Алексей Дуб: 3D-печать - сложное направление

15-16 апреля 2019 года в Главном медиацентре г. Сочи прошёл ХI Международный форум "АТОМЭКСПО-2019" - глобальное отраслевое дискуссионное мероприятие, инициированное госкорпорацией "Росатом". На вопросы корреспондентов AtomInfo.Ru ответил Алексей ДУБ, генеральный директор интегратора ГК "Росатом" по аддитивным технологиям "Русатом - Аддитивные технологии". Сложное технологическое направление Алексей Владимирович, чем аддитивные технологии интересны "Росатому"? Они интересны тем, что это сложное технологическое направление. Оно включает в себя вопросы машиностроения и материаловедения (превращение порошковых материалов или проволоки в конечное изделие). Сюда же входят цифровые модели новых проектов, которые могут получаться за счёт того, что аддитивные технологии имеют куда меньше, по сравнению с традиционными технологиями изготовления, ограничений по возможности получения сложных ячеистых структур и очень сложных переходов. Наконец, аддитивные технологии позволяют осуществлять цифровую сертификацию изделий, поскольку вмешательство человека в процесс изготовления равно нулю. С другой стороны, у многих конструкторов сохраняется скептицизм по отношению к аддитивным технологиям. Проще говоря, они не верят в надёжность изделий, напечатанных на 3D-принтере. Известный факт - конструктора скептически относятся к любой новой технологии изготовления изделий. Но я хотел бы отметить, что аддитивные технологии родственны сварочным технологиям, в которых один слой сварочных материалов наплавляется на другой. Вспомним также процессы последовательного наплавления, давно известные людям как процессы спецэлектрометаллургии. Фактически, в аддитивных технологиях мы применяем освоенные подходы, но применяем их к изготовлению изделий, а не сварных швов или слитков. Всё, что от нас требуется при освоении аддитивных технологий - это пройти до конца весь путь для изготовления интересующих нас изделий, а это вопрос чисто технологический. Скептики из числа конструкторов полностью правы в том, что попытки использовать традиционные материалы для обеспечения оптимума свойств изделий, получаемых с помощью 3D-печати, обречены на неудачу. Потребуется пересмотр материалов, которые должны применяться, и сегодня так и происходит. Но всё же, никаких принципиальных ограничений у аддитивных технологий нет. Нужно одно - набирать практический опыт. Мы знаем, что традиционные технологии механообработки развиваются на протяжении многих веков. Требовать от аддитивных технологий результатов за считанные месяцы или годы бессмысленно. 3D-печать для атомпрома В таком случае, давайте поставим задачу сверху. Когда, по Вашему мнению, станет возможным напечатать на 3D-принтере ядерный реактор? Есть 3D-принтеры, а есть и 3D-принтеры. Вы же знаете, что есть 3D- принтеры, способные печатать дома. Корпус реактора - это дом для активной зоны, так почему бы этот "дом" не попробовать напечатать? Для этого нам потребуется принтер, умеющий печатать не порощком, а большими объёмами жидкого металла. Можно сказать, что такие устройства сегодня уже практически придуманы. Есть методы электрошлакового переплава или порционного переплава, которые позволяют делать полые слитки или толстостенные трубы. Фактически, это обечайки или другие элементы реактора. Другой вопрос - печать твэла. В ней нет особого смысла при наличии отработанных технологий, потому что твэл энергетических реакторов представляет собой трубку с очень тонкой стенкой. Структура твэла такова, что экономического эффекта от его изготовления по аддитивным технологиям, как мне представляется, мы не получим. Но это твэлы существующих реакторов. А если рассмотреть возможность применения 3D-печати для твэлов перспективных проектов, которые могут иметь другую форму? Здесь соглашусь. Основное преимущество аддитивных технологий связано с возможностью применения новых конструкторских решений. Я считаю, что вопрос о перспективных твэлах нужно переадресовать конструкторам. Если они поставят перед нами задачу сделать нечто новое, то в этом случае может быть получен значительный эффект. Определённого выигрыша от 3D-печати можно достичь и для имеющихся проектов твэлов. В частности, с её помощью можно существенно укоротить производственный цикл для некоторых деталей. Например, у нас есть программа по изготовлению антидебризных фильтров (АДФ), обладающих сложной конструкцией. Упомяну ещё одну нашу программу. В её рамках мы изучаем возможности 3D- печати элементов внутрикорпусных устройств реактора. Как и в случае с АДФ, наиболее важной оценкой для нас станет длительность производственного цикла. Возвращаясь к твэлам ВВЭР... Всё-таки, есть ли принципиальная возможность напечатать их на 3D-принтере? Повторю, что печатать длинные тонкостенные изделия бессмысленно. Но можно напечатать исходную заготовку для последующего холодного деформирования. Если вас интересует вопрос о качестве получаемой при 3D-печати поверхности, то за счёт лазерного излучения можно не только сплавлять материалы, но и воздействовать на готовую поверхность - таким образом можно получить поверхность гладкую вплоть до зеркальной. Так что технологические возможности у нас имеются, и весь вопрос заключается в экономической целесообразности. Обработка поверхности готового напечатанного изделия не приведёт ли к его деформации? Нет, к деформации это не приведёт. Даже обычные технологии механической обработки рассчитываются по тем остаточным напряжениям, которые они могут внести в изготавливаемое изделие. Среди прочего, мы занимаемся разработкой программных продуктов, поскольку аддитивные технологии относятся к цифровым технологиям. Проще говоря, в 3D-принтер должна быть заложена цифровая модель будущего изделия. При создании цифровой модели в число главных задач, которые необходимо решать, входят тепловые задачи и задачи напряжённо-деформированного состояния, тесно увязанные между собой. В обязательном порядке рассчитывается удельное тепловложение в каждый элемент получаемой структуры. Выбирается оптимальная форма конструируемой детали для того, чтобы технология не привела к фатальным эффектам, к накоплению напряжений, способных снизить ресурс получаемого изделия. А трубки парогенератора напечатать на 3D-принтере можно? Можно напечатать теплообменник. Совершенно необязательно, чтобы конструкция изготовленного по аддитивным технологиям теплообменного оборудования в точности повторяла те конструкции, которые применяются в атомной энергетике сейчас. Часто приходится слышать, что слабое место у 3D-печати - это горизонталь. При печати есть поддержки. Они могут быть настолько ажурными, что просто обламываются руками. Программное обеспечение и аппаратурные возможности для создания таких поддержек существуют. Программное обеспечение и материалы Программное обеспечение для аддитивных технологий - что это такое? Программный продукт для аддитивных технологий, разрабатываемый нами, сочетает в себе как конструирование будущего изделия, так и проверки на технологичность. С его помощью мы сразу проверяем возможность изготовления изделия методом аддитивных технологий за один раз. Вернёмся к примеру с твэлом ВВЭР. Печать тонкостенной трубки длиной под 4 метра - это длительное время изготовления, большой расход материалов и огромная камера для печати. Поэтому мы и говорим о нецелесообразности 3D-печати твэлов. Если сравнивать ваше ПО с программами для станков с ЧПУ, то в чём состоит его основное отличие? Основное отличие состоит в том, что при моделировании мы должны использовать три уровня расчётов - микро, мезо и макро. Мы начинаем расчёт практически от атомарных размеров, смотрим накопление возможных напряжений в формирующемся материале на уровне точечных и линейных дефектов структуры. Далее мы смотрим, как они переходят на субзёренную и зёренную структуры. Иными словами, мы решаем одновременно и материаловедческую, и технологическую задачи. А в программах для ЧПУ решается задача исключительно формообразования, которая у нас, конечно, тоже присутствует. Важное отличие аддитивных технологий - мы не можем использовать классическое определение свойств материалов. В традиционных технологиях конструктор берёт свойства из справочной литературы, и они у него не меняются (или меняются по известным законам). Мы же берём порошок и из него выращиваем изделие. Учёт трансформации свойств порошка в свойства изделия - обязательное и важное отличие программного обеспечения для аддитивных технологий. Причём конструктор должен сразу получать ответ на вопрос, удастся ли ему с помощью 3D-печати добиться желаемых свойств или ему придётся вносить в свои задумки какие-то изменения - добавлять консерватизм, модифицировать несущие элементы и так далее. Алексей Владимирович, у "Росатома" есть перспективные разработки по материалам для 3D-печати. Материалы для 3D-печати должны обеспечивать необходимые свойства изделия. А вопрос о том, как порошок превращается в конкретное изделие, очень непростой. Основная задача при выборе материалов для 3D-печати - при повышении прочности нам нужно обеспечить необходимую пластичность. Тут есть место для исследований, в том числе, путём изменения исходного состава. Мы получаем материалы, в которых зёренная структура является существенно более дисперсной по отношению к материалам для классических технологий. При этом мы знаем, что наноматериалы и материалы с наноструктурой имеют повышенную прочность за счёт возрастания площади границ зёрен, но одновременно с этим сохраняют на высоком уровне и пластические свойства. Так что и для материалов для 3D-печати есть возможности подобрать нужные нам соотношения этих двух конкурирующих процессов (повышение прочности и сокращение интервала пластической деформации). Для этого необходимо проводить научные исследования. В "Росатоме" они сейчас ведутся - может быть, отвлечённо от конечных изделий, но задача такая перед нами поставлена и в ближайшие несколько лет она будет решена. На следующем форуме "Атомэкспо" можно будет увидеть вашу продукцию? На форум этого года свои 3D-принтеры мы всё-таки не повезли. Что касается продукции, то в преддверии "Атомэкспо-2019" у нас прошла первая отраслевая конференция по аддитивным технологиям, где мы показали наши очень красивые изделия для практической хирургии. У нас есть планы по печати медицинских имплантов. Уже разработан полный комплект для создания такого аддитивного производства, напечатанные на 3D-принтере элементы протезов прошли предклинические испытания. Думаю, что на следующем "Атомэкспо" мы сможем продемонстрировать всем желающим целый спектр наших изделий. Спасибо, Алексей Владимирович, за интервью для электронного издания AtomInfo.Ru.