Сергей Апресов
Предприятия «Норникеля» испытали весь спектр аддитивных технологий — и нашли промышленное применение для каждой из них. 3D-печать в компании преодолела стадию экспериментов и приносит реальный экономический эффект.
Всё началось с эксперимента. Неопределённость с поставками запчастей от зарубежных производителей техники подтолкнула «Норникель» к исследованию перспективных направлений: реверс-инжиниринга и 3D-печати. Практика нескольких лет показала, что производить многие виды деталей самостоятельно гораздо выгоднее, чем заказывать их у вендоров, — даже без скидок на вызовы времени.
Номенклатура таких изделий постоянно расширяется. Произвести можно практически всё, что угодно, с помощью современных технологий 3D-печати. Специалисты «Норникеля» освоили каждую из них.
Скоростной инхаус: технология FDM
За последние 20 лет FDM-принтеры распространились повсеместно — от университетских лабораторий до хобби-мастерских. Технологию ценят за доступность материалов и высокую скорость печати, которая открывает практически безграничные возможности для творчества. Тем не менее долгое время FDM-технологию считали неприменимой в тяжёлой промышленности: пластиковые детали не выдерживали высоких нагрузок.
FDM — это самая распространённая и доступная технология 3D-печати пластиком. Термин Fusion Deposit Modelling переводится как метод послойного наплавления. Рабочий орган принтера слой за слоем выдавливает на стол расплавленный пластик, «выращивая» трёхмерный объект.
Использование FDM-принтеров в Норильске уже принесло «Норникелю» годовой экономический эффект порядка 200 миллионов рублей. Из пластика печатают пресс-формы, в которые заливают двухкомпонентный полиуретан. Получаются изделия, способные выдерживать высокие температуры и при этом не подвергаться деформации. К примеру, ремонтное подразделение «Норникеля» выполнило заказ на обрезинивание катков гусениц вездехода — получившиеся запчасти по качеству не уступают оригинальным деталям.
Комбинируя 3D-печать и литьё, инженеры производят запчасти и расходники для рудников, обогатительных фабрик, металлургических заводов. Держатели штанг и хомуты для буровых установок, комплектующие насосов и фильтров, элементы клетьевых и скиповых подъёмников — эти и другие детали обходятся до 90 раз дешевле и поступают к заказчику несравнимо быстрее, если сравнивать с поставками оригиналов из-за рубежа. Специалисты Заполярного филиала «Норникеля» приводят в пример хомут буровой установки: импортный стоит 200 евро, а его аналог, отлитый из полиуретана на месте, — 400–500 рублей.
Полиуретан смешивают в специальном аппарате, который разогревает состав до 100 градусов, удаляет воздух и добавляет отвердитель. Залитые в формы детали помещают в печь с высокой температурой или выдерживают в цеху с тепловыми пушками. После остывания формы разбирают, а детали промывают растворителем. Технология легко масштабируется от небольшой мастерской до крупного производства.
Норильчане используют отечественный FDM-принтер, специально разработанный для применения в промышленности. Большой размер стола 600х600 мм позволяет печатать крупные детали или несколько объектов за раз. Принтеры промышленного класса позволяют печатать высокопрочными и жаропрочными пластиками. Например, термопласт PEEK (полиэфирэфиркетон) применяется в авиационной и автомобильной промышленности. Из него изготавливают шестерни и поршневые кольца для гидравлики. Пластик выдерживает длительные механические нагрузки и воздействие агрессивных технических жидкостей.
На промышленном 3D-принтере в Норильске печатают не только литейные формы, но и готовые запчасти для техники. По качеству они могут превосходить оригиналы, изготовленные по традиционным технологиям, за счет оптимизированной геометрии, которую способна обеспечить только 3D-печать.
— Главная причина, почему мы используем технологию FDM, — это скорость. У нас свой 3D-сканер, свой принтер, своё оборудование для литья полиуретана. Поэтому есть кейсы, когда мы изготавливали нужную запчасть в пределах рабочей недели, — говорит Рамиль Батралиев, директор департамента инноваций Заполярного филиала «Норникеля». — Скорость и наработанный опыт дают нам возможность улучшать компоненты, а не просто воспроизводить их. К примеру, мы заменили нож для съёма кека, состоящий из двух частей — основы из нержавеющей стали и керамического лезвия, — на цельную деталь из полимера. Заместили часть металлических элементов на полиуретановые — повысили долговечность и ремонтопригодность. При необходимости мы можем сделать и следующий шаг: заказать для улучшенных деталей металлические пресс-формы и запустить их в крупную серию.
Многогранный аутсорс: технологии печати металлом
Специалисты «Норникеля» перепробовали практически все технологии 3D-печати металлом, доступные на рынке. Разработка и опытно-промышленные испытания (ОПИ) остаются внутри компании, а непосредственно печать идёт на аутсорс. Такой подход даёт инженерам «Норникеля» возможность изготавливать детали любого размера и сложности из самых подходящих материалов.
SLM (Selective Laser Melting) — метод селективного лазерного спекания. В рабочей камере, заполненной инертным газом, сфокусированный луч лазера воспроизводит сечение детали на тонком слое металлического порошка. Затем наносится следующий слой порошка, и операция повторяется.
Технология SLM позволяет получать изделия с самой сложной геометрией. Так как в процессе изготовления пространство снаружи и внутри детали заполнено порошком, SLM-принтер легко создаёт объекты с внутренними полостями или тонкостенными каналами. Точности технологии достаточно для изготовления лопаток турбин авиационных двигателей.
Яркий SLM-проект «Норникеля» тоже связан с аэродинамикой. Инженеры компании печатают усовершенствованные фланцы для печей взвешенной плавки (ПВП) — это агрегаты, в которых взвесь измельчённой руды плавится в потоке горячих газов. Верифицированная компьютерная модель ПВП подсказала разработчикам, как создать устойчивые вихри в реакционной шахте — с помощью оптимизированной формы фланцев. Детали печатаются на SLM-принтерах и уже приносят экономический эффект.
ПЛВ (прямое лазерное выращивание) отличается от SLM тем, что металлический порошок не заполняет весь объём зоны печати, а подаётся дозированно в область действия лазера. Другое название технологии — DMD (Direct Metal Deposition).
В сравнении с SLM такая печать быстрее и дешевле. Она предлагает более широкий выбор металлов, но главное — позволяет изготавливать крупные детали. Готовым изделиям может требоваться дополнительная механическая обработка.
Инженеры «Норникеля» совместно с производителем провели реверс-инжиниринг рабочего колеса насоса Verex — этот агрегат перекачивает высококонцентрированную серную кислоту при температуре около 100 градусов. Колесо диаметром 538 мм весит около 90 килограммов и имеет сложную форму. По итогам материаловедческого исследования деталь решили изготовить из жаропрочного хромоникелевого сплава Inconel 625 методом ПЛВ — с последующей механической обработкой и балансировкой.
WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) — технология аддитивного производства и ремонта изделий с помощью металлической проволоки, расплавляемой электрической дугой. Самая высокопроизводительная и доступная технология 3D-печати металлом практически без ограничений по размеру изделия.
— Мы прорабатываем возможности изготовления ступицы колеса для погрузочно-доставочной машины и рассматриваем WAAM, — говорит Алексей Кузин, руководитель проекта направления аддитивных технологий центра технологических инноваций «Норникель Спутник». — Оригинальная ступица отлита из чугуна, мы же предлагаем сделать её из стали, тем самым улучшив одновременно её ресурс и ремонтопригодность. Ведь чугунные детали чинить нельзя, а стальные — можно.
Технология WAAM также позволяет ремонтировать частично повреждённые компоненты. Сломанный фрагмент удаляется, а на его месте роботизированный манипулятор печатает новый из расплавленной проволоки. В сравнении с SLM и ПЛВ проволочная печать имеет наименьшую точность, поэтому готовым деталям требуется существенная механическая обработка.
Binder Jetting (распыление связующего) — технология 3D-печати песчаных форм для литья металлических изделий. На рабочую поверхность (стол) наносится тонкий слой песка. Печатающая головка «рисует» сечение будущего изделия связующим веществом. Процесс повторяется слой за слоем.
Комбинируя несколько «отпечатков», можно составлять литейные формы любого размера. Пример крупной детали, изготовленной в «Норникеле», — компонент футеровки шаровой мельницы для Талнахской обогатительной фабрики, который весит 1 500 кг. Футеровка — это одна из частей мельницы, которые непосредственно контактируют с измельчаемой породой. Она противостоит колоссальному абразивному воздействию и ударным нагрузкам.
— Технология Binder Jetting подходит для крупногабаритных и относительно простых деталей. Она окупается при штучном или мелкосерийном производстве, так как на печать каждой формы затрачивается время, — говорит Ян Каминский, главный менеджер направления аддитивных технологий центра технологических инноваций «Норникель Спутник». — Крупные серии эффективнее выпускать, изготавливая формы традиционным способом. Если нужна деталь со сложной геометрией или из жаропрочного сплава, который плохо поддаётся литью, — в этом случае мы выбираем 3D-печать непосредственно самой детали по технологии ПЛВ или SLM.
Полный цикл: от реверс-инжиниринга до ОПИ
3D-печать — это лишь часть технологического цикла, который включает реверс-инжиниринг, НИОКР, опытно-промышленные испытания (ОПИ) и подготовку технической документации. Процесс состоит из множества этапов, но современные технологии позволяют проходить их все в предельно сжатые сроки.
Реверс-инжиниринг состоит из двух частей: исследования геометрии и материаловедческой экспертизы. Иногда 3D-модель детали можно получить по запросу у производителя — это бывает особенно полезно, если компонент нельзя немедленно снять с работающего оборудования. Если же такая опция недоступна, объект сканируют.
3D-сканер позволяет снять геометрию детали в пределах рабочего дня. Получившееся облако точек нужно перевести в параметрическую 3D-модель, а также составить конструкторскую документацию. Это ручная работа, которая занимает 2–3 рабочих дня.
Химический и металлографический анализ занимает 1–2 дня плюс время на доставку детали или её фрагмента в лабораторию. К примеру, если речь идёт о заводской лаборатории предприятия, которому требуется ремонт оборудования, доставка происходит в пределах рабочего дня.
Оптимизация изделия часто происходит именно на этом этапе. Зная геометрию детали и требуемые прочностные характеристики, инженеры вносят предложения, основанные на реальном опыте и потребностях работников «Норникеля». Компоненты становятся удобнее, прочнее, надёжнее и дешевле.
— Возможность быстро реализовать свою инженерную мысль — одно из ключевых преимуществ аддитивных технологий, — говорит Рамиль Батралиев. — Мы пользуемся ею постоянно: адаптируем оборудование к доступным расходникам, заменяем материалы на те, что лучше подходят — например, металл на полиуретан, более долговечный и устойчивый к абразивному износу.
3D-печать на собственном оборудовании делается день в день, сторонний подряд редко выходит за рамки двух недель. Ещё сутки нужно заложить на термическую обработку металлических деталей — высокотемпературный отпуск для снятия внутренних напряжений, возникающих при печати.
Механическая обработка детали может проводиться ручными инструментами или на станках с ЧПУ — в зависимости от объёма и сложности задач. Цель — снять лишний металл и довести форму изделия до идеала. Для контроля геометрии используют повторное 3D-сканирование. Детали, которые вращаются на высоких оборотах, в том числе компоненты насосов и мельниц, требуют балансировки.
Опытно-промышленные испытания (ОПИ) проводятся перед вводом в эксплуатацию любой техники и её компонентов. Программа тестов разрабатывается специально для каждого случая: оборудование должно доказать свои качества в условиях, максимально приближенных к реальным, при этом не подвергая риску людей и производственные процессы.
Маркетплейс запчастей: банк конструкторской документации
Составление полной, достоверной и корректно отформатированной документации — неотъемлемый этап работы над любым конструкторским проектом. Дело не только в ответственном отношении: единая база 3D-моделей позволяет большинству заказчиков получать запчасти быстрее, пропуская практически всю цепочку от реверс-инжиниринга до ОПИ.
— Существует проблема разрозненности конструкторской документации и дублирования: когда разные предприятия «Норникеля» ведут собственные архивы с номенклатурой одних и тех же деталей, — говорит Рамиль Батралиев. — Создание общего банка КД важно не только с точки зрения аддитивных технологий. База может быть полезна и для ремонта, и для НИОКР, и для выработки управленческих решений. В этом году мы поставили перед собой задачу создать пилотный проект цифровой платформы для консолидированного доступа к конструкторской документации по всей компании.
В перспективе — подключение больших языковых моделей (LLM) и генеративного искусственного интеллекта. LLM помогут искать документацию в базе по смыслу, а не по словарному контексту. Генеративный ИИ может оказаться полезен в процессе реверс-инжиниринга, например на этапе перевода 3D-скана в параметрическую модель.
