О перспективах развития аддитивных технологий, о том, как они изменят нашу жизнь, рассказывает в интервью для спецвыпуска журнала «В мире науки» генеральный директор АО «Наука и инновации», входящего в структуру Госкорпорации «Росатом», доктор технических наук, профессор Алексей Владимирович Дуб.
- Алексей Владимирович, не успели люди привыкнуть к термину «нанотехнологии», как появились «когнитивные технологии». Теперь новое понятие – «аддитивные технологии». Что это такое?
- «Аддитивность» – термин физический и математический, в переводе означает «прибавляемость». На самом деле он достаточно старый, просто в повседневную речь стал проникать только сейчас. Термин подразумевает процесс, в котором результат связан со сложением исходных составляющих. Аддитивные технологии – это технологии, результат которых складывается из последовательного накопления одинаковых действий в процессе работы этой технологии. В конечном счете мы сталкиваемся с аддитивными технологиями в процессе, например, роста сталагмитов и сталактитов: стекают и капают капельки, и потихоньку вырастает такая сосулька.
- Строительство дома, когда друг на друга кладут кирпичи, тоже подходит под определение «аддитивность»?
- Да, фактически это тоже аддитивная технология, когда из отдельных микрокирпичиков складывают макрообъект. Но в сегодняшней реальности развитие аддитивных технологий все-таки не столь примитивно. Речь идет о построении довольно сложных макросистем, когда мы на старте закладываем не только форму, но и одновременно свойства необходимого объекта. В этом существенное отличие от того, о чем мы до этого говорили. Грубо говоря, когда токарь обтачивает деталь на станке, он использует заготовку с уже существующими свойствами, которые подходят к производимой детали в той или иной степени. С помощью аддитивных технологий мы сразу выращиваем деталь с нужными нам свойствами материала.
- То есть смысл аддитивных технологий состоит в том, чтобы одновременно с нужной формой получить и необходимые свойства?
- Не вполне так. Это возможность, отталкиваясь от свойств материала, получить изделие необходимой формы, которая будет точно соответствовать данным свойствам. Это главное.
Теперь второе. Мы должны понимать, что высокие технологии – это все большее отдаление от искусства. Их результат не должен зависеть от таланта или компетенции работника. Вначале металлург или кузнец были в первую очередь творцами. Кузнец ковал, в основном, как чувствовал.
- Но это же прекрасно: чувствовать металл и ковать в соответствии с чувствами…
- Это прекрасно, когда мы говорим именно об искусстве. В крайнем случае – о кованой ограде. Но в случае даже самого обыкновенного болта чувства должны уйти на третий план.
- Ну да, когда речь идет о допусках в доли миллиметра, тут уже по ощущениям двигаться нельзя, нужен хотя бы штангенциркуль.
- Именно. Поэтому сегодня мы должны стандартизовать любой технологический шаг. В этом смысле творчество лежит за рамками технологического процесса. Оно работает до начала создания формы и материала, из которого форма будет сделана. Сама технология – рутинный процесс, прописанный в регламентах, правилах и т.д.
- Но творчество все-таки присутствует?
- Присутствует. В дизайне самого изделия, дизайне создания материала.
-Тогда тот же 3D-принтинг, работающий по компьютерной программе, – один из вариантов аддитивных технологий?
- Не просто один из вариантов, это и есть инструмент создания изделийна основе аддитивных технологий. 3D-принтинг – последовательное воссоздание формы изделия за счет послойного либо лазерного сплавления, либо, если речь идет, скажем, о пластиках, что на текущий момент наиболее известно и распространено, – простого последовательного наплавления.
Мирный Росатом
- Какое отношение имеет к этому Росатом? Мы знаем, что Росатом – это ядерные реакторы, энергетика… И вдруг аддитивные технологии?
- Росатом - это прежде всего надежность и безопасность. Поэтому все, что он делает, имеет понятный, проверенный и доказанный ресурс и должно соответствовать в определенной форме необходимым свойствам. В этом как раз и состоит наша задача.
После того как Росатом стал госкорпорацией, ко всем предыдущим видам деятельности добавились еще требования бизнеса. Поэтому все, что нами реализуется, должно быть эффективно, и не в последнюю очередь - экономически эффективно. Использование дорогих материалов, изделия из которых должны быть довольно быстро получены, вызывает необходимость применения новых технологий.
Если классические технологии (сначала получение заготовок из металлов, потом их деформация, механическая обработка) дают коэффициент выхода иногда 20%, а то и меньше, остальное уходит в отходы, стружку, то мы понимаем, что при цене материалов в десятки тысяч долларов за килограмм применение подобных технологий становится весьма неэффективным. Это будет очень затратно. Процесс становится эффективным, когда мы получаем на выходе более 90%.
- То есть аддитивные технологии – это возможность сэкономить на дорогих материалах?
- В том числе. Кроме того, это возможность сразу получить необходимую форму, в том числе уникальную, т.е. за относительно короткое время, в течение одного-двух этапов, сделать готовое изделие. Наконец, это уход от человеческого фактора. Именно рутинное изготовление воспроизводится в наилучшей степени. Все это дает ту самую надежность, о которой я говорил раньше. Не забывайте: надежность в «Росатоме» равносильна безопасности.
Когда б вы знали, из какого сора…
- Что используется в качестве исходника?
- В наших случаях речь идет о металлических порошках. При этом, конечно, требования к порошкам специальные.
- Какие?
- Одно из них: после получения или в процессе получения они не взаимодействуют с открытой атмосферой. Чтобы состав никоим образом не мог случайно поменяться.
Далее, нам требуются определенные размеры гранул этих порошков. Их размер – менее 50 мкм. И это не обычные, относительно дешевые железные или алюминиевые порошки, а высоколегированные стали, никелевые, жаропрочные сплавы, титановые сплавы и т.д., т.е. достаточно сложные, капризные, химически активные вещества. Поэтому технология их наработки контролируется на всех этапах, а стоимость начинается от 5 тыс. рублей за килограмм.
- С помощью аддитивных технологий можно сделать детали, которые ранее, с другими технологиями, было просто невозможно создать? Например, сплошной куб с полым шаром внутри?
- Да, есть, конечно, примеры искусства, когда мастера из цельной кости вырезали куб с шаром внутри, но это доступно единицам.
На сегодня в ответственном машиностроении есть категория изделий с внутренними полостями. Они требуются для охлаждения, для подачи разного вида топлива или технологических жидкостей. Такие сделать способами традиционной сварки или механической обработки невозможно. Кроме того, если мы будем применять сварку или какое-то другое соединение компонентов, мы никогда не сможем добиться необходимой надежности или равных свойств в этом сварном шве и в основной детали. Поэтому аддитивные технологии дают конструкторам и нам как конечным пользователям совершенно уникальные возможности. Другими словами, мы можем сделать уникальные изделия продуктом стандартизованных технологий. Сегодня, например, Alstom, пользуясь именно аддитивными технологиями, делает для газотурбинных двигателей определенного рода детали, скажем, форсунки для подачи топлива, до 80% общего количества. Топливо, которое по ним подается, проходя через внутренние каналы, в том числе выступает в роли охлаждающей жидкости. И за счет уникальных свойств конструкции появляются возможности для самого изделия работать при более высоких температурах. Просто так просверлить эти каналы невозможно, потому что они имеют очень сложные формы, конфигурации. А вот вырастить слой за слоем – пожалуйста.
- Значит, технологии эти уже работают?
- Как всегда, мы с ними живем. Я недаром привел пример образования сталактита. Каждый из нас примерно представляет себе процессы затвердевания жидкого металла: берем расплавленный металл, наливаем его в форму, где он постепенно затвердевает. Литье, по сути, - это еще один пример аддитивных технологий.
- Тогда если можно просто отлить нужную деталь, зачем придумывать новые и отнюдь не простые технологии?
- При обычном литье возникают дефекты, необходимы технологические прибыли, литники, которые могут составлять до 50% от массы изделия. При очень дорогих материалах это становится весьма затратным и неэффективным.
Я довольно долгое время занимался процессами кристаллизации. Каждый из нас видит нечто подобное, когда играет в «Тетрис», где нужно из падающих блоков разной формы собрать наиболее компактную фигуру. Аддитивные технологии имеют подобную задач: все укладывается плотными слоями, а в результате получается требуемое изделие. Кристаллизация – это и есть типичный пример естественных аддитивных технологий.
Крепче стали
- Когда мы говорим о предметах, созданных из сплавленных слоев порошка, у людей может возникнуть впечатление, что они будут ненадежными.
- Категорически не согласен. Любое ответственное изделие потому и ответственное, что обеспечивает тот ресурс и те характеристики, которые от него требуются. Если можно было какое-то изделие произвести методом порошковой металлургии, то оно выдерживало все свои ресурсные характеристики. Алмаз тверже, чем каменный уголь, но это не делает его в некоторых случаях хуже, чем этот уголь, и наоборот. Поэтому понятно, что вопросам стандартизации и проверкам свойств изделий будет уделяться не меньшее внимание, чем при стандартных операциях.
Но здесь есть и некоторые сложности. При стандартном изготовлении мы всегда отбираем пробу или несколько проб от этого изделия и на них определяем свойства. Таким образом, мы прогнозируем срок службы или другие характеристики этого изделия. В плане производства при помощи аддитивных технологий этого сделать нельзя, потому что смысл в том, что мы сразу получаем готовое изделие без дополнительного объема, который потом отрежут для анализа и прогноза. Поэтому мы одновременно разрабатываем соответствующие технологии и методы пробоотбора.
- Каким образом?
- На сегодняшний момент принято одновременно с выращиванием изделия тут же, в этой же камере, в этих же условиях, выращивать еще и образец, который и будет потом проходить все необходимые виды испытаний. Должна быть разработана методика, которая покажет, что свойства этого отдельно выращенного образца – в той же камере, при тех же технологических условиях, – определенные потом в лаборатории, будут точно соответствовать свойствам изделия. В «Росатоме» вопрос ответственности, повторюсь, имеет первостепенное значение. Поэтому понятно, что мы будем уделять ему не меньшее внимание, чем вопросу получения изделий.
- Чем Росатом уже может похвастаться в деле аддитивных технологий, если не секрет?
- Ничего секретного нет. Задача внедрения аддитивных технологий разбивается на пять основных частей – и организационных, и содержательных.
Первое. Мы понимаем, для чего нам это надо, мы сами себе заказчик и потребитель.
Второе. Необходимо разработать дизайн. Росатом располагает в высшей степени компетентными конструкторами, поэтому мы можем разработать конструкцию полностью, от начала и до конца.
Третье. Мы можем разработать необходимое и очень сложное программное обеспечение, и мы это делаем на предприятиях «Росатома», например в Сарове.
Четвертое. Порошки, материалы, из которых это делается. В «Росатоме» существуют материаловедческие центры: Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности (АО «Гиредмет»), Научно-исследовательский институт химической технологии (ВНИИХТ),
Высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов им. академика А.А. Бочвара (ВНИИНМ), материаловедческий институт ЦНИИТМАШ, «Луч». Есть организации, которые профессионально занимаются порошками и знают, как их делать.
Пятое. Изготовление 3D-принтера. Это сложная механика, это лазеры. В «Росатоме» очень много занимались лазерными системами и вопросами точной механики. Поэтому все пять составных частей у нас в наличии на самом высоком уровне.
- И вы в этом вопросе самодостаточны?
- Вполне, но это не значит, что мы не собираемся ни с кем сотрудничать. Мы уже вошли в альянсы с ведущими вузами. Это и МИФИ, наш национальный ядерный университет, различные материаловедческие вузы, такие как Московский институт стали и сплавов, Санкт-Петербургский политехнический университет. Конечно, это и академия наук, и другие госкорпорации, в которых мы видим потенциальных потребителей подобных изделий, с которыми мы можем сотрудничать: «Роскосмос», «Росавиация», «Ростехнологии». Самое главное - что мы понимаем, как сделать техническое задание. Правильные условия задачи – это уже на две трети ее решение.
Задача на будущее
- Недавно знаменитый кардиолог Акчурин сказал, что сейчас ученые думают над тем, как с помощью аддитивных технологий выращивать человеческие органы.
- Сразу скажу: я знаю, что это можно сделать. Мы занимаемся ядерной медициной, поэтому у нас есть достаточно хорошие контакты с медиками, биологами, биохимиками. Они уже умеют выращивать молекулы, а из этих молекул - собирать крупные молекулы и, так скажем, изделия. Это, конечно, начало пути, но оно показывает, что цель достижима.
В какой степени и как – это немного другие технологии. В «Росатоме» мы пока не делали принтер для выращивания биокомпонентов, но принтеры для выращивания изделий из углерода или композитных частей мы уже создаем. Например, наш НИИ «Графит» совместно с МГУ им. М.В. Ломоносова занимаются такими вещами. Так что это уже не фантастика - или почти не фантастика.
- Сейчас уже продаются недорогие 3D-принтеры. Можно немного пофантазировать и предположить, что в ближайшее время они появятся в любом доме. Как изменится наша жизнь?
- Если сейчас спросить обычного человека, какие за последние годы произошли необычные научные открытия, люди вспомнят про Интернет и сотовые телефоны. Я впервые столкнулся с Интернетом в 1990 г., а сама система появилась в 1985 г. Но никто из обычных потребителей до конца 1990-х годов об этом ничего не знал.
Любая технология реально становится достоянием людей, неким технологическим этапом, когда входит в жизнь многих. При этом следует понимать, что она точно не складывается из деятельности узких групп людей. Тот же Google родился на базе уже существовавших технологий. Его создатели – Сергей Брин и Ларри Пейдж – предложили именно социальную направленность их применения, но сами технологии уже были разработаны.
У каждой из вещей, которые я привел в пример, был определенный жизненный цикл. Если мы говорим о том, что начинаем сейчас активно и практически заниматься вопросами аддитивных технологий, то, скорее всего, потребуются как минимум пять, семь, десять лет, чтобы на рынке появились доступные принтеры не из пластика, которые сегодня можно покупать, а более серьезные машины. Сегодняшние аппараты - не очень качественные, тем не менее каждый школьник может вырастить в них пластмассовую лягушку или что-то в этом духе.
- Но это всего лишь игрушка. Мы же сейчас говорим об аддитивных технологиях как об ответственных вещах.
- Если вы привели в пример человеческие органы, то понятно, насколько это серьезно. Точный срок проверки применения этого продукта в ответственных областях - тоже серьезный. Например, сегодня цикл исследований применения нового ядерного топлива – восемь-десять лет. Только по истечении такого срока мы можем сказать, что это топливо может быть безопасно применено. Поэтому цена ответственности разная.
Конечно, эта технология войдет в наш обиход, но, думаю, это будет происходить в каждой сфере по-своему. В вопросе обучения это может быть уже скоро, когда мы просто будем смотреть на изделия. В вопросах того же конструирования, когда можно быстро вырастить модель и посмотреть на руках, насколько друг другу подходят шестеренки, это тоже можно будет сделать достаточно оперативно. Но чтобы научиться промышленно и серийно выращивать реальные изделия, которые полетят в космос или будут служить 100 лет на энергообъекте, мы все-таки потратим ощутимое время.
- Если предположить, что программы, которые у «Росатома» связаны с аддитивными технологиями, завершены успешно, что от этого получат люди? Электроэнергия подешевеет, что-то новое появится на рынке?
- Первое и главное: мы получим возможность быть технологически независимыми. Сегодня увлечение глобализацией сделало Россию в определенной степени технологически зависимой. Далее, мы, конечно, получим сокращение затрат. В этом и состоит смысл любой новой технологии, в частности аддитивной.
Производственная ячейка, связанная с аддитивными технологиями, – это не цех длиной в километр, высотой в 20-этажный дом плюс необходимость его содержать и все остальное. Для них не нужны масса обрабатывающей техники и толпа обслуживающего персонала. Это возможность собрать в одном месте такие модули, которые позволят нам избежать необходимости кооперации, связанной с доставкой изделий за многие-многие километры, рисков неполучения в нужное время определенных компонентов. А это в свою очередь ведет к сокращению издержек.
На первом этапе любая технология связана с затратами, но конечная цель - сокращение издержек. Люди вправе рассчитывать на то, что мы получим технологии, которые сделают очень дорогостоящие вещи дешевле и существенно доступнее.
- Токарям и фрезеровщикам надо искать новую работу?
- Нет, конечно. Думаю, еще достаточно продолжительное время обычные материалы будут иметь то же применение. Не следует забывать, что специалисты, которые работают в обычном материаловедении, в обычных технологиях, тоже не стоят на месте. Мы прекрасно понимаем, что сейчас даже традиционная металлургия – это совсем не металлургия тридцатилетней и даже пятнадцатилетней давности.
- То есть аддитивные технологии – это не замена металлургии, а новое измерение в ней?
- Именно новое измерение, новые возможности для конструктора. Мы можем представить в качестве фантазии, что при колонизации космоса не будем забрасывать на Луну или на Марс все, что там нужно. С развитием аддитивных технологий мы имеем возможность забросить модули, которые уже на месте изготовят из подручных средств все необходимое.
Если уж обращаться к научной фантастике: мы знаем, что многие, казалось бы, совершенно абсурдные вещи, которые предвидели гении научной фантастики, потом все-таки воплощались в жизнь. Поэтому идея, которая воплощена в фильме «Пятый элемент», когда из кусочка ДНК воссоздают и выращивают биологическую модель, постепенно становится все более реальной. Мы не говорим про разум, но внешняя форма уже вполне может быть достигнута.