Импортозамещение в небе: роль аддитивных технологий в создании отечественных авиационных компонентов
В последнее десятилетие в России активизировались процессы импортозамещения во многих отраслях, и авиационная промышленность не стала исключением.
Отрасль старается побороть зависимость от зарубежных комплектующих, которыми пользовалась не одно десятилетие.
«Импортозамещение в авиастроении — в числе стратегических задач России. Множество авиакомпонентов, ранее закупаемых за рубежом, теперь необходимо быстро и качественно заменить на российские аналоги. Это трудоёмкая и долгая операция, поскольку требуется не только разработать и внедрить новые технологии, а ещё и обеспечить их соответствие мировым стандартам качества и безопасности», — отметил основатель бюро креативного инжиниринга «АДДИТИВКА», профессиональный инженер России, к.ф.-м.н. Никита Востров.
В контексте этой борьбы в авиаотрасли в ход идут разные способы: от развития собственной аналогичной компонентной базы до разработки техники, которой не понадобятся заморские запчасти, детали и жидкости.
Одним из наиболее перспективных направлений в этих обстоятельствах стало внедрение аддитивных технологий, проще говоря, 3D-печати, в производственные процессы.
Согласно результатам исследования Клуба аддитивных технологий «Рынок аддитивного производства в России», в 2023 году авиационная и аэрокосмическая отрасли были главными заказчиками услуг и товаров, созданных с помощью трёхмерной печати. Объём таких заказов составил 2,55 млрд рублей.
Российские предприятия последовали примеру таких крупных мировых компаний, как NASA, SpaceX, Airbus и Boeing, которые вкладывают немалые средства в 3D-печать прототипов, деталей и компонентов для самолётов.
В чём секрет популярности аддитивных технологий в рамках импортозамещения? Поговорили с экспертами о том, как 3D-печать помогает не только сократить зависимость от зарубежных поставок, но и повысить эффективность производства в авиационной сфере.
На импортном уже не взлететь
Очевидно, что импортозамещение в авиации является важной задачей для страны, особенно в условиях ограниченного доступа к зарубежным технологиям и компонентам. По словам сооснователя компании по производству российских высокотемпературных 3D-принтеров SOTCOMP Максима Сотника, авиастроители уже успели достичь успехов в создании аналогов критически важных узлов и систем, включая гидравлические и топливные, а также авиационные двигатели и авионику.
Однако спикер также добавил, что полная независимость от импортных поставок пока не достигнута.
«Основными проблемными областями остаются сегмент высокотехнологичных материалов, таких как жаропрочные никелевые и титановые сплавы, а также композитные структуры и микроэлектроника для авиационной электроники. Нужна масштабная модернизация производственных мощностей и расширение научно-исследовательской базы», — отмечает г-н Сотник.
Перечисленные экспертом материалы, а также керамику и другое критически важное сырьё авиастроители по-прежнему вынуждены покупать за границей.
В числе ключевых барьеров на пути к сокращению импортной зависимости в этой отрасли Максим Сотников отмечает недостаток инженерных и технологических компетенций.
«Необходимо в ускоренном темпе обучать специалистов в области авиастроения, особенно в новых направлениях, таких как аддитивные технологии, цифровые двойники и композитные материалы», — говорит эксперт.
Кроме того, все авиационные компоненты должны соответствовать строгим требованиям безопасности, что требует длительных испытаний и прохождения сложных процедур сертификации. Ну и, наконец, авиации не хватает гибкости и скорости внедрения новых решений, что требует новых подходов к проектированию и производству.
Таким образом, в рамках импортозамещения и стремления к технологической независимости перед авиационной промышленностью России стоят следующие важные задачи:
- Минимизация зависимости от иностранных компонентов — разработка и внедрение собственных решений в ключевых узлах авиастроения.
- Создание и развитие отечественного производства авиационных материалов — наращивание мощностей для изготовления высокопрочных и жаростойких сплавов, композитных материалов и электронных компонентов.
- Широкое внедрение цифровых технологий в авиастроение — активное использование цифрового проектирования, аддитивных технологий, цифровых двойников и автоматизированных процессов.
- Организация серийного производства самолётов — достижение массового выпуска гражданских и военных авиационных платформ.
- Развитие компетенций и кадрового потенциала — подготовка новых инженерных кадров и переподготовка специалистов, способных работать в сфере авиастроения.
При этом, как отмечает г-н Востров, стратегические цели, поставленные перед авиастроительной отраслью России, содержатся в ряде документов и отчётов, разработанных государственными органами и отраслевыми ассоциациями:
- Об увеличении доли российского оборудования и материалов в составе авиационной техники говорится в государственной программе «Развитие авиационной промышленности на 2013–2025 годы».
- Развитие научных исследований и разработок в области аддитивных технологий для авиастроения освещается в Стратегии развития авиационной промышленности до 2030 года.
Как 3D-печать появилась в авиации?
Участники авиационной промышленности уже не первый год обращаются к технологиям трёхмерной печати в рамках разработки и производства деталей.
Более того, согласно исследованию Cognitive Market Research, объём мирового рынка аэрокосмической 3D-печати достигнет 3,8 миллиарда долларов США к 2024 году. Ожидается, что до 2031 года рынок будет расти на 18,2% ежегодно.
Зарубежные компании, такие как Boeing и Airbus, уже достаточно долго используют аддитивные технологии в производстве. В конструкции каждого пассажирского самолёта Boeing 787 содержится около тридцати деталей, изготовленных с применением этой технологии, а в Airbus A350 и A320neo для соединения крыльев с силовой установкой применяется целый титановый кронштейн.
Кроме того, ещё в 2016 году компания Airbus представила миру первый в истории самолёт, полностью созданный с помощью 3D-печати, — Thor. По размеру разработка напоминает авиамодель: его длина составляет всего 4 метра, а вес — 21 килограмм. Самолётом управляют дистанционно.
За несколько лет развития аддитивной индустрии авиация перешла от обычного прототипирования деталей к массовой печати изделий по трёхмерной технологии. Это не удивительно. Традиционные методы изготовления авиационных компонентов, такие как литьё, ковка и механическая обработка, хоть и кажутся более привычными, имеют ряд ограничений. Например, они требуют дорогостоящей оснастки и длительных циклов производства, заставляют отправлять значительные объёмы материалов в отходы и зачастую не позволяют создавать сложные, оптимизированные конструкции.
3D-печать, в свою очередь, предлагает иной подход — изготавливать детали путём последовательного добавления материала, слой за слоем, следуя цифровой модели.
«Аддитивные технологии играют важную роль в импортозамещении, поскольку позволяют сократить цикл разработки и изготовления новых компонентов. Это особенно важно в условиях, когда требуется быстро реагировать на изменения рыночных условий и требований заказчиков», — отмечает Никита Востров.
В числе преимуществ этого способа создания деталей Максим Сотник выделил следующие:
- Сокращение времени разработки: детали изготавливаются быстрее, чем при традиционных методах.
- Снижение зависимости от иностранных поставщиков: возможность создавать критически важные компоненты внутри страны.
- Оптимизация конструкции деталей: создание облегчённых конструкций с высокой прочностью, что особенно важно для авиации.
- Гибкость производства: быстрый переход на выпуск разного типа деталей без необходимости сложной переналадки оборудования.
По его словам, благодаря проектированию внутренних решётчатых структур достигается лёгкость готовых изделий. Кроме того, применение аддитивных технологий позволяет оперативно тестировать детали перед серийным производством, снижать затраты на дорогостоящие литьё и штамповку, а также выпускать единичные экземпляры без дополнительных расходов.
На практике компании печатают на 3D-принтерах детали для двигателя, элементы конструкции самолёта и запчасти, которые значительно облегчают общую конструкцию, повышают прочность и ускоряют процесс восстановления.
Эксперты также не обходят стороной возможность создания уникальных и оптимизированных изделий на основе генеративного дизайна. Как рассказал г-н Востров, с помощью искусственного интеллекта и последующей 3D-печати получается создавать детали сложной формы, которые невозможно изготовить другими способами.
Ещё один важный плюс (в частности, для тех, кто старается наладить бережливое производство) — экономия ресурсов.
«Безусловно, нельзя говорить о полном исключении отходов при использовании аддитивных технологий, однако топологическая оптимизация и предиктивный анализ позволяют сократить количество необходимого материала, что снижает себестоимость итогового производства», — говорит основатель бюро креативного инжиниринга «АДДИТИВКА».
Российская авиация печатает детали
По словам экспертов, 3D-печать в российской авиаотрасли наиболее популярна в двигателестроении.
«Центр аддитивных технологий», который является частью «Ростеха», таким образом производит сопловые и рабочие лопатки, топливные форсунки, корпуса компрессоров и другие элементы авиационных двигателей.
Специалисты Московского машиностроительного предприятия имени В. В. Чернышёва и Центра аддитивных технологий «Объединённой двигателестроительной корпорации» (ОДК) («Ростех») также разработали корпус первой опоры авиационного двигателя ВК-1600В, который устанавливается на вертолёт Ка-62.
Кроме того, как отмечает г-н Востров, ОДК реализовала проект по созданию двигателя ПД-14 для самолёта МС-21 и напечатала более 300 деталей. Среди них — форсунки камеры сгорания, которые изготавливаются из жаропрочных никелевых сплавов. В итоге это позволило снизить массу двигателя и увеличить его ресурс.
На ульяновском заводе «Авиастар-СП», по словам эксперта, такой подход применяют для создания ряда компонентов для пассажирских самолётов Ил-76МД-90А и Ту-204СМ. Там с помощью 3D-печати изготавливают крепёжные элементы, кронштейны и другие мелкие детали.
На другом предприятии, НПО «Сатурн», аддитивное производство применяется для создания лопаток турбин и других высокотемпературных деталей, необходимых для гражданской и военной авиации.
Ещё одно предприятие, которое активно пользуется преимуществами такой печати, — Уральский завод гражданской авиации (УЗГА). На этом заводе создают детали для самолётов L-410 и «Байкал».
При этом в авиации аддитивные технологии применяют не только для изготовления критически необходимых комплектующих и запчастей, но и производства декоративных элементов для салонов самолётов, таких как панели и дефлекторы.
Ну и что говорить о декорациях и запчастях, если в 2020 году в столице Татарстана прошли испытания беспилотного летательного аппарата, двигатель которого был создан с помощью технологии трёхмерной печати. Беспилотник, оснащённый этим двигателем, поднялся на высоту 170 метров и развил скорость до 150 километров в час.
Поскольку 3D-печать становится одним из ключевых инструментов производства в авиапромышленности, отрасль уже активно занимается разработкой новых материалов.
Как отмечает Никита Востров, в этой сфере активно применяются металлы и композиты, обладающие высокими механическими свойствами и устойчивостью к воздействию агрессивных сред. Поэтому для трёхмерной печати авиационных компонентов широко используются металлические порошки на основе титана, никеля, алюминия и нержавеющей стали, например, Ti-6Al-4V (Grade 23), Ti-6242, Inconel 718, Hastelloy X, AlSi10Mg, Al6061, 316L Stainless Steel, 17-4 PH Stainless Steel и др.
Вместе с тем важным направлением в материаловедении является развитие композитных материалов: MarkForged Onyx, Anisoprint Composite Fiber и др.
Проблемы технологии 3D-печати в авиастроении
Несмотря на перечисленные экспертами преимущества, технология трёхмерной печати в контексте авиационного производства сопровождается рядом барьеров, мешающих применять её более эффективно.
Изделиям, изготовленным по аддитивной технологии, не хватает качества и надёжности, а ведь высокие стандарты по этим характеристикам являются критически важными в авиационной промышленности.
Проблемы, такие как пористость материала, неравномерность плотности и слабые свойства на границах слоёв, зачастую ограничивают применение 3D-печатных компонентов в важных приложениях.
Однако, несмотря на то что 3D-печать позволяет создавать сложные детали, технология не всегда способна конкурировать с традиционными методами производства по скорости, особенно в условиях серийного выпуска.
Кроме того, использование 3D-печати нередко сопровождается финансовыми трудностями. Инвестиции в оборудование и материалы для аддитивного производства значительны, особенно если речь идёт о высококачественных металлических принтерах.
Также трудно оценить экономическую выгоду от применения 3D-принтеров, в частности, в контексте мелкосерийного или экспериментального производства. В конце концов, масштабированию метода мешает одна из насущных проблем промышленности — нехватка кадров.
В заключение…
Итак, применение аддитивных технологий стало необходимостью для современного конкурентоспособного предприятия. Сегодня большинство компаний, которые внедряют трёхмерную печать, стремятся сократить производственные расходы и ускорить разработку продуктов, при этом не меняя логистическую цепочку и ассортимент.
В среднесрочной перспективе на первый план выйдет стратегия, направленная на создание более сложных и функциональных продуктов, что, в свою очередь, приведёт к трансформации логистических цепочек.
Никита Востров поделился с редакцией портала indpages.ru своим взглядом на будущее 3D-печати в контексте авиационной промышленности:
1. Рост спроса на отечественную продукцию
По мере усиления санкций и ограничений со стороны западных стран российский авиапром вынужден не только искать альтернативные источники поставок критически важных компонентов, но и вкладываться в инфраструктуру и компании, которые в стране уже есть и ещё появятся внутри корпораций или вне их.
2. Появление новых материалов
Российские учёные и инженеры активно работают над созданием новых материалов для аддитивных технологий, специально адаптированных под авиастроительную индустрию. Это касается как металлических порошков, так и композитных материалов.
3. Модернизация производственного оборудования
Государство и частные компании продолжат инвестировать средства в обновление и модернизацию производственных мощностей, всё чаще внедряя 3D-печать. В итоге это увеличит общий рынок отечественной 3D-печати на мировой арене.
4. Увеличение количества специалистов
Важным аспектом развития аддитивных технологий является подготовка специалистов. В России уже открываются специализированные учебные программы и курсы, направленные на обучение инженеров для авиастроительной отрасли, способных использовать 3D-печать для проектирования и разработки новых изделий и компонентов.
«Государство продолжит играть важную роль в развитии аддитивных технологий и импортозамещения в авиационной отрасли. Ожидаю, что будут введены дополнительные меры поддержки, включая налоговые льготы, субсидии и гранты для компаний, занимающихся разработкой и внедрением трёхмерной печати на авиационных предприятиях. В России кратно ускорится процесс создания новых образовательных программ и курсов дополнительного образования в области подготовки специалистов, способных создавать новые системы и материалы в области аддитивных технологий и адаптировать их под авиастроение», — поделился мнением г-н Востров.
