Как помочь клиенту реализовать все возможности ПЛВ? Какую часть мирового и внутреннего рынка АП будут в ближайшей перспективе занимать технологии наплавки DED? «Самый-самый» продукт – это какой? На вопросы Industry3D отвечает руководитель отделения аддитивных технологий ИЛИСТ СПбГМТУ Константин Бабкин.

– Почему, на ваш взгляд, при всех известных преимуществах технологии наплавки DED-P до сих пор в РФ она не получила активного применения и почти никто не производит оборудование для этой технологии (но используют «конструкторы» на базе станков с ЧПУ и РТК, а также наплавочных головок чаще импортного производства)? Что в данном случае сдерживает отечественные компании, многие из которых стремятся освоить L-PBF?

Установка ПЛВ – это нечто большее, чем наплавочная головка, повешенная на промышленный робот или на портальный манипулятор. Для того, чтобы получить годное изделие, требуется решить комплекс проблем, причем не только технических, но и организационных. Это не простая технология с точки зрения создания оборудования и поддержки клиентов. В качестве примера могу привести оборудование фирмы Insstek. Одно время оно было довольно популярно. Такие машины стоят в РУДН, Сколтехе, ЦАТе и некоторых других организациях. Корейцы сделали довольно своеобразное, узкозаточенное, но все же не бесполезное оборудование. Так почему же практически нигде оно сейчас не используется? Все потому, что недостаточно сделать хорошую машину, недостаточно даже ее продать. Нужно сделать так, чтобы, работая на ней, клиент получал стабильную, хорошую, предсказуемую прибыль. Как я уже говорил, ПЛВ – это не простая технология и мало кто, кроме нас, может помочь клиенту реализовать все ее возможности.

– Часто ли ваш заказчик соглашается на использование отработанных в АП материалов, а не просит разработать технологию на материал, заложенный в КД на изделие?

Наших заказчиков можно условно разделить на две группы. К первой относятся крупные, известные организации из госкорпораций. Они, как правило, находятся в жестких рамках КД и замена материала почти невозможна. Для нас как для разработчиков каждый новый материал – это, с одной стороны, интересно, а с другой, – несет дополнительные риски. Бывает, что взяв проект под какой-нибудь неизвестный никелевый сплав, (например, Haynes 230), мы обрекаем себя на месяцы технологических экспериментов, подбора режимов термической обработки и механических испытаний. Хотя решение именно таких технологических задач позволяет раздвинуть границы возможного и развить свою компетенцию.

Вторая группа – это коммерческие компании, для которых экономическая составляющая играет определяющую роль. И тут нужно подсветить важную тенденцию. Не секрет, что количество установок для селективного лазерного сплавления в стране быстро растет. Вместе с этим от года к году увеличивается количество производимых в стране металлопорошковых композиций. При этом любая технология производства МПК дает широкую фракцию – от пылевой до 300 мкм. И если мелкая фракция идет на SLM, то на крупную фракцию такого спроса нет. Наши установки потребляют МПК любой фракции от 20 до 250 мкм, таким образом мы можем использовать отсев, который стоит значительно дешевле. Так, например, сейчас цена порошка нержавеющей стали в рублях меньше, чем 10 лет назад. Да, это касается только узкой номенклатуры популярных сплавов, а какую-нибудь экзотическую черную сталь будут продавать по цене в четыре раза дороже нержавейки. Но если заказчик согласен на предложенный вариант, то стоимость изделий его приятно удивит.

– Каким вы видите развитие рынка АП по металлам? Какую часть в нем будут занимать технологии наплавки DED (порошок, проволока)? Какие факторы сейчас на него влияют?

Если проанализировать запросы наших клиентов, то можно выделить несколько трендов.

За аддитивкой приходят компании, далекие от производственной сферы. Чаще всего это различные производства, эксплуатирующие иностранное оборудование. Для них аддитивные технологии – это палочка-выручалочка, которая должна решить проблему недоступных запчастей. Как правило, у них нет своей механической и термической обработки, они не сильны в реверс-инжиниринге и проектировании. Такие заказчики ищут скорее не оборудование, а надежного партнера, который быстро и качественно будет снабжать их требуемыми деталями. Для нас это вызов, так как требуется нарастить компетенции в области механической и термической обработки, коррозионной стойкости, износостойкости и проектирования различных узлов. И если раньше у заказчика обязательно был конструктор, который мог провести необходимые расчеты, подобрать материал и адаптировать конструкцию под АП, то сейчас эти функции приходится выполнять нам. При этом именно к изделиям, получаемым по технологии ПЛВ, предъявляются жесткие требования. У нас средний размер изделия больше, чем в технологии SLM, следовательно, механическая обработка сложнее. Мы также используем более сложные материалы, чем у WAAM, что обусловливает повышенные требования к работе металловедов, подбору режимов термической обработки различным испытаниям образцов.

Еще один тренд – к нам приходят новые производственные отрасли, например, заказчики из транспортного машиностроения. С ними легче работать, чем с аэрокосмосом, но они более требовательны к срокам получения результата. Они готовы к более высоким рискам, если высока вероятность быстрого получения качественного результата. Там, где ранее мы месяцами совместно с заказчиком перепроектировали изделия и проводили механические испытания на сотнях образцов с целью доказать качество и повторяемость технологии, сейчас нам дают карт-бланш на реализацию наших идей, требуя в ответ скорость и экономичность.

– Поговорим о более общих тенденциях в АП. Гигантомания и миниатюризация в печати – это тренд? Как долго, на ваш взгляд, он будет сохраняться? Какие еще тренды в АТ сейчас зарождаются?

Ни для кого не секрет, что русскому человеку не достаточно просто сделать хороший продукт, важно, чтобы он был «самым-самым». Отсюда тяга к крайностям. Так, наш первый проект, стартовавший 10 лет назад, был заточен под изделие размером 1,5 метра. Потом была веха в 2 метра, потом 3 метра, потом вес изделия в 800 кг. Сейчас у нас в проработке машина под изделия 3,5 метра и 10 тонн весом. Но это все-таки уникальные, единичные решения. Они позволяют двигать технологию вперед, но нельзя излишне на них фокусироваться. Пример 3DLAM показывает, что если не гнаться за гигантизмом, а просто делать отличные небольшие машины, то можно производить их сотнями. Мировые тренды металлической 3D-печати довольно однозначны: больше, быстрее, дешевле. Отсюда и двухметровые послойные принтеры от BLT и Eplus-3D с 36 и более лазерами, и бесконечное количество маленьких машин. 3D-принтеры сегодня выпускаются крупными партиями, и стоимость машин постоянно снижается. С увеличением производства порошка падает его себестоимость, и все больше задач становится целесообразно решать с помощью аддитивных технологий. Сейчас мы находимся внутри этого процесса и, скорее всего, пропустим момент, когда мир вокруг изменится. И только спустя десятки лет историки и аналитики отметят ту точку во времени, когда удешевление технологии запустило волну повсеместного использования АП.

Если посмотреть на тренды с нашей точки зрения, то для нас очевидна важная тенденция – кардинальное снижение стоимости мощных лазеров. Меньше, чем за пять лет, стоимость, например, 12 кВт лазера упала в 10 раз. Для нашей технологии производительность напрямую связана с мощностью лазерного излучения, и потенциально ее можно увеличить до 5, а то и 10 кг/ч. Да, не на всяком изделии можно утилизировать такое количество тепла, но потенциально, с учетом дешевеющего порошка, ПЛВ может решать задачи изготовления деталей больше 500 кг весом с производительностью, недосягаемой и для WAAM.

Еще одна глобальная тенденция АП – появление качественно новых продуктов с точки зрения пользовательского опыта. Тут хотелось бы вспомнить компанию Bambu Lab, которая, собрав воедино лучшие наработки в области FDM, предложила качественно новое решение. Лично на меня произвели неизгладимое впечатление легкость и интуитивность работы с их 3D-принтером. Уникальный опыт, когда ты берешь 3D-модель, делаешь буквально пару кликов в слайсере и спокойно идешь по своим делам, зная, что спустя пару часов тебя будет ждать готовая деталь. Работать с таким принтером может даже первоклассник, который, даже не разбираясь в технологии, полимерах и программировании, может нарисовать и распечатать себе складной меч. Понятно, что, как и у любой технологии, у этого оборудования есть свои ограничения, и профессионал может легко их нащупать, но появление Bambu Lab – это сообщение всем разработчикам – мир изменился! Меняйте, адаптируйтесь, думайте о пользовательском опыте, или будете забыты.

Когда размер имеет значение, но основная ценность – знания. Часть 1.

Аддитивная технология прямого лазерного выращивания (ПЛВ), по которой заготовки деталей изготавливаются путем лазерной наплавки металлических порошков, сегодня широко востребована во многих сегментах машиностроения, в том числе при производстве высокотехнологичной продукции. ПЛВ – отечественный термин, за рубежом, где лидеры АП стали применять эту технологию намного раньше нас, в ходу несколько различных аббревиатур для ее обозначения,  самые распространенные – DED-P, LENS и DMD. В России работа над установками прямого лазерного выращивания началась достаточно поздно – в 2014 году. Лидером здесь был и остается Институт лазерных и сварочных технологий при Санкт-Петербургском Государственном Морском Техническом Университете (ИЛИСТ при «Корабелке»). Установки ИЛИСТ стали первыми отечественными образцами технологического оборудования для прямого лазерного выращивания крупногабаритных высокоточных заготовок из металлопорошковых композиций. Это обеспечило серьезный научно-технический задел для развития технологий аддитивного производства в России.

Собеседник нашей редакции – руководитель отделения аддитивных технологий ИЛИСТ СПбГМТУ Константин Бабкин.

– В публикациях о ваших продуктах упоминается, что в процессе создания линейки установок ИЛИСТ разработчики столкнулись с многочисленными проблемами, связанными с революционностью самой технологии. Пожалуйста, расскажите подробнее об основных проблемах и о том, какие их решения заложены в разработках серии ИЛИСТ?

В этом году мы отмечаем юбилей. Ровно десять лет назад были начаты работы над технологией прямого лазерного выращивания. Команда разработчиков состояла тогда из двух человек. Сейчас в отделении аддитивных технологий ИЛИСТ занято 36 инженеров и технологов. Оглядываясь назад, можно сказать, что это был тяжелый, напряженный, но в то же время интересный и увлекательный путь. Было много проектов, ошибок, крутых решений, стресса и работы на износ. Но все эти годы важным стимулом было стремление к красоте. Бытует мнение, что эффективные инженерные решения не могут быть не красивыми. Например, такие сугубо функциональные вещи, как ракеты, самолеты или парусные корабли удивительно красивы именно за счет своего технического совершенства. А что может быть красивее, чем наблюдать, как на твоих глазах из пыли и света создается новая деталь?

За прошедшие десять лет нам пришлось решить бесчисленное множество проблем, и всякий раз поставленные амбициозные задачи заставляли нас копать все глубже. Многие подсистемы, например, технологический инструмент, герметичная кабина или система автоматического управления, переделывались по десять раз. Каждый раз предыдущая итерация отправлялась на выброс и мы, с учетом полученного опыта, начинали всё сначала. Мы доводили оборудование до предела, чтобы выяснить все слабые места и их исправить. В результате каждый компонент установки ПЛВ выверен и отработан.

Если добавить немного технических подробностей, то начнем с того, что основополагающий принцип построения наших машин – надежность. С самого начала нашей целью были большие, тяжелые изделия. Когда выращиваемая заготовка весит 200 кг., тебе нужна высокая производительность и уверенность, что процесс будет доведен до конца. Если же по прошествии 200 часов работы что-то выйдет из строя и заготовку не удастся спасти, то придется начинать с начала. Возьмем, например, систему подачи металлического порошка. Мы используем ротационные питатели, в которых порошок транспортируется по пневматическому шлангу в струе аргона. За пару тысяч часов работы металлический порошок проедает полиуретановые шланги насквозь, стираются скребки и диски колбы питателя, выходят из строя сопла и фитинги. Какое решение? Менять все расходные компоненты каждую тысячу часов? Это не наш путь. Мы годами экспериментировали, заменяли полиуретановые шланги полиамидными, меняли режим закалки дисков колб питателя и подбирали абразивоустойчивый пластик для скребков. И в итоге добились надежной работы в течении 10 000 часов.

– Чем уникально оборудование от ИЛИСТ? Какие идеи от мировых лидеров получили в нем свое развитие, а что является эксклюзивом от разработчика?

Первоначально отличительной особенностью наших машин было использование усовершенствованных промышленных роботов в качестве манипуляторов. Почти все компании, работающие над этой технологией, выбирали манипуляторы на базе линейных осей – Optomec, BeAM Machines, DMG Mori, Okuma, Insstek. У каждого из них есть своя история становления: кто-то производит фрезерные станки и берет его за основу, кто-то собирает манипулятор из подручных компонентов, кто то заказывает разработку в серьезной инжиниринговой компании. Но предпосылки одни – мы хотим получить точное изделие, поэтому нам нужен точный манипулятор, и стандартный промышленный робот с точностью позиционирования до 0.5 мм нам не подходит. При всех плюсах у манипулятора на линейных осях есть одна проблема – его стоимость растет в геометрической прогрессии с ростом размера изделия. Использование современных промышленных роботов позволяет решить эту проблему и получить экономически целесообразное решение для изделий размером до 2 м.

С самого начала мы фокусировались на больших изделиях, размером до метра и более. А на таких размерах, к сожалению, точность изделия определяется не точностью позиционирования манипулятора, а сварочными напряжениями и умением технолога компенсировать деформации, который могут достигать сантиметра и даже более. Как показала наша практика, робот – практически идеальное решение для установок ПЛВ. Он гибок, неприхотлив, легко интегрируется в герметичные кабины, почти не требует технического обслуживания, прощает небольшие столкновения. При необходимости робот дооснащается дополнительными осями, например, наклонно-поворотными столами или линейными осями, что увеличивает технологические возможности и размер выращиваемых изделий.

Что касается остальных составляющих наших установок: мы начинали с копирования лучших подходов мировых лидеров, а затем на протяжении пяти лет шлифовали решения, доводя их до идеала. Мы обоснованно можем сказать, что наши технологические инструменты лучше немецких решений. Порошковый питатель обогнал по точности и стабильности подачи оригинал из Швейцарии. Даже система фильтрации инертного газа прошла через восемь итераций разработки, прежде чем принять финальный вид. Техническое совершенство всех подсистем всегда было нашей целью.

Но если говорить про эксклюзивные решения, то главное кроется не в технике. Самое ценное, что мы предлагаем нашим клиентам, – наши знания в области создания сложных изделий. И я сейчас говорю не только про обучение работе на оборудовании и созданию управляющих программ. Мы с удовольствием делимся нашими процессами, чек-листами, процедурами. За последние пять лет у нас сформировалась система, включающая не только сам процесс выращивания, но полный комплекс действий, направленных на получение результата: входной контроль порошка, отработка режимов, перепроектирование изделий под возможности нашей технологии, компенсация деформаций, создание техмоделей и управляющих программ, контроль геометрии, термическая обработка и испытание образцов-свидетелей. В нашем видении все эти составляющие взаимосвязаны и перемежаются контрольными операциями. Именно эта система и является тем эксклюзивным решением, которое мы предлагаем нашим клиентам. Да, освоение нашего подхода требует ресурсов, но результат того стоит.

– Пожалуйста, расскажите подробнее о созданной для установок ИЛИСТ системе автоматического управления. Легко ли ее освоить инженерам компаний-покупателей вашего оборудования?

Наша система управления состоит из двух частей. Для управления самим манипулятором мы оставили оригинальный контроллер робота. Это проверенное годами решение, которое разрабатывали высококлассные инженеры. Даже с учетом нашего опыта сложно предложить что-то более удобное и надежное. Плюс это максимально упрощает обучение – если оператор знаком с любым промышленным роботом, он очень быстро освоит работу на нашей машине. Что и говорить, если сегодня даже в колледжах учат управляться с подобными системами. Вторая часть – консоль управления, тут, наоборот, максимальным образом вложено наше понимание работы на машине. Консоль построена на базе большого сенсорного экрана, на который выводится видео с коаксиальной камеры, и вся необходимая информация о технологических параметрах процесса и состоянии оборудования. Качество интерфейса обеспечено участием операторов и технологов в разработке программного обеспечения. Более того, в нашей практике – и включение программистов в смены для работы на оборудовании, чтобы отлавливать не только ошибки, но и случаи, когда ПО используется не так, как задумывал разработчик.

– Как вы относитесь к гибридному производству на основе АТ? Каковы на сегодня его основные преимущества и уязвимости? Над устранением каких уязвимостей вы сейчас работаете?

Под гибридным производством обычно понимают сочетание аддитивного технологического процесса и какого-либо вида механической обработки в рамках одной установки. В качестве примера приведем установку DMG Mori Lasertec 65 Hybrid, которая сочетает функционал пятиосевого фрезерного обрабатывающего центра и установки прямого лазерного выращивания. По замыслу разработчиков, это позволяет в рамках одного станка получать из металлического порошка полностью готовое изделие. Однако наш опыт показывает, что этот подход не всегда работает. Если производится большой объем наплавки, то внутри изделия формируется напряженно-деформированное состояние во время кристаллизации наплавляемого металла. При последующей механической обработке часть напряжения снимается вместе с удаляемым материалом, а оставшееся перераспределяется, вызывая коробление обрабатываемой детали. Поэтому практически все заготовки после выращивания обязательно проходят через термическую обработку для снятия напряжений, и уже потом механически обрабатываются. Ну а если мы сняли выращенную заготовку со станка для отправки в печь, то нам уже без разницы, ставить ли ее обратно в гибридную машину, или же использовать специализированное оборудование. На практике мы выяснили, что гибридная машина стоит дороже и работает хуже, чем две специализированных единицы – обрабатывающий центр и установка ПЛВ.

Когда же гибридное производство имеет смысл? В первую очередь, в ремонтных операциях, когда за один установ нужно снять некоторый объем металла, потом наплавить новый и провести черновую обработку. Объем наплавки относительно небольшой и проблем с короблением меньше. Ну и финишную обработку можно провести после термической. Вторым развивающимся направлением является дооснащение существующего фрезерного станка (часто трехосевого) аддитивной функцией. В качестве примера можно привести компанию Meltio, которая в том числе производит и продает такое оборудование.

Мы не были бы сами собой, если бы не попросили нашего собеседника также поделиться собственным экспертным мнением об особенностях технологии DED-P, трендах и перспективах рынка АП в целом. Ответы на эти вопросы читайте во второй части интервью.

Заказчик дает карт-бланш. Часть 2.