Космос уходит в печать

«Аддитивные технологии» – синоним «3D-печати», но второй термин чаще используется в быту, а первый – в контексте промышленного производства. Так называют способ изготовления трехмерных объектов путем последовательного добавления материала с помощью 3D-принтеров. В промышленности такие технологии применяют не только для пластиковых прототипов отдельных узлов и компонентов, но и для изготовления реальных деталей – из жидкого, порошкового или листового материала послойно создают полноценные комплектующие для самолетов, спутников и других машин.

Послойное наплавление материала позволяет создавать облегченные и при этом прочные детали с внутренними каналами охлаждения, отказаться от болтов и сварки и примерно на 20% уменьшить вес двигателя.

Добавляй, а не вырезай

3D-принтеры позволяют выпускать детали быстрее и экономичнее, чем при применении литья, штамповки или ковки, подтверждает Эдуард Васильев из Академии наук Татарстана в статье «Тенденции и меры поддержки развития аддитивных технологий». 3D-печать деталей сокращает производственный цикл в 10 раз по сравнению с литьем – примерно с 60 до шести дней. Доля годных изделий, т. е. тех, что соответствуют стандартам качества, при этом увеличивается с 40 до 100%, отмечает ученый. Такой переход повышает производительность предприятия в 25–30 раз, резюмирует он.

Нацпроект «Средства производства и автоматизации» как драйвер

Мировая индустрия аддитивного производства за прошлый год выросла на 9,1% до $21,8 млрд, утверждает в выпущенном в 2025 г. отчете консалтинговая фирма Wohlers Associates. Наиболее активно этот сектор развивается в США, на долю которых приходится 34,5% мирового производства, далее следуют Германия с 9% и Китай с долей 8,7%, отмечает Васильев.

Объем российского рынка аддитивных технологий (оборудование, программное обеспечение, материалы, производство по запросу) в мировом масштабе невелик, но стремительно растет. С 2022 по 2023 г. он увеличился на 60,1% до 15,5 млрд руб., говорится в исследовании рынка, опубликованном в журнале «Полимерные материалы» (6+). В работе указано, что крупнейший сегмент рынка – 3D-принтеры (6,9 млрд руб.) – вырос на 76% в 2023 г., а продажи материалов для печати (3,4 млрд руб.) – на 45,8%. Санкции и уход западных поставщиков способствовали развитию внутреннего производства, отмечают авторы исследования: если в 2021 г. доля отечественных производителей оборудования и материалов составляла 54%, то в 2023 г. она достигла 70%.

Развитие аддитивных технологий имеет мощный экономический и технологический эффект, говорится в государственной стратегии развития аддитивных технологий до 2030 г., принятой правительством в 2021 г. Применение технологий 3D-печати поможет российским предприятиям выпускать продукцию быстрее и дешевле, повысит качественные характеристики и объемы выпуска, отмечают авторы документа. Оптимистичный сценарий инновационного развития отрасли предусматривает рост рынка до 58 млрд руб. в 2030 г.

В России аддитивные технологии развиваются при поддержке национального проекта «Средства производства и автоматизации». Им предусмотрены меры государственной поддержки, направленные на поддержку НИОКР, развитие инфраструктуры и стимулирование спроса, в том числе на аддитивное оборудование. Нацпроект предусматривает и создание единой отраслевой базы данных, которая будет содержать информацию об уровнях свойств синтезированных материалов, полученных с применением различных аддитивных технологий.

Меньше масса – выше скорость

«Наша компания вносит свой вклад, проектируя и изготавливая различные элементы и сборочные единицы для аэрокосмической отрасли», – рассказал «Ведомости. Инновациям и технологиям» генеральный директор АО «Центр аддитивных технологий» Алексей Мазалов. Центр аддитивных технологий (ЦАТ), который специализируется на развитии 3D-печати, создан в Объединенной двигателестроительной корпорации (ОДК) госкорпорации «Ростех».

Предприятия ОДК «Ростеха» начали разрабатывать и внедрять аддитивные технологии более 20 лет назад, сообщала госкорпорация. Сейчас у созданного в 2018 г. ЦАТ более 30 установок селективного лазерного сплавления и спекания, стереолитографии и моделирования методом послойного наплавления. Вся производственная цепочка работает преимущественно на отечественном сырье из никеля, титана, алюминия и других материалов.

Один из примеров внедрения 3D-печати – это изготовление элементов двигателя ПД-8 для ближнемагистрального пассажирского самолета «Суперджет». Более десятка деталей ПД-8 делают серийно на рыбинском предприятии «ОДК-Сатурн», сообщают в ЦАТ. Аддитивные технологии позволили создавать детали сложной геометрии, которые невозможно реализовать традиционными методами, в частности литьем или механической обработкой (вытачиванием и выпиливанием).

По данным ЦАТ, спрос на аддитивные решения в авиационной промышленности растет. Если в авиадвигателе ПД-14 применяется только одно наименование детали, изготовленной аддитивным способом, то в двигателе-демонстраторе большой тяги ПД-35 – уже 65 наименований и более 2300 деталей.

«Внедрение технологий 3D-печати сокращает срок изготовления деталей, способствует внедрению новых конструкторских решений. Эти преимущества позволили в заданные сроки создать двигатель-демонстратор ПД-35», – рассказал Мазалов.

Для удовлетворения спроса со стороны авиа- и двигателестроителей реализуется стратегия развития аддитивных технологий до 2030 г., в рамках которой ЦАТ планирует расширить парк оборудования российскими установками, сформировав единую технологическую платформу.

«На горизонте ближайших пяти лет мы видим «Ростех», и ЦАТ в частности, лидером в области контрактного аддитивного производства для авиационного двигателестроения, аэрокосмической отрасли и российской промышленности в целом», – отметил Мазалов.

Большой диаметр – большие перспективы

Другой знаковый пример от участников нацпроекта – технология послойного выращивания крупногабаритных деталей из магниевых сплавов от пермского производителя 3D-принтеров xWeld. Сплавы магния ценят в авиационной и космической промышленности – они легкие и прочные, но выпускать детали из них сложно из-за воспламеняемости металла. Сначала xWeld экспериментировала с немецкой магниевой проволокой диаметром 1,6 мм, а потом разработала собственную, более экономичную схему для работы с отечественным сырьем – проволокой диаметром 3 мм и более.

«Мы добились результата, который, насколько нам известно, не имеет аналогов: возможности выращивания магниевых заготовок с использованием проволоки большого диаметра и плазменной наплавки. Это особенно важно, учитывая, что традиционное литье магниевых сплавов – процесс дорогой, сложный и опасный», – рассказывает «Ведомости. Инновациям и технологиям» руководитель проекта Пермского национального исследовательского политехнического университета, директор компании xWeld Дмитрий Трушников.

По его словам, проект уже прошел первую стадию: подтверждена возможность формирования заготовок и получены предварительные результаты по механическим свойствам. Следующий этап – серийное производство 3D-принтеров для работы с магниевыми сплавами и паспортизация материалов для использования в ракетной технике.

Стартап xWeld был создан как малое инновационное предприятие при Пермском политехе. Изначально оно занималось проектами в сфере лазерной и электронно-лучевой сварки, но в 2016 г. сделало ставку на гибридно-аддитивные технологии. «Мы увидели, что в стране открывается новая, практически незанятая ниша – аддитивное выращивание крупногабаритных деталей из проволоки», – вспоминает Трушников. Со временем к проекту присоединился пермский инжиниринговый партнер «Инкор», взявший на себя сервис, логистику и внедрение 3D-установок на производстве заказчика. Это позволило xWeld перейти от стадии НИОКР к полноценному коммерческому проекту – производить и продавать роботизированные промышленные 3D-принтеры.

По словам разработчиков, их метод в разы сокращает сроки производства. Если традиционное литье требует до полугода на подготовку и изготовление оснастки, то xWeld за несколько дней наплавляет крупногабаритную заготовку (это могут быть детали фюзеляжа, колес или кронштейнов самолета, элементы промышленных станков или детали буровых установок). Полный цикл, включая закупку материалов и механическую обработку, занимает около месяца.

При фрезеровке из цельной болванки более 80% материала уходит в стружку, а применение аддитивных технологий позволяет печатать заготовку, которая почти полностью соответствует вытачиваемой детали, – это сокращает время механической обработки в несколько раз, говорит топ-менеджер xWeld.

Участие в нацпроекте «Средства производства и автоматизации» позволяет компании не только усиливать собственное производство, но и интегрироваться в федеральную программу развития робототехники, выстраивать новые связи и предлагать российским предприятиям полностью отечественные решения, добавляет Трушников.