Аддитивные технологии (АТ), обеспечивающие новые возможности для конструирования изделий с заданными свой­ствами и геометрией, получили широкое признание в наиболее передовых отраслях промышленности и странах мира, имеют достаточную базу для развития в РФ и нуждаются в совершенствовании, распространении, популяризации и изучении.

При массовом, планируемом и конкурентном производстве выбор поставщиков в значительной мере определяется ценой изделия, а при собственном производстве — себестоимостью конечного продукта. В рассматриваемой альтернативе: традиционное технологическое производство (ТТП) или аддитивное производство (АП) — выбор не столь однозначен. АП успешно функционирует там, где высокие цены изделий оправданы их уникальными потребительскими свой­ствами, и там, где высокие тиражи изделий и низкая стоимость исходных материалов делает их конкурентоспособными.

Так, Денис Федосеев (ПАО «ОДК-Сатурн») в своём докладе на «Лидер-­форуме–2019 привёл данные о зависимости цен на АТ-изделия от тиража и области применения.

Цена 4500 $/кг и тираж менее 50 шт. приемлемы для аэрокосмической отрасли,

3200 и 100 — для оборонной,

500 и 1000 — для атомной,

200 и 10000 — для производства суперкаров,

100 и 1млн — для массовых автомобилей.

Снижение стоимости требует дешевых материалов, производительных технологий, специального конструирования под АТ, нормативных документов.

В данной статье попробуем оценить эффективность внедрения АТ. Наши расчёты и выводы являются мнением авторов, могут не совпадать с мнением редколлегии, и мы считаем полезными их обсуждение и критику.

Экономические критерии эффективности АТ

Экономический эффект применения АТ зависит:

— при изготовлении нового изделия от соотношения стоимости металла, использованного в конечном изделии, цены реализации «лишнего/удалённого» металла при учёте стоимости его удалении на всех стадиях традиционного технологического процесса, а также стоимости изделия, получаемого по АТ почти без отходов и при очень коротком производственном цикле, но из очень дорогостоящего исходного материала;

— при АТ-ремонте изношенного изделия от соотношения стоимости АТ-ремонта и стоимости изготовления нового изделия при равном сроке эксплуатации/межремонтного периода (при доступности запасных частей); от соотношения АТ-ремонта и убытков от простоя оборудования (при отсутствии страховых запасов, рынка или конкурирующей технологии ремонта);

— при АТ нанесении функционализированного поверхностного слоя от соотношения стоимости АТ и экономической эффективности увеличения эксплуатационного периода и решения тех же задач методами ТТП.

Себестоимость 1 кг продукции аддитивного изделия можно оценить по формуле:

СИ =СФК х ЦМШ + СЭ + ЧЗ + АО + РМ,

где ЦМШ — цена металлического порошка; СФК — сквозной фабрикационный коэффициент с учётом доводки поверхности и отбраковки; СЭ — часовой расход электроэнергии, стоимость энергозатрат, ЧЗ — часовая зарплата оператора, АО — амортизационные отчисления на 1 кг продукции, РМ — расход аргона и других расходных материалов на кг продукции.

По оценке авторов, для установки DLMS мощностью 2–4 кВт и производительностью до 5 кг/час при использовании порошка стали 316 (принимаемая стоимость 300 $/кг) себестоимость килограмма изделия составляет 374 $/кг. Доля материала в данном случае составляет 0,8. Для стали 12Х18Н10Т (принимаемая стоимость материала — 25 $/кг) стоимость изделия 44 $/кг с долей стоимости материала — 0,65.

Критерием для выбора вида АТ, помимо ценового, может быть соотношение поверхности и массы изделия. При определённом конструктором материале, прямые производственные затраты могут значительно зависеть от энерговложений и производительности. Удельная поверхность изделия влияет на критические для крупногабаритных АТ-изделий коробление, поводку, потерю размеров. Вне зависимости от технологии производства, чем более развита поверхность изделия, чем меньше его сечение, чем выше теплопроводность и выше температура поверхности при окончании процесса, тем меньше текущие и остаточные напряжения, тем меньше опасность поводок и короблений.

Цены на изделия АТ и ТТП в настоящее время не являются сопоставимыми. Массовое производство АТ-изделий требует как снижения себестоимости исходных материалов, так и коренного удешевления оборудования.

Наиболее перспективным направлением удешевления продукции АТ-технологий является использование проволоки как исходного материала вместо порошка, т. к. цены на проволоку толщиной от 0,3 мм из сталей типа 316 не превышают 15$/кг, на проволоку из сталей типа Х18Н10Т — не более 7$/кг, на никелевую, молибденовую и вольфрамовую проволоку толщиной 0,05–0,08 мм — на уровне 1500–4500 руб./кг 

(20–60$/кг). Таким образом, использование проволоки вместо порошка может существенно снизить себестоимость АТ, например, для изделий из нержавеющей стали — до 30–32$/кг.

Другим перспективным направлением может быть получение порошка из стружки нержавеющей стали. Проблема связана с увеличением содержания кислорода, азота и водорода в наплавленном металле, т. к. повышенное содержание этих элементов наблюдается в пленке оксидов на поверхности стружки, особенно при высокоскоростном точении. Как известно, в качественном порошке/проволоке для АТ должно быть не более 0,01% кислорода.

Можно рассмотреть возможность замены для плавления проволоки лазерных установок на более мощные (электронные пушки (ЭЛП), плазмотроны). Преимуществом электронных пушек является высокий тепловой КПД (85%), малый расход энергии на плавление (до 0,5 КВт*час/кг). Мощность ЭЛП может достигать нескольких МВт. Скорость плавления — сотни кг/час. Недостаток — необходимость рабочего вакуума в камере наплавления: в прикатодной части давление не более 7*10^–3 Па (5*10^–5 мм рт. ст.), у изделия — не более 0,8 Па (10^–2 мм рт. ст.), что требует большого расстояния от катода ЭЛП до плавящегося металла и высокой степени герметизации рабочей камеры.

Более простыми и дешевыми являются плазмотроны с атмосферой аргона, используемые для сварки и плавления металла (ПДП). Цены на них — на уровне сотен тысяч руб­лей, не более 150 тыс. долларов США. Высокий тепловой кпд, регулируемая скорость плавления и размера капель, компактность устройства, плавление в атмосфере аргона при компенсации недостаточной герметизации повышенным давлением аргона — основные достоинства ПДП. Расход электроэнергии на стадии плавления — 0,65 КВт*час/кг. Возможно использование ПДП с приспособлением для введения порошка или проволоки в струю для предварительного подогрева и введения в точку расплавления.

Проблемой при использовании этих мощных устройств для высокопроизводительных АТ являются многократно возрастающие тепловложения. Высокие термические напряжения потребуют введения промежуточных термических обработок для снятия напряжений или проведения АТ-процесса с подогревом в области высокотемпературной пластичности, релаксации напряжений за счёт пластических деформаций с последующим их исправлением. Но эти же ограничения действуют сейчас и для лазерного сплавления изделий сечением более 500 мм.

Применение высокопрочных сталей аустенитного класса представляется перспективным в связи с отсутствием фазовых превращений при охлаждении, высоким уровнем высокотемпературной прочности и пластичности.

Для повышения прочности малогабаритных изделий за счёт наклёпа можно использовать ГИП — изостатическое прессование, для крупногабаритных — контейнерную подштамповку или АТ-процесс в кристаллизаторе/форме, создающей сжимающие напряжения.

Методики проектирования АТ-изделий, учитывающие влияние больших тепловложений в формообразование, формирование структуры и свой­ства, должны быть разработаны, проверены в лабораторных и промышленных экспериментах в процессе разработки АТ применительно к крупногабаритным изделиям.

Вместе с тем, необходимо разрабатывать принципиально новые конструкции изделий, предназначаемых для изготовления с применением АТ. Например, основной объём изделия изготавливается по традиционным технологиям из материала с высокой свариваемостью, вязкостью разрушения и достаточной конструкционной прочностью. Поверхностная зона изделия, имеющая сложную геометрию, изготавливается по АТ, требующей минимальной пластической, термической и механической обработки для снятия напряжений и обеспечения требуемых свой­ств (коррозионная стойкость, износостойкость, высокая твёрдость). Такая конструкция может обеспечить не только снижение себестоимости механической обработки, но и минимальную стоимость ремонтов в процессе эксплуатации.

Предлагаемая технология отличается от традиционной наплавки следующими признаками:

— нанесение АТ-слоя производится по виртуальной 3D-модели перемещения рабочего инструмента, осуществляемого роботизированным агрегатом;

— схема перемещения инструмента и скорость наплавления учитывает не только геометрию модели, но и необходимость минимизации температурных напряжений за счёт самоотпуска, релаксации при высокотемпературной ползучести и при необходимости местных промежуточных отпусков;

— местные промежуточные и окончательный отпуски производятся с использованием основного рабочего инструмента и специальных нагревателей (газовых горелок, панелей, индукторов в зависимости от геометрии изделия и температуры нагрева);

— при необходимости регулирования скорости охлаждения в АТ-процесс включается подогрев или спрейерное/воздушное охлаждение, обеспечивающее заданную скорость и локализацию изменений температурного поля;

— контроль качества АТ-слоя осуществляется с помощью капиллярных методов контроля, радиографией и ультразвуковой дефектоскопией.

Особенности внедрения АТ в энергетическом машиностроении

В области энергетического и тяжёлого машиностроения методами аддитивного производства можно решить целый ряд задач:

— получение готового изделия сложной формы и/или с особыми свой­ствами без механического удаления «лишнего» металла,

— ремонт изношенного изделия, быстрое получение запасных частей и деталей, отсутствующих на рынке,

— получение изделия из слоёв разнородных материалов с новыми функциями и геометрией.

Реализация АТ и АП крупногабаритных изделий идёт с участием предприятий «РОСАТОМа», в том числе «ЦНИИТМАШа», что подтверждает реалистичность высказанных выше положений (рис. 1) [1]. Интересен опыт работы «ЦНИИТМАШ» на установке MeltMaster3D‑550 (рис. 2) [1, 2, 3].

Рис. 1. Увеличение параметров оборудования для 3D-печати разработки АО «НПО «ЦНИИТМАШ» [1]

Рис. 2. На оборудовании MeltMaster 3D-550 в 2020 г. в интересах ЯОК было распечатано методом СЛС самое большое изделие в РФ из никелевого жаропрочного сплава (ВЖ 159) с характерным размером 560×500 мм [1]

Также в «ЦНИИТМАШ» идёт работа по созданию цифровых двой­ников АТ-изделий с опорой на опыт цифрового моделирования изделий традиционных технологий. Решения существенно облегчаются для таких крупногабаритных осесимметричных изделий, как ротора турбин и генераторов, валы, обечайки, крышки и эллипсоиды, прямые участки трубопроводов, патрубки. Именно для них перспективна разработка таких АТ, как функциональная наплавка, прямое выращивание с использованием проволоки, электронно-лучевое плавление (ЭЛП), плазменно-дуговой переплав (ПДП), электрошлаковая выплавка (ЭШВ).

Создание цифровых двой­ников (ЦД) — необходимое условие АТ и многостадийный процесс:

1. 3D‑проект, т. е. чертёж изделия, выполненный конструктором в соответствии с его функциональной/рабочей геометрией и дополненный требованиями к материалу и качеству поверхности (ТТ – технологические требования);

2. 3D‑чертёж изделия под механическую обработку и неразрушающий контроль с допустимыми размерами и требованием к качеству поверхности после завершения АТ-операций, и термообработки на свой­ства и для снятия остаточных напряжений;

3. 3D‑чертёж подложки под АТ-процесс;

4. ЦД температурного поля изделия в процессе сплавления в зависимости от траектории перемещения рабочего инструмента, скорости сплавления/энерго-

вложений, предварительного нагрева подложки изделия, позволяющие определить градиенты температуры, скорости охлаждения в критических сечениях изделия для сопоставления с термокинетической диаграммой (ТКД) превращения сплава/стали и назначить пробный режим сплавления;

5. ЦД поля напряжений/деформаций при рабочем режиме сплавления, позволяющий внести в пробный режим коррективы (температурные выдержки, промежуточные отпуски), обеспечивающие приемлемый уровень текущих напряжений и результирующих деформаций;

6. ЦД изделия (ЦДИ) в ходе рабочего режима его сплавления и термообработки.

7. ЦДИ по результатам сдаточного контроля (фактические размеры, данные неразрушающего контроля, контроля макро- и микроструктуры, механических свой­ств) в сопоставлении с требованиями чертежа и ТТ.

8. ЦД заключения о годности и принятых изменениях чертежа, ТТ, технологии производства, замечаний по работе и требований к оборудованию.

Такой набор ЦД должен быть документом длительного хранения и обработки в базе данных, основой паспортизации изделия, создания технической документации (ТД) и стандартов, обучения, переподготовки и тренировки персонала.

На данный момент повысилась актуальность решения проблемы импортозамещения при изготовлении отечественного оборудования для аддитивных технологий. Эта проблема включает в себя три аспекта: отсутствие модульных платформ управления аддитивным процессом, закрытость программно-­аппаратного обеспечения, риск прекращения поставок импортных комплектующих. Поэтому ЦНИИТМАШ и ГК «Росатом» ставят перед собой задачу по разработке аддитивного оборудования на основе отечественных технологий и компонентов (рис. 3) [1].

Рис. 3. Проблема импортозамещения при изготовлении отечественного оборудования для аддитивных технологий [1]

В завершение коснемся актуальных вопросов обучения персонала АТ. Подготовка персонала для АП уже ведётся в МИСИС, МГТУ, СПбПУ, КАИ и других университетах. По нашему мнению, подготовка кадров для нашей отрасли должна иметь некоторые особенности: 

1. При сохранении существующей номенклатуры специальностей следует готовить АТ-металлургов/материаловедов, АТ-специалистов по холодной обработке, АТ-машиностроителей/специалистов по оборудованию, конструкторов, хорошо знающих о возможностях АТ и ТТ, путём подготовки бакалавров металлургов, технологов, конструкторов в магистратуре по целевым программам и заказу предприятий.

2. Бакалавр должен работать в составе группы, решающей реальные проблемы в ходе АТ и АП НИОКР, имея собственную тему для магистерской диссертации. Это — условие успешной АТ-специализации.

3. Шагами в сближении АТ-специалистов для решения общих проблем являются взаимная информированность о ходе работ, понимание проблем смежников, целесообразная деятельность для решения проблем смежников своими средствами. Для этого следует использовать междисциплинарные семинары, в частности, семинары магистрантов под руководством руководителей НИОКР и преподавателей университета

ЦД — основной инструмент реализации вышеизложенных задач. Создание ЦД, работа с ними, анализ и собственные разработки на их основе — практическая основа АТ и АП-специализации. Но первоначально ЦД должны быть разработаны, использованы и одобрены в производстве, где затраты на их создание могут быть многократно возмещены прямой экономией материалов и энергии.

Заключение

Снижение стоимости материалов АП — главная задача при внедрении АТ в энергетическое и тяжёлое машиностроение. Проволока вместо порошка, новые технологии получения металлических порошков, использование электронных пушек и плазмотронов вместо лазеров — наиболее очевидные направления развития АТ. Существующие АТ могут быть интегрированы в ТТП, усовершенствованы методами цифрового моделирования, симуляции, использования новых технологий термо­деформационного воздействия на промежуточный и конечный продукт. Важную роль в повышении качества и эксплуатационных свой­ств изделий АП должны сыграть методы комплексного сдаточного и эксплуатационного контроля, сочетающие неразрушающий контроль структуры и статистические методы контроля механических и эксплуатационных свой­ств.■

Авторы:

Э.Ю. Колпишон, д.т.н., проф., А.В. Дуб, д.т.н., проф., ОАО НПО «ЦНИИТМАШ»

Н.Г. Разумов, к.т.н.,зав.лаб., СПбПУ, Ю.А. Кириллов, к.т.н., АО «ЛЦ ЯТЦ», А.А. Марченко, АО «АЭМ-т»

Литература

1. https://www.youtube.com/watch?v=lFg_qS9bYRY
2. Е.В. Третьяков, А.В. Юдин, В.В. Береговский, А.В. Дуб. Особенности технологии изготовления образцов из коррозионностойкой стали 03Х16Н15М3 методом селективного лазерного плавления на установке MeltMaster3D‑550. Тяжёлое машиностроение. 2017. № 11–12. С. 17–23.
3.  А.В. Юдин, В.В. Береговский, И.Ф. Арутюнова. Свой­ства аустенитной стали 316L, полученной методом селективного лазерного плавления на установке MeltMaster3D‑550. Тяжёлое машиностроение. 2019. № 39. С. 8–14.

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 3-2022