Николай Рубах
Информационные сообщения о широком распространении трехмерной печати стали регулярными и привычными в лентах новостей и в социальных сетях. Глобальное применение технологии 3-Д печати в различных отраслях по всему миру стало драйвером развития новой «цифровой экономики», которая позволяет экономить время и средства на доставку товаров и пока эффективно внедряется от мира моды в авиакосмической индустрии. Украинцы здесь тоже не отстают. Например, отечественная фабрика 3D-печати Kwambio представила на выставке в Лас-Вегасе CES-2018 первый в мире промышленный 3D-принтер для керамики, разработанный в Одессе. Разработкой заинтересовались в автомобильной компании Tesla, авиагиганте Lockheed Martin и многие другие компании. Существуют примеры успешного применения украинских аддитивных технологий при производстве энергоэффективных домов, а именно проект PassiveDom, полностью энергонезависимый домик, который печатается на 3-Д принтере и стоит примерно 65 000 $. Проект стал успешный за океаном, в США PassiveDom уже получили более 80 000 заказов.
Рынок 3Д-печати и его потенциал
Аддитивное производство - обобщенное название технологий, предусматривающих изготовление изделия по данным трехмерной цифровой модели методом послойного добавления (англ. Add - добавлять, отсюда и название) материалов. Технология трехмерной печати появилась в конце 1980-х годов. Первые аппараты были очень дорогими, а выбор материалов для создания моделей - ограниченным. А уже сегодня капитализация рынка 3-Д печати составляет 5 млрд долларов, ежегодный рост рынка аддитивных технологий составляет 15%. Перспективность технологии определяется тем, что удельный расход материалов на производство деталей при использования аддитивных методов уменьшается почти в 10 раз, и в среднем в 5 раз снижаются трудозатраты.
Впервые автор познакомился с потенциалом аддитивных технологий еще во время учебы в Национальном авиационном университете, где мне посчастливилось изучать авиационные двигатели и их применение в энергетике. Тогда на курсе ресурсоэффективности автор впервые услышал фразу «buy-to-fly ratio» - это весовое соотношение между приобретенным сырьем, использованным для производства компонента, и весом самого компонента. То есть, сколько материалов было приобретено, а сколько «полетело» в самолете. По разным данным, это соотношение сейчас составляет 15:1 или даже 20: 1 для сложных деталей. А использование аддитивных технологий позволит свести этот показатель до 2: 1 или даже 1,5: 1. В настоящее время в мире насчитывается около 100 000 3-Д принтеров, из которых около 14 000 промышленные, а металло-порошковых из них только 4000. Именно про их использования в энергетике дальше пойдет речь.
Аддитивные технологии в энергетике
Согласно последним аналитическим исследованиям, по состоянию на настоящее время активную работу по направлению использования аддитивных технологий для высокотехнологичных отраслей ведут многие компании: General Electric, Siemens, NASA, Titomic. Так, например General Electric, которая инвестировала около $ 1 млрд. в приобретение двух ведущих мировых производителей: Concept Laser и Arkam, сейчас печатает 25 тыс. топливных форсунок для новых турбовинтовых двигателей, а NASA экономит на 3D-печати около $ 1 500 000 в год. Быстрыми темпами распространяется внедрения аддитивных технологий для нужд большой энергетики. Примеров много.
Международный концерн General Electric Oil & Gas ввел использование 3Д-печати для налаживания более эффективной цепочки поставок деталей к местам их применения, что позволило уменьшить время ожидания детали от 12 недель до 12 часов. Когда необходимо было разработать и наладить производство нового горелочного устройства для газовой турбины GE Nova LT18, они применили аддитивные технологии, благодаря чему удалось сэкономить время на разработку и проверку конструкторской документации вдвое. Очень показателен пример, мирового бурового гиганта Halliburton – они применили трехмерную печать при собственном производстве буровых станков, и отметили, что такой подход обеспечил экономию в конкретном случае 50% времени и около 500 тыс. Долларов. Активную позицию по применению аддитивных технологий заняла компания Shell, особенно их upstream нефтегазовое подразделение. Актуальность подтверждена тем фактом, расположенных на шельфе или отдаленных районах буровые установки иногда ждут запасные части на протяжении месяцев, а использование трехмерной печати позволяет локализовать производство и оптимизировать ремонтные кампании. Не выпускают из фокуса 3-Д печать и в гиганте BP, они создали специальную исследовательскую группу, которая изучает потенциальное воздействие локализации производства на потребность в международных судебных перевозках. И это неудивительно, ведь сейчас международные морские перевозки груза потребляют более 30% мировой нефти, и аддитивные технологии могут сильно ударить по такому спросу.
Не отстают и представители высокотехнологичной ядерной энергетики. Компания Westinghouse уже использует в США трехмерную печать для собственного производства кронштейнов и корпусов подшипников для электродвигателей, а уже к концу 2018 году компания планирует впервые применить деталь произведенную методом аддитивных технологий в активной зоне ядерного реактора. В Китае впервые применили технологию 3D-печати в ядерной энергетике: изготовили из сплава ЕАМ235 аддитивным методом крышку холодильной машины и установили ее на крупнейшей в КНР Даяваньский АЭС. Европейская компания Siemens также уже имеет опыт производства деталей методом 3-Д печати для эксплуатации на энергоблоках АЭС. Их успешный проект - производства методом 3D-печати импеллера насоса для АЭС Кршко. Импеллер диаметром 108 мм, произведенный инженерами Siemens, заменил тот, что эксплуатировался начиная с 1981 года. Компания-производитель указанной детали прекратила свое существование, однако с помощью 3D-технологий удалось изготовить виртуальную копию нужной запчасти и напечатать ее на фабрике аддитивных технологий Siemens в Швеции. Проект был отмечен международными наградами и освещен в отраслевых СМИ. Однако, отечественные эксперты отмечают, что ключевым в приведенных технологиях ограничения по размеру деталей - 40 на 40 сантиметров.
Впрочем, стоит держать в виду, что аддитивные технологии - это все еще молодая отрасль и развивается она достаточно быстро. Так в мае 2018 года была анонсирована презентация крупнейшего в мире 3D-принтера, который способен «распечатывать» детали размерами 9 метров на 3 метра на 1,5 метра. Этот гигантский устройство разработано и построено австралийской компанией Titomic. 3D-принтер смонтирован в одном из заводских корпусов в промзоне Мельбурна. Его размеры составляют 40 метров в длину и 20 метров в высоту. Картридж устройства заполняется порошком титана или других металлов, который с помощью потока раскаленной газовой смеси выбрасывается на поверхность "листа". Скорость его работы составляет 45 кг в час, в то время как другие машины способны "печатать" примерно 1 кг в сутки". Сейчас Titomic уже имеет опыт работы в энергетической отрасли, даже объявлено про удачные проекты производства лопаток газовых турбин. Этот пример является актуальным, так как в настоящее время производство лопаток газовых турбин является одним из самых сложных технологических процессов, причиной чему высокие эксплуатационные параметры, в частности давления и температуры. Поэтому, те 3-Д принтеры, которые производят надежные лопатки газовой турбины - способны производить продукцию для любых индустриальных отраслей.
Перспективы для отечественной энергетической отрасли
Традиционный опыт международного сотрудничества в направлении привлечения перспективных технологий и актуальных знаний для нужд энергетической отрасли применяет черезвычайно сложный подход к организации такой системы, известной в мире под названием «Technology & Knowledge Transfer». Сейчас такая система работает по методу «сверху-вниз», когда иностранные компании предлагают во время двусторонних встреч собственные разработки или детали, а топ-менеджмент отечественных компаний координирует определения актуальности такого предложения с производственно-техническими службами на промышленных площадках. В то же время, в мире набирает обороты подход «Reverse engineering" (Обратная инжиниринг), согласно которому, менеджмент компании исследует реальные потребности эксплуатационных и ремонтных подразделений на местах и изучает потенциал локализации собственного производства таких дефицитных деталей методом аддитивных технологий (метало-порошковой 3-Д печати ). После определения приоритетного перечня деталей - происходит сканирование образцов, с целью создания совершенной трехмерной модели детали, файл с которой загружается в метало-порошковой 3Д-принтера, который уже слой за слоем создает дефицитную деталь. В рамках подготовки к запуску нового производства аддитивная технология уменьшит количество просмотров чертежей на 25% и сокращает время, необходимое для контроля качества инжиниринга на 30%. Такой подход актуален и безальтернативным в случае, когда оригинальный производитель уже не существует, модернизировал технологическую линию, или необходимо внедрить стратегию импортозамещения, с целью повышения надежности обеспечения необходимыми деталями.
Оценка преимуществ и недостатков начала такого подхода к производству, прежде всего, требует использования объективной методологии и эффективных критериев. В настоящее время в мировой практике существует достаточно подходов к оценке перспектив старта инновационных проектов и внедрение ресурсосберегающих методов производства, одним из самых объективных считается - функционально стоимостной анализ (value engineering). Value engineering - метод технико-экономического инженерного анализа, направленный на повышение (сохранение) функциональных параметров объекта при минимизации затрат на его создание и эксплуатацию. И, учитывая очень ограниченный опыт Украины в использование аддитивных технологий, его применение будет целесообразным перед принятием каждого отдельного решения о введении 3-Д печати дефицитных деталей, вместо традиционного производства, или импорта. Однако давайте для начала ознакомимся с модельным рядом аддитивных машин, стоимостными характеристиками для более детального погружения в производственные аспекты.
Как видно из сравнительного анализа, оборудование для аддитивного производства позволяет воспроизводить достаточно быстро детали из материалов, характеризующихся высокой прочностью при относительно невысоких затратах на металлические порошки. Однако, кроме ударных преимуществ необходимо отметить и ключевые сложности связаны с 3Д-печати. К основным инженерных вызовам современных аддитивных методов производства следует отнести значительный расход инертного газа (обычно азота или аргона, возможно и гелия), необходимость компрессора, потребность использовать специальное программное обеспечение и большая энергоемкость процесса производства. Если оценить капитальные расходы, то кроме указанных цен на 3Д-принтеры, необходимо приобрести такое основное оборудование для собственной фабрикации:
- Специальные кондиционеры и увлажнители воздуха, для обеспечения оптимальных условий для расплава металлических порошков - стоимость 10 000 $.
- Ежегодный запас инертного газа (например аргона) будет стоить 12 000 $.
- Промышленный компрессор - 30000 $.
- Аппарат для пескоструйной обработки поверхности деталей - 10000 $.
- Печь для термообработки деталей - от 10 000 $.
- Лицензия на программное обеспечение - от 3000 $ в год.
- Стоимость технического обслуживания - от 10 000 $ в год.
- Фильтры для установки расплава металлических порошков - от 7000 $ в год.
Понятно, что ценовые показатели являются приблизительными, но все данные являются репрезентативными, и заимствованы из уважаемого аналитического исследования отраслевого дайджеста Metal Advanced Manufacturing.
Разработка и внедрение аддитивных технологий невозможна без создания регуляторной базы, поэтому разработка нового дизайна деталей и аддитивное производство включает, помимо создания цифровой модели CAD, одновременную стандартизации этого продукта, определение технологических режимов и требований к материалу. В рамках ГП «Украинский научно-исследовательский и учебный центр проблем стандартизации, сертификации и качества» действует Технический комитет № 54 «Порошковая металлургия», работу которого можно ориентировать на обеспечение внедрения аддитивных технологий с целью разработки отечественных и гармонизации европейских стандартов.
Как это может быть нам полезено?
Собственно, прежде всего нам нужно овладеть этими аддитивными технологиями, чтобы все технологические процессы было понятными, а потенциал применения в энергетической отрасли количественно рассчитанный. Для этого интересным выглядит создание Хаба энергетических инноваций, в рамках которого начать программу изучения опыта использования аддитивных технологий (3-D печать) для нужд отечественной энергетики с целью внедрения системы «Обратного инжиниринга» в формате международного пилотного проекта с привлечением как представителей наших энергетических компаний, научных учреждений так и международных владельцев технологий.
На следующем этапе нам следует определить перечень наиболее дефицитных деталей и узлов, особенно сложной формы, производители которых исчезли или являются резидентами стран, которые могут использовать поставки запасных частей в качестве рычага воздействия на устойчивость и надежность работы энергетического сектора. По результатам такого анализа можно будет принять решение относительно будущей бизнес-модели - определиться - целесообразно создавать собственное 3Д-производство - приобрести все необходимое оборудование и провести подготовку персонала, или на первых шагах мы можем использовать опыт международных партнеров в формате аутсорсинга. Конечно, оба подхода имеют собственные преимущества и недостатки. Приобретение собственного оборудования позволяет существенного развить инновационные инженерные компетенции, привлечь к работе молодежь, создать сверхсовременную лабораторию аддитивных технологий, существенно способствовать сокращению времени создания как прототипов так и первых эксплуатационных изделий. Однако, такой подход имеет существенные недостатки, а именно необходимость приобретения специализированного программного обеспечения, самое главное - платное сервисное обслуживание, долгосрочное ожидания прибытия иностранных специалистов и поставок комплектующих. Что касается привлечения услуг международных компаний к производству - то понятно, что главным преимуществом является снижение финансовых рисков, такой подход может стать эффективной «разведкой» и оценке собственных сил. В то же время, оба подхода будут служить главной миссии - укреплению энергетической безопасности Украины и отечественного энергетического машиностроения, путем импортозамещения и диверсификации источников поставки запасных частей и важных деталей.
*материал опубликован в "Баланс Энергетики Украины" №1, июнь, 2018 г.
