
иных деталей по количеству, они должны соответствовать тем международным
требованиям, которые сейчас действуют, особенно в авиационной технике.
Эта проблема очень серьезная. Пока этого нет. Если на западе существует единственный
стандарт, по которому 22 страны, которые вошли в альянс разработчиков и
1
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
производителей деталей по аддитивным технологиям, они все руководствуются этим
стандартом. Нам нужно в РФ сделать подобный стандарт, чтобы было понимание, как
относить те или иные детали, процессы, машины к аддитивным технологиям.
И конечно, отдельный вопрос идет о том, как изготавливать не порошки, а
металлопорошковые композиции исходя из расчета той модели, которая строится, и под
эту модель строится вся технология.
Я хотел бы, чтобы мы достаточно объективно и честно сказали. Понятно, что мы давно
порошками занимаемся, еще 80-е годы, заслуга академика Белова, который во многом
инициировал вопросы порошковой металлургии, чтобы делать диски из жаропрочных
материалов. Но те порошки, которые разработаны по технологии 80-х годов, не годятся к
технологиям, которые нужны сейчас.
Реально если посмотреть, какое у нас настоящее, в мире фактически 30 %, особенно в
США, Китае, Европе производится деталей, которые реально уже используются в
конструкциях. 70 % - это модели и прототипы. Американцы ставят задачу к 2020 году 80 %
деталей делать реальными, а 20 % - прототипы и модели. От этого тоже не надо
отказываться, это дает очень большой эффект в плане трудоемкости и тому подобное.
Здесь мы тоже для себя должны определить рубежи.
[00:05:25]
С учетом того, что решение Научно-технического совета ВПК принято о создании
межведомственной комиссии, которая должна разработать дорожную карту развития
аддитивных технологий. Я бы хотел вас попросить в своих выступлениях, чтобы вы давали
предложения, чтобы мы их учли в подготовке дорожной карты, которая будет доложена
Дмитрию Олеговичу Рогозину, в Министерство промышленной торговли, поскольку
Минпромторг выступает в качестве координатора всех работ по аддитивным
технологиям.
Я бы тоже хотел предостеречь о том, что каждый начинает строить у себя свою отрасль
аддитивных технологий. Государство просто не выдержит, Росатом своё, Роскосмос своё,
Минпромторг своё… У нас должно быть российское, которое учитывало бы и ошибки, и
возникшие вопросы.
Понятно, что одна даже мощная организация сама не в состоянии эту проблему закрыть
полностью. Мы её можем решить, только объединив усилия различных научных
организаций, проектных организаций, включая основные элементы по аддитивной
технологии.
Мы должны понимать и четко сказать, кто в области создания машин готов это дело
координировать и возглавлять, кто в области лазеров, кто в области электронного луча,
2
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
кто в области плазмы. Кто может четко определить и сказать, какие в первую очередь
детали должны производиться с помощью аддитивных технологий.
Наш небольшой опыт показал, и знакомство в Китае, Китай активно и динамично
развивается, там существует четкая градация, какого типа, массы, какие материалы могут
перерабатывать по одной технологии послойно, а какие по другой.
Я бы хотел, чтобы вы на эти вопросы обратили внимание и свою точку зрения высказали.
И конечно, вопросы подготовки кадров. Не выделяя и не создавая в соответствующих
университетах определенные группы или направления подготовки специалистов
аддитивных технологий, мы не сможем обеспечить промышленность, предприятия
специалистами, которые в этом разбираются, которые подготовлены к тому, чтобы
заниматься этой проблемой.
Я хотел бы предложить выступить Ольге Геннадьевне Оспенниковой, чтобы она сделала
доклад, исходя из опыта тех работ, которые ВИАМ вместе с рядом организаций выполнил,
в первую очередь авиадвигатель, Институт Академии наук ИПЛИТ РАН [00:08:22], это
учебное заведение Санкт-Петербургский исследовательский университет им. Петра
Великого, и другие организации, которые принимали участие в этой работе.
Ольга Оспенникова: Добрый день, уважаемые коллеги. Говоря о развитии и применении
аддитивных технологий, в первую очередь хотелось бы отметить, что творится в мире в
этой области. Как уже сказал Евгений Николаевич, в 22 странах создана национальная
ассоциация по аддитивным технологиям. Есть стандарты, и один из них, основной
стандарт, в рамках которого классифицируют аддитивные технологии. Но ключевым
критерием оценки уровня развития и уровня внедрения аддитивных технологий, на наш
взгляд, является соотношение деталей, произведенных по первому и второму уровню
реализации аддитивных технологий, к деталям третьего уровня.
Наиболее продвинутыми в области применения аддитивных технологий в мире являются
США. У них это соотношение 70 к 30 в настоящее время, создан научно-инновационный
институт по аддитивным технологиям на базе 15 институтов.
[00:10:24]
Как говорилось, Китай очень сильно продвинулся в части внедрения аддитивных
технологий. У них соотношение 85 к 15. У них создано 20 исследовательских
университетов, 45 университетов в области аддитивных технологий.
В России, к сожалению, на сегодняшний день всего три детали, которые реально
внедрены в реальные конструкции. Это силовые детали, которые гениальный конструктор
Иноземцев Александр Александрович применил уже к конструкции (нрзб.) [00:10:55]
двигателя ПД-14.
3
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
В Европе на базе университетов Германии создан национальный центр по аддитивным
технологиям, и у них соотношение также 85 к 15.
В США поставлена амбициозная задача к 2020 году добиться соотношения деталей
первого и второго уровня к деталям третьего уровня 20 к 80. То есть 80 % деталей будут
делаться по аддитивным технологиям.
Согласно стандарту, международной классификации, аддитивные технологии – это 7
основных видов аддитивных технологий. В РФ из этих видов наиболее применяются три
основные: стереолитография, прямой подвод энерго (нрзб.) [00:11:46] растворения, и
строительство подложки.
Говоря о структуре аддитивного производства, хотелось бы отметить, что не только
структурированное аддитивное производство имеет смысл по принципу действия, то есть
по видам энергетического воздействия на материал. А именно это лазер, электронный луч
и плазма. Каждый из этих видов требует особого подхода, требует разработки своих
требований к материалам в первую очередь. Это металлопорошковые композиции или
полимернопорошковые композиции, и специальные виды проволок, армированных
наполнителей, если это полимерные композиционные материалы. То есть это
специальные лески. Каждое энергетическое воздействие требует разработки
определенного вида материала.
Безусловно ключевым моментом является контроль качества получаемых изделий. Опятьтаки, каждый вид энергетического воздействия, каждый метод аддитивных технологий
предъявляет свои требования к контролю окончательно заготовленных деталей.
И наконец, три уровня реализации аддитивных технологий. Первый уровень –
вспомогательное производство, изготовление оснастки, выжигаемых моделей для литья
по (нрзб.) [00:13:11]
Второй уровень – построение и изготовление демонстраторов. Это проверка
работоспособности той или иной конструкции. Эти два вида не требуют получения
ресурсных характеристик, механических свойств, физических свойств материала. Это
вспомогательная технология.
Третий уровень, высший уровень аддитивного производства, это изготовление боевых
деталей, ресурсных деталей уже с большим набором требований к характеристикам
материала, получаемого в процессе синтеза. Именно на третьем уровне в полном объеме
реализуется основной принцип создания материалов нового поколения. Это
неразрывность материала, технологии, оборудования и конструкции. Именно в
аддитивных технологиях мы говорим и об оборудовании в том числе, потому что отчасти
оно определяет характеристики будущего изделия в совокупности, прямом
взаимодействии с материалом.
4
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Существуют проблемные вопросы внедрения аддитивных технологий в РФ. Сейчас
практически отсутствует крупное серийное производство материалов для аддитивных
технологий. Если по металлопорошковым композициям в настоящий момент удалось
решить эту проблему, то в части полимерных материалов, материалов для изготовления
специальной проволоки этот вопрос остается открытым.
В части изготовления оборудования разработки ведутся, но они пока на самом начальном
уровне. Следует отметить, что Минпромторгом РФ станкопрому была поставлена
соответствующая задача о том, чтобы ускорить разработки в этом направлении и
скоординировать все работы на создание оборудования для аддитивного производства.
[00:15:18]
В части обеспечения квалифицированными кадрами, в настоящее время отсутствуют в
необходимом количестве квалифицированные кадры, которые специализировались бы в
области аддитивных технологий, в области программного обеспечения для аддитивных
технологий. Это всё-таки технологии нового поколения, здесь нужны новые подходы в
части подготовки квалифицированных кадров.
Ключевой вопрос, как отметил Евгений Николаевич, это отсутствие нормативной
документации. Сейчас нет системы национального стандарта. Мы предлагаем для
обеспечения создания системы национальных стандартов поддержать создание на базе
нашего института национального технического комитета по аддитивным технологиям, что
позволило бы достаточно четко и быстро скоординировать работу в области разработки
национальных стандартов по аддитивным технологиям.
Говоря об аддитивном производстве, следует отметить пять составляющих аддитивного
производства. Первая – материалы и технологии получения порошковых композиций
заданного параметрического состава. Это относится как к металлическим, так и к
неметаллическим материалам.
Следующая составляющая – технологии синтеза деталей. Сюда входят и разработки
математических моделей, бионический дизайн, конструирование поддержек и отработка
самих технологических параметров синтеза.
Далее следуют технологии термической обработки, чтобы обеспечить механические
характеристики. Сюда же входит неразрушающий контроль.
Одна из основных составляющих – это квалификация материала. Это проведение общей
специальной квалификации изделий, синтезированных с помощью аддитивных
технологий. Это разработка методик, проведение механических испытаний, разработка
самой системы квалификации синтезированных материалов.
5
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Последнее – передача технологии в серийное производство с полным комплектом
нормативной документации, и обеспечение авторского контроля при внедрении этих
технологий. Сюда же входит испытание на изделия деталей, полученных по аддитивным
технологиям.
Основное – это порошки, металлопорошковые композиции. Мы разработали основные
требования к металлопорошковым композициям для аддитивного производства. Они
включают в себе гранометрический [00:17:56] состав металлопорошковых композиций.
Это определение верхней и нижней границы для получения оптимальных характеристик.
Также это фракционный состав, распределение частиц внутри обозначенных границ.
Также это морфология получаемых гранул, они должны иметь сферическую форму,
минимально допустимое количество дефектов, сателлитов или других дефектов гранул.
Химический состав. Гранулы должны содержать минимальное количество газовых
примесей и примесей вообще. Это обеспечение идеально чистого материала.
Технологические свойства – текучесть материала. Как уже было показано, и мы теперь
четко понимаем, что с этой характеристикой связано качество будущего изделия. В
процессе синтеза текучесть играет существенную роль. Если материал не обладает
текучестью в определенном интервале, то изделие может просто не получиться.
Также насыпная плотность, отсутствие пористости. Эти ключевые характеристики
обеспечивают качество будущей детали.
Сформулировав эти требования, в настоящее время у нас организовано серийное
производство сверхчистых сферических порошковых композиций, никелевых сплавов, и
специальных высокопрочных сталей. Начинали мы с изготовления порошковых припоев.
Это восстановленное производство. В годы перестройки оно было утеряно в РФ.
Когда мы поняли, что существует необходимость изготовления металлопорошковых
композиция для аддитивных технологий, мы отработали технологию и в настоящее время
свыше 25 марок металлопорошковых композиций можем серийно выпускать.
Также освоено производство высококачественных порошков, высокопрочных алюминиев
и сплавов. Этого нет даже в мировой практике, потому что в основном это порошковые
композиции, которые отработаны в мире, так называемые силумины, это низкопрочные
литейные алюминиевые сплавы, они значительно легче в процессе изготовления
порошка. Наше достижение – отработка технологии и изготовление порошковой
композиции, высокопрочных алюминиевых сплавов.
[00:20:25]
6
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Слайд демонстрирует какие-то этапы порошковой композиции, и для кого мы
поставляем. Мы широко взаимодействуем, это не только авиационная отрасль, но и наши
традиционные партнеры – "Авиадвигатель", "Сатурн", Пермский моторный завод и
"Теплообменник", для которого мы поставляем металлопорошковые композиции и
порошковые припои.
Таким образом, подытожив то, что сказано ранее, сейчас в институте создано аддитивное
производство замкнутого цикла. Это производство включает в себя выплавку исходных
компонентов, подготовку так называемых слитков под распыление, производство самих
порошковых композиций, рассев, газодинамическая сепарация порошков, разработка 3Dмоделей, моделирование поддержек, генерация слоёв, отработка технологий синтеза,
горячее изостатическое прессование, термическая обработка, контроль качества
получаемых изделий. И разработка всей нормативно-технической документации,
имеются в виду технологические инструкции, технические условия на исходные
материалы и технические условия на деталь совместно с разработчиком.
Технологический процесс изготовления детали по технологии селективного лазерного
сплавления показан на примере детали, которую мы отрабатывали совместно с
"Авиадвигателем". Весь цикл включает в себя разработку математической модели, это то,
что представляет конструктор. Далее мы её дорабатываем с учетом специфики
аддитивного производства, аддитивных технологий с соответствующим построением
поддержек. Далее получение металлопорошковых композиций с заданными
требованиями, чтобы обеспечить качество получаемых изделий. Разработка технологий
выращивания деталей с заданной геометрией, которые включают в себя отработку
технологий синтеза. Это генерация слоёв, расчет количества слоёв, расчет скорости
сканирования, шага сканирования, мощности лазерного луча, весь комплекс
технологических характеристик обеспечивает качество получаемых деталей.
Далее газостатическая, термическая обработка, контроль механических характеристик, и
финишная обработка – контроль геометрии и испытания. Как правило, мы делаем это на
предприятии-изготовителе. Это часть изготовления деталей завихрителя, это делают наши
партнеры "Авиадвигатель".
В целом надо отметить, что цикл изготовления деталей по аддитивным технологиям в
среднем в 10 раз более короткий, нежели изготовление деталей по традиционным
технологиям.
Говоря об оценке качества синтезируемых деталей, хотелось бы показать, каких
характеристик удалось достичь. Мы получили практически 30 % прирост по прочностным
характеристикам, включая характеристики длительной прочности, которые показаны на
слайде. По пластичности мы получили практически в 4 раза большую пластичность в
отличие от традиционной литейной технологии.
7
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
На слайде приведен цикл изготовления деталей по традиционной технологии. Это деталь
завихрителя, первая деталь, которая встала на выявленную машину. Это двигатель ПД-14,
в настоящее время прошла все испытания на земле и готовится к испытанию в составе
летающей лаборатории.
Расчет технологического цикла позволяет сказать, что ровно в 10 раз быстрее изготовлена
деталь по аддитивным технологиям.
Ключевым моментом является тот факт, что детали получаются практически одинаковые
по геометрии. Одна деталь не отличается от другой, в отличие от литейной технологии.
Там не удается обеспечить геометрию, технологию литья, в любом случае обеспечивается
определенный разброс, и конструктору приходится подбирать, чтобы получить
определенный расход газовоздушной смеси в камере сгорания, необходимо подбирать
по расходам каждого завихрителя.
Аддитивные технологии позволяют уйти от этого и обеспечить геометрическое подобие
всех деталей.
Следующая деталь, технология которой была отработана, это также деталь
малонанесенной камеры сгорания, это деталь стабилизатора. В данном случае
технологический цикл так же по сравнению с литьем в 7 раз меньше, чем по технологии
литья. Хотела бы отметить, что мы не берем в расчет подготовку производства. То есть
подготовка производства остается за кадром. Если её посчитаем, то получим экономию по
времени где-то до 30 раз.
[00:25:19]
В настоящее время мы работаем с новым классом материалов. Это (нрзб.) [00:25:25]
сплавы, сплавы, обладающие очень низкой пластичностью. Они являются очень
проблемными в литье. Сложно получить изделие без трещин, без литейных дефектов, и
обеспечить структуру в различных сечениях, чтобы получить оптимальные механические
характеристики. Это детали сплава ВКН 4 ВР [00:25:48] отработка технологии направлена
на получение плотной структуры без пор и трещин, то есть отрабатывание центрального
позиционирования детали, чтобы обеспечить оптимальную геометрию.
Нельзя сказать, что в литье толстым сечением мы получаем неблагоприятную структуру в
литье, потому что сплав достаточно сложный для литья, он обладает
низкотехнологической пластичностью. Мы получаем карбидные "усы", очень
протяженные, что негативно сказывается на механических характеристиках. Мы получаем
и (нрзб.) [00:26:20] молибдена, которые также, выделяясь, снижают ресурсные
характеристики, снижают пластические характеристики материала.
8
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Аддитивные технологии в данном случае позволяют за счет того, что в процессе синтеза
скорость охлаждения очень высокая, мы получаем за счет диспергирования структуры
исходных гранул и высоких скоростей кристаллизации формирование очень однородной
структуры как в массивных, так и в тонких частях детали. Получаем лабиринтное строение
карбида и кубоидные карбиды. И что характерно, мы получаем за счет высокой скорости
охлаждения выделение так называемых коричневой гамма-штрих упрощающей фазы, что
обеспечивает повышение механических характеристик.
Ключевым моментом для внедрения аддитивных технологий является неразрушающий
контроль. В настоящее время один из методов, и пожалуй единственный, который
применяется в настоящее время, это компьютерная томография. Как известно, она не
дает выявляемости очень плотных протяженных дефектов, там есть свои нюансы. Мы
считаем, что будущее здесь за неразрушающим ультразвуковым контролем. В этом плане
научно-учебный центр "Сварка и контроль" занимается разработкой новых методов
неразрушающего контроля с применением новых типов ультразвуковых волн,
ультразвукового воздействия.
В данном случае для того, чтобы было широкое внедрение аддитивных технологий,
необходима разработка методов технологии неразрушающего контроля деталей,
синтезированных с помощью аддитивных технологий.
На этом слайде мы показываем работу, которую провели наши коллеги из
"Авиадвигателя". Это из доклада генерального конструктора Александра Иноземцева, он
попросил привезти эти данные. Применение бионического вытязания, так называемая
топологическая оптимизация, конфигурация детали на примере кронштейна.
В процессе проведения расчетов при помощи расчета эффективных напряжений и
оптимизации геометрии, кронштейн облегчен на 50 % при отсутствии потерь в
прочностных характеристиках на предполагаемых расчетных нагрузках двигателя. Это
рекордная характеристика. За счет применения бионического дизайна, оптимизации
конструкции, мы имеем фактически в два раза выигрыш по весу.
И безусловно аддитивные технологии имеют очень широкие перспективы внедрения,
начиная от изготовления деталей сложной конфигурации с применением бионического
дизайна, и заканчивая созданием мобильных комплексов аддитивного производства для
ремонта техники в полевых условиях для лечения личного состава.
Эффективность аддитивных технологий – это повышение коэффициента использования
материала практически до единицы, повышение производительности до 30 раз,
снижение веса конструкции и снижение стоимости детали в полтора-два раза за счет
оптимизации технологического цикла.
9
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Наше предложение в проект решения сегодняшнего мероприятия. Первое, что мы
предлагаем, это создать консорциум научных, образовательных, производственных
организаций, в рамках которых четко определить области ответственности и компетенции
участников консорциума, что будет способствовать внедрению аддитивных технологий в
производство.
Также создать координационный механизм, межотраслевой инжиниринговый центр
порошковой композиции и аддитивных технологий на базе нашего института с участием
ведущих научных, образовательных, производственных организаций.
[00:30:06]
Для внедрения аддитивных технологий в промышленность, увеличить долю предприятий
третьего уровня реализации аддитивных технологий, то есть это производство боевых
деталей.
Создать универсальную систему сквозного обучения специалистов в области аддитивных
технологий, чтобы уже к новому учебному году в образовательных учреждениях
появилась новая специальность "аддитивное производство" или с другим названием.
Также необходимо создать систему национальных стандартов для аддитивного
производства на всех этапах реализации жизненного цикла детали. И создать
национально-технический комитет аддитивных технологий с учетом наличия аддитивного
производства замкнутого цикла в нашем институте. Спасибо.
Евгений Кабалов: Спасибо, Ольга Геннадьевна.
Анатолий Шалагин: Директор Института автоматики и электрометрии, Шалагин Анатолий
Михайлович. Сама машина, которая производит эти детали, 3D-принтер или как он
называется, она чьего производства, ваша разработка или как?
Ольга Оспенникова: Машина, к сожалению, зарубежного производства. Мы не
занимаемся разработкой оборудования для аддитивных технологий. Как я в своём
докладе отметила, эта область ответственности закреплена за станкопромом, они сейчас
активно этим занимаются.
Анатолий Шалагин: Это очень важный компонент, его нужно в программу включать.
Ольга Оспенникова: Безусловно нужно. Мы в своей части выступаем как разработчики
технического задания для этого оборудования.
Евгений Кабалов: Пока у нас есть отечественные металлопорошковые композиции,
которые мы создали в силу того, что мы восстанавливали производство порошков. И
когда создали производство порошков, поняли, что на этом оборудовании можно
10
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
выпускать и металлопорошковые композиции. Но машину мы покупали тоже с открытой
архитектурой, с платформой. Вы же знаете, что машины продаются, очень жестко
привязанные к порошкам. И говорят, что вы только у нас покупайте.
Мы постарались выбрать в Германии машину, которая позволила нам всевозможные
формы, сплавы, порошки получать. И считаем, что она может быть основой для того,
чтобы сделать отечественную машину. Но в тех проектах, тут надо отметить работу
Минобрнауки, они собрали ряд важных проектов, которые будут реализовываться в виде
консорциума. Эти проекты будут поддержаны за счет своих средств Минобрнауки,
отчасти они предложили Минпромторгу поддержать за счет средств Минпромторга.
Там отдельно стоит и позиция по возможности совместного с китайцами создания
машины для аддитивных технологий. Вы знаете, что в Китае большое количество машин
выпускается не только с лазером, но и с плазмой.
Мы договорились с китайскими коллегами, что они готовы в рамках этого проекта
участвовать и создавать машину для аддитивных технологий, но это не исключает
возможность того, что если мы здесь организуем, Фонд перспективных исследований
надо поблагодарить за то, что он активно поддерживает это направление. Он готов
рассмотреть заявку, и если она будет удовлетворять фонд, профинансировать эту работу.
Сейчас фонд поддерживает очень интересный проект. Создание не просто одной детали,
а сделать небольшой двигатель газотурбинный, где большая часть наиболее
ответственных деталей будет сделана по аддитивным технологиям. Нужны конкретные
предложения не просто на бумаге, а показать, что в конечном итоге будет получено.
Как сегодня хорошо помощник президента по науке Фурсенко сформулировал: нужно не
только заявить, но и сказать, что в конце будет. Взяв на себя ответственность, мы должны
выполнить работу, и представить не отчет, а соответствующую действующую машину,
порошок со всеми характеристиками, деталь и тому подобное.
Чесноков: Чесноков, завкафедрой нано-, системо-, оптотехники, СГУГИ. Вопрос по
порошкам. Насколько мне известно, 30-35 лет назад порошки получали из пиролиза
металлоорганических соединений в паровой фазе. Хорошо известны работы Сыркина,
например. А почему сейчас вы это направление не развиваете?
[00:35:19]
Ольга Оспенникова: Для аддитивных технологий есть своя специфика получения
порошков, и к ним предъявляются очень серьезные требования. И один из методов,
который является оптимальным, который позволяет обеспечить высокую чистоту
материала, идеальную сферичность гранул именно в интервале от 10 до 40 микрон,
11
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
которые применяются в аддитивных технологиях, это именно газовая атомизация. Мы это
проверили, показали экспериментально.
Тот метод, о котором вы говорили, не дает возможности получать идеально сферические
частицы и в четко определенном диапазоне гранулометрического состава, это 10-40
микрон.
Евгений Кабалов: Самое важно, что стабильности химического состава в порошинках,
которые по технологии, о которой вы говорили, добиться очень сложно. На западе
использовали этот метод, но потом отказались и полностью перешли на метод
атомизации, почти 90 % порошков, которые используются для металлических аддитивных
технологий, они делаются методом атомизации. Существуют различные методы.
Вопрос: Может, немного предвосхищу вопрос, который будет впоследствии обсуждаться,
он чисто регионального плана. Скажите, в какой мере в Новосибирской области развиты
аддитивные технологии? Ранее у нас ряд предприятий заявляли о том, что возможно
создание даже определенного кластера.
Евгений Кабалов: Я думаю, скажут об этом. Хотел бы предоставить слово для
выступления заместителю генерального директора Фонда перспективных исследований
Панфилову Александру. Поблагодарил бы, пользуясь случаем. Фонд очень внимательно и
активно поддерживает это направление. Вы сами чувствуете, что большое количество
проектов проходит через этот фонд, хотя пройти через этот фонд очень сложно.
Александр Панфилов: Добрый день. Тема моего выступления – поддержка направления
аддитивных технологий в рамках проекта Фонда перспективных исследований.
Современное высокотехнологическое производство переживает эпоху перемен,
сравнимую с изобретением (нрзб.) [00:38:19] Новые материалы, новые инструменты,
новые методы производства способствуют появлению узкоспециализированных, менее
крупных, чем традиционные, но более гибких производств.
Решение о создании Фонда перспективных исследований обусловлено потребностью
обеспечения успешного проведения прорывных исследований и разработок в интересах
обороны страны и безопасности государства, связанных с высокой степенью риска,
достижение качественно новых результатов военно-технической, технологической и
социально-экономической сферы. В том числе в интересах модернизации вооруженных
сил РФ, разработки и создания инновационных технологий, производства
высокотехнологической продукции военного, специального и двойного назначения.
Основные задачи фонда изложены на данном плакате. Это определение прорывных
направлений научных исследований и разработок, поиск и формирование научнотехнических проектов и программ исследований, реализация разработанных ключевых
12
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
технических решений, инновационных технологий. А также консолидация финансовых,
научно-технических, технологических и производственных ресурсов, о чем сегодня много
говорили. Евгений Николаевич подчеркнул, что научный и финансовый ресурс выделяется
очень большой, но они размазаны по всем предприятиям, а результат, что у всех вроде
всё есть, а на самом деле ничего нет.
В условиях мирового экономического кризиса и вызванного им существенного изменения
глобального
финансово-политического
ландшафта,
чтобы
не
утерять
конкурентоспособность в рынке, необходим промышленный прорыв и выход в новый
шестой технологический уклад, базирующийся на передовых открытиях в области
биотехнологий, нанотехнологий и информационных систем. Эти технологии будут скоро
диктовать не только социально-экономическую, но и политическую повестку дня на
планете. Россия не должна оставаться в стороне от этих процессов, ведь резкое смещение
военно-стратегического баланса в связи с появлением и внедрением новых технологий
может оказаться для нас неприемлемым.
[00:40:33]
Мы должны не только уметь прогнозировать направления возможных технологических
прорывов, но и обладать эффективными средствами для парирования связанных с этим
угроз.
Ключевыми инструментами нового технологического уклада призваны стать технологии
цифрового производства.
Шестой технологический уклад характеризуется стремительным ростом технологических
решений, связанных с производством от проектирования, до выпуска качественно новых
изделий в кратчайшие сроки с минимальными финансовыми и научными затратами. И
также экономия материалов, которые в этих направлениях…
Беспилотные летательные аппараты, ракетное вооружение, интеллектуальное оружие,
робототехника, перспективная экипировка, самособирающиеся микроспутники – это
только краткий перечень возможного применения цифровых технологий.
В современных условиях критически важно то, что применение цифровых технологий в
изготовлении вооружения и гражданской техники позволит серьезно снизить временные
и стоимостные затраты на проектирование производства как существующих, так и
принципиально новых образцов, а также кардинально изменить логистику складских
запасов. А в условиях чрезвычайно ситуации и ведения боевых действий позволит
обеспечить оперативный ремонт техники в непосредственной близости к очагам и
театрам военных действий.
13
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Цифровое производство охватывает все области разработки и производства, начиная от
проектирования, и заканчивая получением функционального завершенного изделия.
Критически важным инструментом для реализации технических и технологических
достижений в рамках цифрового производства являются инновационные методы
производства, а именно аддитивные технологии, которые состоят из новых средств
производства, новых подходов к проектированию на этапе разработки изделий и новых
материалов.
На этом слайде мы постарались изложить этапы и пути, которые необходимо пройти,
чтобы внедрить данные технологии.
На данном плакате продемонстрировано современное состояние аддитивных технологий
в мире. Рост рынка промышленных установок для аддитивных технологий особенно
заметен на протяжении последних пяти лет. Наблюдается планомерное снижение
стоимости данного оборудования. Это всё идет из-за возрастающей экономической
привлекательности данных технологий, и будет иметь место еще более активный процесс
развития и распространения в будущем, охваты все более новых сфер производственных
процессов.
Из представленных данных видно, что ведущую роль в развития аддитивных технологий
принадлежит США, 38 % от всех современных аддитивных технологий, которые
применяются в мире. Россия занимает (нрзб.) [00:44:01]
Чтобы ускорить и интенсифицировать внедрение цифровых производств, по нашему
мнению, необходима разработка новых возможностей смены технических и
технологических парадигм в области практической реализации аддитивной технологии,
проведение комплексных исследований в области создания материалов и технологий, и
оборудования для аддитивных технологий, и всесторонняя поддержка прорывных
разработок с потенциально высоким результатом в данной проблемной области.
Аддитивные технологии являются на данный момент одним из самых динамично
развивающихся направлений цифрового производства. В сравнении с традиционным
производством они позволяют на порядок ускорить практическую реализацию работ и
решение задач в подготовке производств, а в ряде случаев уже активно применяется для
изготовления готовой продукции.
[00:45:11]
Как Евгений Николаевич говорил о том, что на сегодняшний день ВИАМ впервые в России
создал такие технологии, которые позволяют делать готовые детали, которые на
современном этапе используются в летающих лабораториях. Думаю, благодаря таким
смелым инновационным направлениям и решениям мы должны вырваться вперед.
14
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Отличительная особенность аддитивных технологий заключается в том, что изделия
создаются методом добавления, наращивания материалов до необходимой формы.
Технология аддитивного производства позволяет сократить традиционную многоэтапную
технологическую цепочку до двух шагов: получение материала для производства,
изготовление детали из его 3D-модели.
Это приведет к индивидуализации производства, снижению материалоемких
энергетических затрат, получению новых материалов, повышению экономической
эффективности.
Однако перспективы в настоящее время трудно реализуемы по причине слабого развития
производственной и научно-технической базы в данной проблемной области. Это видно
из представленных данных. Мы постарались изложить те проблемы и задачи, которые
стоят перед разработчиками аддитивных технологий, чтобы можно было это внедрять в
конкретное производство.
В данный момент нет четких критериев подбора технологических параметров процесса и
выбора исходных материалов. На практике зачастую приходится подбирать конкретные
технологические параметры и материалы. Адаптация новых материалов, полуфабрикатов,
используемых на существующих установках, является достаточно длительным процессом.
Требуется углубление научно-технических представлений о физико-химических процессах
при реализации аддитивных технологий.
Необходимо привлечение методов математического моделирования для ускорения
будущих научно-исследовательских работ.
Практическая реализация аддитивных технологий требует комплексного решения. С этой
целью фондом сформулированы и реализуются несколько направлений в части
содействия практической реализации аддитивных технологий на территории РФ, а
именно разработка отечественной автоматизированной системы, разработка широкого
спектра инновационных высокопроизводительных установок аддитивных производств,
создание обширной номенклатуры исходных материалов, полуфабрикатов для
практической реализации аддитивных технологий.
В рамках обозначенных направлений предлагается создать обширную номенклатуру
используемых материалов, полуфабрикатов, и на данном слайде представлено
направление деятельности фонда по развитию аддитивных технологий. Мы видим это
следующим образом: создание обширной номенклатуры исходных материалов и
полуфабрикатов с прорывным комплексом для практической реализации аддитивных
технологий.
Здесь отмечалось, что это важнейшая проблема в создании как таковых производств
вообще. Новые материалы, к ним применяются жесткие требования как по
15
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
гранулометрическому составу, физико-химическому составу, и естественно, всё это влияет
на изготовление конечной продукции.
Также разработка широкого спектра инновационных установок для аддитивных
производств. Создание гибких и универсальных машин для работы с материалами, под
каждые материалы приходится разрабатывать свою машину со своими технологическими
параметрами, и так далее.
[00:50:00]
Также отдельная проблема – разработка отечественной автоматизированной системы.
Применение передовых компьютерных технологий мирового уровня обеспечит снижение
сроков создания и развитие интеллектуально-технического уровня. Спасибо за внимание.
Евгений Кабалов: Это всё делается на импортном. Нам нужно добиться, чтобы мы были
самодостаточны. Предоставляю слово директору Института химии твердого тела и
механохимии Сибирского отделения РАН академику Николаю Ляхову.
Николай Ляхов: Добрый день всем участникам. С моей точки зрения, эпохальное событие
на данном форуме. Трудно придумать сегодня более актуальную тему, чем которую мы
сегодня обсуждаем.
На самом деле мы дорабатываем проект для Фонда перспективных исследований, о чем
шла сейчас речь, например, с таким названием. Здесь есть всё, включая цель. Главная
задача, которую мы преследуем – мы исходим из непреложной точки зрения, что если мы
хотим быть конкурентными в мире в аддитивных технологиях, у нас должно быть всё своё
от начала до конца, и машина в том числе.
В проекте, который мы готовим, четыре блока. По первым двум Юрий Васильевич Чугуй
выступит. Моя задача – осветить проблему с порошковыми технологиями.
То, что рассказала Ольга Геннадьевна, конечно, мы это всё знаем, и методы атомизации и
слитков металлов, слитков готовых сплавов. Они в Новосибирске имеются, на нашем
стенде кластера машиностроительного на первом этаже представлены. Этого касаться не
буду.
Этой классической схеме можно было бы противопоставить более прогрессивную. Если
взять какой-то прекурсор, необязательно металлический, то в результате определенной
реакции разложения металла можно получить порошок, металл, оксид. Мы – Институт
механохимии, как вы понимаете, можем приложить какие-то механохимические усилия,
чтобы ускорить или модифицировать эти порошки.
Хочу обратить внимание, уже давным-давно мы могли убедиться, насколько это
эффективно. Хорошо известные ВК-сплавы, победит, он готовится – вольфрам с углеродом
16
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
при огромной температуре спекается, потом на измельчение, потом добавляется
кобольд, на формование и спекание.
Мы реализовали простую схему: сложили всё в механохимический активатор, сразу на
формование и на спекание, которое одновременно являлось и химической реакцией, и
получили фактически то же самое изделие с теми же свойствами. Таких примеров
довольно много, и они являются в какой-то мере заманчивыми.
У нас есть хорошие мельницы. Одну в рабочем состоянии можно посмотреть на стенде,
который я упоминал. Они позволяют работать с порошками и керамики, металлов. При
механохимии, механической активации, что здесь происходит условно показано. Если
просто измельчать одну фазу, то она измельчается до какого-то режима, а потом начинает
агрегироваться. Если добавить вторую, то можно получить агрегаты, комплексы и так
далее, то есть те самые композиты, о которых говорил Евгений Николаевич. Осталось
только понять, можно ли их использовать в аддитивных технологиях.
[00:55:41]
Показываю нанокерамику, которая получена из корунда, это разлом, масштаб там стоит.
Получена она из нанопорошка, который в свою очередь приготовлен измельчением
обычного товарного корунда. Я хочу показать, что при активации меняется и реакционная
способность. Тот корунд, который обычно спекается при 1600 градусов как минимум,
здесь кривая усадки, усадка начинается уже с 800 градусов Цельсия. И 1250 градусов
достаточно, чтобы получить плотную керамику.
Поскольку у нас всегда в аддитивных технологиях сфокусирован луч лазера или
электронный пучок взаимодействует с веществом, то такой выигрыш в температуре
является крайне желательным.
Более того, при измельчении образуются агрегаты, они имеют хорошую сферическую
форму. Порошок обладает исключительной сыпучестью и дает огромную плотность
кремень body [00:57:00], керамика на фотографии сама за себя говорит, что это
действительно можно использовать в аддитивных технологиях для печати керамических
изделий.
Спрашивается, можно ли то же самое попытаться сделать для металлов? В металлах есть
много составов, которые интересуют ведомство Евгения Николаевича: никель, алюминий,
алюминий-титан. Если их в соответствии со схемой обработать вместе, получаются такие
композиты. Они большие, сотня микрон и более могут получиться. Но никель в них уже
диспергирован до 50 нм в алюминии, и результат очень интересный.
Здесь показана температура поджига этой системы. Эта эсурэсная,
[00:57:57]
поддерживается… Вы видите, что температура прожига может быть ниже 700, почти 100
17
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
градусов, до температуры менее 200. Фактически спичкой можно поджечь. С точки
зрения воздействия излучения это тоже очень выгодный процесс.
На входе, до того как подожгли, эта система по химическому составу ничем не отличается
от той, которая написана. Никакие реакции активации не прошли.
Очень завлекательная система 3-титан-алюминий, здесь тоже температуру поджига
можно снизить до менее чем 300 градусов. И естественно, всё это можно использовать
для получения готовых порошков.
Можно пойти и другим путем, используя избыточность… Формы здесь неуклюжие, можно
не беспокоиться. Есть способы кондиционирования, плазменная обработка или
механическая обработка. Из титановой губки можно получать сферы сразу.
Просто при нагреве с определенной скоростью таких смесей, предварительно
подготовленных, возникает тепловой взрыв, при 300 секундах возникает, и в результате
теплового взрыва… Вот титан-алюминий, он себя ведет таким же образом. Показано при
излучении, что с ним происходит. В конце концов, это можно делать в очень простом
реакторе, тепловой взрыв. В зависимости от времени предварительной активации мы
видим, что при 7 минутах механическая активация получается абсолютно монофазной, Ti
3 Al, это одна из наиболее желательных сегодня, причем beta Ti 3 Al, которую можно
получать количественно, одно из самых интересных соединений и перспективное для
авиакосмической промышленности.
[01:00:17]
Можно совсем немножко добавить к железу, например, оксид железа и цирконий, они
прореагируют, дадут ZrO2 и (нрзб.) [01:00:28] выделится на границах зерен железа. Это
приведет к модифицированию.
Мы вообще сегодня в аддитивных технологиях пытаемся воспроизвести все свойства
(нрзб.) [01:00:38] материала, по возможности не отходя, но более быстрым темпом. Но
при этом удовлетворении мы захотим модифицировать то, что строим, слой за слоем
добавлять какие-то компоненты и так далее. В этом случае нам нужна не только гибкая
машина с открытым кодом, но очень гибкое порошковое производство, которое бы
позволяло реагировать мгновенно на запросы и неудачи, которые возникают в этой
машине.
С порошками много сложностей. Сыпучесть уже упоминалась Ольгой Геннадьевной.
Обращение с порошками – это более общая вещь, и она связана с тем, отвечая на ваш
вопрос, почему нельзя мелкие порошки? Потому что терраформят. Это главное
препятствие.
18
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Конечно, можно хранить какое-то время (нрзб.) [01:01:35] но нужно перенести из одного
реактора в другой, и так далее.
Нам удалось найти способ, при котором нанопорошки от меди, никеля, сильвервисмута,
насколько красивые порошки монодисперсные, получать наноразмером или
субмикроразамерные
варианты,
совершенно
избегая
терраформости.
Они
заизолированы таким образом, что позволяют с ними обращаться на воздухе. И на этом
фоне сделали чернила из наносеребра. И в (нрзб.) [01:02:23] технологии (нрзб.) [01:02:25]
опробованная, вы видите, как выглядит слой серебра в этом сообщении после того, как из
него вся органика удалена.
Я точно знаю, прочитал сейчас, что РНФ поддержал проект Института общей физики в
Москве, в котором 3D-технология заменена по существу этим процессом, где печатание
струйной печатью сопровождается последующим движением лазера, который всё
проплавляет и делает компактным, слой за слоем. Говорят, в пять раз быстрее может
получить, чем сейчас. Спасибо за внимание.
Евгений Кабалов: Хотел бы отметить, что тема спекания различными способами
керамических порошковых материалов – это очень актуальная тема. Но важно получить в
материале свойства термоциклирования, которые позволят этот материал, эту деталь
использовать в конструкции.
Мы же хотим непосредственно перейти к производству тех деталей, которые
традиционными методами невозможно сделать. Почему "Авиадвигатель" к нам
обратился? Потому что у этих завихрителей очень сложная геометрия, а нужен сплав с
высоким сопротивлением окисляемости. У нас сплав высокохромистый, но он очень
плохо литьем перерабатывается. И только благодаря аддитивным технологиям, мы
смогли сделать отличный материал, деталь по другой технологии.
Фактически аддитивные технологии – это технологии, которые должны позволить из
таких материалов, которые традиционными методами не обрабатываются, изготовить ту
деталь, которую нужно. Понятно, я бы тоже хотел, чтобы мы понимали, что мы все
побежим в аддитивные технологии и больше ничего не делаем. Это неправильно. Мы
должны применять там, где это должно быть. И важно определить с конструкторами, с
материаловедами, технологами, какие детали мы должны делать по аддитивным
технологиям.
Понятно, для газотурбинного двигателестроения, где очень сложные каналы, точные
требования по размеру, по стабильности этих геометрических параметров, что
традиционными методами очень сложно, с большими трудозатратами. Есть блоки по
управлению, нужно идеально делать отверстия нужного диаметра на нужную длину,
чтобы соответствующее изделие выходило оттуда, откуда должно выходить. Но бывает,
что это очень долго делается, месяцами. Этот процесс позволяет всё очень быстро
19
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
сделать. Это же принципиально другая технология. Мы должны понимать, что
аддитивные технологии – это дверь в другой мир, в другую промышленность, другую
экономику. Мы не должны проспать, как мы проспали генетику, кибернетику и всё
остальное. Если мы здесь не будем этим заниматься, не создадим у себя
соответствующие условия – никто нам не продаст.
[01:05:56]
Вот пытаются купить порошки, но им продают те порошки, которые имеют определенное
ограничение по температуре применения. Делается отличная деталь, но когда её
поставишь на нужную температуру, начинают… Говорят – возьмите другой порошок,
допустим, Энканель-718 [01:06:14] Его взяли, но он не может обеспечить нужную
жаростойкость. Никогда нам то, что нам нужно, не продадут. Нас почему-то не любят.
Кажется, что мы всем много плохого сделали. Но мы никому плохого не делали. Но вы
понимаете, что создавать условия для появления конкурента никто не будет. Они лучше
возьмут у нас эти знания. И вместе с тем, понимая, что у нас есть потенциал, они всё
делают для того, чтобы мы не имели возможности даже приобщиться. Это даже смешно,
что ввели ограничения на поставку оборудования, которое не имеет никакого отношения
к обороне или другим целям. Потому что они понимают, что мы, используя это
оборудование, можем создать то, что они пока не могут создать.
И в этой ситуации, в этой технологии нам нужно самим всё создавать. Нужно это сделать.
Только каждый должен понимать и отвечать за это. Если берется – давай.
Я бы хотел, чтобы мы говорили о том, что вот сибирское отделение или сибирские
институты готовы отвечать за эту проблему, они комплексно её берут и решают. Чтобы мы
могли эти предложения формулировать. Если вы готовы взять машину делать, понятно,
машины разные бывают. Китайцы просто сделали: взяли нашу установку, которую НИАТ
спроектировал, ВИАМ отрабатывал технологии для электронно-лучевой сварки. Её
переделали, поставили пятикоординатную головку, другую электронную пушку, и
спокойно теперь, используя это оборудование, делают кронштейны по 100 кг и больше,
традиционным методом их раньше делали месяцами, сейчас за две недели делают. Была
технология изготовления кронштейна.
Нам нужно просто посмотреть и сказать, что эти вопросы мы берем и решаем. Мы
вписываем в дорожную карту и будем выходить, просить, чтобы под эти проекты были
выделены ресурсы.
Я бы хотел предоставить слово Анатолию Митрофановичу Оришичу, заместителю
директора Института теоретической и прикладной механики им. Христиановича.
Анатолий Оришич: Я расскажу от имени моих соавторов некоторые наши подходы по
теме, которую мы сегодня обсуждаем. (нрзб.) [01:08:58] Наиболее прорывным, важным,
20
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
которая определила лицо этой технологии, является достижение (нрзб.) [01:09:12]
техники, которая позволяет построить трехмерные картины и очень сложные программы
управления комплексами.
Но аддитивные технологии, как нам кажется, появились не на пустом месте. Они
опираются на мощный научный потенциал, который был наработан за все предыдущие
годы. Конечно, я не смогу рассказать о тех достижениях, которых очень много. Даже наш
институт, здесь показаны направления, по которым велись работы в нашем институте.
Остановлюсь только на одном конкретном достижении, в конкретной области, в которой
мы активно работали, связанной с созданием наплавок, как мы их раньше называли, с
минимальным абразивным износом.
[01:10:06]
Проблемы, которые возникают в области аддитивных технологий, о них много здесь
говорили, останавливаться не буду, просто обращу внимание, что возникает проблема
поверхности любого наплавленного материала. Возникает проблема структуры. Вы
видите здесь капли, которые на очень тонкой идеальной перегородке появляются. С ними
тоже надо решать. Там проблемы поверхностного натяжения и прочее.
Всё-таки сегодня я буду останавливаться на той задаче, которую мы решали, а именно
использование методов управления структура, даже микроструктуры наплавленного
материала, для получения нужных нам механических свойств.
Первый пример, первый слой наплавленного материала, это использовался порошок
размером около 70 микрон на основе никеля.
Сразу понятно, что здесь возникает крупная дендридная структура, которая обладает
недостаточными механическими свойствами для решения тех задач, которые нам
предстояли, и которые я в конце покажу.
Поэтому мы исследовали возможность наплавки такой же никелевой основы, но добавив
туда керамические частицы карбида вольфрама. Круглые керамические частицы. Другой
пример этих же частиц в разных стадиях их наплавки. Как показал опыт, для получения
поверхности с минимальным абразивным износом, это направление является очень
перспективным, интересным, и конечно, его надо учитывать, когда мы будем решать
конкретные задачи по созданию конкретного оборудования методами аддитивных
технологий.
Евгений Кабалов: Вы проводили исследования, оценивали воздействие лазера на
поверхность?
Анатолий Оришич: На нанесение покрытия.
21
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Евгений Кабалов: Вы очень важный вопрос затронули, что нам еще много вместе или
отдельно надо исследовать структуры материала, который получился. Чтобы понятно. Я
не знаю, как все понимают, у меня мысль потерялась. Вот мы с вами берем сплав,
допустим, 648-ой. 40 микрон диаметр порошка. Пятно лазера составляет 200 микрон.
Получается, в пятне находится 4 порошинки. Мы должны за один проход его расплавить и
получить однородную металлическую структуру (она быстро кристаллизуется) с
абсолютно другой структурой, никакие не дендриды, там высокие скорости
кристаллизации.
Но в зависимости от того, как вы лазером водите, с какой скоростью и какой мощностью, у
вас могут и поры возникать, и трещины. Вопросы получения по аддитивной технологии
детали из металлического порошка – это совсем другая тема, чем из неметаллического.
Те температуры и различия в массе, габаритах в деталях приводят к тому, что возникают
большие термические напряжения, и их надо каким-то образом снять. Нужно выстроить
систему отвода тепла. У нас первые детали все были косые и кривые, они сразу не
получились. Даже образец мы не могли получить для того, чтобы разорвать, потому что
его гнуло так, что потом разогнуть нельзя было.
Вопрос воздействия и оценка. Вы говорите, что это можно использовать при конкретной
машине. Но для того, чтобы говорить о конструировании какой-то конкретной машины,
нужно понять, какие основные параметры лазерного сканирования, какая скорость, какое
расстояние между треками. Трек должен наезжать один на другой? Постоянная
штриховка или она местами должна вестись? Эти темы крайне важны. И если бы вы эти
исследования проводили, они бы для нас, для материаловедов, дали бы большие
возможности в плане выработки технологии.
Я бы хотел, чтобы вы не обижались. Мы сегодня собрались по очень важной теме. И
конечно, участие сибирского отделения РАН, вашего института, который много работает с
лазером… Но давайте мы тогда сосредоточимся на том, что нужно материаловеду. Вы
говорите о нанесении покрытия, но это совсем другая технология, которая используется
при создании защиты детали от соответствующих воздействий температуры. А мы
говорим о том, что мы должны сконструировать материал и сделать деталь. И здесь
подходы другие нужны. Если можно…
[01:15:43]
Анатолий Оришич: Вы абсолютно правы, и в конце я вам покажу деталь, которая была
сконструирована на основе этой технологии, только она лежит несколько в другой
плоскости. Речь шла о создании режущего инструмента, и он именно получен методами
фактически теми, о которых мы говорим, то есть методами послойного наращивания
порошка для получения заданной детали.
Евгений Кабалов: Мы говорим о наплавке?
22
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Анатолий Оришич: Да. О наращивании на какой-то исходный материал, но наращивания
слоя с помощью лазерно-порошкового послойного увеличения поверхности, и получения
нужной нам структуры нужного размера, формы. Фактически я хочу сказать и
подчеркнуть, что реально с нашей точки зрения это является именно той самой
аддитивной технологией. Единственное её отличие состоит в том, что она опиралась на
основу, имеющую какую-то деталь, и фактически выращена новая конструкция на базе
некоторой основы.
Можно, конечно, убрать эту основу и начинать выращивать всё с нуля. Это может быть не
всегда эффективно и производительно.
Евгений Кабалов: Мы с "Авиадвигателем" начали от ремонта. Надо сказать, что вы
предлагаете ремонт, это актуально. Восстановление соответствующих кромок лопатки,
допустим. И дальше мы создаем то, что характерно для материала основы и получаем это
на входной кромке.
Анатолий Оришич: Да. В частности эта технология может быть использована и в
ремонтных работах, вы абсолютно правы. Но не только, и в создании новых деталей, но
использующих в качестве основы готовую деталь.
Для получения детали, обладающей минимальным абразивным износом, я о ней уже
сказал. В этом направлении нам было интересно понять, можно ли создавать новую
технологию на базе спекания порошка ВК. В данной ситуации мы проверяли
возможность… Буду употреблять термин "наплавка". Наплавка порошка ВК-6 на
поверхность порошка ВК-20.
Оказалось, что в этой ситуации действительно удается получить новую структуру
материала, появляются новые химические композиции, они здесь указаны. Здесь
показаны новые композиционные структуры.
Кроме этого, естественно, исследовать наплавку порошка на основе железа. В нашем
случае мы исследовали структуры типа Р6М5. И оказалось, что при однослойной наплавке
железного порошка возникает очень плохая дендридная структура. Однако, к счастью,
здесь появилась очень хорошая возможность, что при наплавке очень толстых слоёв
очень важно понимать, что верхний слой всегда будет плохим. Да, надо искать решение,
по которому нужно будет убрать. Но внутренние слои наплавленного порошка,
оказывается, обладают очень хорошей структурой за счет оптимизации, о чем у нас тут
была дискуссия.
[01:20:36]
То есть, оптимизируя ход лазерного луча, оптимизируя мощность, размер фокуса, вы
можете прогревать, не только наплавляя верхний слой, но еще и нормализуя ситуацию во
23
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
внутренних слоях. И таким образом получая очень хорошую структуру, которая
наблюдается после ковки.
В этом слайде обобщены данные по наплавке различных материалов с точки зрения
механических испытаний, а именно абразивного износа. И мы видим, что к сожалению
или к счастью, именно никелевый сплав вместе с керамикой обладает в пять раз лучшими
характеристиками, то есть минимальным абразивным износом. И где-то даже в три раза
эти характеристики лучше, чем у быстрорежущей стали, то есть у обычного железного
наплавленного слоя.
Все эти исследования позволяют оптимизировать структуру наплавленного строя. Вы
можете получать заданные, нужные вам характеристики, а значит и нужные вам
механические характеристики наплавленной поверхности.
На самом деле проблема управления микроструктурой многоплановая. Можно управлять
этим, как я говорил, оптимизацией термических циклов. Еще один вариант, который мы
исследовали, возможность управления микроструктурой способом добавки туда, на
сплав, нанопорошков. Оптимизируя их состав, обычно пользовались керамикой, только
уже нанокерамикой. Оптимизируя состав и специально активизируя поверхность этих
наночастиц, удается очень существенно измельчить структуру и в разы улучшить
механические характеристики.
Например, это удается очень красиво сделать на базе порошка титана, то есть наплавка
порошка титана с использованием наночастиц резко улучшает его характеристики.
Скажем, работа с алюминием, там нанопорошки оказались малоэффективными, там
перспективным оказалось механическое воздействие, то есть деформация, в том числе со
сплавами, которые создаются в ВИАМ, то есть 24, 69. Там удается получить прочность,
сравнимую с прочностью основного материала другими способами. В каждом
конкретном случае уже существует сегодня очень много наработок, которые можно
использовать в том числе и в создании в чистом виде деталей, о которым сегодня очень
много шла речь. Спасибо за внимание.
Евгений Кабалов: Спасибо. Еще раз хотел бы подчеркнуть очень интересные результаты
исследований, которые при соответствующем подходе можно реализовать уже
непосредственно уже в производстве при создании и выпуске определенных деталей и
конструкций.
Я хотел бы остановиться и попросить Александра Аксенова, заместителя главного
инженера по аддитивным технологиям на "Авиадвигателе", спросить о том, как в
реальном производстве контролируются, изготавливаются детали, и какие требования
предъявляют соответствующие службы приемки по качеству к тем деталям, которые
делают по этим аддитивным технологиям? Абсолютно правильно, они не весь двигатель
24
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
решили сделать по аддитивным технологиям. Они отобрали те детали, которые по их
мнению наиболее подходящие, и здесь будет выигрыш и в весе, и в трудоемкости при
изготовлении двигателя ПД-14 [01:24:50] Пожалуйста.
Александр Аксенов: Спасибо за предоставленное слово. Я хотел бы рассказать, как
реально мы у себя в компании принимаем аддитивные технологии, и какие проблемы
сдерживают внедрение в стране и в нашей компании.
[01:25:24]
Из всего многообразия аддитивных технологий, как мы считаем, у нас внедрены три
технологии. Это СЛС, ЛНД и СЛМ технологии. СЛС технологии – это мы изготавливаем
модели для литья, ЛНД – это ремонтные технологии, восстановление оснастки, каких-то
лопаток, дефектов и тому подобное. И СЛМ технологии, чем мы сейчас занимаемся
совместно с ВИАМ, это получение прямых деталей с помощью лазера.
Маленькая история. Мы данной технологией занимаемся с 2004 года. В 2010 году мы у
себя полностью внедрили технологию СЛС, позже ЛНД, СЛМ. С 2014 год мы участвуем в
ФЦП, являемся головным исполнителем данной программы, где проводят работу по
исследованиям материалов. Ниже приведены четыре сплава, которыми мы занимаемся
совместно. Это нитриды ВК на АВР, [01:27:03] два лопаточных сплава Ж13Ж6К [01:27:03] и
новый сплав, это больше для (нрзб.) [01:27:08] литья, это ВЖ-159 [01:27:13]
Хотелось бы рассказать про первую технологию СЛС, как мы у себя её внедрили, назвать
цифры. У нас была традиционная технология литья по выплавляемой модели. Мы её
модернизировали, и у нас получилось литье по выжигаемой модели. Мы вместе
выплавляемых моделей стали выращивать детали, они выжигаются. Из всего
многообразия технологий мы для себя выбрали материал праймкаст, импортный,
отечественные только начинаем, в авиации их практически нет. И хотелось бы
поблагодарить фирму "АБ Универсал", которая помогла нам поставить эту технологию,
фирму (нрзб.) [01:28:21] когда мы этим занимались, у нас были хорошие и перспективные
дружеские отношения, но сейчас пока это всё приостановилось.
Вот традиционная технология литья по выплавляемой модели. У нас есть чертеж отливки,
мы делаем восковую модель, проектируем оснастку, делаем управляющую программу
(нрзб.) [01:28:50] эту модельку, получаем (нрзб.) [01:28:52] проверяем её, если она
годная, то дальше по процессу литья, если негодная, то дорабатываем оснастку. И дальше
процесс нанесения формового покрытия, заливка, отвеска, наведение операций…
Вы видите в розовом квадратике, мы полностью ушли от проектирования оснастки,
проектирования управляющих программ. Самое главное – от покупки дорогостоящего
инструмента для изготовления оснастки, и самого материала для изготовления оснастки.
25
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Получился новый процесс литья по выжигаемой модели. Есть капмодель, мы делаем
заготовки из полистирола. С помощью определенного ПО мы выращиваем эту деталь,
подготавливаем эту модель, и дальше традиционный процесс литья.
Первый вывод и преимущество данной технологии. Если раньше мы в получении чертежа
делали от 6 до 40 недель, то сейчас делаем за месяц. Плюс мы не делаем оснастку. Это
время и деньги, как видите.
[01:30:26]
У нас появилась возможность делать детали, для которых в своё время невозможно было
сделать оснастку. Второе – появилась возможность быстро отрабатывать технологию
изготовления литья. Мы можем (нрзб.) [01:30:45] сделать в деталях, запустить ПС6
[01:30:49] , потом выбрать диаметры, которые нам подходят. То же самое, что
"Авиадвигатель" (нрзб.) [01:30:52] бюро, которое занимается разработкой и доведением
до ума газотурбинных двигателей. То есть у нас продукт – не железо, как бы (нрзб.)
[01:31:03] Но в железе мы всё это испытываем у себя.
Маленькие выводы. В 2014 году мы запускали (нрзб.) [01:31:16] при традиционном
методе нам бы потребовалось 3-4 года. Сейчас мы говорим, что двигатель (нрзб.)
[01:31:25] пятого поколения гражданский станет на крыло в летающей лаборатории в
этом году. Если бы по старой технологии мы работали, мы бы сделали только
газогенератор, который (нрзб.) [01:31:41] он будет уже стоять.
Плюс с 2011 года (нрзб.) [01:31:56] Еще одна очень интересная технология МНД, это
ремонтная технология. В любом двигателе попадает песок, другие песчинки (нрзб.)
[01:32:56] под это дело приобрели установку, которая аддитивно может ремонтировать
детали (нрзб.) [01:33:10] на двигателе ПД-14 в компрессоре стоят моноколеса. Если
раньше можно было достать каждую лопатку, то сейчас цельное колесо, дорогостоящее,
выкидывать дорого, купили для ремонтной технологии и занимаемся. (нрзб.) [01:33:43]
разработки порошков для ремонтных технологий, там внутри состав чуть больше, чем для
аддитивных технологий. (нрзб.) [01:33:50] технологии порядка 60-100 мк
параметрический состав.
Приведены примеры, что мы ремонтировали. В (нрзб.) [01:34:04] естественно мы в лёт
такие детали не запустили, но на наземных установках уже год такие лопатки
отремонтированные отработаны, и замечаний по состоянию поверхности, по
разрушениям никаких нет. Пока положительно.
Самое интересное – это опыт внедрения. Как мы дошли до того, что у нас появились
первые детали двигателя. Тут обозначен схематично сам процесс. У нас нет чертежей
деталей, с 2004 года у нас уже всё было в 3D-моделях. Мы в цифре работаем можно
сказать с прошлого века, и сейчас очень охотно наш опыт перенимают ракетчики.
26
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Следующее, для чего можно применять аддитивные технологии, это оптимизация
конструкций. Приведена форсунка для примера, она состоит из порядка 5-6 деталей. При
аддитивных технологиях её можно получить за раз. Уходят операции пайки, сварки,
мехобработки и т.п.
У нас внедрена эта технология, но проблема в том, что мы можем работать только на
импортных порошках. Это одна из основных проблем нашего предприятия, почему мы
обратились в ВИАМ, что нам нужны отечественные порошки для авиационных
материалов, чтобы применить эти материалы не только для прототипирования,
двигателей и т.п.
Какие проблемы сдерживают внедрение аддитивных технологий в нашей стране? Многие
упоминали, что нет оборудования. Думаю, в ближайшие лет пять его не будет, такого,
которое нам могут предоставить иностранцы. Нам, как потребителям этого оборудования,
предприятию, нужна закрытая система, чтобы зная марку материала, мы составили
программу и точно (нрзб.) [01:42:23] Образование в этом плане, люди и тому подобное. И
самое главное – отсутствует нормативная документация, стандарты.
С чем мы сейчас столкнулись? Мы выходим на квалификацию материалов. Первый пункт,
что было в общей специальной презентации, это изготовление образцов согласно
нормативной документации, а у нас её нету. Мы не можем шагнуть вперед, чтобы
серийно делать детали по аддитивной технологии для авиации. Для наземных двигателей
проблем нет, там главный конструктор на себя взял решение и всё. Но авиационные
двигатели должны пройти сертификацию в международном отраслевом комитете, и если
нет отраслевых стандартов, то мы сертификацию не пройдем.
Евгений Кабалов: Спасибо. Хотел бы предоставить слово для выступления Юрию
Васильевичу Чугую, который расскажет, что мы всё-таки машину собираемся создавать в
Сибирском отделении РАН. Он как директор Конструкторского-технологического
института научного приборостроения поделится своими замыслами.
Юрий Чугуй: Две колонки, x, y, z, и сами головки вращающиеся. Координата х связана и
потом получается полтора. Отсюда 6,5.
Мы предполагаем, что один из вариантов – использовать лазер оптоволоконный. Он
изолирован, по оптоволокну он заводится, поэтому его здесь нет.
Один из вариантов предполагает 3D-контроль геометрии в процессе производства
изделия, если речь идет о высокоточных. Потому что производство не аппарата самого
изделия, здесь можно что-то подкорректировать, если это возможно.
Технические параметры ожидаемые. Говорят, что мечтать не вредно, но тем не менее, мы
попытались максимально использовать тот опыт, которым мы владеем. У нас накоплен
27
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
очень большой опыт по системам перемещения, по подвижкам в большом диапазоне с
очень большой точностью. Поэтому когда вы видите пространственной разрешение 1/100
микрона, то это не просто, это действительно всё достигнуто в наших системах.
Погрешность где-то 0,25 микрона.
Отличительные особенности какие? Высокая точность позиционирования. Поэтому синтез
прецезионных изделий в первую очередь.
[01:50:03]
Учет внешних условий. Температура может меняться и внутри, и вне, но не исключено, что
нужно производить синтез изделий в вакуумной камере, такой вариант мы тоже
рассматривали.
Повышенное быстродействие обеспечено за счет того, что у нас круговое сканирование,
работа в цилиндрической системе. У нас целый класс автоматико-систем разработан. И
очень важно, если мы говорим про (нрзб.) [01:50:26] вариант, технология – изменение
рабочего пятна в большом диапазоне. 1-20 микрон, при этом должно быть более
равномерное. Это обеспечивается с помощью дифракционных оптических элементов,
технологией мы владеем, используем это в своих разработках.
И наконец, высокоточный контроль. Здесь огромный опыт накоплен в таких системах
контроля.
Коль скоро нам предложили, я начал анализировать, почему нам предложили заняться
разработкой, изготовлением. Видимо, это обусловлено тем, что мы не обычный НИИ, а
КТИ, то есть у нас доля бюджетного финансирования очень маленькая, 20 %, в остальном
мы обречены на работу с заказчиком, зарабатываем. Очень большой опыт работы с
заказчиком.
И в целом у нас организован законченный цикл от оригинальных научно-технических
идей до создания пилотных образцов, запуска их в промышленную эксплуатацию и
сервисное обслуживание.
У нас с заказчиками большой опыт, сотни систем различных за 25 лет, вот список
заказчиков виден. Системы по своим характеристикам не имеют аналогов, либо находятся
на уровне лучших зарубежных образцов.
Здесь можно посмотреть вверху, это всё системы для контроля геометрии. Там тоже
подвижка, высокоточная, изделия атомной энергетики, тепловыделяющие сборки,
решетки, ТВЭЛы, здесь система контроля ТВЭЛ.
28
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Степень завершенности – это работает, это всё в промышленной эксплуатации многие
годы работает, и в 2013 году эта разработка и коллектив наш был удостоен
государственной премии Новосибирской области, есть такая.
Была сложнейшая задача, справа едет поезд, и система контроля геометрии колес на ходу
поезда. Реальная ситуация, система всепогодная. Кстати, 80 % систем работают в России,
и 2014 году авторы разработки были удостоены премии правительства.
Применительно к нам, какие же заделы? Это лазерно-технологический комплекс, он для
резки, сварки и абляции. Ход три на три метра, 600 мм. Гранитная направляющая,
аэростатические подвижки, контроль с помощью интерферометра. Очень высокоточная
система. Операция абляции практически вычитающая. Мы говорим об аддитивной, а это
вычитающая технология, капилят [01:53:36] на какой-то поверхности 3D-слой, и надо
убирать очень быстро метод абляции короткие импульсы и формировать лазерный
профиль. Такая система работает многие годы в Китае, в Китайской каспийской
корпорации, и в Решетневской фирме.
Опыт создания таких систем и взаимодействия с веществом применительно к операции
абляции у нас накоплен.
Это 25-летний опыт создания подвижек, работающих в цилиндрической системе
координат. Это наш институт вместе с Автоматикой, разработка Автоматики, это синтез
фотошаблона. Вращается фотошаблон, с помощью лазера…
Евгений Кабалов: Ваш доклад замечательный, и просил бы вас дать предложения в
межведомственную группу по разработке. Мы должны какое-то совместное решение
предложить. Вы предложили замечательный проект, вы реально делаете оборудование.
На вашей базе можно предложить сделать кооперацию всех организаций по созданию
машины для аддитивных технологий. Это самое главное, дальше можете не показывать
свои слайды. Это должно найти отражение в решении, и мы тогда в Фонде
перспективных исследований, я в совете, в различных межведомственных рабочих
группах, тоже представитель присутствует, мы будем защищать и говорить, что вот, это
реально работающая организация. Вы нас убедили, очень замечательный доклад. Мы
поддержим.
Юрий Чугуй: Основное предложение – создать ФЦП…
Евгений Кабалов: Дайте в письменном виде предложение в организационный комитет,
чтобы мы всё это записали. Ваше предложение будет принято.
Вопрос: К сожалению, те вопросы по оборудованию, сертификации, этим в стране вместе
со станкопромом занимается Институт авиационных технологий, старший брат ВИАМ.
Институту 95 лет. Евгений Николаевич, а сколько вашему институту?
29
2.Аддитивные технологии, как наиболее
быстрого развития науки и технологий
перспективное направление
Евгений Кабалов: 82 года. Но у нас точно ведется отчет, а вы себе приписали какой-то
институт.
30