Уже в этом году Объединенная судостроительная корпорация (ОСК) планирует получить первую аддитивную машину отечественного производства. О том, как ОСК намерена внедрять аддитивные технологии, «Эксперту» рассказал вице-президент по техническому развитию корпорации Дмитрий Колодяжный.
— Мы — отрасль, которая работает в основном с металлом. Поэтому для нас и аддитивные технологии на современном уровне развития — это в первую очередь все, что связано с созданием изделий из металла.
Вашему журналу знакома фамилия Туричин, Глеб Андреевич. (См. «Русский аддитивный прорыв», № 12 за 2017 год. — «Эксперт») Для нас это ректор нашего профильного вуза — Корабелки. С другой стороны, я знаком с ним как с одним из мировых ученых в области лазерных и сварочных технологий. Поэтому внедрение в нашей отрасли аддитивных технологий я тоже связываю с его фамилией.
Это человек, который уже реализовал возможность применения аддитивных технологий в том формате, который нам как отрасли интересен. Сейчас на рынке существует достаточно большое количество оборудования, которое позволяет выращивать очень сложные, очень качественные изделия, но размером с кулак. Классический пример: сейчас для двигателей ПД-14 ряд деталей ВИАМ выращивает именно методом аддитивных технологий. Технология там востребована, изделие с такими деталями проходит летные испытания.
Мы же в основном работаем с деталями больших размеров. У нас габариты изделий судового машиностроения иногда измеряются метрами. Поэтому там, где мы видим использование аддитивных технологий, не всегда применимы машины с небольшой рабочей зоной, которые сегодня представлены на рынке. Сейчас размер рабочей зоны в среднем составляет не более 50 на 50 на 50 сантиметров. Это не совсем то, что нам нужно.
— А вам нужно…
— Нам нужны размеры от метра и больше. Установка Туричина не имеет ограничений по размерам выращиваемой детали. Размер деталей, получаемых при помощи этой технологии, определяет система перемещения лазерной головки, которой может быть, например, обыкновенный робот, а они бывают с очень большой рабочей зоной.
Нам интересен в первую очередь металл. Работа со специфическими сплавами, особенно титановыми, требует защитной среды. У этой машины есть защитный герметичный кожух, выращивание идет в среде защитного газа, есть система охлаждения, что позволяет работать десятками часов, выращивая очень сложные и очень большие изделия.
То, что сделал Глеб Андреевич, нас вполне устраивает, и за его технологией гетерофазного порошкового лазерного выращивания мы видим будущее.
— И где вы видите ее применение?
— Первое изделие — это, конечно же, винт. Мы сейчас делаем достаточно качественные винты, которые находятся в жесткой конкуренции с западными по себестоимости. Чтобы сделать качественный, конкурентный винт, нужно иметь очень точную заготовку, для производства которой нужна очень точная форма для литья. Заготовка в данном случае — это отливка огромных размеров: от 0,6 метра для подруливающих винтов и до 8 метров для основных винтов, то есть это заготовка с хорошую комнату.
Технологии для изготовления форм у нас достаточно старые. Чтобы «компенсировать» эту технологическую отсталость, мы закладываем увеличенные допуски на механическую обработку и получаем заготовку, которая заведомо требует очень большой последующей станочной обработки. В результате мы получаем качественный винт, но из-за сложности и длительности его доработки он становится более дорогим, чем у наших западных конкурентов. Используя аддитивную технологию, мы можем создать пустотелую конструкцию с очень точной геометрией, с толщиной стенки приблизительно 0,8–1,0 миллиметра, которая будет основой литейной формы. Дальше эта основа для фиксации засыпается формовочной смесью и в нее заливается металл. Технология позволяет получить отливку с допусками буквально в два-три миллиметра, которая после обработки превращается в высококачественный, конкурентоспособный винт. Тестовый образец такой формы мы уже сделали. Она показала возможность получать точную геометрию за значительно меньшие деньги. Если же говорить о качестве металла, получаемого по этой технологии, то он не просто превосходит стандартную отливку, свойства приближаются к кованым изделиям.
— А почему бы сразу по аддитивной технологии не выращивать сам винт, минуя этап с выращиванием формы и с ее последующей заливкой?
— Это как раз следующая возможность. Сегодня уровень развития аддитивных технологий позволяет вырастить цельный винт, но это будет экономически не сильно эффективно из-за стоимости порошка. Он еще достаточно дорогой. Сейчас аддитивные технологии направлены на замещение очень сложного литья и очень сложной механической обработки.
— То есть речь идет о штучных изделиях?
— Да, пока о штучных. Постепенно, с ростом применения самой технологии, ростом номенклатуры деталей, изготавливаемых с ее помощью, ростом объемов потребления порошка и ростом объемов его производства, сам порошок будет дешеветь, и, как следствие, будет снижаться и себестоимость в аддитивном производстве.
Однако с точки зрения производства подруливающих винтов уже сейчас есть весомый экономический эффект и перспективы для применения этой технологии. Объясню почему. Чем тяжелее винт, тем больше у него момент инерции, а при подруливании очень важна возможность обеспечения быстрых остановок винта и включения режима обратного вращения.
— Реверса?
— Да, реверса. Поэтому для подруливания масса винта играет важную роль. И здесь можно применить бионический дизайн. Заимствовать решения, заданные самой природой, для внедрения в технику.
Классические примеры бионического дизайна из мира природы, которые часто приводятся, — это клюв дятла или ряд костей в скелете человека. Все они пористые внутри, при этом достаточно жесткие и упругие. Посмотрите, какие нагрузки несет скелет или как эта птичка справляется с древесиной. Сегодня компьютерные технологии позволяют не просто проектировать пористые структуры, а создавать расчетно-смоделированные микроферменные структуры, которые позволяют кратно снизить массу и при этом не потерять в нужных нам свойствах.
До недавнего момента был вопрос, как изготовить такого рода изделия. Технология гетерофазного порошкового лазерного выращивания вполне позволяет это делать. Причем возможно выращивание в любом направлении, а не только снизу-вверх, как в классических аддитивных технологиях.
— Послойно…
— Да, послойно. А здесь, так как частицы подаются в струе воздуха под небольшим давлением, то нет разницы, в каком направлении выращивать изделие. Это дает возможность либо уменьшить количество оснастки (технологических поддержек), либо вообще уйти от них. Допустим, винт. Это, по сути, втулка, к которой прикреплены несколько лопастей сложной геометрической формы. Выращивать лопасть можно под углом, тем самым не организовывая вертикальные поддержки, которые были бы, если выращивать этот винт классической послойной технологией.
Следующее значимое применение этой же технологии для нас — судоремонт. Судоремонтные технологии открывают для нас огромные перспективы по увеличению выручки и по привлечению новых клиентов. Я не открою тайны, что многие судовладельцы, особенно частные, считают деньги, затраты на эксплуатацию судна и работы, связанные с его ремонтом. Поэтому для собственников важен выбор между заменой износившейся детали на новую или восстановлением старой. При помощи технологии гетерофазной лазерной металлургии открываются огромные перспективы по восстановлению судовых деталей. Например, валы и валолинии, которые изнашиваются и которые можно наплавить, а затем обработать.
— Технология лазерной наплавки валов давно используется, с конца девяностых, по-моему…
— Здесь важен вопрос цены обработки. Да, вал — это классическое тело вращения. И понятно, что существуют технологии наплавки проволокой, электродами. Это давние технологии. Но есть изделия, где нужно восстанавливать очень сложную геометрию, причем там геометрия второго и более высоких порядков, если говорить о поверхностях. Берем то же самое восстановление винтов. Это сложные поверхности, и новая технология позволяет во многих случаях не просто восстанавливать какую-то зазубрину, а вплоть до того, что доращивать часть лопасти. Мы проводили исследования, которые демонстрируют очень хорошую адгезию с основным материалом винта.
Что еще интересно, в основе технологии лежит лазерный луч. Лазерный луч для нас — это ряд сопутствующих гетерофазной металлургии технологий, которые в одной установке позволяют производить ряд других операций либо с выращиваемым, либо с ремонтируемым объектом. Мы понимаем, что любое увеличение производительности при аддитивном производстве кардинально снижает качество поверхности: шероховатость растет. Но здесь можно найти баланс при отработке технологии. Быстро выращенное изделие можно доработать, используя технологию лазерной шлифовки, то есть следующим проходом луча просто загладить часть шероховатостей.
Мощности лазера хватает, чтобы обеспечивать и резку, и сварку, и наплавку, и выращивание. Лазер, обеспечивающий все эти технологии, один и тот же.
— Но головку меняем?
— Нет. Меняем режим или управляющую программу, то есть отключается подача порошка, а дальше вступает в действие работа самого лазерного луча.
Но и это еще не все. Рассмотрим аналогию с черно-белым и цветным струйным принтером. Что такое черно-белый принтер? Есть один тип чернил — черный, который подается в форсунку, а она, перемещаясь, формирует изображение на листе бумаге. Что такое цветной принтер? Это несколько типов чернил. Они подаются из картриджей в форсунки, и те формируют уже цветное изображение. Точно так же и эта установка может в дальнейшем использовать сразу нескольких типов порошков. Это дает два типа возможностей.
Первый рождается при дискретном управлении подачей каждым типом порошка по принципу «есть порошок — нет порошка». Второй тип получается при плавном управлении подачей каждого типа порошка, по сути говоря, подмешивании одного порошка в другой в той или иной пропорции.
В первом случае можно получить «скелетные» конструкции, где «скелет», или остов, изделия из одного материала, а тело, обладающее некими другими свойствами, сделано из другого материала.
При плавном регулировании этого процесса мы можем получать изделия с градиентными свойствами, что само по себе уникально. Поэтому в будущем, я надеюсь, вопрос, из какого материала сделана эта деталь, потребует дополнительного уточнения: в каком месте?
Приведу пример из той же авиации, точнее, авиационного двигателестроения. Можно сделать лопатку двигателя, у которой замковая часть сделана из материала, обеспечивающего ее надежное крепление. Дальше, добавляя в основной материал лопатки (например, титан) алюминий, можно сформировать перо лопатки из интерметаллида титана, тем самым снизив почти вдвое вес детали и обеспечив при этом те же самые прочностные свойства. Вариаций использования нескольких материалов при выращивании очень много. Поэтому детали с градиентными свойствами — это тоже будущее аддитивных технологий.
— Если говорить о применении новой технологии для изготовления винтов — при выращивания литейной формы для получения заготовки или выращивании самого винта, — вы просчитывали, насколько быстрее и дешевле получается результат относительно традиционной технологии?
— Просчитывали. Получается практически двукратное снижение цены. Но опять же, винт винту рознь. Если говорить о сложных винтах (для ряда военных изделий и так далее), естественно, тут значительное снижение. Если говорить о подруливающих винтах, то помимо снижения себестоимости речь идет об улучшении свойства всего изделия: судно становится более маневренным.
— Это вы имеете в виду винт, выращенный с применением бионического дизайна?
— Конечно. Эта технология, помимо формального подхода к формированию заготовки, открывает целый ряд возможностей по созданию изделий с уникальными механическими свойствами, которые ранее были недоступны. Я опять-таки не открою тайны, что для подводной тематики очень важна малошумность. Работая с различными вариациями расчета полостей, можно достичь оптимального снижения шума при работе винта.
Открывается целый ряд новых возможностей, которые ранее были недоступны. С развитием технологии, которое я вижу в перспективе на три-пять лет, произойдет переход от однокомпонентных аддитивных машин к многокомпонентным.
— Когда у вас появится первый аддитивный принтер?
— Я надеюсь, что в следующем году у нас уже будет аппарат, который позволит выращивать изделия. Сразу не будем замахиваться на какие-то глобальные вещи, хотя изделия до двух метров мы вполне можем выращивать. Сначала нужно будет отработать технологию и материалы (порошки), провести сертификацию.
— Какой бюджет вы закладываете под это направление?
— Я могу сказать так: в этом году мы проверили возможность применения этой технологии. Она отлично работает и позволяет выращивать не только тела вращения, но и сложные геометрические поверхности. Я думаю, что начиная со следующего года мы будем, направлять несколько десятков миллионов в год на доработку этой технологии: исследование интересующих нас материалов, отработку режимов выращивания и так далее.
— Сколько вам понадобится времени, чтобы выйти на промышленное производство, пройдя испытания, эксперименты с порошками и так далее?
— Я думаю, год-полтора.
— Не отстанем от наших зарубежных партнеров?
— Нет, по моей информации, мы даже немного опережаем наших западных коллег. И для нас, и для них важна стабильность технологии и постоянство получаемых свойств. Все это прямым образом влияет на безопасность эксплуатации кораблей и судов, а безопасность превыше всего не только у нас, но и на Западе. Сейчас все машиностроительные рынки, будь то авиация, судостроение и так далее, глобальны. Приходится конкурировать именно с западными компаниями, а требования везде достаточно жесткие. Внедряя аддитивные технологии прямого выращивания, мы выполняем ряд основных задач, стоящих перед отраслью: снижение себестоимости и сокращение времени строительства кораблей и судов.
