В стакан с песком мы кольцами, одно поверх другого, наливаем клей, он застывает, затем снова и снова льем клей и подсыпаем песку... Потом отряхиваем лишнее и получаем нечто вроде трубы. Заменим песок специально подготовленным порошком из металла, керамики или композита, струйку клея — лучом лазера или потоком электронов, а собственную руку — системами точного, до микрон, позиционирования и интеллектуального управления. И получим одну из самых совершенных аддитивных («добавляющих») технологий. Таким примером иллюстрирует общий принцип 3D-печати директор Института химии твердого тела и механохимии СО РАН академик Николай Захарович Ляхов.
— Перечень аддитивных технологий начинается с такого процесса, как непрерывное формование: промышленный экструдер устроен по тому же принципу, что и мясорубка. Немногим сложнее инжекционное литьё, при котором материал под высоким давлением подаётся в форму. Так изготавливают, например, пластиковые бутылочные пробки. К более высоким технологиям относятся 2D- и 3D- печать. Первая из них достаточно хорошо освоена в микроэлектронике: блоки и печатные платы все чаще изготавливают не травлением, а нанесением токопроводящих чернил специальным принтером. Жёсткой грани между 2D- и 3D-методами нет — некоторые электронные детали выпускают «с выпуклостями» за счет неоднократного прохождения печатающей головки по одному и тому же рисунку.
Но настоящую промышленную революцию сулит развитие 3D-печати, хотя слово «печать» не очень правильно отражает процесс формирования сложных трехмерных объектов. Термин «выращивание», непривычный для промышленности, подходит лучше. По информации, озвученной директором Конструкторско-технологического института научного приборостроения (КТИ НП) СО РАН доктором технических наук Юрием Васильевичем Чугуем, на наших глазах появляется отрасль производства с перспективой ежегодного роста рынка в 27%. И этот рынок находится в фазе становления. 3D-машины сегодня в мире производят немногим более десятка компаний. Отечественных среди них пока нет, но недавно во Всероссийском институте авиационных материалов (ВИАМ) прошло совещание с участием вице-премьера Дмитрия Олеговича Рогозина, на котором учёным была поставлена задача: не допустить отставания в этой области, разработать собственные технологии 3D-выращивания. Несмотря на кризисные явления в экономике, государство готово выделить на эти исследования и разработки определенные ресурсы.
Зарубежные образцы показывают, с одной стороны, истинную революционность нового метода, а с другой — весь спектр проблем, стоящих на его пути к массовым, экономически рентабельным, производствам. Действующие промышленные установки дороги (от 500 000 до миллиона евро) и малопроизводительны (скорость наращивания от 5 до, максимум, 70 кубических сантиметров в час). Ограничены и размеры выпускаемых изделий: аппараты выше человеческого роста производят детали размером с кофейную чашечку. Поэтому на сегодня в мире действует всего около тысячи крупных установок, способных работать с металлами и сплавами.
Демонстрационные 3D-машины, которые экспонируются на выставках, удивляют посетителей сравнительно быстрым и точным формованием пластмассовых фигурок. Но настоящая революция начнется только тогда, когда появятся аддитивные технологии, позволяющие работать с металлами, керамикой, композитами. У сегодняшних 3D-установок есть и другие недостатки. Это несоответствие свойств готового изделия ожидаемым для используемого материала (прочность, пористость, долговечность). Далее, пока что налицо низкая адаптивность технологии: при замене порошка требуется технологическая поддержка, возникает зависимость от поставщиков сырья. Наконец, заявленный промышленный переворот тормозит отсутствие нормативной документации на «выращенные» изделия (необходимы дорогостоящие процедуры сертификации). Тем не менее, я встречал весьма оптимистические прогнозы. Если в 2013 году производительность 3D-машины, работающей с порошками металлов, составляла 10 кубических сантиметров в час при стоимости порошка около 90 евро за килограмм, то через 10 лет ожидается изменение этих показателей до 80 см3 в час и 30 евро.
По сути, любая аддитивная технология сегодня формируется из четырех блоков. Перво-наперво, требуется сырье принципиально иного уровня и качества, нежели у традиционных производств. Как уже указывалось, это порошки, состоящие из максимально однородных наночастиц, металлических, неметаллических и композитных. Второй блок — разработка и изготовление высококонцентрированных источников энергии, каждый из которых должен соответствовать той или иной задаче: вряд ли здесь возможны универсальные решения. Третье — это система интеллектуального управления всем комплексом. В ней заложены размеры, форма и параметры готового изделия, скорость и ход всех процессов, от подачи порошка до финальной обработки поверхности. Наконец, четвёртый блок представляет из себя систему позиционирования и координатной развертки. Без него процесс «выращивания» будет неточным в пространстве и времени. Чтобы создать российскую промышленную 3D-машину, необходимо на собственной базе построить все четыре блока. Было бы бессмысленно, например, освоить производство порошков и источников облучения, отработать позиционирование, но оказаться в зависимости от импортных программ.
В Сибири созданы хорошие заделы по всем четырем направлениям. Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН традиционно занимается получением и изучением однородных порошковых материалов. Термическими, механическими и химическими методами наши специалисты добиваются и предельного уменьшения размеров частиц, и их «одинаковости». На микрофотографиях хорошо видна разница, к примеру, между состоянием вольфрамового порошка до и после плазменной обработки. Мы видим потенциально реализуемым совмещение в одном процессе синтеза материала и изготовления детали с помощью аддитивных технологий: говоря проще, «на одном заводе» возможно готовить и порошок, и изделия из него, снижая накладные расходы. Назову ещё одну организацию-лидера: томский Институт физики прочности и материаловедения СО РАН. Там реализуется новая концепция аддитивных технологий, суть которой — опираться не на исходный материал и его свойства, а отталкиваться от требований к конечному продукту. Это позволит перейти от конструирования изделий и узлов с однородной структурой и фазовым составом на принципиально новый уровень: получать на выходе продукцию любого размера и формы со сложной структурой, изменяющимся фазовым и элементным составом и физико-механическими свойствами. Это новый горизонт, к которому мы должны стремиться в своих технических решениях уже в самом начале проекта.
Примером может служить искусственная человеческая кость. Сегодня готовые керамические фрагменты скелета «подгоняются» под пациентов. Потенциал 3D-технологий таков, что завтра мы сможем изготавливать «запчасти» под размеры и формы конкретного организма, практически неотличимые от родных (персонифицированная медицина!). Вспомним, как выглядит кость в разрезе: теперь станет возможным воссоздать и ее сложнейшую структуру, и физические свойства. «Начинается новое материаловедение, новая химия и физика», — убеждён директор ИФПМ СО РАН член-корреспондент РАН Сергей Григорьевич Псахье.
В области создания систем точного позиционирования одним из лидеров признан КТИ НП СО РАН. Сегодня, к примеру, его специалисты доводят до готовности систему контроля геометрических параметров центрального зеркала космического телескопа в рамках национального проекта «Миллиметрон». Здесь же разработан лазерный технологический комплекс для измерения геометрии и обработки изделий с произвольной формой 3D- поверхности (абляция, резка, сварка). Это уже совсем близко к компонентам аддитивных технологий. По ряду проектов партнером КТИ НП выступает Институт автоматики и электрометрии СО РАН. Напомню, что в его стенах был создан точный трехмерный симулятор стыковки для российских космических экипажей.
Некоторые институты Новосибирского и Томского научного центров готовы работать не по одному, а по двум-трём блокам аддитивных технологий. И сложнейшие программистские решения, и источники концентрированной энергии создаются в разных коллективах. На заседании президиума Сибирского отделения, где обсуждались наши возможности, член-корреспондент РАН Павел Владимирович Логачёв из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН напомнил о созданной там серии электронно-лучевых пушек, применяющихся на оборонных предприятиях. Но ИЯФ в потенциально очень перспективном межинститутском проекте может выступить партнёром и по другим направлениям, равно как Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича, томский ИФПМ и другие организации.
Вот и прозвучало слово «проект». На самом деле, силами одного, двух, трёх институтов столь сложная и актуальная задача быстро и полноценно не решается — необходим другой уровень кооперации и ресурсного обеспечения. Следует говорить о новой федеральной комплексной программе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, не менее масштабной, чем уже утвержденные в РАН и ФАНО. План действий, «дорожная карта» последовательных усилий наших институтов требуется уже сегодня. Не будем забывать и о потенциале резидентов технопарка новосибирского Академгородка и томской технологическо-внедренческой зоны, на базе которой вырастает комплекс «ИННО Томск».
Ключевым организационным решением могло бы стать создание Центра коллективного пользования СО РАН по отработке экспериментальных технологий производства и сертификации порошковых материалов. Несмотря на такое название, его функции должны быть шире: ведь необходима подготовка научных и инженерных кадров в этой области. На это могут быть ориентированы НГУ, НГТУ, НОК «Наносистемы и современные материалы» при Новосибирском университете, исследовательские университеты Томска.
Я согласен с мнением академика Николая Леонтьевича Добрецова: тематика российских аддитивных технологий и предлагаемая сибирскими учёными программа их создания должны быть поддержаны на самом высоком государственном уровне. Президент России поручил Академии наук подготовить концептуальные основы Национальной технологической инициативы. Если в этих документах не будет (как особо приоритетного, подчеркну!) блока по основам 3D-индустрии, то снова будут упущены время и возможности, снова наша страна окажется «отставшей навсегда» в еще одной важнейшей технологической отрасли.
Фото: Юлии Поздняковой, из презентации Николая Ляхова
