Один из первых опытов «Росатома» в аддитивных технологиях — напечатанные на 3D-принтере челюстно-лицевые импланты. Это изделия с очень сложной структурой: металл, с которым работает принтер, приобретает форму кости, с ее многочисленными порами и изгибами. Это, пожалуй, лучшая демонстрация возможностей аддитивных технологий, ведь классическим способом «вычитания» из материала подобное не создашь.
Напечатан уже ряд образцов таких имплантов — челюстно-лицевых и тазобедренных. Испытания доказали, что они приживаются на треть быстрее обычных; с ними гораздо комфортнее — они сделаны с учетом индивидуальных особенностей строения челюсти. Это лишь одно из направлений развития «Росатома» в области аддитивных технологий, но именно у него есть шансы быстрее дойти до серийного производства — сборка первых специализированных принтеров для печати имплантов уже ведется.
Качественный скачок
Аддитивными технологиями «Росатом» плотно и прицельно занимается уже несколько лет: в 2014 году госкорпорация выиграла грант Минобрнауки на разработку 3D-принтера, печатающего металлом по методу селективного лазерного плавления (SLM). Сами разработки в области аддитивных технологий на предприятиях, входящих в экосистему «Росатома», ведутся уже не менее двух десятков лет. Госкорпорация идет по пути диверсификации: ее стратегия предполагает, что новые бизнесы, не связанные с атомной энергетикой, к 2030 году должны обеспечивать не менее 30% общей выручки.
В конце 2017 года в рамках Топливной компании «Росатома» ТВЭЛ была создана компания-интегратор «Русатом — аддитивные технологии» («РусАТ»). Ее целью стало объединение компетенций всех компаний «Росатома» в смежных с аддитивными технологиями видах деятельности. «Целый ряд направлений в новых технологиях — а кроме аддитивных это создание накопителей энергии, возобновляемых источников энергии — стали заметным явлением в корпорации, претендующим на самостоятельность и определенную роль в структуре “Росатома”. Поэтому было решено систематизировать эту работу и придать ей понятную организационную форму. Выбрали именно модель создания интеграторов, которые должны консолидировать всю активность предприятий госкорпорации в определенных продуктовых направлениях. У “Росатома” есть ключевые компетенции, на которых строятся аддитивные технологии, своего рода три кита — лазерная техника, точная механика и порошковые технологии», — говорит вице-президент ТВЭЛ Андрей Андрианов. Речь идет об обширной географии участников интегратора: пуле из пары десятков предприятий, среди которых ЦНИИТмаш, РФЯЦ–ВНИИТФ, РФЯЦ–ВНИИЭФ, НПО «Центротех», ВНИИНМ и др. Они будут решать задачи, связанные с основными направлениями работы интегратора, такими как разработка программного обеспечения для аддитивных машин, производство 3D-принтеров и металлических порошков, а также оказание услуг по 3D-печати.
Рождение машин
На территории Московского завода полиметаллов (дочерняя структура ТВЭЛ) создается демонстрационная научно-технологическая площадка, где будут отрабатываться аддитивные технологии, а в будущем предоставляться услуги 3D-печати. Такие же аддитивные центры должны быть созданы в Новоуральске и Сарове.
В «Росатоме» разработана конструкторская документация для целой линейки принтеров разной мощности и построено несколько экземпляров таких машин. Как рассказал генеральный директор отраслевого интегратора в области аддитивных технологий ООО «РусАТ» Алексей Дуб, акцент сегодня делается на трех машинах: большой 3D-принтер с размером рабочей камеры 600 мм, базовая модель с камерой 300 мм и маленькая установка 160 мм.
«Мы три года назад доказывали, что нам нужна именно большая машина, — говорит Алексей Дуб. — Один из главных аргументов состоял в том, что большая площадь построения позволит печатать сразу несколько изделий и мы повысим производительность. А сейчас и все западные производители такого оборудования пошли тем же путем. При этом мы сразу стали производить принтеры, имея в виду, что это будут промышленные машины, а не исследовательские и научные».
Из существующих технологий аддитивной печати «Росатом» выбрал в качестве ключевой селективное лазерное плавление (SLM), где порошок металла слой за слоем обрабатывается лучом лазера, поэтапно формируя изделие. От машин западных производителей, таких как General Electric, SLM Solutions, EOS и других, принтеры «Росатома» отличает способность одновременно работать с двумя порошками при изготовлении одной детали, что расширяет их функциональные возможности и дает возможность комбинировать материалы. К тому же эти принтеры мультилазерные: на одну машину можно установить как один, так и три-четыре лазера.
В прошлом году в ТВЭЛ было принято решение, что главной площадкой по производству принтеров станет НПО «Центротех» в Новоуральске. По словам Алексея Дуба, с марта следующего года там начнется их выпуск.
Главные компоненты принтера будут российского производства. «Мы не ставим задачу делать все детали внутри своими силами, — подчеркивает Алексей Дуб. — Но в том, что касается лазерных систем и систем управления движением лазера, будем ориентироваться на собственные разработки “Росатома” и искать альтернативу классическим поставщикам». Так, если сейчас «Росатом» ставит на свои принтеры лазеры производства компании IPG, то в дальнейшем будут использоваться лазеры, созданные в федеральных ядерных центрах в Сарове и Снежинске. Пилотные образцы там уже разработаны. Промышленные лазеры будут поставляться и на внешний рынок, отмечает Андрей Андрианов.
Сейчас на аппаратах стоят американские и европейские контроллеры, ремонт которых может стать сложной задачей (вплоть до отправки их за границу). Ну а базовые элементы принтера, узлы, связанные с микромеханикой, и прочее будут закупать на открытом рынке. Конструкторская документация и дизайн — полностью российские. «Росатом» разрабатывает и программное обеспечение для создания цифровой модели изделия, а это важнейший элемент аддитивных технологий, обладая которым можно печатать детали, не привязываясь к конкретной модели принтера. Ориентация на ключевые элементы принтера отечественного производства позволит управлять себестоимостью машин.
«Самое важное, что с точки зрения точности, производительности и размеров рабочей камеры мы находимся на уровне лучших зарубежных компаний, а по цене доступнее — в полтора-два раза дешевле. Наша машина с расширенными возможностями по стоимости соответствует западной в базовой комплектации», — утверждает Алексей Дуб.
В НПО «Центротех» в Свердловской области создается опытно-промышленная установка по производству порошков из сплавов цветных металлов и нержавеющей стали. «Эти порошки будут иметь размер фракций от десяти до ста микрон, а полезный выход — не менее 55 процентов. Непростая задача, ведь машины ведущих мировых производителей постоянно развиваются и зачастую имеют превосходящие параметры», — говорит Андрей Андрианов.
Есть и другие конкурентные преимущества. Как объясняет Алексей Дуб, трехмерная печать — это задача в первую очередь материаловедческая. Созданная на таком принтере деталь имеет очень мало общего с порошком, с которым работает машина, со всеми его свойствами. Фактически свойства детали «выращиваются» прямо из порошка. «А поскольку мы в “Росатоме” знаем, что происходит с материалом и как управлять этим процессом, а не просто механически что-то “печатать”, то будем конкурировать в мире прежде всего за счет уникальных свойств изделий», — утверждает Алексей Дуб.
На российском рынке к принтерам «Росатома» уже появился устойчивый интерес, в частности со стороны автомобилестроителей. В мировом автомобилестроении аддитивная печать активно используется: по словам Алексея Дуба, BMW за последние пять лет напечатала миллион деталей. В целом договоренности о сотрудничестве у «Росатома» есть более чем с 70 крупными промышленными предприятиями — это в том числе предприятия «Роскосмоса», РЖД, энергетической сферы.
Как рассказал Андрей Андрианов, сформирована «дорожная карта» взаимодействия с «Ростехом» (где создан собственный центр аддитивных технологий). «Мы хотим стать для “Ростеха” важным партнером, что позволит применять наши знания и компетенции не только в атомной отрасли, но и в машиностроении», — говорит г-н Андрианов.
От челюстей до крыльчаток
Упомянутый выше проект по печати имплантов «Росатом» ведет совместно с научно-исследовательским центром Первого московского государственного медицинского университета имени И. М. Сеченова.
Как рассказывает Игорь Решетов, руководитель Центра онкологии Сеченовского университета, 3D-печать в медицине имеет глубокие корни — все началось еще в 1990-е годы, когда делались первые попытки использования массивов информации, получаемой при помощи спиральной компьютерной томографии. Таким образом появилась возможность «достраивать» в 3D-масштабе органы и ткани человека, а затем планировать восстановление дефектов с помощью различных типов заместительных материалов, в том числе имплантов, и собственных тканей. В 2000-е годы были предприняты попытки печати разными материалами: полимерами, металлами и др. — и даже пошли разговоры о клеточном принтинге. Появились технологические линии, где получали индивидуальные импланты, содержащие опорные элементы из мономатериалов — титана, полимера или их гибридов. По словам Игоря Решетова, Сеченовский институт имеет более пятнадцати лет опыта применения аддитивных технологий в разных видах — от планирования до литья индивидуальных имплантов. «Здесь наш опыт и интерес “Росатома” в развитии медицинского бизнеса сошлись вместе, и мы предприняли усилия, чтобы создать отечественную технологическую цепочку по производству индивидуальных имплантов», — говорит Игорь Решетов.
В первую очередь стали делать именно импланты для челюстно-лицевой хирургии, потому что в этой области особо важна «подгонка» изделия под индивидуальные особенности строения лица человека, чтобы после операции максимально сохранить индивидуальность его облика. Например, при изготовлении имплантов для тазобедренной области вопрос в большинстве случаев удается решить при помощи типоразмерных, шаблонных протезов.
Альтернатива «цифре» — изготовление импланта путем примитивной обработки грубыми инструментами прямо во время операции. Но это касается только пластика: металл таким образом не обработаешь.
Первые образцы имплантов уже прошли этап доклинических испытаний. Сейчас специалисты приступают к первой фазе клинического применения, которая должна завершиться к началу следующего года. А серийное производство, если все пойдет по плану, начнется в 2020 году.
Специально под потребности медиков в «Росатоме» сейчас создают новые вариации принтеров, которые будут компактными, чтобы при выпуске небольших изделий не происходило перерасхода металлического порошка. Такие машины можно будет размещать даже в медицинских учреждениях. «Неизбежно будут возникать вопросы, связанные с повышением скорости, нужны будут подгонки с целью минимизации размеров камер. Это уже вопрос технологии, который будет актуален, когда начнет формироваться серийное производство», — объясняет Игорь Решетов.
Кроме имплантов готовые изделия, произведенные с помощью аддитивной технологии, у «Росатома» уже есть и в других областях.
Андрей Андрианов приводит в пример напечатанные экземпляры малогабаритных газотурбинных установок для беспилотных летательных аппаратов либо для малой энергетики: «Главный эффект состоит в том, что аддитивная технология позволила нам кратчайшим путем решить изначальную задачу создания устройства с максимальной топливной эффективностью. Сегодня это одна из немногих высокотехнологичных энергетических установок, которая на 80 процентов массы будет состоять из деталей, произведенных аддитивным способом». Кроме того, напечатан элемент антидебризного фильтра — он устанавливается в атомный реактор, а также крыльчатка насоса для атомных станций — это довольно сложное изделие с многомерной структурой. Производство крыльчатки традиционным способом требует большого количества времени и энергоресурсов, а также большого расхода исходного материала. Аддитивная печать позволила ускорить производственный процесс и обойтись без множества корректировок. «Мы уже готовы серийно печатать элементы насосов, но пока ждем результатов испытаний, — говорит Андрей Андрианов. — Что же касается более сложных изделий, то, как показывает опыт, сертификационные испытания на серьезных энергетических объектах могут длиться до трех–пяти лет».
Разумеется, на рынке есть факторы, ограничивающие развитие 3D-печати. «Если отвечать на вопрос о препятствиях формально, то это отсутствие отраслевых стандартов, — говорит Алексей Дуб. — Хотя на самом деле это, скорее, нежелание производителей рисковать, отходя от привычных стандартов производства. Главным препятствием сегодня является консерватизм генеральных конструкторов, которым всегда проще выбрать некие референтные решения. Все говорят: мы лучше сделаем деталь попроще, но зато это будет надежно. Но при этом вперед прорываются компании с совсем другим, инновационным типом мышления». «Росатом» в этом ряду исключение, в госкорпорации главные конструкторы рассматривают направление аддитивных технологий как основное.
За год работы интегратора в видении дальнейшего развития произошли значительные изменения, рассказывает Алексей Дуб: «Если год назад в нашей стратегии предполагалось, что главной задачей будет продажа оборудования и порошков, то сегодня мы точно понимаем, что должны прежде всего оказывать услуги печати изделий и изготовления такого оборудования, которое нужно нашим потенциальным клиентам. Это и будет нашим основным источником дохода. Дело в том, что только комплексное решение позволит нам реализовать все свои преимущества и избежать большой конкуренции в поставках аддитивного оборудования и материалов для печати».
Уже в следующем году «РусАТ» должен получить выручку от нового аддитивного направления в размере нескольких сотен миллионов рублей — за счет работы аддитивных центров, продаж принтеров и порошков. К 2030 году она должна вырасти уже до 60 млрд рублей, а «Росатом» — занять 1,5% на мировом рынке аддитивных технологий.
