Одной из наиболее значимых инноваций в области производства стало появление и массовое распространение 3D-печати или, как ее еще называют, аддитивного производства.

На сегодняшний день аддитивное производство нашло свое применение во многих областях мировой промышленности. Мировой рынок аддитивных технологий стабильно показывает высокие темпы роста и сейчас составляет порядка 20 млрд долл.

Данная технология позволяет решить множество задач, начиная от быстрого создания прототипов новых изделий, заканчивая снижением времени на обратный инжиниринг импортных комплектующих на оборудование.

В свою очередь для создания в России конкурентоспособной отрасли развития аддитивных технологий Распоряжением Правительства Российской Федерации №1913-р от 14 июля 2021 года утверждена Стратегия развития аддитивных технологий до 2030 года. Сейчас на долю отечественной авиационной, атомной и оборонной промышленности приходится примерно 45% рынка аддитивных технологий России. Эта технология нашла применение в разработке новых изделий для авиадвигателей и атомных энергоблоков начиная с создания прототипа, заканчивая готовой продукцией.

Около 20% рынка обеспечивают нефтегазовое, химическое и энергетическое машиностроение. Этот показатель существенно превышает мировые показатели, где доля энергетики не превышает 7% . Весь остальной спрос на рынке обеспечивает отечественная медицина.

За последние годы наблюдается существенное повышение спроса на аддитивные технологии в отечественном энергетическом секторе за счет активного наращивания темпа в части импортозамещения в связи с уходом иностранных производителей и поставщиков оборудования. Соответственно, для энергетического сектора критически важно наращивать темп собственного производства, обеспечивая себя всем необходимым оборудованием и комплектующими, тем самым увеличивая свой технологический суверенитет.

Сегодня ПАО «ТГК-1» занимается внедрением в свою деятельность аддитивных технологий и с помощью 3D-печати пересматривает процесс ремонта и комплектования запчастями электростанций.

Что такое аддитивные технологии?

Аддитивные технологии (3D-печать) — это технология производства изделий путем послойного наращивания материала. Материал, из которого изготавливается изделие, может быть в жидком и твердом виде (нить или порошок). Сегодня в отечественной промышленности активно применяются следующие виды аддитивного производства: FDM, SLA, SLM, SLS, BJ и DMD.

FDM (Fused deposition modeling) — технология заключается в послойном наплавлении расплавленного материала. В качестве сырья используется разного рода пластмасса в виде нити диаметром от 1.75 до 2.25 мм.

SLA (Stereolithograph) — технология заключается в послойном отверждении материала. В качестве сырья используется фотополимерная жидкость, которая переходит из жидкого в твердый вид под действием лазера.

SLM (Selective laser melting) — технология селективного лазерного плавления металлического порошка. В качестве сырья используется порошок, представляющий собой алюминиевые, стальные или даже титановые гранулы размером от 10 до 50 микрон.

SLS (Selective laser sintering) — технология производства, аналогичная SLM, только в качестве сырья используется порошковый неметаллический материал (полиамиды, пластик).

BJ (Binder jetting) — технология производства песчаных форм для отливки металлических изделий из чугуна, стали, магниевых и алюминиевых сплавов. Суть в послойном нанесении песка и связующего вещества, которые в конечном итоге формируют форму.

DMD (Direct Metal Deposition) — технология прямого осаждения-материала непосредственно в точку, куда подводится энергия, где происходит в данный момент построение детали. Технология применяется для ремонта или нанесения дополнительных слоев материала на геометрию детали.

Развитие технологического суверенитета ПАО «ТГК-1» с помощью аддитивных технологий

В ПАО «ТГК-1» осуществляется процесс внедрения технологии аддитивного производства FDM в деятельность компании. Ключевой задачей для компании в этом направлении является организация непосредственно на производстве процесса изготовления запчастей и комплектующих для оборудования. Такая возможность значительно ускорит процесс обслуживания оборудования и изготовления устройств, необходимых для более надежной и безопасной эксплуатации.

На производстве уже получены первые результаты применения аддитивных технологий. Одними из них стали защитные крышки на аварийные ключи управления оборудованием. По итогам применения опытных образцов эксперты компании провели сравнительный анализ двух вариантов изготовления таких устройств (рис. 1).

Рис. 1. Этапы двух видов производства

Сравнительный анализ структуры двух видов производств показал, что количество этапов изготовления изделий методом аддитивных технологий меньше, чем на изготовление методом литья. Отличительной особенностью 3D-печати является гораздо меньшее количество необходимых для создания готового изделия технологических операций. Также стоит отметить, что для внесения изменений в изделия, изготавливаемые методом отливки, необходимо повторять заново весь производственный цикл, создавая новые формы, штампы или оснастку. Производство методом отливки наиболее финансово выгодно при большом объеме продукции, но не в случае производства штучных экземпляров.

В случае производства на 3D-принтере меняется только 3D-модель изделия и перестраивается управляющая программа для 3D-принтера.

В конечном итоге защитные крышки на аварийные ключи управления оборудованием были изготовлены на 3D-принтере по технологии FDM независимо от сторонних производителей и установлены на блочном щите управления электростанции (рис. 2, 3).

Рис. 2. Защитная крышка, установленная на щите

Рис. 3. Защитная крышка, изготовленная на 3D-принтере

Технологии SLA и FDM позволят энергетическим компаниям независимо от сторонних производителей быстро и с меньшими капитальными затратами изготавливать внутри своих производств пластиковые комплектующие на оборудование и устройства. Сейчас в ПАО «ТГК-1» на 3D-принтере изготавливаются опытные партии пластиковых шестерней и корпусных изделий. При поломке таких комплектующих чаще всего выходит из строя все устройство из-за невозможности приобрести отдельные элементы у завода-изготовителя. Вместе с этим в компании активно идет процесс сбора предложений по применению на производстве технологий FDM и SLA.

Стоит отметить, что развитие технологического суверенитета невозможно без развития суверенитета интеллектуального. Компания это понимает и также находит применение 3D-печати в подготовке персонала. С помощью макетов оборудования, выполненных на 3D-принтере, персонал получает возможность достаточно детально изучать конструкцию любого оборудования. Уже сейчас в Учебном центре используют несколько моделей вспомогательного оборудования, созданных на 3D-принтере: вертикальный конденсатный электронасос (КСВ) (рис. 4) и горизонтальный питательный насос (ПЭ) (рис. 5).

Рис. 4. Вертикальный конденсатный электронасос (КСВ)

Рис. 5. Горизонтальный питательный электронасос (ПЭ)

ПАО «ТГК-1» помимо печати изделий из пластмассы по технологиям FDM и SLA рассматривает возможность печати металлических изделий по технологиям SLM, BJ и DMD. Их использование позволит ускорить процесс ремонта металлических узлов и выпуск индивидуальных запчастей для оборудования. В связи с тем что большинство генерирующих объектов энергетических компаний России построены во времена СССР и включают в себя разноплановое оборудование и механизмы, их массовый выпуск в большинстве случаев прекращен. Соответственно, на производстве существует задача штучного и оперативного производства комплектующих для снижения времени простоя оборудования.

Станок (3D-принтер), работающий по технологии порошкового спекания материала SLM, позволит изготавливать металлические детали для работы как в составе узлов и агрегатов электростанций, так и конструкции неразборного типа, меняющие свою геометрию в процессе эксплуатации.

Для оперативного выполнения ремонта и восстановления запчастей подойдет 3D-принтер, работающий по технологии DMD (Direct Metal Deposition). С помощью технологии DMD становится возможным проведение ремонта дорогостоящих компонентов газовых турбин, поставки которых из-за границы прекращены.

Особенность технологии в возможности создания крупных изделий сразу из нескольких видов сплавов. Таким образом, возможно изготавливать детали с градиентной конструкцией из разных по составу или структуре металлических порошков для деталей, части которых работают в разных режимах или условиях.

Для деталей, которые должны изготавливаться методом литья, например, корпусные части насосного оборудования, подойдет технология BJ (Binder jetting). Она позволит создавать песчаные формы для последующей передачи их в литейный цех завода-изготовителя. Аналогично изготовлению пластиковых деталей методом отливки для заказчика и изготовителя невыгодно производить форму для изготовления единичных изделий. Плюсом такого производства является то, что металлический порошок или песок, которые остаются в области печати деталей, могут быть очищены, восстановлены и повторно использованы в производстве.

Дальнейшим логическим и перспективным развитием этого направления в ПАО «ТГК-1» может стать применение всех вышеперечисленных аддитивных технологий для поддержки производства (рис. 6).

Во-первых, ПАО «ТГК-1» в перспективе сможет создавать или оперативно ремонтировать сложные компоненты и системы непосредственно на месте, без необходимости импорта готовых компонентов. Это уменьшает зависимость от иностранных поставщиков, время, затраченное на ремонт оборудования, а также увеличивает локальную производственную способность и технологический суверенитет компании.

Во-вторых, появится возможность для быстрой прототипизации, обратного инжиниринга и производства комплектующих из пластмассы в небольших объемах. В-третьих, наличие такой производственной площадки позволит с учетом специфики производства и непосредственно на месте создавать инновационные продукты и решения, которые невозможны или очень сложны для больших заводов-изготовителей, работающих с традиционными методами производства в больших объемах.

Вывод

Одним из ключевых преимуществ аддитивных технологий является то, что они позволяют гибко производить индивидуальные изделия напрямую из 3D-моделей, хранящихся в CAD (CAE) системах. Это позволяет уменьшить потери времени и денег на специальные станки, пресс-формы или ожидание доставки от производителя.

Кроме того, принцип 3D-печати позволяет получить детали, сразу готовые к установке за один производственный этап, минуя сборочные операции. Помимо расходных материалов и 3D-принтера для организации производства потребуется только 3D-модель изделия.

Затраты на настройку и переналадку станка (3D-принтера) незначительны, так как для изменения вида изготавливаемого изделия необходимо только загрузить новый CAD-файл без необходимости проводить работы с пресс-формами и инструментом.

В конечном итоге аддитивные технологии позволят укрепить технологический суверенитет, увеличивая локальную производственную способность, снизить временные и финансовые затраты на проведение ремонта.

Феликс ДРЯЕВ, главный специалист сектора совершенствования производственной системы службы совершенствования производства ПАО «ТГК-1»

Фото предоставлены пресс-службой ПАО «ТГК-1»