Что подразумевается под переходом от аддитивных технологий к аддитивному производству? Что нужно сделать, чтобы осуществить этот переход? Может сложиться впечатление, что эти вопросы применительно к российскому авиапрому пока висят в воздухе с точки зрения широты и глубины внедрения. Данной теме посвятил свое выступление на форуме «Инновации. Технологии. Производство» в Рыбинске Александр Корсунский, профессор Сколтеха и ведущий ученый Центра аэрокосмических материалов и технологий (ЦАКМиТ) ПИШ МАИ. Сфера его интересов и исследований лежит в области веществознания в широком смысле, а также непосредственно связана с расширением применения аддитивного производства металлов. В этом интервью профессор Корсунский предложил основные условия и критерии такого перехода.

Чем отличается применение аддитивных технологий от аддитивного производства?

В своем выступлении я подчеркнул различие между аддитивными технологиями и аддитивным производством. Для этого есть несколько существенных причин. Сейчас на российском рынке присутствует огромное количество устройств для аддитивного производства от западных и восточных производителей, которыми обзавелись различные центры аддитивных технологий и используют их для 3D-печати. Это модно, актуально и административно востребовано: сверху идет команда «внедрять!». Однако на практике деятельность таких центров часто сводится к суетливому поиску инфоповодов и эпизодических договорных услуг, а не к серьезной систематической работе по разработке и внедрению стратегически обоснованных подходов. 

Если служебные свой­ства сводятся к геометрии изделия, свой­ствам поверхности, внешнему виду — решение таких задач оказывается довольно простым и быстро находит применение. Однако это относительно дешево не ведет к масштабированию экономического эффекта, которое полностью оправдывает капиталовложения.

К­огда-то в начале двухтысячных годов, когда мы начинали работать над этой темой в Оксфорде, мои коллеги из Rolls-­Royce говорили: «Мы попали во власть геометров-модельеров». Под этим они имели в виду, что во всем процессе превалировала геометрия: если получилось ее воспроизвести, то и замечательно! На самом же деле при использовании любой технологии металлообработки конструктора интересует не только ее форма, но прежде всего то, как деталь устроена внутри. Даже если аддитивная технология может добиться нужной формы детали, это не значит, что деталь пригодна для производства, особенно серийного. Для этого необходимо обеспечить внешнюю и внутреннюю геометрию, отсутствие дефектов, микроструктуру зерен, а также необходимые механические свой­ства: статическую прочность, усталостный ресурс, ударную прочность и многие другие параметры, оговоренные в условиях специальной квалификации традиционно изготовленных деталей.

Для того чтобы аддитивные технологии стали основой систем аддитивного производства, необходимо добиться обеспечения надежности служебных свойств изделий. 

Итак, для превращения аддитивных технологий в аддитивное производство необходимо сосредоточиться на обеспечении служебных свой­ств. Следует определить, какие из них мы хотим получить: какими параметрами прочности, жесткости, долговечности, износостойкости должна обладать деталь. Мы должны перечислить эти параметры, а потом проследить путь производства до финального продукта, на всех этапах обеспечить оптимум, чтобы свой­ства были не ниже заданных. Результат такой работы заслуживает называться производством, а не просто эпизодическим использованием ­кем-то разработанной технологии. Возникает правомерный вопрос: зачем такое количество людей и компаний разрабатывают принтеры для 3D-печати, покупают их, что-то с их помощью печатают, если мы не успели договориться, каким образом мы будем добиваться обеспечения служебных свойств? 

На Западе каждый разработчик самолета, двигателя решает эту задачу по-своему: это хоть и дорого, но приемлемо для больших конкурентных рынков. Росту крупных западных компаний производителей планеров и двигателей особенно помогли возможности масштабирования их производства в течение последних тридцати лет, когда советский авиапром так «своевременно» освободил место. Например, компания GE (производитель авиадвигателей) разработала внутренние технологические требования, сформулировала методику их соблюдения при производстве и строго ее придерживается. Это стало возможным потому, что для них основным критерием качества производства была и остается прочность детали.

В России мы пытаемся развить аддитивное производство в условиях, когда есть свои ограничения и особенности: мы это делаем в условиях ограниченных ресурсов и небольшого рынка. Это значит, что параллельно или повторно разрабатывать одни и те же подходы к внедрению аддитивного производства деталей в разных КБ потребует слишком больших затрат денег и времени. Нужен скоординированный единый подход, который был бы доступен всем отечественным разработчикам и производителям. 

В существующей практике испытания и квалификация прочности проводятся на уровне планера или двигателя в целом, а не на уровне детали. Поэтому для конструктор оказывается проще придерживаться традиционных методов производства — ведь ему никто не предоставил инструкции, как правильно провести расчет узлов с аддитивно произведенными деталями. Очевидно, что неправильно закладывать свой­ства материала, полученные испытаниями проката или поковки, — но тогда как?

На мой взгляд, нужно формулировать целевые показатели служебных свой­ств деталей, проводить их специальную квалификацию, строить цифровые карты прочности и их использовать при проектировании. Фундаментальная работа над научно-­техническим заделом в этой области уже ведется в рамках крупного научного проекта МАИ «Расчетно-­экспериментальная корреляция», но над внедрением новых подходов в практику еще предстоит потрудиться.

Может быть для начала надо понять, какие возможности могут дать аддитивные технологии?

Оценить возможности, которые могут дать аддитивные технологии, на первый взгляд, нетрудно — но важно отделять зерна от плевел. Например, в новостях была история про шведскую компанию, которая целиком напечатала ракету и запустила ее в космос. Это хайп: получили ­где-то денег и на уровне компании красиво о себе заявили. Один раз смогли — замечательно. Но гораздо важнее сделать этот процесс продолжительным, экономически устойчивым. Экономическая устойчивость достигается различными способами. Почему, например, SpaceX Илона Маска, на которого NASA переложило ответственность за космические разработки (вместе с большим количеством денег), смогла добиться значительных успехов и их воспроизводимости? Это пример правильного инженерного подхода, который стал возможен потому, что Илон Маск не только гениальный менеджер и маркетолог, который знает, как продать свои идеи и достижения, но и технически образованный руководитель. А иначе получаются лишь единичные вспышки в новостях о том, что ­кто-то там ­что-то еще напечатал, — на это даже не стоит обращать внимания. 

Люди готовы многое сделать, чтобы покрасоваться и продвинуть повестку, но это редко меняет реальную картину вещей на производстве.

А что делать? С чего начать?

Всем известно, что АТ дают невероятную гибкость с точки зрения проектирования, быстрого перехода от цифровой модели к физическому объекту. Но, если вы хотите не только быстро менять модель, но и переходить к производству, то необходимо пройти через все этапы обоснования надежности продукции.

В тот момент, когда вы напечатали первую демонстрационную деталь с правильной геометрией и поверхностью, у вас появляется потенциал использования ее в производстве, но путь к реализации еще ожидает проработки. В перспективе, когда этот путь будет проделан неоднократно, корреляции найдены и реализованы в алгоритмах машинного обучения, тогда станет возможным использовать критические преимущества АТ: не менять на заводе линию, оснастку, все формы, а просто печатать видоизмененное или новое изделие. Но без детальной проработки корреляций невозможно использовать опыт демонстрационной печати для использования в серийном производстве. 

Преимущества АТ на текущий момент не реализованы потому, что нужно научиться мыслить не краткосрочными задачками, а среднесрочными и долгосрочными программами развития на средних и верхних уровнях готовности технологий.

Недостатком АТ по сравнению с другими технологиями также называют стоимость. Но ведь низкая стоимость традиционных методов производства, например штамповки, связана с тем, что штампуются миллионы штук. Если же не нужны миллионы, то расчет нужно проводить иначе. Да и с точки зрения использования материалов одно дело купить болванку размером в кубический метр и отрезать от нее 95% материала, что неэффективно, а другое — использовать 3D-печать, при которой расход материалов значительно меньше. Для всех этих аспектов должны быть разработаны шаблоны расчетов, основанные на конкретных примерах, которые помогут обосновать выгоду от внедрения АТ в серию.

Системный подход необходим, но сложиться в России он сможет только тогда, когда его безальтернативность поймут в руководстве министерств и ведомств. Поменьше формальной отчетности, побольше желания разобраться в существующих проблемах, найти пути их решения и добиваться их исполнения. 

Возможно ли и надо ли говорить о системном подходе развития АТ в России или все определит рынок?

Рынок — дело хорошее: он требует определенной честности подхода, так как отвергает все наносное и искусственно навязанное. Но рассчитывать, что рынок сам сформирует видение будущего и стратегию движения к нему, так же наивно, как полагать, что бессмертная обезьяна с пишущей машинкой ­когда-­нибудь напечатает «Вой­ну и мир»! 

На мой взгляд, в авиакосмической отрасли интегратором подходов в области АТ может выступить Передовая инженерная школа МАИ — ведь ее raison d'être как раз и состоит в том, чтобы развивать новый технологический уклад, помогать внедрять его в практику и воспитывать новое поколение инженеров, способных реализовать его на местах. Этому способствует ключевая роль МАИ как научно-­образовательного и исследовательски-­конструкторского «хаба» этой отрасли в России и существующие там заделы по созданию баз данных, знаний и экспертизы, которые уже сегодня активно используют большинство профильных отечественных организаций. ■

Автор: Татьяна Карпова

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 4-2024