Напечатай мне 3D-барашка

«Эксперт-Урал»
10.02.2014
http://www.expert-ural.com/1-653-13507/
Напечатай мне 3D-барашка
Несколько веков обрабатывающая промышленность была верна заветам
Микеланджело — отсекала лишнее. Но в XXI столетии основополагающий принцип
может смениться на обратный — наращивай нужное. У Урала есть шанс встроиться
в новую технологическую волну.
Китоговому номеру 2013 года мы опубликовали результаты исследования перспективных
рынков для обрабатывающей промышленности на территории Большого Урала
(подробнее см. «Ешь, молись, люби», «Э-У» № 1 — 2 от 23.12.2013). Оно инициировано
свердловским Минпромом и подготовлено аналитическим центром «Эксперт-Урал»
совместно с Высшей школой экономики и менеджмента УрФУ и Санкт-Петербургским
филиалом НИУ ВШЭ.
В этом и предшествующих материалах (см. «Никакая волна не доходит до дна», «Э-У» №
32 от 12.08.2013; «Свободная касса», «Э-У» № 47 от 25.11.2013) мы достаточно полно
описали цель нашего исследования, его идеологию, методологию и информационную
базу. Если кратко, больших задач было две. Первая — разработать инструментарий
поиска ниш, привлечение инвесторов в которые способствовало бы активному развитию
региона. Вторая — обозначить круг перспективных секторов. Как видите, мы сделали
ставку на практику, а не теоретические выкладки.
В результате отбора мы остановились на 20 перспективных товарных группах.
Суммарный объем их потребления на Урале — около 7 млрд долларов в год. Ниши мы
условно разбили на две большие категории — традиционные, где спрос сформирован, и
инновационные, где он только нарождается. К первой отнесены, например, абразивные
материалы и инструменты, ЖБИ, корма для животных, полимерные пленки и трубы,
древесные плиты. Ко второй — аддитивные технологии, углеродные нанотрубки,
фотоника и сенсоры. Точно оценить социально-экономические эффекты от развития и
внедрения прорывных технологий пока не представляется возможным.
В течение 2014 года мы намерены подробно рассказать о каждой выбранной нами
рыночной нише. Начнем с прорывных направлений. Важность обращения к ним
объяснить легко: эффект от выхода в эти рынки распространяется на множество других
отраслей, что в конечном счете сказывается на конкурентоспособности национальной
экономики. Отбор перспективных технологий таким образом выходит за рамки простого
поиска ниш и превращается в возможность для инновационного развития индустрии.
Не пилите опилки
Для начала мы выбрали аддитивные технологии (АТ).
Если говорить просто, АТ используются для
формирования детали при помощи наращивания
материала, а не удаления его из заготовки. Примеры селективное лазерное плавление, газопламенное
напыление, формообразование распылением.
Использование аддитивных технологий позволяет изготавливать детали с
характеристиками, недоступными для других методов обработки (например, с
криволинейными отверстиями или внутренними пустотами). В настоящее время АТ
применяют практически во всех отраслях промышленности. Ключевые сферы - бытовая
электроника (21,8%), автомобилестроение (18,6%), медицина, в том числе стоматология
(16,4%).
Аддитивные технологии уже используются в серийном производстве. Например, для
изготовления силуминовых (из сплава алюминия и кремния) гильз цилиндров для
двигателей автомобилей Mercedes. Отказ от производства цельнометаллического листа в
пользу спекания порошковой массы при формировании каркасов ряда моделей Boeing
позволил компании перейти на принципиально новый уровень конкурентоспособности. И
это было предсказуемо. В сентябре 2012-го американцы Тимоти Хорн и Ола Харриссон
в отчете Overview of current additive manufacturing technologies and selected applications
писали (перевод не дословный): «Аэрокосмическая отрасль начинает использовать
аддитивные технологии все активнее. Прежде всего потому, что они позволяют
кардинально уменьшить buy-to-fly ratio (отношение массы материала, необходимой для
выпуска детали, к массе конечной детали, «полетевшей» на самолете). Для большинства
деталей, изготавливаемых традиционным способом, оно может достигать 20:1. При
использовании аддитивных технологий этот показатель стремится к единице».
АТ включает три внушительных сегмента. Первый — материалы (порошки, полимеры,
композиты). Второй — 3D-принтеры, использующие различные технологии: селективное
лазерное спекание, экструзию, ламинирование. Третий — инжиниринг (3Dмоделирование, прототипирование и т.д.). Мировой рынок аддитивных технологий, по
данным Wohlers Associates, с 2010-го по 2012-й прирастал в среднем на 27,4%, в итоге его
объем достиг 2,35 млрд долларов (45% — оборудование и материалы, 65% — оказание
сервисных услуг). Основной потребитель — США (там установлено 38% всех АТ-систем),
далее с почти четырехкратным отставанием идут Япония и Германия. Доля России в 2012м составляла всего 1,4%.
Крупнейшие игроки на глобальном рынке аддитивных технологий - американская 3D
Systems, британская Renishaw (Великобритания), немецкие EOS и Concept Laser, японская
Matsuura Group. Ведущие исследовательские центры — Fraunhofer Institute for Machine
Tools and Forming Technology IWU (Германия, годовой бюджет — 34 млн евро), Oak Ridge
National Laboratory (Теннесси, США, годовой бюджет — 1,46 млрд долларов) и America
Makes (бывший National Additive Manufacturing Innovation Institute, Огайо, США, открыт в
августе 2012-го, стартовый бюджет - 70 млн долларов).
Горячий пирожок
Перейдем к главному — к перспективности. В отчете
Wohlers Report 2013: Additive Manufacturing and 3d
Printing State Of the Industry указано, что к 2021 году
объем мирового рынка аддитивных технологий может
достичь 10,8 млрд долларов.
На Урале перспективы создания предприятий в сфере
аддитивных технологий мы оценивали на примере
Свердловской области. На наш взгляд, регион обладает
потенциалом и необходимыми компетенциями для
внедрения АТ в области материалов и инжиниринга.
Первый аргумент — наличие крупного рынка сбыта. Объем машиностроительной отрасли
(она является первоочередным получателем аддитивных технологий) на Среднем Урале
составляет 225 млрд рублей, это пятая часть всей обрабатывающей промышленности
региона. На некоторых свердловских предприятиях АТ уже находят применение (мы
говорим об Уральском электромеханическом заводе, Уралтрансмаше, ПО «Октябрь»).
Потенциальный спрос на аддитивные технологии могут формировать соседние
территории (объем машиностроительной отрасли Большого Урала — 523 млрд рублей,
доля в обрабатывающей промышленности — 16%).
Еще один крупный потребитель - металлургия (в Свердловской области доля горнометаллургической отрасли в объеме обрабатывающей промышленности — почти 60%, на
Урале — 31%).
Второй аргумент — наличие инфраструктуры. Например, в Свердловской области создан
Центр высоких технологий машиностроения. Планируется формирование регионального
инжинирингового центра «Лазерные и аддитивные технологии» (инициаторы —
правительство региона, УрФУ, завод им. Калинина и ОКБ «Новатор», предполагается, что
партнером по лазерным технологиям станет IPG Photonics).
Также к инфраструктурным проектам без сомнения можно отнести создание особой
экономической зоны «Титановая долина» и технопарка «Университетский» (получил
федеральное финансирование в 2013 году).
Третий аргумент — наличие предприятий, способных
производить порошки монометаллов и сплавов:
Кировградский завод твердых сплавов —
твердосплавные, Уралэлектромедь — медные,
ВСМПО-Ависма — титановые. По нашим данным, на
площадке «Титановой долины» компания «Квант»
планирует реализовать проект по созданию
производства металлических порошков
(преимущественно из сплавов титана) и изделий из
них методом аддитивных технологий.
Четвертый аргумент — научно-технический задел.
УрО РАН, отраслевые НИИ, Уральский федеральный
университет занимаются НИОКР в сфере аддитивных технологий, материалов,
математического и компьютерного моделирования.
Чтобы не быть голословными, мы проанализировали исследования УрФУ и Академии
наук и пришли к выводу, что, например, в области материалов они ведут
фундаментальные исследования по 12 направлениям, прикладные - по девяти. Роль
ведущего научного центра здесь исполняет Институт металлургии УрО РАН, который
получил уже 21 патент.
Судя по темам научных исследований, запросам промышленников и существующей
инфраструктуре, наибольшими перспективами для внедрения в Свердловской области
обладает метод лазерного спекания порошков.
Плавкая масса
Пока, однако, аддитивные технологии в основном используются для создания прототипов,
опытных образцов, форм для литья заготовок и мелкой серии. Характеристики
современных машин таковы, что позволяют «обогнать» традиционное производство в
этих сегментах по всем параметрам — длительности цикла от чертежа до изделия (или от
руды до изделия), трудоемкости, материалоемкости, энергоемкости, экологичности.
Но в промышленных масштабах 3D-принтеры пока изделия не выпускают. Для
прояснения ситуации обратимся к статье директора Центра технологий
«НАМИ» Вячеслава Довбыша, директора ФГУП «Внештехника» Павла Забеднова и
директора питерского НИИМашТех Михаила Зленко под названием «Аддитивные
технологии и изделия из металла». Авторы уже во введении дают достаточно полный
список проблем и рисков (публикуем с сокращениями):
— Металл всегда был заветной мечтой всех разработчиков аддитивных машин. [...] И это
понятно. Именно металлическая деталь — это "настоящий" товар, не просто модель, не
макет, не прототип в разной степени приближения к "боевому" изделию, это конечное
изделие с максимальной добавленной стоимостью. Это самое дорогое, самое "вкусное"
для производителя изделие, но и самое хлопотное... Вопросов много. Как обеспечить
построение детали именно из того материала, который нужен заказчику? Где его взять?
[...] Вам могут предложить аналоги, близкие по химсоставу. Но тогда придется
ввязываться в длительную процедуру согласования с заказчиком вопросов замены стали.
И чем закончится процедура неизвестно. В лучшем случае вам предложат (за ваш счет)
провести серию испытаний, подтверждающих возможность такой замены. Допустим, у
вас есть нужный порошок. Но заказчик вправе спросить: "А будет ли прочность вашей
детали сопоставимой с прочностью, получаемой традиционными методами?" Ответ "не
знаю" не пройдет, это не НИР, в котором допустимо практически все, а бизнес. Вам нужно
доказать, что "выращенная" деталь не только не хуже, а лучше традиционно
изготовленной (иначе зачем весь сыр-бор?). Или по крайней мере доказать, что ваша
деталь при аналогичных функциональных качествах дешевле, чем традиционно
изготовленная. Положим, прочность не самое главное. Допустим, что к детали
предъявляются требования герметичности, плотности структуры, что характерно,
например, для атомной индустрии, где водород и гелий - чрезвычайно текучие вещества.
[...] Послойный синтез предполагает проведение построения в среде инертного газа с
охлаждением каких-то зон, с местной усадкой металла, с захватом молекул азота или
аргона, со случайными "пропусками" в работе лазера, с дефектами, связанными с
неоднородностью порошка. Появление микропористости вполне возможно. Какова ее
степень? Критично это для вашего изделия или нет?
К этим проблемам, на наш взгляд, добавляется и вопрос цены. Средняя стоимость
системы аддитивного производства по итогам 2012 года установилась на уровне 74,3 тыс.
долларов. Десять лет назад она находилась в районе 120 тыс. долларов. Порошки для
аддитивных машин — тоже не дешевое удовольствие. В России их практически не
производят. Килограмм состава стоит на российском рынке от 60 до 700 евро (пусть это
будет не совсем корректное сравнение, но килограмм порошка чистого титана в среднем в
России стоит 500 — 550 евро, килограмм титановой губки - около 10 долларов).
Таким образом, путь аддитивных технологий в сферу индустриального производства
Урала не будет простым. Вопросов, как и при применении любой новой технологии,
немало. Но прогресс в этой отрасли нас впечатляет. Первые машины появились 20 лет
назад, а сегодня западные ученые пытаются с помощью 3D-принтеров изготовить еду,
одежду, человеческие органы. В Великобритании и США уже приняты законы, которые
запрещают гражданам «печатать» огнестрельное оружие и его детали. АТ присутствуют
во всех форсайтах, во всех глобальных списках перспективных технологий, что нам
удалось проанализировать. На всеобщее заблуждение не похоже.
Дополнительные материалы
Ключевые принципы отбора перспективных рыночных ниш для обрабатывающей
промышленности:
• Наличие внутри макрорегиона (Большой Урал и Северный Казахстан) спроса,
удовлетворяемого за счет внешних поставок.
• Потенциал для создания производств более высоких или наоборот предыдущих
переделов.
• Отбор и оценка применяемых в мировой практике прорывных технологий, наличие в
регионе компетенций, позволяющих с их помощью совершенствовать продукцию
существующих традиционных производств, а также разрабатывать и внедрять инновации.
• Экспортный потенциал товара (возможность поставок в другие регионы РФ, в страны
СНГ и дальнее зарубежье).
Критерии отбора перспективных инновационных ниш:
• Наличие инициатив в рамках постановлений правительства о поддержке создания
хайтек-производств и инжиниринговых центров (№ 218, № 220) и дорожных карт.
• Наличие в регионе научно-технического задела: научных коллективов мирового уровня,
инновационной инфраструктуры для реализации проектов.
• Спрос на технологию со стороны промышленности Уральского региона.
Информационная база для отбора перспективных инновационных направлений:
• Глобальные списки. Разовое исследование McKinsey Global Institute «Disruptive
technologies: Advances that will transform life, business, and the global economy, ежегодное
исследование MIT Technology Review.
• Иностранные форсайты. Японский форсайт технологий (каждые пять лет), программа
«Форсайт Великобритании», форсайт-исследования стран Евросоюза и США,
долгосрочный научно-технологический прогноз РФ до 2030 года.
Таблица. Стоимость порошков для установки сплавления металлических порошков
EOSINT M280
Тип порошка
Титан (ВТ4)
MaragingSteel MS1
(мартенситно-стареющая
сталь)
Aluminium AlSi10Mg
(алюминий)
StainlessSteel PH1
(нержавеющая сталь)
StainlessSteel GP1
(нержавеющая сталь)
Стоимость, евро за кг
690
235
183
117
107
Источник: АЦ «Эксперт-Урал»
Таблица. Уральские игроки рынка аддитивных технологий
Название структуры
Направления деятельности / задачи
ООО «Неопласт» (Екатеринбург) Решения по разработке, 3Dмоделированию и изготовлению
пресс-форм, штампов любой
категории сложности и любых
габаритов, включая производство
изделий из пластмасс, резины,
силиконов и металлов. Также
возможно изготовление пресс-форм
для газонаполненного литья и с
закладными пластмассовыми
элементами.
Направления деятельности:
- проведение предпроектных
исследований;
- разработка дизайна и
конструирование;
- изготовление пресс-форм для литья
пластиков под давлением, литьевых
форм для литья алюминия, форм для
прессования силиконов и резин
- литье изделий из пластмасс;
- поставка изделий из пластмасс,
резин и силиконов, штампованных
деталей из металлов.
Лаборатория продвижения
Лаборатория создана в 2010 году на
инновационных технологий
базе механико-технологического
Пермского государственного
факультета ПГТУкак научный
технического университета
учебно-технологический центр
быстрой подготовки производства.
Основные направления деятельности:
- создание технологий;
- подготовка
высококвалифицированных
специалистов в области аддитивных
технологий (стереолитографии),
лазерной наплавки порошковых
материалов, электроэрозионной
обработки материалов и
высокоточных измерений для
промышленных предприятий.
ЗАО «Новомет-Пермь»
С 2003 года изготавливает объемные
модели основных «органов»
погружного насоса (рабочее колесо
и направляющий
аппарат) на установках лазерного
спекания. Первыми на российском
рынке предложили высокодебетные
ступени насосов.