Автор: Владимир Сорокин

Аддитивные технологии, или производство путем послойного синтеза — одно из самых инновационных направлений цифрового производства, ускоряющее НИОКР и стимулирующее выпуск новых видов промышленной продукции. Понимая необходимость технологического развития производства и учитывая все безусловные достоинства аддитивных технологий, ведущие предприятия России с их помощью осваивают выпуск и продвижение высокотехнологичной продукции гражданского и двой­ного назначения.
В рамках деловой программы форума 3D-TECH by Rosmould была проведена сессия, посвященная практическому применению 3D-технологий в авиастроении, машиностроении и оборонно-­промышленном комплексе, где участники представили достижения своих коллективов.

Любовь Нефедова, модератор конференции и директор Научно-­исследовательского института прикладного материаловедения АО «Обуховский завод» Концерна ВКО «Алмаз — Антей» (НИИПМ), кратко изложила основные направления работы института, такие как разработка технологий материалов, производство собственного оборудования, проведение широкого комплекса исследовательских работ и, конечно, подготовка кадров. Центральным звеном в продвижении аддитивных технологий (АТ) в институте стало создание Центра аддитивных технологий в 2016 году, который охватывает полный цикл — от разработки технологий до производственного процесса. Используя селективное лазерное плавление (SLM), удается быстро и качественно восстанавливать сломанное оборудование. Например, для замены дорогостоящих импортных запчастей, которые трудно приобрести в санкционных условиях. Самостоятельно разработанный песчаный 3D-принтер «Бархан» позволил перейти на новый уровень технологического цикла. Теперь возможна быстрая печать форм для литья сложных изделий — например, высокоточного пятилопастного винта или гидравлических насосов. Применение лазерного спекания порошковых материалов (SLS) помогает ускорить проектирование опытных устройств. Хотя конечные изделия часто переходят на традиционную технологию серийного выпуска, но при этом этап проектирования становится значительно быстрее и дешевле.

Благодаря наличию в НИИПМ собственной установки газовой атомизации производится качественный металлический порошок для нужд высокотехнологичных отраслей. Одним из ключевых достижений стала разработка инновационных металлических сплавов, не имеющих аналогов в России. Среди них выделяются супердуплексная сталь и инварный сплав «Невский», используемые при производстве сложного оборудования для космической отрасли («Роскосмос») и атомной энергетики («Росатом»). Были разработаны собственные фотополимерные составы, разработана первая опытная партия изделий, демонстрирующих уникальные свой­ства керамики. Для учебных заведений и рабочих мест запущено производство доступного и надежного FDM-принтера, зарегистрированного в реестре Минпромторга.

Альберт Гильмутдинов, советник главы Республики Татарстан по вопросам науки и технологий, заведующий кафедрой лазерных и аддитивных технологий Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева (КНИТУ–КАИ), представил опыт применения электролитно-­плазменной постобработки изделий аддитивного производства.
В настоящее время существует несколько решений по постобработке поверхности: пескоструйная обработка; электрохимическая полировка; виброгалтовка; электролитно-­плазменная полировка; гидроабразивное хонингование; полировка «сухим» электролитом. Но не все они могут быть эффективно использованы для аддитивно созданных деталей.

По технологиям аддитивного производства на основе металлических порошков создаются изделия с повышенной шероховатостью более 10 мкм, а в области поддержек — более 40 мкм. В то же время для многих деталей степень шероховатости должна быть на уровне 1 мкм и менее. Кроме того, детали аддитивного производства имеют развитую структуру с многочисленными полостями и каналами, что затрудняет постобработку. Таким образом, отработка технологий постобработки является актуальной задачей.

В КНИТУ–КАИ был разработан образец оборудования для погруженной электролитно-­плазменной обработки (ЭПО) изделий аддитивного производства. Метод ЭПО характеризуется высокой селективностью обработки, при которой первыми сглаживаются поверхности. Среди его преимуществ — экологичность с минимальными отходами производства, поскольку используются соли, а не кислоты и щелочи, как в электрохимической обработке.

При электролитно-­плазменной обработке поверхность подвергается термическому, химическому, ударно-­акустическому воздействию электрического заряда, направленного на микронеоднородности. Обрабатываемая деталь является анодом, ванна с электролитом — катодом. При напряжении анод — катод в интервале 200–400 В в приповерхностном слое детали формируется парогазовая оболочка, в которой возникает многоканальный искровой разряд.

Необходимо обратить внимание, что погруженное ЭПО имеет свои ограничения: неравномерность обработки и невозможность обработки внутренних каналов и полостей. Решением является применение струйной электро-­плазменной обработки (СЭПО), когда деталь находится на воздухе, а электролит подается в виде струи, что позволяет обрабатывать любые поверхности, до которых может достать струя. Достоинством СЭПО является селективность и возможность размерной обработки, что позволяет сохранить геометрию сложного изделия. Процесс легко поддается автоматизации: струя электролита служит для робота аналогом металлической фрезы.

Примеры выполненной обработки поверхности изделий:
• Секторы направляющего аппарата: исходная шероховатость >5 мкм, после обработки — около 0,8–1 мкм (рис. 1).
• Ротор стартера двигателя: до обработки — 30–40 мкм, после обработки — 1 мкм (рис. 2).
• Турбинная лопатка: начальное значение шероховатости — 10 мкм, после обработки достигнуто значение около 1,4 мкм.
• Завихритель ГТД: шероховатость уменьшилась с 11 мкм до 0,6 мкм.

Рис. 1. Обработка поверхности секторов направляющего аппарата. Фото: КНИТУ–КАИ

Рис. 2. Обработка поверхности ротора стартера двигателя. Фото: КНИТУ–КАИ

Эти успехи открывают путь к массовому применению данной технологии в аэрокосмической, автомобильной и машиностроительной промышленностях.

Ключевой вопрос

Проблема дефицита молодых квалифицированных кадров выделяется в качестве основной в направлении развития отечественных аддитивных технологий. На фоне форсированного развития данной отрасли в ведущих мировых индустриальных странах задача подготовки специалистов принимает стратегическое значение в рамках вектора движения к цели достижения технологического суверенитета.
Альберт Гильмутдинов, советник главы Республики Татарстан по вопросам науки и технологий, заведующий кафедрой, профессор Казанского национального исследовательского технического университета имени А.Н. Туполева — КАИ 
(КНИТУ–КАИ), высказался о барьерах на этом пути и возможностях их преодоления.
Сегодня сформирован весь комплект необходимых учебных материалов, ведущие университеты проводят обучение, но в перечне направлений подготовки профиль «Аддитивные технологии» отсутствует, приходится вести преподавание в рамках других укрупнённых групп специальностей.
В КНИТУ–КАИ есть кафедра лазерных и аддитивных технологий, но казанские выпускники получают дипломы по другим специальностям: лазерная техника и лазерные технологии, лазерные технологии и 3D-прототипирование, интеллектуальные приборные комплексы и промышленный интернет и пр.
Ведущими вузами (Санкт-­Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-­Петербургский государственный морской технический университет, МГТУ Н.Э. Баумана, Станкин) инициирована разработка федерального государственного образовательного стандарта, чтобы было отдельное направление подготовки, которое называется «аддитивной технологией». Альберт Гильмутдинов уверен, что стандарт будет утверждён в самое ближайшее время, и тогда «мы будем чесать правое ухо правой рукой, а сейчас это делается немножко кривовато».
Запись в дипломе «Инженер аддитивных технологий» не только повысит престиж профессии, но и будет способствовать повышению уровня трудоустройства выпускников вузов, поскольку потенциальный работодатель при приёме молодого специалиста хочет быть уверенным в его знаниях и компетенциях в конкретной узкой области.

Алексей Каргальский, главный конструктор АО «Центр аддитивных технологий» (ЦАТ «Ростех»), опираясь на личный опыт, считает, что аддитивные технологии доказали необходимость своего широкого применения (рис. 3–4). КБ ЦАТ «с оглядкой на АТ» успешно решает задачи конструкторско-­технологической подготовки производства, разработки оснастки, оптимизации топологии, генеративного дизайна, реверс-­инжиниринга, обучения персонала. В рамках полного цикла можно говорить об опытном и серийном производстве изделий, лабораторных исследованиях, разработке нормативно-­технической документации.

Рис. 3. Завихритель ГТД 110М. Фото: ЦАТ «Ростех»
 

Рис. 4. Элемент корпуса космического аппарата. Фото: ЦАТ «Ростех»
 

На практике, по сути, приходится полностью перерабатывать конструкторскую документацию заказчика, разработанную изначально под классические технологии, «ставить эти изделия на аддитивные рельсы». В процессе реверс-­инжиниринга ручной лазерный сканер позволяет осуществлять сбор информации о геометрии достаточно сложных изделий, от совсем небольших до десятиметровых.

В качестве примера успешной работы можно привести разработку поршневого авиационного двигателя для беспилотного летательного аппарата. В процессе проектирования был применен весь спектр инструментов, начиная от томографа, 3D-сканеров, анализаторов химического состава материалов. По результатам испытания двигатель продемонстрировал характеристики примерно на 7% выше, чем оригинал.
Аддитивные технологии — это не панацея, у них также есть свои технологические ограничения, задача конструкторов ЦАТ — добиться требуемого уровня технологичности, чтобы АТ-производство «имело ­какой-то смысл».

Валентин Мартынов, инженер-­конструктор ПАО «ОАК» ОКБ Сухого, поделился своими наработками в части гибридного проектирования.
Термин был введен в организации около 10 лет назад и подразумевает совокупность методов многопараметрической оптимизации и конвергентного моделирования. В основу этого процесса заложен численный синтез конструктивно-­силовых элементов конструкции с применением топологической оптимизации. Такой подход позволяет получать рациональное соотношение веса/жесткости (прочности) в детали под требуемые силовые факторы. Как правило, топология таких деталей обладает очень сложной геометрической формой, которую изготовить традиционными методами невозможно. Соответственно, для материализации такого рода деталей перспективным направлением является применение аддитивных технологий (рис. 5, 6).

Рис. 5. Заготовки изделий, выполненные для испытаний в ПАО «ОАК» ОКБ Сухого

Расчет процесса литья      Выжигаемая модель    Форма для литья

Рис. 6. Стенд для испытаний экспериментальной кулисы привода ПОШ. Из презентации ПАО «ОАК» ОКБ Сухого

Опытные наработки ОКБ Сухого в области применения аддитивных технологий и гибридного проектирования показывают перспективность выбранных направлений и создают задел для будущего внедрения новых технологий при разработке летательных аппаратов.

Наиболее сложными этапами в этом подходе являются:
• Учет влияния жесткости окружающей конструкции.
• Определение расчетных схем и подготовка конечных моделей.
• Более широкая выборка расчетных случаев.
• Интерпретация результатов решения задачи численного синтеза.

В ближайшем будущем также потребуется преодолеть определенные вызовы, к которым относятся:
• Разработка методики проектирования деталей с учетом их изготовления с помощью АТ, которая естественным образом будет учитывать технологические особенности аддитивного производства, а также потребует разработку расчетных условий по статике и ресурсу, включая климатическое влияние.
• Для разработки расчетных условий необходимо провести специальную квалификацию материалов, которая определит их расчетные характеристики после синтеза (печати).
• Разработка методики проведения подетальных расчетов для типов деталей бионической формы.
• Разработка методики проведения подетальных расчетов для типов деталей, изготавливаемых с применением FDM-печати.
• Разработка нормативных документов для опытного и серийного изготовления деталей с применением аддитивного производства. Разработка нормативных документов по способам нанесения защитных покрытий на детали.
• Определение способов и создание нормативных документов для проведения контроля качества деталей.
• Проведение сертификации материалов и самого аддитивного производства деталей, применяемых в серийных летательных аппаратах и беспилотниках.
• Разработка общих стандартов аддитивного производства для авиационной отрасли и создание необходимого объема производственных мощностей.

• Подготовка кадров в области аддитивного производства и проектирования.

Благодаря АТ удалось получить рациональное соотношение веса и жесткости в деталях, а поскольку конструкции сложные, то аддитивные технологии являются наиболее целесообразным методом исполнения.

Александра Семенцова, заместитель главного конструктора по полимерным композиционным материалам и аддитивным технологиям Национального центра вертолетостроения имени Миля и Камова (НЦВ), предоставила данные из области внедрения селективного лазерного спекания в процесс производства деталей вертолетной техники.

В настоящий момент в центре ведется отработка технологии на отечественном оборудовании, выполняются научно-­исследовательские работы по адаптации аддитивной технологии изготовления деталей, осуществляется адаптация и верификация технологических режимов печати на отечественном принтере Onsint, проводятся дополнительные квалификации материала. Одновременно осуществляется разработка технической документации и отработка технических решений, изготавливаются детали для проведения стендовых и летных испытаний. Успешно проводится сотрудничество с НИЦ «Курчатовский институт» ВИАМ.

Планы дальнейшего внедрения аддитивных технологий предполагают:
• Распространение АТ по всему модельному ряду вертолетной техники.
• Оснащение НЦВ оборудованием аддитивного производства.
• Наращивание компетенций в НЦВ по отработке технологий для сокращения затрат на изготовление в НИОКР и серийного производства.
• Изготовление в НВЦ и поставка аддитивных деталей для установочных изделий заводам — ­изготовителям вертолетов.
• Разработка директивных (базовых) технологий для серийного производства.
• Создание участков АТ для серийного производства.
• Освоение АТ серийными заводами — ­изготовителями вертолетов.
• Серийное аддитивное производство на предприятиях холдинга.

Были достигнуты реальные результаты по внедрению аддитивных технологий. Разработаны детали фюзеляжа, установки капотов, приемника воздушного давления, системы кондиционирования воздуха (рис. 7), корпус и корзина редуктора, поддон и другие. Для вертолета Ми‑171А3 начато серийное производство деталей.

Рис. 7. Деталь вертолета Ми-171А3, изготовленная по АТ — система кондиционирования воздуха (применение пластика ВТП-9). Из презентации НЦВ имени Миля и Камова

Применение пластика ВТП‑9 в системе кондиционирования воздуха Ми‑171А3 позволило сократить количество деталей в 5 раз; уменьшить массу в 1,5 раза; снизить трудоемкость изготовления в 3 раза.
Развитие вертолетного парка требует непрерывного производства новых аппаратов. Для нового вертолета должны быть внедрены новые технологии, современные полимерные композиционные материалы. Особенно важно отметить, что уверенный переход на новые материалы должен быть подкреплен заинтересованностью завода-­производителя в замене литейного производства на аддитивные технологии.

Павел Кузнецов, начальник НИО «Наноматериалы и нанотехнологии» НИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей», доложил о методе селективного лазерного сплавления ферромагнитных материалов системы Fe-­Cr-­Ni (Co) для изготовления изделий навигационной техники.
По большей части магнитотвердые материалы для динамически настраиваемых гироскопов изготавливаются литьем, а корпуса этих гироскопов делаются из магнитомягких сплавов по технологии фрезерования, и достаточно много материала уходит в стружку. При этом литейные формы имеют ограниченный ресурс, в них возможно образование внутренних дефектов (раковины, зазоры, трещины). Дефекты могут быть обнаружены только в процессе испытания готового изделия.

Изготовление заготовок селективным лазерным сплавлением металлических порошков позволяет получать изделия сложной геометрической формы. Экспериментально подобранный режим при девятичасовой изотермической выдержке позволил изготовить СЛС-сплав со значимыми уровнями магнитной проницательности и индукции, что сопоставимо со свой­ствами образцов, выточенных из прутка. Полученные магнитные характеристики СЛС-материала удовлетворили требованиям заказчика.
В СЛС и кованых образцах, не прошедших термическую обработку (ТО), структуры приблизительно одинаковы. После ТО зерна СЛС-образцов укрупняются меньше, что обуславливает более низкий уровень магнитных свой­ств в сравнении с коваными образцами.

Установлено, что аддитивным методом возможно получить сплав 25Х15К, свой­ства которого сопоставимы или даже превосходят свой­ства литейного сплава. Для кольцевого СЛС-магнита из сплава 25Х15К получены достаточно высокие характеристики. Была изготовлена партия магнитов «Пума», которая прошла успешные испытания на предприятии заказчика. На способ получения кольцевых магнитов, разработанных СЛС-методом, был получен патент на изобретение.

Евгений Дьяконов, руководитель отраслевого комитета «Аддитивные технологии» Промышленного кластера Республики Татарстан, детально проинформировал об основных задачах, которые решаются в ходе работы по практическому внедрению АТ.
Промышленный кластер Республики Татарстан — это крупнейший кластер России, объединяющий более тысячи предприятий, с суммарным годовым оборотом полтора триллиона руб­лей. На сегодняшний день подписано 600 соглашений с 34 странами мира и 74 субъектами Российской Федерации. В кластере создано 23 отраслевых комитета, соответствующих передовым и перспективным направлениям промышленности. В задачи комитета АТ входит привлечение субсидий льготного финансирования, оказание содействия в продвижении продукции на внутреннем и внешнем рынках. В рамках работы организуются и проводятся отраслевые мероприятия для обмена опытом и технологиями, устанавливается взаимодействие между поставщиками и потребителями аддитивных технологий, идет развитие кооперации между промышленностью и научными организациями, решаются кадровые вопросы и оказывается содействие в сертификации продукции и технологических процессов.

Создан Центр по продвижению отечественных аддитивных технологий и оборудования, который выполняет функцию механизма по продвижению услуг, навыков, продуктов. В роли оператора центра выступает компания «СЛТ — аддитивные технологии» (Набережные Челны), ее задачей является заключение дилерских договоров, определение маркетинговой политики, координация затрат на продвижение товара.

В качестве примера применения аддитивных технологий в изготовлении авиационной техники был выделен опыт обособленного подразделения АО «УЗГА» в городе Казань. Экспериментальные работы по внедрению АТ проводились в рамках проекта «Тантал» по линии Фонда перспективных исследований совместно с НИЦ «Курчатовский институт» — ВИАМ. В целях импортозамещения была поставлена задача создания отечественного аналога чешского малоразмерного газотурбинного двигателя (МГТД). Решением являлось создание технологии производства деталей, изготавливаемых методом SLM-печати. Стратегический замысел предполагал выполнение ОКР и создание МГТД размерности 125 кгс с организацией серийного производства. Поставленные цели достигнуты. В настоящее время 5 деталей печатаются серийно. Из жаропрочного сплава печатаются: жаровая труба камеры сгорания; реактивное сопло; газосборник камеры сгорания. Из алюминиевого сплава изготавливаются: входной корпус компрессора; корпус опоры.

В ходе становления аддитивного производства возникали сложности, которые приходилось оперативно преодолевать. В частности, при термообработке и закалке изделий возникали поводки или коробление — деформация, при которой изделие изгибается или скручивается. Впоследствии выяснилось, что традиционная литейная технология, т. е. режимы термообработки для литейных изделий, в данном случае неприменимы. В ходе экспериментальных работ было принято заключение, что необходимо сократить режимы термообработки, при этом сохранив свой­ства изделий.

Очевидны преимущества от внедрения 3D-печати на предприятии:
• материальная эффективность — меньший отход материала при механической обработке и снижение затрат инструментальной базы;
• отсутствие пористости — вторая группа контроля не допускает групповое скопление пор, печать исключает возникновение пор в 99% случаев;
• локализация цепочек создания стоимости — изготовление изделий собственным производством позволило сократить временные издержки на 30%;
• возможность масштабирования — на одном принтере одновременно можно напечатать до 4 изделий с помощью системы поддержек.
Накопленный в Татарстане опыт применения аддитивных технологий демонстрирует убедительные преимущества 3D-печати при изготовлении авиационных узлов и деталей.

Олег Максимов, начальник управления по внедрению новых технологий АО «НПО Энергомаш», рассказал о практике применения аддитивных технологий для изготовления ракетных двигателей.
За рубежом (США, Франция, Япония) ведутся, либо уже закончены, разработки двигателей, проектирование которых велось с учетом требований оптимизации различных полетных характеристик.

Из числа наиболее известных можно перечислить: Франция — Prometheus; США — Merlin 1D, Raptor, BE‑4, BE‑7; Япония — LE-X. Все эти двигатели проектируются под заданную стоимость с применением современных цифровых систем проектирования и расчета с внедрением современных технологий, включая АТ при изготовлении. Способом АТ за рубежом изготавливаются сопла, камеры сгорания, смесительные узлы с форсунками, корпусные элементы турбонасосного агрегата, роторные элементы, крыльчатки.
Показателен зарубежный пример изготовления биометаллических конструкций. По традиционной технологии стоимость их производства составляла 310 тысяч долларов, а продолжительность — 12–18 месяцев (включая фрезерование ребер, охлаждение, удаление вручную заусенцев после механической обработки, пайка). Стоимость производства с применением аддитивных технологий — 125 тысяч долларов, а длительность — 3–5 месяцев.

В нашей стране также необходимо применение комплексного подхода по созданию перспективного двигателя с использованием современных методик, технологий проектирования и изготовления, позволяющих снизить стоимость выведения на орбиту полезной нагрузки.
Для успешного внедрения в производство аддитивных технологий был изменен процесс проектирования. В недалеком прошлом конструктор совместно с расчетчиком в КБ разрабатывали конструкцию, она приходила на технологическое согласование в службу главного инженера, где выносилось заключение о технологичности. В случае положительного решения изделие передавалось на разработку технологической документации и нормирование. Если решение было отрицательным — следовала корректировка КД. В настоящее время концепция проектирования изделий в корне изменена. «В одной комнате» собираются конструктор, расчетчик, металлург, технолог постобработки, технолог аддитивного производства, нормировщик. Идет процесс одновременного рассмотрения нескольких конструкций, строится «экспресс-маршрут» изготовления материальной части, оценивается коэффициент использования материала, количество оснастки, необходимой для изготовления, трудоемкость. По результатам оценки принимается решение о выпуске КД той или иной конструкции.
Подобным образом были разработаны корпусные элементы турбонасосного агрегата, силовые элементы конструкций (кронштейнов), адаптированные под применение аддитивных технологий.

В процессе производства возникали сложности, связанные с наличием порошка во внутренних полостях изделий, которые имеют отверстия небольших диаметров. Для устранения проблем были применены решения по автоматизированному удалению порошка, а по ряду изделий выход был найден в изменении конструкции. В целом удалось исключить влияние человеческого фактора на процесс удаления порошка и повторяемость процесса.

Успешному развитию аддитивных технологий препятствуют ряд барьеров:
1.    Несовершенство нормативной базы.
2.    Малодоступность оборудования.
3.    Стоимость материалов.
4.    Низкая доступность программного обеспечения.
5.    Дефицит кадров.

За последние два года количество оригинальных номенклатурных позиций опытных образцов деталей двигателя, спроектированных и изготовленных с применением аддитивных технологий, достигло 160 единиц. За тот же период отработаны технологии синтеза с применением селективного лазерного сплавления, прямого лазерного выращивания заготовок, а также их постобработки и сборки агрегатов. Проведены автономные испытания опытных образцов детале­сборочных единиц (ДСЕ) двигателя. Спроектировано, изготовлено и успешно испытано экспериментальное изделие.

По итогу работ собран экспериментальный двигатель, в состав которого вошли корпусные элементы бустерно-­насосного агрегата, роторные элементы, крыльчатки, смесительная головка газогенератора, агрегаты регулирования, дроссель, рама двигателя.

В выступлениях всех участников поднимались вопросы внедрения аддитивных технологий для оптимизации производства, сокращения затрат и повышения эффективности, а также перспективные тренды развития отрасли. В особенности выступавшие четко обозначили две задачи: во‑первых, исключить зависимость от иностранных поставщиков оборудования; во‑вторых, разработать технологии аддитивных материалов и перейти к их собственному производству.

Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 6-2025