Новые разработки российских специалистов значительно удешевляют аддитивное производство и повышают его доступность. Так, инженеры Санкт-Петербургского политехнического университета разработали технологию электродугового выращивания, обеспечивающую высокую производительность. Компания «Цифра» поговорила с заведующим лабораторией легких материалов и конструкций СПбПУ Олегом Панченко о перспективах этого метода, а также про подготовку специалистов.

Олег Панченко: «Надо расширять возможности научных коллективов за счет финансирования (на приобретение оборудования, проведение исследований) и создавать адекватную конкурентную среду в стране».

Олег Панченко, Заведующий лабораторией легких материалов и конструкций СПбПУ

Олег, расскажите в целом, какие преимущества дает применение аддитивных технологий в промышленности.

Ответ на этот вопрос стоит начать с пары вводных слов. Слово «аддитивный» происходит от add — добавлять. То есть при этой технологии мы материал добавляем для производства деталей, в отличие от субтрактивных методов, когда материл наоборот «отрезается». Каждый из этих концептов имеет свои особенности, и говорить о том, что какая-то технология во всем лучше другой, нельзя — нужно смотреть на конкретные задачи, которые стоят перед производством. В каких-то случаях окажется, что традиционный субтрактивный метод будет дешевле и быстрее, а в каких-то аддитивка имеет неоспоримые преимущества.

Можете привести примеры?

Мой любимый пример — сфера. Методами забора или отрезания материала при производстве, мы не можем делать что-то полое, то есть мы не можем вытащить материал изнутри и получить сферу. С помощью же печати, когда мы добавляем материал для создания детали, сделать сферу не проблема. Почему я про сферу заговорил? Сферические поверхности хорошо распределяют механические напряжения. Если вы давите на сферу, то напряжение равномерно расходится по всей поверхности. Из сфер мы можем создавать конструкции, которые лучше будут переносить механические нагрузки в целом. Кроме того, внутри сфер мы можем напечатать ребра усиления. Таким образом, применяя аддитивные технологии, мы увеличиваем прочностные характеристики изделия.

Еще один пример уже касается работы с материалом. Один и тот же материал, в зависимости от того, с какой температурной историей он столкнулся, приобретает разные свойства. Например, возьмем литейный сплав на базе алюминия. Если скорость охлаждения при затвердевании достаточно высокая, то прочность будет выше. Если скорость охлаждения медленная, то наоборот — меньше. В случае работы с аддитивными технологиями мы можем комбинировать эти скорости и при использовании одного и того же сплава иметь заведомо различные прочностные свойства на том или ином участке изготавливаемой конструкции. Так, где прочность не критична, мы можем пожертвовать этим показателем в пользу производительности процесса.

Как Вы оцениваете перспективы применения аддитивных технологий у нас в стране?

Если говорить про металлическую аддитивку, чем я занимаюсь, эта сфера не столь пока распространенная, но она уверенно развивается, в том числе и в России. Здесь тоже существуют разные методы. Например, послойное выращивание, прямая порошковая печать (оба основаны на применении порошка в качестве исходного сырья), метод электродугового выращивания или по-английски Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) — печать металлической проволокой с использованием электрической дуги и плазмы для переноса материала на изделие и плавки. Последний, надо сказать, самый производительный метод. Например, на сталях, мы можем напечатать минимум 6,5 кг в час, в отдельных случаях доходит до 15 кг. Порошковые методы значительно менее производительны — при послойном наращивании можно напечатать 100-150 г в час, при прямой порошковой печати — до 1,5 кг. Но они позволяют производить более тонкие и сложные детали.

То есть, электодуговое выращивание имеет неплохие перспективы в промышленности?

Я думаю, что это будет самая распространенная история прежде всего из-за высокой производительности. По этому показателю метод электродугового выращивания конкурирует и с другими аддитивными методами, и с субтрактивным производством. Есть такой показатель, как коэффициент использования материала — отношение массы заготовки к массе конечного продукта. Если этот показатель будут 1:5, 1:7, 1:8 и так далее, то печатать становится выгоднее. Кроме того, сама технология оказалась достаточно доступной. Промышленный робот для нее стоит разумных денег, и источник питания для электрической дуги тоже многие предприятия могут себе позволить. Чтобы не говорить голословно, лазерный источник питания стоит порядка 3 млн рублей за киловатт мощности, для производства потребуется 3 киловатта. Электродуговой источник питания можно купить за 800 тыс. рублей. Таким образом, экономия только на источнике тепла для плавления почти десятикратная. Применение этого метода в машиностроении и строительстве достаточно широкое. Для работы с процессом мы выделили две группы специалистов: это те, кто занимались робототехникой, и, как ни странно, сварщики-технологи. Робототехник может понимать кинематику самой печати, может работать с различными программными средами, чтобы строить пути движения печати и получать изделия в режиме Computer Aided Manufacturing, а сварщик будет определять технологию наплавки: ток, напряжение, скорость.

Что требуется для прорывного развития аддитивных технологий?

Для развития самой технологии понадобятся умы — и на производстве, и в науке. Во-первых, очевидно, что мы не сможем сходу объять все материалы, они будут группироваться по каким-то критериям, и заниматься будут в первую очередь теми, которые более востребованы производством. Но рано или поздно производству потребуются новые материалы, и наука должна будет что-то предложить в плане технологии работы с ними. Во-вторых, сам процесс относительно новый, и на самом производстве при печати возникают вопросы, на которые нет ответа. Чтобы их решить, нужно понимание технологии внутри производства. Что касается науки, то в целом у нас хорошие показатели по количеству научных публикаций по аддитивным технологиям. Наш Политех занимает лидирующие позиции по этому показателю в Европе. Мы уже на достаточно высоком уровне, но чтобы обеспечить опережающее развитие, надо расширять возможности научных коллективов за счет финансирования (на приобретение оборудования, проведение исследований) и создавать адекватную конкурентную среду в стране.

А какие меры необходимы в области подготовки специалистов для работы с аддитивными технологиями на производстве?

Это вопрос достаточно тонкий. Одно дело учить технологии, другое — учить конструированию с новым взглядом. Важно делать и то, и другое. Когда мы встречаемся с конструкторами, мы видим, что субтрактивные подходы в их сознании настолько глубоко укоренились, что сложно доказать, что какое-то изделие не нужно собирать из 5-6 частей, а можно напечатать за один раз и сэкономить время. Изменение мышления идет. Достаточно сложно, но идет. У студентов есть преимущество — их можно с самого начала учить, что если коэффициент использования материала 1:2, то лучше фрезеровать, а когда 1:5, то тут выгоднее напечатать. Они легче это усваивают и принимают, хотя мы понимаем, что на производстве они будут сталкиваться с так называемой нормативной базой документов. Это серьезное препятствие. Например, к нам приходит конструктор и говорит, что нужна деталь из конкретного сплава. По классической технологии ее изготавливали литьем. Мы говорим, да, мы можем напечатать, это будет быстрее, чем матрицу для литья подготовят. Но вот материала, из которого он хочет напечатать, его нет. Но есть другой с такими же свойствами. Конструктор говорит: «Нет, я не могу аналог, так как у меня процессы завязаны на аттестацию, на сертификацию и так далее». Не то, чтобы он не хочет применить новый материал и новую технологию, просто получение необходимой документации и согласований может занять много времени, иногда годы, и порой без положительного результата. Это связано отчасти с тем, что основным потребителем высоких технологий у нас является государство.

У вас ведется какая-то работа по распространению аддитивного мышления среди производственников?

Мы стараемся ее проводить доступными для нас инструментами. Например, у нашей лаборатории есть YouTube канал, мы открыты — к нам всегда можно прийти и задать вопросы. Мы стараемся общаться с предприятиями и показывать технологию со всех сторон — преимущества и недостатки. Недостатки есть у всего. Нужно понимание, в каких случаях предприятия нуждаются в аддитивных технологиях, а в каких субтрактивные методы — лучший вариант. Большая часть работы по развитию аддитивного мышления ложится на плечи самих предприятий.

Источник