Песок и сталь: как металлурги печатают огромные детали на 3D-принтерах

Как развивается рынок аддитивных технологий

Российский рынок оборудования и услуг 3D-печати за последние несколько лет вырос в разы и достиг к 2022 году ₽4,5 млрд, сказано в Белой книге НИУ ВШЭ «Развитие отдельных высокотехнологичных направлений». Там также говорится, что в период с 2024 по 2030 год на территории России создадут серийное производство материалов и оборудования для 3D-печати, комплектующих и оборудования для постобработки изделий.

В итоге, прогнозирует Минпромторг, объем российского рынка аддитивных технологий к 2030 году достигнет ₽58 млрд руб.

Сейчас наибольший спрос на АТ предъявляют высокотехнологичные отрасли российской промышленности: авиастроение, аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение, двигателестроение, производство высокотехнологичных медицинских изделий, судостроение, энергетическое машиностроение, в том числе атомное. В последнее время аддитивные технологии все чаще применяют в металлургии.

Как металлурги используют аддитивные технологии

По словам руководителя направления «Аддитивные технологии» и исполняющего обязанности директора департамента технологических инноваций «Норникеля» Кирилла Ярцева, компания использует АТ для проектирования и создания узлов ключевого металлургического и насосного оборудования, распылительных систем. АТ помогают уйти от бумажных носителей и чертежей: все изделия сканируются и моделируются в цифровом формате. Технологии также позволяют проводить химический анализ и оптимизацию материалов.

«Это наукоемкие и кропотливые работы, но они дают возможность улучшить ключевые характеристики оборудования. Сейчас частично мы делаем прототипы, а частично речь идет уже о массовом производстве партиями от 50 штук. Наша цель — производить все изделия и узлы серийно. Мы фокусируемся на технологиях Binder Jetting и Selective Laser Melting, поскольку основные материалы для 3D-печати в металлургии — это песок и сталь», — комментирует Ярцев.

Технологии 3D-печати

FDM (Fused Deposition Modeling, или моделирование методом послойного наплавления) — самый простой и распространенный метод. Фактически FDM-принтер является термоклеевым пистолетом, которым управляет робот. Через горячее сопло проталкивается пластиковый пруток, он плавится и укладывается слоями. FDM используется в «Норникеле» для быстрой замены небольших и некритичных деталей.

BJ (Binder Jetting, или впрыск связующего вещества) — в металлургии эта технология используется для создания литейных форм из песка, поскольку песок обладает хорошей стойкостью к высоким температурам. Сначала с помощью лазерного сканера создаются объемный снимок и цифровая копия детали. Она разбирается на слои. Далее, в процессе печати на 3D-принтере, песок смешивается со связующим или клеящим веществом и укладывается в тонкий слой. После того как он затвердел, с ним связывают следующий слой. В результате получается форма, в которую можно залить металл. В «Норникеле» сравнивают технологию BJ c изготовлением леденцов на палочке. С ее помощью удается создать большие детали. Например, чугунная спиральная камера на насосную установку Надеждинского металлургического завода весит 500 кг, а бронедиск для Талнахской обогатительной фабрики — 313 кг. АТ значительно ускоряют время изготовления и поставки компонентов. Так, обычно бронедиск делают за 9–12 месяцев. 3D-печать сократила срок до трех месяцев.

SLM (Selective Laser Melting, или выборочная лазерная плавка) — печать непосредственно металлом с помощью лазерного спекания. Камера 3D-принтера заполняется инертным газом, например аргоном, чтобы минимизировать окисление металлического порошка, а затем нагревается до оптимальной температуры. Металлический порошок распределяется по платформе. Затем мощный лазер проходит по заранее заданной траектории, спекает вместе металлические частицы и создает слой. Платформа опускается, и формируется новый слой. Процесс повторяется до готовности детали.

Как аддитивные технологии влияют на импортозамещение

С 2022 года российские компании работают в сложных условиях: логистические цепочки нарушены, многие западные игроки перестали поставлять компоненты в РФ. Новая экономическая реальность делает 3D-печать одной из ключевых технологий для процесса импортозамещения. Компании занялись реверс-инжинирингом — исследованием и сканированием деталей и компонентов в целях создания аналогов.

По оценке Кирилла Ярцева, АТ и реверс-инжиниринг играют важную роль в импортозамещении. По его словам, произвести нестандартную деталь для испытаний всегда удобнее по технологии 3D-печати. Далее можно оптимизировать ее или изменить геометрию в соответствии с требованиями конкретного заказчика.

Руководитель направления «Аддитивные технологии» и исполняющий обязанности директора департамента технологических инноваций «Норникеля» Кирилл Ярцев: «В настоящее время компания «Норникель» активно начала работать в направлении импортозамещения, и одним из ключевых инструментов стали аддитивные технологии. Они уже помогли нам успешно заместить в производстве ряд деталей импортного производства — например, крейцкопф одного немецкого насоса, участвующего в перекачке никелево-медного концентрата из обогатительной фабрики на металлургический завод. Мы стали первой компанией в России, которая сделала настолько сложную деталь. На этом мы не остановились и уже сейчас работаем над импортозамещением современных футеровок для мельниц обогатительных фабрик».

К чему приведет развитие аддитивных технологий в России

С 2024 по 2030 год развитие рынка аддитивных технологий в России будет сопровождаться запуском центров АТ, специализирующихся на производстве изделий и предоставлении инжиниринговых услуг, а также открытием научно-исследовательских и испытательных лабораторий, прогнозируют в НИУ ВШЭ. Также ожидается разработка национальных стандартов в области АТ и внедрение новых образовательных программ.

Кирилл Ярцев считает, что массовое внедрение АТ кратно ускорит производственный процесс и кардинально изменит методологию управления машиностроением: уйдет оборот чертежей и любых бумажных носителей, производство будет занимать значительно меньше времени, а коэффициент использования материалов возрастет. «С экономической точки зрения АТ — не самая дешевая технология, но на наших пилотах мы видим экономический эффект, затраты на производство снижаются», — добавляет он.

На горизонте двух-трех лет большая часть компаний в России так или иначе соприкоснется с аддитивными технологиями, прогнозирует Кирилл Ярцев. А форму взаимодействия с АТ — создание собственного центра или же партнерство с игроком на рынке — каждый бизнес выберет для себя сам.