В России хотят создать город, напечатанный на 3D-принтере

России предлагают сделать прорыв в применении аддитивных технологий (АТ) - построить город, напечатанный на 3D-принтере. А еще - вывести такие принтеры в космос. Один уже работает на МКС, но этого мало. Об этом говорили на конференции «Состояние и перспективы развития АТ». MASHNEWS разбирался в перспективах отечественной АТ-отрасли.

Сверхзадача - напечатать город 

Построить город при помощи аддитивных технологий абсолютно реально, говорят специалисты. Этого никто в мире еще не сделал. Россия может опередить всех, поскольку аддитивные технологии находятся в России на высоком уровне, говорили участники конференции «Состояние и перспективы развития АТ», прошедшей 24 октября в рамках «Технофорума-2023».

Аддитивное производство - процесс, при котором детали изготавливают путем добавления материала, как правило, слой за слоем, например, с помощью 3D-принтера. В этом главное отличие АТ от традиционного формообразующего производства (литья или штамповки) и вычитающего производства деталей, то есть механической обработки, при которой «лишнее» срезают.

АТ – самый быстро развивающийся технологический сегмент в России. Они полностью меняют облик российской промышленности и обеспечивают ее переход к новому технологическому укладу, считает исполнительный директор Ассоциации развития аддитивных технологий Ольга Оспенникова.

Отправной точной, когда АТ начали бурно развиваться в России, она называет 2014 год. Теперь - в 2023 году -аддитивные технологии уже стали нашей объективной реальностью, уверяет Оспенникова.

«Мы должны сформулировать суперзадачу. Первый в мире город, который полностью будет построен при помощи АТ. Эту задачу никто в мире не решал. Таких кооперационных цепочек, таких технологических взаимодействий между разными участниками никто не выстраивал. Мы можем такое сделать», - уверен директор дивизиона «Технологии и предпринимательство» Агентства стратегических инициатив (АСИ) Сергей Черкасов.

Он уверяет, что Минстрой, Минпром, и губернаторы эти идеи поддерживают. Дальше эти технологии и эту отраслевую модель Россия сможет экспортировать. «И это очень важно», - говорит Черкасов.

Напечатанные города востребована на «новых территориях» РФ, где нужны огромные восстановительные работы. А также на Дальнем Востоке и в Сибири, полагает он.

В создании «напечатанного города нет ничего невозможного. И в России, и в мире отдельные здания уже строились. А в Зеленодольском районе Татарстана есть первый в РФ коттеджный поселок, построенный с использованием технологии 3D-печати.

Почему России не обойтись без АТ

Демография, климат и деглобализация мира – вот три причины, по которым Россия должна развивать аддитивные технологии сверхвысокими темпами, говорит Сергей Черкасов.

«Россия – сверх урбанизированная страна, и это наша проблема. Если ничего не делать, то уровень урбанизации может превысить 75%. Есть прогнозы – 85% к 2050 году», - объясняет он.

В России сокращается численность населения. Государство будет стараться переломить этот тренд, и, по мнению Черкасова, увеличение рождаемости напрямую связано с деурбанизацией, наличием малоэтажной застройки вне больших городов. Быстро решить проблему такой застройки могут  только 3D-принтеры.

Вторая проблема – климатические изменения. «Потепление будет. Плюс 1,5 градуса к 2040 году. Это неизбежность», - считает Черкасов.

Продолжится рост экстремальных погодных условий. Тут основной тренд – климатическая адаптация. Будут нужны технологии, позволяющие быстро восстанавливать утерянную инфраструктуру. Возможность штучного быстрого производства будет мегавостребована, полагает он.Такое возможно только с помощью 3D-принтеров.

Деглобализация -  в мире будет нарастать  нарушение цепочек поставок, усиление санкционных режимов. Это будет приводить к тому, что массовое производство в части отраслей будет уступать производству штучному и мелкосерийному. А это – ниша аддитивных технологий.

В космос

АТ будто специально созданы для космической промышленности, считает зам. генерального директора по развитию проектной деятельности НПО «Энергомаш» Денис Пудков.

Многие конструкции, безусловно, целесообразнее печатать на орбите, говорит  он.

«Не все можно привезти [на МКС], не обо всем можно заранее подумать, а вот цифровую модель на орбиту можно отправить, - объясняет Пудков. - При наличии на борту средств печати всегда можно тот или иной элемент синтезировать и восстановить. Сегодня на МКС работает пластиковый принтер. К нему уже очередь среди космонавтов по печати различных кронштейнов, поддержек, элементов крепежа, сломанных втулок, накладок на инструмент. Много есть того, о чем мы на Земле даже не задумываемся, в космосе вызывает проблему, наличие 3D-печати на борту станции сильно облегчает жизнь космонавтам».

На земле самые востребованные сейчас технологии в производстве ракетоносителей - печать крупногабаритных конструкций, крупноразмерного бакового хозяйства, элементов отсеков, арматуры пневмогидросистем.

«Что касается космических аппаратов, то это ферменные конструкции. Упрощается их состав, они становятся легче. 1 килограмм на низкой опорной орбите стоит 10 тыс. долларов. Это сумма, за которую стоит побороться. Различные крепежные элементы, кронштейны, элементы СВЧ-трактов - АТ позволяют их печатать в собранном состоянии без переходных элементов, что существенно ускоряет и удешевляет процесс. Ряд элементов двигателей коррекции, малой тяги сегодня уже находятся в отработке под АТ», - говорит Пудков.

Для ракеты-носителей с помощью АТ можно изготавливать турбонасосные агрегаты, роторные элементы, смесительные головки, крепежные, сопловые насадки.

«Это все высоконагруженные элементы, они подвержены высоким температурам, коррозии, и сегодня идет огромная работа по созданию практически всех элементов двигательных установок с использованием АТ. Это дает не только удешевление и ускорение, но и переход на совершенно другой технологический дизайн этих изделий. В ближайшее десятилетие мы увидим практически полностью напечатанный двигатель для носителей».

В Институте лазерных и сварочных технологий СПб государственного морского технического университета (СМТУ)  разработали несколько моделей машин для выращивания деталей. Одна из них способна выпускать изделия длиной до 4 метров и высотой полтора метра. С одного инструмента в ее камере, а инструментов может быть несколько, она выдает 2 килограмма материала в час. Машина, которая называется «Отсек», делает полноразмерные отсеки для космических ракет диаметром до 4 метров.

«Выращивать детали можно почти из всего. Из хорошо свариваемых материалов, ограниченно свариваемых и из плохо свариваемых. Но это не значит, что нельзя выращивать из не свариваемых. Это значит, что есть технологические проблемы, которые можно решить разными локальными способами. Например, интегрировав индуктор в технологическую установку. Сделав так, что температура выращивания локально резко повышается»,  - говорит ректор СМТУ Глеб Туричин.

Сложности и проблемы

О недостатках и ограничениях использования 3D-печати при производстве ракетно-космической техники написали в журнале «Аддитивные технологии» (№4 2023 г.) три сотрудника Завода экспериментального машиностроения РКК «Энергия».

У аддитивных технологий есть вопросы, которые в настоящее время еще не решены, пишут они. Во-первых, это небольшой выбор металлических порошковых материалов. Все их составы соответствуют европейским стандартам и нормативам. Изготовление же порошка заданного состава нерентабельно и имеет смысл только при больших объемах, поэтому применять их в летных изделиях российского производства пока невозможно.

Во-вторых, не исследованы до конца прочностные характеристики получаемых изделий и методы их улучшения.

В-третьих, стоимость изготовления деталей методом аддитивного выращивания достаточно высокая, поэтому вопрос эффективности применения метода печати зависит от их сложности и требует отдельной проработки.

Все эти вопросы ограничивают в производстве ракетно-космической техники массовое применение деталей, полученных методом аддитивных технологий.

Для ледоколов и беспилотников

Одним из лидеров в области развития АТ является Росатом. Его подразделение ЦНИИТМАШ совместно с компанией «ЗиО-Подольск» произвело сепарационный элемент для энергетических установок серийных атомных ледоколов, рассказал генеральный директор ЦНИИТМАШ Виктор Орлов. Сепаратор изготовлен по технологии прямого лазерного выращивания с помощью 3D-печати из коррозионностойкой стали.

«Когда мы говорим об АТ-изделиях, мы обычно четко понимаем две вещи. Это или специальное назначение, и там цена не имеет значения, важны свойства. Или это что-то уникальное. Мы же получили гражданское изделие. Была доработана конструкция, оно прошло две серии стендовых испытаний и сепарационные характеристики там оказались существенно лучше, чем те, которые были на обычных сепараторах», - рассказывает Виктор Орлов.

Это будет первое в России высокосерийное, экономически эффективное изделие, сделанное на коммерческих условиях, без привлечения дополнительного финансирования, продолжает он.

«Дело в том, что мы убрали несколько десятков сварных соединений. Новый сепаратор оказался дешевле. И еще один принципиальный момент. Мы на конференциях смотрим на изделия, которые выпускают в количестве одного, двух, ну, до десятка экземпляров. А на одну плавучую установку идет два транспортных блока, для этого необходимо 320 сепараторов».

Компания F2 Innovations производит оборудование из российских комплектующих для печати полимерными гранулами. Гранульная печать позволяет делать большие детали, до 10 метров длиной, печатать их чрезвычайно быстро и получать очень высокие прочностные характеристики.

«Нам удалось сделать пластиковый пуансон, по которому выдавливают панель крыла самолета ТУ-214. Классический пуансон делается 8 месяцев, стоит он около 4 млн. рублей и весит под 300 кг. Делают его из свинцово-алюминиевой смеси, пуансон надо долго и дорого обрабатывать на пятикоординатном станке. Мы же это сделали примерно за 18 часов, себестоимость – 30 тыс. рублей. При этом, оснастка прошла испытания и уже активно применяется на авиазаводах. Затем мы пошли дальше и напечатали самую большую деталь в России весом 700 кг. Она печаталась около 100 часов. По ней гнули всю панель, «брюхо» самолета. Такого в России еще никто не делал, при том, что в США и Европе давно применяют подобные технологии для создания панелей в авиа- и судостроении», рассказывает генеральный директор F2 Innovations Евгений Матвеев.

Сегодня главный авиационный отраслевой тренд – композиты. На МС-21 стоит композитное крыло, огромное количество делается БПЛА, практически вся беспилотная индустрия - композитная, поясняет Матвеев.

«Для того, чтобы выпустить композитное изделие, хоть капот от машины, хоть беспилотную систему, нужно сделать оснастку. Обычно это долгий техпроцесс, который занимает несколько месяцев и стоит очень много денег. Мы же предлагаем другое решение – крупногабаритная печать за короткое время, последующая мехобработка и выкладка на данное изделие. При этом детали прекрасно обрабатываются, не имеют пор, отлично держат как низкие, так и высокие температуры, без проблем подходят под вакуумное формование и под автоклавную выкладку. Классическая оснастка делается три месяца, таков техпроцесс. Мы за 8 часов печатаем оснастку и 8 часов уходит на мехобработку. Это не сильно дешевле, но это значительно быстрее. А сейчас самое главное в промышленности – скорость», - говорит он.

Не все потребители понимают

Несмотря на все успехи индустрии, широкое распространение технологии сдерживает слабый уровень информированности менеджеров средних предприятий, сетует гендиректор компании «Лазерные системы» Дмитрий Васильев.

«Лазерные системы» разрабатывают и серийно производят оборудование для сплавления металлических порошковых материалов. Машины компания разрабатывала сама, они получили заключение Минпрома о производстве российского серийного оборудования для SLM-технологий.

«Несколько лет мы производим, продаем и сопровождаем наши серийные установки. Последние полтора года у нас идет рост продаж, и это не какие-то разовые случаи. Но вот с чем мы сталкиваемся. В контуре больших концернов, таких как Росатом, Ростех, Роскосмос, осведомленность об АТ, о печати металлов - на очень высоком уровне. Но для промышленных предприятий за пределами этого контура, это какой-то «космос». Специалисты этих предприятий не очень понимают преимущества АТ, целесообразность применения 3D-печати металлами для своего производства. И мы, являясь частной компанией, устраиваем курсы, на которых обучаем и конструкторов, и технологов. То есть, занимаемся ликбезом. Понятно, что это задача не частной компании. Эта задача должна быть поставлена на государственном уровне. Иначе все это останется в области интересов только крупных потребителей. А по-настоящему развитие технология получит только тогда, когда она пойдет в средний бизнес».

Важность обучения и информирования отмечает и Евгений Матвеев из F2 Innovations.

«Мы делим клиентов на две части. На тех, которых заставили делать центр АТ на предприятии, потому что теперь это «надо». И на тех, которые осознали, что только АТ позволят решить их проблему в короткий срок за адекватные деньги. Конечно, работать со вторым типом клиентов гораздо приятнее. Но еще более приятно доказать клиенту, убедить того, кто был против, что это, действительно, работает».

СПРАВКА MASHNEWS

По данным Ассоциации развития аддитивных технологий, в 2023 году рынок АТ в России составит 4,15 млрд рублей. В 2024 году 6,46 млрд. Прогноз на 2030 год – 13,2 млрд рублей.