Каковы они, реалии российского аддитивного производства? Несмотря на прорывные разработки в этой сфере, промышленность продолжает скептически относиться к новым технологиям, предпочитая проверенные, традиционные решения.
Почему конструкторы до сих пор не верят в аддитивные материалы? Как системы непосредственного контроля за процессом 3D-печати и искусственный интеллект могут перевернуть контроль качества в 3D-печати? И главное — сможет ли Россия догнать в аддитивке Китай и Запад, или мы навсегда останемся в роли догоняющих?
На эти и другие острые вопросы отвечает Иван Алексеевич Иванов — заместитель генерального директора – директор ИМиМ (ГНЦ РФ АО «НПО «ЦНИИТМАШ»)/научный руководитель Передовой инженерной школы МАСТ (Университет науки и технологий МИСИС), один из ведущих экспертов в области аддитивного производства.
Честный разговор о прорывах, препонах и будущем высокотехнологичной промышленности — в нашем материале.
– Когда речь заходит о стоп-факторах, тормозящих широкое внедрение аддитивного производства в стране, обычно в первую очередь упоминается недостаток нормативно-технической документации, необходимой для легитимизации аддитивных технологий при производстве изделий ответственного применения. Проблема действительно хроническая. Поделитесь, пожалуйста, вашим видением ее решения.
– Действительно, отсутствие нормативно-технической документации (сокращенно НТД) является одним из ключевых барьеров внедрения аддитивных технологий. Давайте попытаемся разобраться в причинах низкого темпа разработки НТД, необходимой для применения 3D-печати в ответственном машиностроении. Под ответственным машиностроением понимается энергетическое, в том числе атомное машиностроение, авиакосмическая промышленность и прочие отрасли, где цена ошибки – это человеческие жизни и/или техногенная катастрофа. В этих отраслях в части материалов и конструкторских решений присутствует понятный консерватизм, который исходит из того, что лучше использовать проверенные временем решения и не экспериментировать с новыми материалами и технологиями. Для того, чтобы преодолеть этот барьер, требуется доказать, что свойства аддитивных материалов как минимум не хуже, чем у полученных традиционно, при этом показывать это придется на изделиях, которые уже спроектированы, причем, спроектированы специально под классические производственные технологии. В связи с этим основная задача —активно развивать научный задел по направлению АТ, системно формировать базы данных свойств аддитивных материалов, показывать, что технически есть возможность контролировать качество материала при серийном производстве изделий со сложной внутренней структурой. Развитие научного задела приведет к формированию технических решений, а это, в свою очередь, — база для обоснования НТД.
Собственно, АО «НПО «ЦНИИТМАШ» вообще и ИМиМ как подразделение в частности, формирует научный, технический заделы и активно участвует в работе над формированием НТД. Приведу несколько примеров. В 2016 году мы разработали SLM-установку 3D-печати MeltMaster3D-550, на которой было напечатано самое габаритное в РФ изделие специального назначения из жаропрочного сплава ВЖ-159 с характерным размером 600 мм и весом более 50 кг. Изделие соответствовало всем требованиям технического задания. АО «НПО «ЦНИИТМАШ» участвует в комплексной научной программе Госкорпорации «Росатом», в рамках которой разрабатываются новые технологические подходы, связанные с управлением структурой и свойствами (по сути —качеством) аддитивного материала, а также внедряются in-situ системы контроля, позволяющие оценивать равномерность нанесения порошкового слоя и теплофизические условия формирования твердой фазы. Использование in-situ систем контроля — шаг вперед в разработке новых методик оценки соответствия требованиям, предъявляемым к аддитивному материалу изделия с развитой внутренней структурой. Можно предположить, что использование томографических исследований исправило бы ситуацию, но в условиях серийного производства проведение томографии слишком затратно по времени и ресурсам, к тому же этот метод позволяет идентифицировать только физическую неоднородность (поры, трещины), оставляя за бортом такие параметры качества, как структура и механические свойства.
Сейчас на базе накопленного опыта наша команда работает над новыми подходами к цифровой паспортизации аддитивных изделий и материалов. Важно, что под цифровым паспортом материала понимается материал каждого синтезированного изделия. Ключевой особенностью разрабатываемых подходов, во-первых, является фиксация цифрового следа формирования материала в процессе 3D-печати — потока данных от систем непосредственного контроля. И, во-вторых, разработка цифровых двойников, связывающих данные от систем контроля со структурой, механическими свойствами, а также с физической неоднородностью.
Таким образом, ускорение темпов развития аддитивного производства требует комплексного подхода, включающего научные исследования, нормативное регулирование и внедрение цифровых инструментов контроля качества. Только так можно преодолеть недоверие конструкторов и регулирующих органов к аддитивным технологиям и обеспечить широкое применение аддитивных технологий в ответственном машиностроении.
– Расскажите подробнее о конкретных шагах, касающихся разработки нормативно-технической документации, предпринятых подразделением, которым вы руководите, и о том, каких результатов уже удалось достичь.
– Мы уже говорили, что отсутствие нормативно-технической документации существенно замедляет внедрение аддитивных технологий. Представители АО «НПО «ЦНИИТМАШ» входят в рабочую группу, которая ведет активную работу в рамках плана мероприятий по внедрению на объектах использования атомной энергии (ОИАЭ) конкретных типов изделий, полученных с применением аддитивных технологий. Очевидно, это задача непростая и для применения АТ в ОИАЭ потребуется разработать документы по стандартизации, содержащие информацию о свойствах АТ материала; порядок оценки соответствия в разных формах; аттестованные методики испытаний и контроля; создать базу данных свойств материалов в составе изделий; провести корректировку ФНП. Хочу отметить, что достаточно большой задел, которым можно воспользоваться, сформирован для традиционных процессов сварки и наплавки, являющихся родственными аддитивным технологиям. Естественно, необходимо учитывать особенности аддитивного процесса.
– Упомянутые вами системы контроля в реальном времени наверняка будут работать с привлечением возможностей искусственного интеллекта?
– Да, конечно. Важно отметить, что in-situ системы контроля рассматриваются как часть системы управления 3D-принтером. От систем контроля приходит поток данных, который необходимо проанализировать. Именно для анализа целесообразно воспользоваться алгоритмами искусственного интеллекта. Это позволит не просто идентифицировать отклонение от технологического процесса, а предсказывать влияние текущей траектории процесса на конечное качество выращиваемых изделий. И, если прогноз окажется неудовлетворительным, то, не останавливая печать, можно “на лету” изменить стратегию печати, тем самым обеспечив требуемое качество продукции. В качестве простого примера: можно идентифицировать деградацию мощности лазерного излучения и скорректировать ее, тем самым обеспечив требуемое энерговложение.
Таким образом, использование систем контроля в сочетании с технологиями машинного обучения и реализацией обратной связи открывает новые горизонты для повышения качества и эффективности аддитивного производства. Это направление уже сейчас демонстрирует значительный потенциал, но, тем не менее, требует дальнейшего развития.
– А вы в ИМиМ ЦНИИТМАШ используете или планируете использовать алгоритмы ИИ?
– В Институте мы активно используем искусственный интеллект для решения разных задач, в том числе для направления аддитивных технологий. Приведу несколько примеров. Первый связан с использованием инструментов для диагностики корректности установки лазерно-оптических систем. Вторым примером является использование машинного обучения для разработки режимов 3D-печати новых материалов. На базе собранной статистики разработана модель, которая существенно уменьшает число тестовых печатей образцов при подборе режима сплавления сплошного металлического материала, контуров, поддержек и ячеистых структур.
– Всё это касается в основном технологии СЛС?
– Отвечая на ваш вопрос касательно технологии СЛС, поясню: да, для нас это наиболее знакомая и хорошо изученная технология. Но хочу отметить, что в рамках реализации комплексной научной программы Госкорпорации «Росатом» исполнителями— а это АО «НИИ НПО «ЛУЧ», АО «НИИграфит» и пр. – был охвачен весь спектр технологий и разработано соответствующее оборудование.
– Насколько сложно реализовать подобные системы контроля для гибридного производства, которое может сочетать в себе две аддитивные технологии и/или традиционную механообработку? И как регламентировать такие процессы в нормативной документации?
– Чтобы уверенно ответить на этот вопрос, нужно наработать соответствующий опыт. В настоящий момент планируется сотрудничество с Псковским государственным университетом по оснащению их гибридных установок камерами на базе КМОП матриц для контроля параметров в зоне сплавления. Результаты работы покажут, насколько это легко или сложно.
