19/03/2015
Что вырастим, то вырастим: 3D-индустрия
541 ИАиЭ СО РАН ИТПМ СО РАН ИХТТМ СО РАН ИЯФ СО РАН КТИ НП СО РАН СО РАН НГУ ИФП СО РАН НГТУ ФАНО ИФПМ СО РАН Академпарк Инновации Информационные технологии Техника Новосибирск Томск В стакан с песком мы кольцами, одно поверх другого, наливаем клей, он застывает, затем снова и снова льем клей и подсыпаем песку… Потом отряхиваем лишнее и получаем нечто вроде трубы. Заменим песок специально подготовленным порошком из металла, керамики или композита, струйку клея — лучом лазера или потоком электронов, а собственную руку — системами точного, до микрон, позиционирования и интеллектуального управления. И получим одну из самых совершенных аддитивных ("добавляющих") технологий. Таким примером иллюстрирует общий принцип 3D-печати директор Института химии твердого тела и механохимии СО РАН академик Николай Захарович Ляхов.
- Перечень аддитивных технологий начинается с такого процесса, как непрерывное формование: промышленный экструдер устроен по тому же принципу, что и мясорубка. Немногим сложнее инжекционное литье, при котором материал под высоким давлением подается в форму. Так изготавливают, например, пластиковые бутылочные пробки. К более высоким технологиям относятся 2D- и 3D- печать. Первая из них достаточно хорошо освоена в микроэлектронике: блоки и печатные платы все чаще изготавливают не травлением, а нанесением токопроводящих чернил специальным принтером. Жесткой грани между 2D- и 3D-методами нет — некоторые электронные детали выпускают "с выпуклостями" за счет неоднократного прохождения печатающей головки по одному и тому же рисунку.
Но настоящую промышленную революцию сулит развитие 3D-печати, хотя слово "печать" не очень правильно отражает процесс формирования сложных трехмерных объектов. Термин "выращивание", непривычный для промышленности, подходит лучше. По информации, озвученной директором Конструкторско-технологического института научного приборостроения (КТИ НП) СО РАН доктором технических наук Юрием Васильевичем Чугуем, на наших глазах появляется отрасль производства с перспективой ежегодного роста рынка в 27%. И этот рынок находится в фазе становления. 3D-машины сегодня в мире производят немногим более десятка компаний. Отечественных среди них пока нет, но недавно во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ) прошло совещание с участием вице-премьера Дмитрия Олеговича Рогозина, на котором ученым была поставлена задача: не допустить отставания в этой области, разработать собственные технологии 3D-выращивания. Несмотря на кризисные явления в экономике, государство готово выделить на эти исследования и разработки определенные ресурсы.
Зарубежные образцы показывают, с одной стороны, истинную революционность нового метода, а с другой — весь спектр проблем, стоящих на его пути к массовым, экономически рентабельным, производствам. Действующие промышленные установки дороги (от 500 000 до миллиона евро) и малопроизводительны (скорость наращивания от 5 до, максимум, 70 кубических сантиметров в час). Ограничены и размеры выпускаемых изделий: аппараты выше человеческого роста производят детали размером с кофейную чашечку. Поэтому на сегодня в мире действует всего около тысячи крупных установок, способных работать с металлами и сплавами.
Демонстрационные 3D-машины, которые экспонируются на выставках, удивляют посетителей сравнительно быстрым и точным формованием пластмассовых фигурок. Но настоящая революция начнется только тогда, когда появятся аддитивные технологии, позволяющие работать с металлами, керамикой, композитами. У сегодняшних 3D-установок есть и другие недостатки. Это несоответствие свойств готового изделия ожидаемым для используемого материала (прочность, пористость, долговечность). Далее, пока что налицо низкая адаптивность технологии: при замене порошка требуется технологическая поддержка, возникает зависимость от поставщиков сырья. Наконец, заявленный промышленный переворот тормозит отсутствие нормативной документации на "выращенные" изделия (необходимы дорогостоящие процедуры сертификации). Тем не менее, я встречал весьма оптимистические прогнозы. Если в 2013 году производительность 3D-машины, работающей с порошками металлов, составляла 10 кубических сантиметров в час при стоимости порошка около 90 евро за килограмм, то через 10 лет ожидается изменение этих показателей до 80 см3 в час и 30 евро.
По сути, любая аддитивная технология сегодня формируется из четырех блоков. Перво-наперво, требуется сырье принципиально иного уровня и качества, нежели у традиционных производств. Как уже указывалось, это порошки, состоящие из максимально однородных наночастиц, металлических, неметаллических и композитных. Второй блок — разработка и изготовление высококонцентрированных источников энергии, каждый из которых должен соответствовать той или иной задаче: вряд ли здесь возможны универсальные решения. Третье — это система интеллектуального управления всем комплексом. В ней заложены размеры, форма и параметры готового изделия, скорость и ход всех процессов, от подачи порошка до финальной обработки поверхности. Наконец, четвертый блок представляет из себя систему позиционирования и координатной развертки. Без него процесс "выращивания" будет неточным в пространстве и времени. Чтобы создать российскую промышленную 3D-машину, необходимо на собственной базе построить все четыре блока. Было бы бессмысленно, например, освоить производство порошков и источников облучения, отработать позиционирование, но оказаться в зависимости от импортных программ.
В Сибири созданы хорошие заделы по всем четырем направлениям. Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН традиционно занимается получением и изучением однородных порошковых материалов. Термическими, механическими и химическими методами наши специалисты добиваются и предельного уменьшения размеров частиц, и их "одинаковости". На микрофотографиях хорошо видна разница, к примеру, между состоянием вольфрамового порошка до и после плазменной обработки. Мы видим потенциально реализуемым совмещение в одном процессе синтеза материала и изготовления детали с помощью аддитивных технологий: говоря проще, "на одном заводе" возможно готовить и порошок, и изделия из него, снижая накладные расходы. Назову еще одну организацию-лидера: томский Институт физики прочности и материаловедения СО РАН. Там реализуется новая концепция аддитивных технологий, суть которой — опираться не на исходный материал и его свойства, а отталкиваться от требований к конечному продукту. Это позволит перейти от конструирования изделий и узлов с однородной структурой и фазовым составом на принципиально новый уровень: получать на выходе продукцию любого размера и формы со сложной структурой, изменяющимся фазовым и элементным составом и физико-механическими свойствами. Это новый горизонт, к которому мы должны стремиться в своих технических решениях уже в самом начале проекта.
Примером может служить искусственная человеческая кость. Сегодня готовые керамические фрагменты скелета "подгоняются" под пациентов. Потенциал 3D-технологий таков, что завтра мы сможем изготавливать "запчасти" под размеры и формы конкретного организма, практически неотличимые от родных (персонифицированная медицина!). Вспомним, как выглядит кость в разрезе: теперь станет возможным воссоздать и ее сложнейшую структуру, и физические свойства. "Начинается новое материаловедение, новая химия и физика", — убежден директор ИФПМ СО РАН член-корреспондент РАН Сергей Григорьевич Псахье.
В области создания систем точного позиционирования одним из лидеров признан КТИ НП СО РАН. Сегодня, к примеру, его специалисты доводят до готовности систему контроля геометрических параметров центрального зеркала космического телескопа в рамках национального проекта "Миллиметрон". Здесь же разработан лазерный технологический комплекс для измерения геометрии и обработки изделий с произвольной формой 3D- поверхности (абляция, резка, сварка). Это уже совсем близко к компонентам аддитивных технологий. По ряду проектов партнером КТИ НП выступает Институт автоматики и электрометрии СО РАН. Напомню, что в его стенах был создан точный трехмерный симулятор стыковки для российских космических экипажей.
Некоторые институты Новосибирского и Томского научного центров готовы работать не по одному, а по двум-трем блокам аддитивных технологий. И сложнейшие программистские решения, и источники концентрированной энергии создаются в разных коллективах. На заседании президиума Сибирского отделения, где обсуждались наши возможности, член-корреспондент РАН Павел Владимирович Логачев из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН напомнил о созданной там серии электронно-лучевых пушек, применяющихся на оборонных предприятиях. Но ИЯФ в потенциально очень перспективном межинститутском проекте может выступить партнером и по другим направлениям, равно как ИТПМ СО РАН), Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича, томский ИФПМ и другие организации.
Вот и прозвучало слово "проект". На самом деле, силами одного, двух, трех институтов столь сложная и актуальная задача быстро и полноценно не решается — необходим другой уровень кооперации и ресурсного обеспечения. Следует говорить о новой федеральной комплексной программе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, не менее масштабной, чем уже утвержденные в РАН и ФАНО. План действий, "дорожная карта" последовательных усилий наших институтов требуется уже сегодня. Не будем забывать и о потенциале резидентов технопарка новосибирского Академгородка и томской технологическо-внедренческой зоны, на базе которой вырастает комплекс "ИННО Томск".
Ключевым организационным решением могло бы стать создание Центра коллективного пользования СО РАН по отработке экспериментальных технологий производства и сертификации порошковых материалов. Несмотря на такое название, его функции должны быть шире: ведь необходима подготовка научных и инженерных кадров в этой области. На это могут быть ориентированы НГУ, НГТУ, НОК "Наносистемы и современные материалы" при Новосибирском университете, исследовательские университеты Томска.
Я согласен с мнением академика Николая Леонтьевича Добрецова: тематика российских аддитивных технологий и предлагаемая сибирскими учеными программа их создания должны быть поддержаны на самом высоком государственном уровне. Президент России поручил Академии наук подготовить концептуальные основы Национальной технологической инициативы. Если в этих документах не будет (как особо приоритетного, подчеркну!) блока по основам 3D-индустрии, то снова будут упущены время и возможности, снова наша страна окажется "отставшей навсегда" в еще одной важнейшей технологической отрасли. "Наука в Сибири" Фото: Юлии Поздняковой, из презентации Николая Ляхова