Микола Рубах
Інформаційні повідомлення щодо широкого розповсюдження тривимірного друку стали регулярними та звичними в стрічках новин та у соціальних мережах. Глобальне застосування технології 3-Д друку у різноманітних галузях по всьому світу стало драйвером розвитку нової «цифрової економіки», яка дозволяє економити час та кошти на доставку товарів і наразі ефективно впроваджується від світу моди до авіакосмічної індустрії. Українці тут теж не пасуть задніх. Наприклад, вітчизняна фабрика 3D-друку Kwambio презентувала на виставці в Лас-Вегасі CES-2018 перший в світі промисловий 3D-принтер для кераміки, розроблений в Одесі. Розробкою зацікавилися в автомобільній компанії Tesla, авіагіганті Lockheed Martin та багато інших компаній. Існують приклади успішного застосування українських адитивних технологій при виробництві енергоефективних будинків, а саме проект PassiveDom, повністю енергонезалежний будиночок, який друкується на 3-Д принтері та коштує приблизно 65 тисяч $. Проект став успішний за океаном, у США PassiveDom вже отримало більше 8000 тисяч замовлень.
Ринок 3Д-друку та його потенціал
Адитивне виробництво - узагальнена назва технологій, які передбачають виготовлення виробу за даними тривимірної цифрової моделі методом пошарового додавання (англ. Add - додавати, звідси і назва) матеріалів. Технологія тривимірного друку з'явилася в кінці 1980-х років. Перші апарати були вкрай дорогими, а вибір матеріалів для створення моделей - обмеженим. А вже сьогодні капіталізація ринку 3-Д друку становить 5 млрд доларів, щорічне зростання ринку аддитивних технологій становить 15%. Перспективність технології визначається тим, що питома витрата матеріалів на виробництво деталей при використання адитивних методів зменшується майже у 10 разів, та у середньому у 5 разів знижаються трудовитрати.
Вперше я ознайомився з потенціалом адитивних технологій ще під час навчання в Національному авіаційному університеті, де мені пощастило вивчати авіаційні двигуни та їх застосування в енергетиці. Само тоді на курсі ресурсоефективності автор вперше почув фразу «buy-to-fly ratio» - це вагове співвідношення між придбаною сировиною, використаною для виробництва компонента, та вагою самого компонента. Тобто скільки матеріалів було придбано, а скільки «полетіло» у літаку. За різними даними, це співвідношення зараз становить 15: 1 або навіть 20: 1 для складних деталей. А використання адитивних технологій дозволить звести цей показник до 2: 1 або навіть 1,5: 1. Наразі у світі нараховується приблизно 100 000 3-Д принтерів, з яких близько 14 000 промислові, а метало-порошкових з них лише 4 тисячі. Саме при їх використання в енергетиці далі йтиме мова.
Аддитивні технології у енергетиці
Відповідно до останніх аналітичних досліджень, станом на теперішній час активну роботу за напрямом використання адитивних технологій для високотехнологічних галузей ведуть багато компанії: General Electric, Siemens, NASA, Titomic, навіть у РФ створено підприємство «Русатом — Аддитивные технологии». Так наприклад General Electric, яка інвестувала близько $ 1 млрд в придбання двох провідних світових виробників: Concept Laser і Arkam, зараз друкує 25 тис. паливних форсунок для нових турбогвинтових двигунів, а NASA економить на 3D-друку близько $ 1,5 млн на рік. Швидкими темпами розповсюджується впровадження адитивних технологій для потреб великої енергетики. Прикладів багато.
Міжнародний концерн General Electric Oil&Gas запровадив використання 3Д-друку для налагодження більш ефективного ланцюга постачання деталей до місць впровадження, що дозволило зменшити час очікування деталі з від 12 тижнів до 12 годин. Коли необхідно було розробити та налагодити виробництво нового пальникового пристрою для газової турбіни GE Nova LT18, вони застосували аддитивні технології, завдяки чому вдалося зекономити час на розробку та перевірку конструкторської документації вдвічі. Дуже показовим є приклад Світовий буровий гігант Halliburton застосував тривимірний друк при власному виробництві бурових станків, та відзначили що такий підхід забезпечив економію у конкретному випадку 50% часу та приблизно 500 тис. доларів. Активну позицію щодо застосування адитивних технологій зайняла компанія Shell, особливо їх upstream нафтогазовий підрозділ. Актуальність підтверджена тим фактом, що розташовані на шельфі або віддалених районах бурові установки часом чекають на запасні частини на протязі місяців, а використання тривимірного друку дозволяє локалізувати виробництво та оптимізувати ремонтні кампанії. Не випускають з фокусу 3-Д друк і у гіганті BP, вони створили спеціальну дослідницьку групу, яка вивчає потенційний вплив локалізації виробництва на потребу у міжнародних судових перевезеннях. І це не дивно, адже наразі міжнародні морські перевезення вантажу споживають більше 30% світової нафти, і адитивні технології можуть сильно вдарити по такому попиту.
Не відстають і представники високотехнологічної ядерної енергетики. Компанія Westinghouse вже використовує у США тривимірний друк для власного виробництва кронштейнів та корпусів підшипників для електродвигунів, а вже до кінця 2018 року компанія планує вперше застосувати деталь вироблену методом адитивних технологій у активній зоні ядерного реактору. В Китаї вперше застосували технологію 3D-друку в ядерній енергетиці: виготовили зі сплаву ЕАМ235 адитивним методом кришку холодильної машини і встановили її на найбільшій в КНР Даяваньскій АЕС. Європейська компанія Siemens також вже має досвід виробництва деталей методом 3-Д друку для експлуатації на енергоблоках АЕС. Їх успішний проект - виробництва методом 3D-друку імпеллера насосу для АЕС Кршко. Імпеллер діаметром 108 мм, вироблений інженерами Siemens, замінив той, що експлуатувався починаючі з 1981 року. Компанія-виробник вказаної деталі припинила своє існування, однак за допомогою 3D-технологій вдалося виготовити віртуальну копію потрібної запчастини та надрукувати її на фабриці адитивних технологій Siemens в Швеції. Проект був відзначений міжнародними нагородами та висвітлений у галузевих ЗМІ. Однак, вітчизняні експерти наголошують, що ключовим у приведених технологіях є обмеження щодо розміру деталей – 40 на 40 сантиметрів.
Втім, варто тримати на увазі, що адитивні технології – це все ще молода галузь та розвивається вона досить швидко. Так у травні 2018 року було анонсовано презентацію найбільшого в світі 3D-принтера, який здатний «роздруковувати» деталі розмірами 9 метрів на 3 метри на 1,5 метра. Цей гігантський пристрій розроблено і побудовано австралійською компанією Titomic. 3D-принтер змонтований в одному із заводських корпусів в промзоні Мельбурна. Його розміри становлять 40 метрів в довжину і 20 метрів у висоту. Картридж пристрою заповнюється порошком титану або інших металів, який за допомогою потоку розпеченій газової суміші викидається на поверхню "листа". Швидкість його роботи становить 45 кг на годину, в той час як інші машини здатні "друкувати" приблизно 1 кг на добу". Наразі Titomic вже має досвід роботи в енергетичній галузі, навіть оголошено про вдалі проекти виробництва лопаток газових турбін. Цей приклад є актуальним та доречним, тому що на теперішній час виробництво лопаток газових турбін є одним із найбільш складних технологічних процесів, через високі експлуатаційні параметри, зокрема тиску та температури. Тому, ті 3-Д принтери, що виробляють надійні лопатки газової турбіни – здатні виробляти продукцію для будь-яких індустріальних галузей.
Перспективи для вітчизняної енергетичної галузі
Традиційний досвід координації міжнародного співробітництва у напрямку залучення перспективних технологій та актуальних знань для потреб енергетичної галузі засвідчує надскладний підхід до організації такої системи, відомої в світі під назвою «Technology&Knowledge Transfer». Наразі, така системи працює за методом «згори-вниз», коли іноземні компанії пропонують під час двосторонніх зустрічей власні розробки або деталі, а топ-менеджмент вітчизняних компаній координує визначення актуальності такої пропозиції з виробничо-технічними службами на промислових майданчиках. Водночас, в світі набирає обертів підхід «Reverse engineering» (Зворотній інжиніринг), згідно якого, менеджмент компанії досліджує реальні потреби експлуатаційних та ремонтних підрозділів на місцях і вивчає потенціал локалізації власного виробництва таких дефіцитних деталей методом адитивних технологій (метало-порошкового 3-Д друку). Після визначення пріоритетного переліку деталей – відбувається сканування зразків, з метою створення досконалої тривимірної моделі деталі, файл з якою завантажується до метало-порошкового 3Д-принтеру, який вже шар за шаром створює дефіцитну деталь. В рамках підготовки до започаткування нових виробничих потужностей адитивна технологія зменшить кількість перегляду креслень на 25% і скоротить час, необхідний для контролю якості інжинірінгу на 30%. Такий підхід є актуальним та безальтернативним у випадку коли оригінальний виробник вже не існує, модернізував технологічну лінію, або необхідно впровадити стратегію імпортозаміщення, з метою підвищення надійності забезпечення необхідними деталями.
Оцінка переваг та недоліків започаткування такого підходу до виробництва перш за все вимагає використання об’єктивної методології та ефективних критеріїв. В теперішній час у світовій практиці існує достатньо підходів до оцінки перспектив започаткування інноваційних проектів та впровадження ресурсозберігаючих методів виробництва, одним із найбільш об’єктивних вважається - функціонально вартісний аналіз (value engineering). Value engineering - метод техніко-економічного інженерного аналізу, спрямований на підвищення (збереження) функціональних параметрів об’єкта при мінімізації витрат на його створення і експлуатацію. І, враховуючі дуже обмежений досвід України у використання адитивних технологій, його застосування буде доцільним перед прийняттям кожного окремого рішення щодо запровадження 3-Д друку дефіцитних деталей, замість традиційного виробництва, або імпорту. Однак давайте для початку ознайомимося з модельним рядом адитивних машин, вартісними характеристиками для більш детального занурення у виробничі аспекти.
Як можна побачити з порівняльного аналізу, обладнання для адитивного виробництва дозволяє відтворювати достатньо швидко деталі із матеріалів, що характеризуються високою міцністю при відносно невисоких витратах на металеві порошки. Однак, окрім наголошених переваг необхідно відзначити і ключові складнощі пов’язані з 3Д-друком. До основних інженерних викликів сучасних адитивних методів виробництва варто віднести значну витрату інертного газу (зазвичай азоту або аргону), необхідність компресору, потреба використовувати спеціальне програмне забезпечення та велика енергоємність процесу виробництва. Якщо оцінити капітальні витрати, то окрім зазначених цін на 3Д-принтери, необхідно придбати таке основне обладнання для власної фабрикації:
- Спеціальні кондиціонери та зволожувачі повітря, для забезпечення оптимальних умов для розплаву металевих порошків – вартість 10 000 $.
- Щорічний запас інертного газу (наприклад аргону) коштуватиме 12 000 $.
- Промисловий компресор – 30 000$.
- Апарат для піскоструйної обробки поверхні деталей – 10 000 $.
- Піч для термообробки деталей – від 10 000 $.
- Ліцензія на програмне забезпечення – від 3000 $ на рік.
- Вартість технічного обслуговування – від 10 000 $ на рік.
- Фільтри для установки розплаву металевих порошків – від 7 000 $ на рік.
Зрозуміло, що цінові показники є приблизними, але усі дані є репрезентативними, та запозичені із поважного аналітичного дослідження галузевого дайджесту Metal Advanced Manufacturing.
Розробка та впровадження адитивних технологій неможлива без створення регуляторної бази, тому розробка нового дизайну деталей та адитивне виробництво включає, крім створення цифрової моделі CAD, одночасну стандартизацію цього продукту, визначення технологічних режимів та вимог до матеріалу. В рамках ДП «Український науково-дослідний і навчальний центр проблем стандартизації, сертифікації та якості» діє Технічний комітет № 54 «Порошкова металургія», роботу якого можна орієнтувати на забезпечення впровадження адитивних технологій, з метою розробки вітчизняних та гармонізації європейських стандартів.
Як це може бути нам корисно?
Власне, перш за все нам потрібно оволодіти цими адитивними технологіями, щоб усі технологічні процеси було зрозумілими, а потенціал застосування в енергетичній галузі кількісно обрахований. Для цього цікавим виглядає створення Хабу енергетичних інновацій, в рамках якого започаткувати програму вивчення досвіду використання адитивних технологій (3-D друк) для потреб вітчизняної енергетики з метою запровадження системи «Зворотного інжинірингу» у форматі міжнародного пілотного проекту із залученням представників наших енергетичних компаній, наукових установ так і міжнародних власників технологій.
На наступному етапі нам варто визначити перелік найбільш дефіцитних деталей та вузлів, особливо складної форми, виробники яких зникли, або являються резидентами країн, які можуть використовувати поставки запасних частин в якості важеля впливу на стійкість та надійність роботи ПЕК України. За результатами такого аналізу можна буде прийняти рішення, щодо майбутньої бізнес-моделі – визначитись – чи доцільно створювати власне 3Д-виробництво - придбати все необхідне обладнання та провести підготовку персоналу, або на перших кроках ми можемо використати досвід міжнародних партнерів у форматі аутсорсингу. Звісно, обидва підходи мають власні переваги та недоліки. Придбання власного обладнання дозволяє суттєвого розвинути інноваційні інженерні компетенції, залучити до роботи молодь, створити надсучасну лабораторію адитивних технологій, що суттєво сприятиме скороченню часу створення як прототипів так і перших експлуатаційних виробів. Однак, такий підхід має суттєві недоліки, а саме необхідність придбання спеціалізованого програмного забезпечення та, найголовніше – платне сервісне обслуговування, довготривале очікування прибуття іноземних спеціалістів та поставок комплектуючих. Що стосується залучення послуг міжнародних компаній до виробництва – то зрозуміло, що головною перевагою є зниження фінансових ризиків, такий підхід може стати ефективною «розвідкою» та оцінкою власних сил. Водночас, обидва підходи служитимуть головній місії - зміцненню енергетичної безпеки України та розвитку вітчизняного виробництва, шляхом імпортозаміщення, локалізації і диверсифікації джерел постачання запасних частин і важливих деталей.
*матеріал опубліковано в "Баланс Енергетики України" №1, червень, 2018р.
