Евгений Каблов: Новые материалы и технологии — основа технологического лидерства
Разработка и производство новых образцов авиационной и ракетно-космической техники всегда были неразрывно связаны с внедрением новых материалов, созданных на основе инновационных технологий. Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ) с самого момента своего создания в 1932 году был и остается ведущим отечественным научным центром в области материаловедения. ВИАМ разрабатывает материалы, позволяющие реализовать самые смелые инженерные проекты, от которых зависит не только технологическое лидерство, но и безопасность нашей страны.
Сейчас мир стоит на пороге научно-технической революции – перехода к новому, шестому технологическому укладу, в котором материалам нового поколения, в том числе и с особыми свойствами, отводится ключевая роль. Это подтверждается тем фактом, что разработка материалов нового поколения и способов их конструирования – один из основных приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации. А одним из столпов, на котором будет строиться шестой технологический уклад, да и экономика новой формации – «экономика знаний», будут, по мнению Генерального директора ВИАМ, академика РАН Евгения Николаевича Каблова, аддитивные технологии.
Аддитивные технологии – центральный элемент системы
Евгений Николаевич, почему аддитивным технологиям вы придаете такое большое значение?
В настоящее время технологическое лидерство развитых стран обеспечивается прорывными технологиями и последующим выводом на рынок инновационной продукции, а основным источником роста экономики этих стран является производство знаний и высоких технологий. Особенность сегодняшних реалий такова, что конкурентоспособность достигается не только и не столько высоким качеством предлагаемого продукта, сколько скоростью вывода инновационной продукции на рынок, для чего необходимо максимально сокращать срок «от идеи до изделия». И аддитивное производство, изначально разрабатывавшееся как технология быстрого прототипирования, как нельзя лучше для этого подходит. Без аддитивных и цифровых технологий, без широкого применения моделирования, компьютерного проектирования, использования новых материалов мы не сможем обеспечить конкурентоспособность нашей промышленности.
Если мы упустим этот момент, у нас не будет возможности создать мощную оборонную и гражданскую промышленность и в ближнесрочной перспективе войти в пятерку стран мира с наиболее развитой экономикой, о чем говорил Президент РФ В.В. Путин.
У нас сейчас много говорится о цифровых технологиях. Но все должно базироваться на понятных конкретных применениях этих технологий. Ведь цифровая экономика не ограничивается «интернетом вещей», блокчейном и тому подобным, о чем нам говорят СМИ. В первую очередь, цифровая экономика — это сквозные цифровые технологии, в том числе новые производственные технологии. И я считаю, что аддитивные и сопряженные с ними цифровые технологии — это основа кардинального преобразования промышленности России, предусматривающего повсеместное внедрение гибких автоматизированных производств для обрабатывающей промышленности.
Фактически меняется идеология промышленности. Традиционные технологии являются вычитающими — берется кусок материала и путем деформации или механической обработки удаляется лишнее. Как говорил Огюст Роден: «Беру глыбу и отсекаю от нее все лишнее. И получается идеальная скульптура». В отличие от традиционных, аддитивные технологии — добавляющие. Изделие создается из металлического или неметаллического порошка путем послойного наращивания в соответствии с трехмерной компьютерной моделью. Аддитивные технологии позволяют использовать ровно то количество материала, которое необходимо для готовой детали. Экономия сырья при использовании аддитивных технологий может достигать 85%. И самое главное, что аддитивные технологии позволяют получать изделия, которые традиционными методами — литьем, сваркой, давлением, деформацией — невозможно изготовить. А с помощью аддитивных технологий это можно сделать достаточно быстро, с минимальными затратами и минимальным отрицательным воздействием на окружающую среду.
Еще древние греки говорили: система — это конструкция, состоящая из большого количества элементов. Если не будет хватать даже одного элемента, система не будет функционировать. И аддитивные технологии — важнейший элемент технологического прогресса. Подчеркну, что необходимо помнить обо всех аспектах разработки и практического внедрения новых технологических процессов, не ограничиваясь их обсуждением и не упуская из виду самое главное — результат.
Это сейчас происходит с аддитивными технологиями?
О них сейчас много говорят и пишут. То одни, то другие производители заявляют, что могут что-то сделать. Но на самом деле разработка и применение аддитивных технологий — процесс сложный, требующий комплексного, системного подхода. Особенностью новой отрасли аддитивных технологий является ее междисциплинарный и межведомственный характер, так как результат достигается в единстве технологических составляющих: материал – конструкция – математические модели – программное обеспечение – технологии – оборудование.
В чем, по-вашему, должен заключаться системный подход?
Крайне необходима консолидация научных и образовательных организаций, промышленных предприятий вне зависимости от форм собственности и ведомственной принадлежности для решения следующих задач: во-первых, нужно разработать методы математического моделирования с дальнейшим построением вычислительной модели с учетом сложной топологии, методы анализа и синтеза сложных процессов, компьютерные системы автоматического проектирования и PLM-системы; во-вторых — продолжать исследования в области получения металлических и неметаллических порошковых композиций с заранее заданными свойствами и разрабатывать новые методы послойного синтеза; в-третьих — создавать методы построения гибких автоматизированных аддитивных производств;
в-четвертых — разрабатывать отечественное оборудование на базе отечественного программного обеспечения для снятия критической зависимости от зарубежных поставщиков.
Кроме того, безусловно, необходимо разработать систему подготовки высококвалифицированных кадров для аддитивного производства. Помните, как развивалась промышленность в нашем государстве? Для организации новых отраслей промышленности (например, авиационной, затем атомной и ракетно-космической) создавались учебные авиационные институты, заводы, профессионально-технические училища, техникумы. Недалеко от строящегося авиационного завода создавалось соответствующее КБ. Происходил естественный процесс перехода от одного уровня знаний, образования к другому. В результате были созданы соответствующие институты, которые обеспечивали производство знаниями в области материаловедения, самолетостроения, двигателестроения. Это дало видимый и значимый эффект, который сыграл большую роль в научно-технологическом развитии и укреплении обороноспособности нашего государства. Я считаю, что этот опыт нужно внедрять и сегодня.
На каком уровне развития аддитивных технологий мы сейчас находимся?
Сегодня аддитивные технологии у нас находятся фактически в начале внедрения в реальное производство. ВИАМ в свое время определил три уровня реализации аддитивных технологий. Первый уровень — это изготовление моделей и оснастки, второй уровень — прототипирование, третий — ресурсная, «боевая» деталь, которую можно ставить на серийные изделия, например, авиационный двигатель. Наша цель сегодня — изготавливать как можно больше деталей именно третьего, серийного уровня.
Пока наша промышленность в этом плане отстает от зарубежных стран. Например, в США до 30 процентов изготавливаемых деталей относятся к третьему уровню, а 70 — к первым двум. В Европе и в Китае это соотношение — 15 к 85, при этом КНР уже занимает второе место по количеству исследований, которые выполняются в области аддитивных технологий. У нас же пока количество ресурсных деталей измеряется не в процентах, а в штуках.
Создавать свое
Что нужно сделать для того, чтобы отрасль начала работать?
В Российской Федерации на момент, когда мы начали активное движение в этом направлении, проблема состояла в том, что не было ни материалов, ни оборудования, ни программного обеспечения отечественного производства. Мы были вынуждены все это импортировать. Машины, которые нам поставлялись, были чипированы или с закрытой платформой для того, чтобы можно было работать только на конкретном материале зарубежного производства.
Мы проанализировали зарубежный опыт в части разработки и внедрения аддитивных технологий. Так, в 22 странах созданы национальные ассоциации по аддитивным технологиям, объединенные в альянс GARPA — Global Alliance of Rapid Prototyping Associations. В рамках альянса работает продвинутая кооперация. А мы в эту ассоциацию не входим. При торговле между странами альянса цены на те же порошки значительно ниже, чем предлагаемые нам. Мы имеем ограничения и по получению стандартов, и по возможности покупки тех или иных материалов. Поэтому нам надо создавать свое.
Сейчас на базе ВИАМа в соответствии с поручением Правительства Российской Федерации, Военно-промышленной комиссии, Министерства промышленности и торговли готовится «Комплексный план мероприятий по развитию и внедрению аддитивных технологий в Российской Федерации на период 2018–2025 гг.». План разрабатывается с участием таких государственных корпораций, как Росатом, Ростех, Роскосмос, активное участие принимают «Объединенная авиастроительная корпорация» (ОАК), Корпорация «Тактическое ракетное вооружение» (КТРВ), «Вертолеты России», КРЭТ, ОДК, «Технодинамика», академические институты ФАНО, исследовательские университеты, Росстандарт. В обсуждении этого комплексного плана участвовали представители более 40 организаций, было сделано около 190 предложений от 24 организаций. Все они учтены.
Я считаю, что для выполнения принятых руководством нашей страны решений о создании и внедрении аддитивных технологий в различных отраслях отечественной экономики необходимо объединить и скоординировать усилия научных, финансовых и промышленных организаций России, как это сделано за рубежом.
Какие конкретные шаги предусмотрены в Комплексном плане мероприятий по развитию и внедрению аддитивных технологий?
Перечислю основные блоки мероприятий, которые, по нашему мнению, необходимо реализовать в Российской Федерации.
Первое — это создание единой информационной среды на базе цифровых технологий. Зависимость от программного обеспечения зарубежных компаний при проектировании изделий, особенно военного назначения, абсолютно недопустима, так как существуют прецеденты применения санкций иностранными разработчиками САПР в отношении предприятий России. Создание концепции цифровых платформ для исследований, разработок и производства должно быть одной из первостепенных задач развития инфраструктуры аддитивных технологий в России. Уже определены те организации, которые изъявили желание и готовы в интересах всей межведомственной системы создавать программное обеспечение под разные технологии (лазерная, электронно-лучевая), материалы и виды оборудования.
Вторая главная задача — создание отечественных порошковых композиций нового поколения и отработка соответствующих режимов их синтеза. Здесь имеется много нюансов: это и фокальное пятно лазера, его мощность и скорость движения, и вопрос штриховки, и треки, и в конечном итоге расположение детали при построении. Потому что в зависимости от того, как поставить деталь — в вертикальном или в горизонтальном положении, — будут получены разные свойства.
Следующий блок — это разработка на базе отечественного программного обеспечения, применительно к разрабатываемым и серийным порошковым композициям, отечественного оборудования для аддитивных технологий, в том числе источников теплового излучения (лазер/электронный луч/плазмотрон), систем точного позиционирования (сканирующие системы), систем подачи порошковых композиций, манипуляторов и прочего.
Далее необходима разработка системы нормативной документации для обеспечения внедрения аддитивных технологий на предприятиях государственных корпораций авиационной, ракетно-космической, судостроительной и атомной промышленности. Это и разработка национальных стандартов, и аттестация, и сертификация технологий цифрового аддитивного производства, и методики конечно-элементного анализа технологических процессов и деталей.
Особое внимание в Комплексном плане уделяется системе подготовки кадров по базовым инженерным специальностям. Нужно определить базовые университеты, где будут готовить специалистов в области аддитивных технологий. Те ребята, которых выпускают технические вузы сегодня, не смогут быстро адаптироваться. Нужно начинать заранее, проходить практику в соответствующих организациях. Например, в ВИАМе создана специальная магистратура, которая имеет право выдавать дипломы государственного образца, соответственно, мы готовим именно материаловедов в области аддитивных технологий. Для формирования полного образовательного цикла необходимо разработать новые государственные образовательные стандарты по аддитивным технологиям. И тогда вся система будет выстроена.
Итогом реализации Комплексного плана должно стать создание центров изучения процессов 3D-печати металлических изделий, разработки технологий изготовления деталей с применением топологической оптимизации (бионического дизайна) и единого научно-производственного комплекса аддитивных технологий изготовления крупногабаритных деталей, в котором научные центры будут обеспечивать трансфер технологий на промышленные предприятия.
В целом выполнение Комплексного плана обеспечит сокращение отставания российских предприятий от зарубежных компаний, активно внедряющих аддитивные технологии в производство новых изделий. Создание аддитивных производств на базе цифровых технологий позволит повысить производительность более чем в 30 раз, коэффициент использования материалов — до 0,98; снизить массу конструкций до 50%; изготавливать детали с недостижимой для традиционных технологий геометрической формой.
Первые ласточки
Есть ли уже серийное производство деталей для двигателей на основе аддитивных технологий?
Наиболее характерным примером является компания General Electric, которая для своего нового авиационного двигателя с тягой 45 тонн по аддитивным технологиям изготавливает форсунки завихрителя, лопатки турбины низкого давления, лопатки соплового аппарата. Сделав турбины низкого давления по технологии селективного лазерного сплавления (один из методов аддитивных технологий — Прим. ред.), они существенно выиграли в весе. 
Мы тоже начали использовать аддитивные технологии при производстве двигателей. Первая деталь, которую мы сделали, — завихритель фронтового устройства камеры сгорания нового авиационного двигателя ПД-14. Работа велась совместно с пермским заводом «ОДК-Авиадвигатель» в соответствии с решением генерального конструктора, члена-корреспондента РАН, профессора А.А. Иноземцева. В итоге, если раньше на изготовление такой детали уходило 60 дней при выходе годного 40%, то теперь достаточно пяти дней при выходе годного 100%.
В задачу ВИАМа входила разработка порошковой композиции, отработка всех режимов, обеспечение необходимого уровня свойств, а также общая квалификация этого материала. Далее нужно было провести вместе с «ОДК-Авиадвигатель» испытания и показать, что деталь из этого материала, сделанная по аддитивным технологиям, работает. Это все было выполнено. Сейчас мы активно ведем работы с «ОДК-Авиадвигатель» по расширению номенклатуры. Это и форсунки, и лопатки, и ряд других узлов, в частности, кронштейны для крепления двигателей к пилонам.
Какие сложности возникали в процессе работы?
Материал для этих деталей разработан в ВИАМе. Нюанс был в том, что не понимая, как ведет себя структура материала, созданного по аддитивной технологии, трудно было гарантировать длительный ресурс детали и необходимый уровень свойств. Потому что структура материалов, созданных по аддитивным технологиям, принципиально отличается от структуры традиционных материалов. Мы достаточно долго проводили исследования в этой области, это были работы и фундаментального, и поискового, и, конечно же, прикладного характера, причем не только в части получения порошковых композиций — даже технология выплавки слитка имеет свои особенности, которые в обязательном порядке следует учитывать.
Вторая важнейшая задача, которую нам пришлось решать — это организация полного цикла аддитивного производства. Производство включает выплавку исходной шихтовой заготовки, распыление и подготовку металлопорошковых композиций, проведение процесса селективного лазерного синтеза заготовок деталей, их последующую термическую и газостатическую обработку с определением полного комплекса механических и физических характеристик синтезированного материала для подтверждения возможности его применения при изготовлении ресурсных деталей. Комплекс укомплектован лабораторным и двумя промышленными атомайзерами для производства порошков на основе никеля, железа, титана и алюминия, установками для селективного лазерного сплавления, вакуумными и атмосферными термическими печами, включая уникальную установку для химико-термической обработки, и газостатами, а также комплексом установок для последующей чистовой обработки синтезированных деталей (проточная и струйная гидроабразивная полировка, пескоструйная обработка).
В настоящее время в ВИАМе успешно решена задача по созданию производства отечественных металлопорошковых композиций. Спроектирован и изготовлен промышленный атомизатор с бестигельной плавкой электрода, что позволило решить проблему изготовления титановых и интерметаллидных порошковых композиций. В сентябре 2017 года введен в эксплуатацию еще один промышленный тигельный атомизатор. В настоящее время обеспечен выпуск металлопорошковых композиций в объеме до 190 тонн в год.
Таким образом, ВИАМ смог реализовать проект полного инновационного цикла — от лаборатории до конечного потребителя. Считаю, что наш опыт может служить отличным примером для других российских научных организаций.
Какие еще есть примеры реальных разработок на основе аддитивных технологий?
Совместно с ОКБ им. М.П. Симонова при поддержке Фонда перспективных исследований нами создана камера сгорания для малогабаритного газотурбинного двигателя. С помощью аддитивных технологий она изготавливается за один цикл, при этом, если раньше ее производство продолжалось шесть месяцев (сборка производилась из отдельных частей, которые затем сваривались), то сейчас изготовление происходит за девять дней с получением идеального качества.
Если наша промышленность не будет иметь центров разработки и производства таких изделий, мы не сможем конкурировать на мировом рынке.
Что нужно, чтобы перейти к реальному производству?
Я считаю, что высший уровень — научный, технологический, инженерный — это машины для аддитивных технологий. Нужно создавать отечественное оборудование, ведь это, в первую очередь, технологическая безопасность государства. Сейчас мы имеем все необходимое для производственной независимости от импорта промышленной продукции, уже созданы первые, опытные единицы оборудования. Машину для получения сплавления методом лазерной литографии делают в Росатоме, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого сделал установку прямого лазерного выращивания круглых массивных деталей.
Сейчас Президент РФ поставил задачу разработать новый двигатель ПД-35 — уникальное изделие диаметром почти три с половиной метра и мощностью 35 тонн. А для того, чтобы он был конкурентоспособным на мировом рынке, двигатель должен быть уникальным и по набору материалов. И ключевую роль здесь однозначно сыграют аддитивные технологии.
Подводя итог могу сказать, что технологии аддитивного производства могут стать «точками роста» инновационной экономики в России, и для ответа на этот вызов необходима максимальная консолидация усилий исследовательских университетов, государственных научных центров, академических институтов ФАНО, промышленных предприятий и бизнес-структур. Вместе мы должны приложить все силы для того, чтобы в будущем наши потомки с гордостью смогли поставить аддитивный проект в один ряд с атомным и космическим.
Текст: Владислав Стрекопытов