Наука для производства
3D-принтер слой за слоем наносит на рабочую поверхность металл. Постепенно плоская фигура обретает объем и на глазах превращается в гаечный ключ. Опытному кузнецу, чтобы сделать такую же деталь, потребуется восемь часов непрерывной работы и достаточное количество сырья. Принтер справляется за три, а в качестве «чернил» необходима лишь металлическая стружка, то есть отходы.
«Это время, нужное 3D-принтеру для печати одного изделия, указано с учетом того, что сначала требуется шаблон, который необходимо создать. Все последующие детали по тому же шаблону будут готовы еще быстрее», — объясняет Вячеслав Бутуханов.
Работа над устройством для 3D-печати металлических изделий началась в 2017 году. Тогда вся техника для работы с металлом, которая была на рынке, стоила дорого. Кроме того, такие принтеры были очень громоздкими. Поэтому разработчики поставили перед собой задачу: создать устройство, которое было бы доступно по цене и при этом достаточно компактно. В результате появился принтер Study Metall.
«Нашу технологию целесообразно использовать, когда есть необходимость в создании небольшой партии либо единичного изделия, — делится Бутуханов. — Например, есть стабильная потребность в парощелевых форсунках для котельного оборудования. В год необходимо около 150 штук, однако минимальная партия при заказе литых деталей, как правило, от 1 000 штук. Печать из металла единичных изделий может быть востребована стартапами для прототипирования MVP. Кроме того, сейчас есть художники, работающие в жанре цифровой скульптуры. Эту модель дешевле и проще напечатать на принтере, чем изготовить литьем по выплавляемым моделям».
Для создания Study Metall Вячеслав собрал команду единомышленников, и они начали разрабатывать модель 3D-принтера. Группа состояла из девяти человек. «Команда проекта формировалась из специалистов Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления, так как именно вузы сегодня взяли на себя функции НИИ, — поясняет Вячеслав. — Для разработки нового прибора привлекались технические консультанты, проектировщики, инженеры, техники и пайщики, металлурги и программисты».
Впоследствии все участники первого состава команды разработчиков перешли в созданную в 2018 году Бутухановым компанию — малое инновационное предприятие «Центр компетенции аддитивных технологий» (МИП «ЦКАТ»).
Производство из отходов производства
В качестве материала для печати используют отходы, остающиеся после обработки деталей на фрезерных станках — металлическую стружку и опилки. В этом разработка бурятских ученых уникальна. Помимо прочего, такая технология позволяет существенно снизить стоимость производства. Металл сначала измельчают в порошок, а затем делают из него пасту. Из нее слой за слоем принтер «наращивает» деталь, которую затем запекают в муфельной печи. Завершающий этап — механическая постобработка — сглаживание неровностей, шлифовка, гравировка, нанесение покрытия и тому подобное, в зависимости от назначения изделия.
«Идеoлoгия проекта основана на использовании максимально доступных и дешевых компонентов, — уточняет Вячеслав. — Важной особенностью технологии является применение в качестве металлического порошка чугунной и стальной стружки, oбрaзoвaнной в процессе изготовления на токарных, фрезерных, сверлильных и прoчих стaнкaх, прoизвoдящих механическую обработку материалов. Металлический порошок из стальной и чугунной стружки получают путем измельчения ее в шаровой мельнице и вибрaциoннoм истирaтеле с последующим ситовым отбором дo фракции — 40 мкм. Порошки сегодня изготавливают в лаборатории химии и природного сырья Байкальского института природопользования Сибирского отделения Российской академии наук».
Пока готов только прототип аппарата. Разработчикам удалось сделать его доступным по цене, а за счет использования для производства различных порошковых композиций управление технологическим процессом достаточно гибкое. «Наша технология также предусматривает вoзмoжнocть добавления пасты из порошков карбидов. Внося различные элементы в сырье для печати, мы можем изготавливать металлические изделия с разными свойствами. Например, добавив карбид хрома в железный порошок, можно приблизиться к свойствам нержавеющей стали», — поясняет Вячеслав.
«Прототип предназначен для изготовления декоративных художественных изделий из металла по цифровым моделям. В перспективе рассматриваем возможность получения неответственных деталей. Это станет ясно после следующего этапа НИОКР, — рассказывает Вячеслав. — Сравнительную стоимость с отливкой пока не производили, но по предварительной оценке разрабатываемая технология должна быть существенно дешевле по сравнению с литьем. Традиционное литье выгодно при изготовлении крупной партии изделий. Однако в ситуации работы по инновационной модели экономики предприятия занимаются выпуском мелкосерийной продукции и единичных прототипов».
Пока основная сфера применения нового изобретения — классы и исследовательские лаборатории учебных заведений. В перспективе его планируют продавать мастерским, которые занимаются мелкосерийным производством металлических изделий. Работает устройство автономно, поэтому его использование не требует длительного обучения персонала и специальных навыков. Также создатели уверены: их принтер можно использовать на промышленных предприятиях: в авиа- и автомобилестроении, в оборонной промышленности. Заинтересовала новинка и медиков: с помощью аддитивных технологий значительно ускоряется процесс производства индивидуальных имплантатов. Их изготовление традиционным способом занимает 1,5-2 месяца, а на 3D-принтере их можно напечатать за сутки.
Изобретение уже запатентовано, осталось найти инвесторов, чтобы начать массовое производство принтеров. Планируемая стоимость разработанного прототипа учебного 3D-принтера составит 400-450 тыс. рублей. «В декабре 2019 году нашему МИПу от Министерства промышленности и торговли Республики Бурятия выделена субсидия в размере 1,9 млн рублей. На них мы купим производственное оборудование и завершим НИОКР», — дополняет Вячеслав..
Придумать и произвести: в чем подвох
По словам Вячеслава, инновационные предприятия в России испытывают сложности из-за того, что для получения инвестиций от них требуют производить продукт, причем в течение нескольких лет, в то время как фактическим результатом их деятельности является интеллектуальная собственность.
Раньше новые разработки появлялись в ответ на запрос заказчика, оплачивающего работу над проектом. Исполнителю выдавали подробное техническое задание, над которым работали НИИ и конструкторское бюро. Первые исследовали возможность реализации идеи, вторые создавали конструкцию.
В инновационной модели, в отличие от классической, нет конкретного заказчика конечной продукции, а объектом купли-продажи выступает не изделие, а интеллектуальная собственность. Поскольку продукт создается поэтапно, на каждом этапе разработчики привлекают инвесторов. Вкладывая в проект деньги, они взамен получают права на эту интеллектуальную собственность. И без их разрешения никто не может производить и продавать этот продукт. Примером действия этого принципа на практике могут служить конфликты из-за патентов между Samsung и Apple.
Судебные разбирательства между компаниями Samsung и Apple длились в течение семи лет. В 2011 году Стив Джобс обвинил производителей телефонов на Android в том, что они украли у его компании многие технологии, в частности, использование мультитач-жестов для работы с сенсорным экраном, а также дизайн с закругленными углами. В итоге судебная тяжба вылилась в многолетнее противостояние двух гигантов индустрии. Суд достаточно быстро признал патентное право Apple на технологии и дизайн, но стороны они никак не могли договориться о сумме компенсации. Юристы Samsung доказывали, что упущенная прибыль «яблочного» гиганта не равна сумме, полученной от продажи смартфонов, поскольку элементы дизайна и пользовательского интерфейса — лишь часть сложного технического продукта. Представители Apple доказывали, что без этих элементов пользоваться смартфоном станет невозможно, и его покупка потеряет смысл. В итоге суд согласился с истцом и присудил Samsung выплатить компенсацию в $1 млрд. Однако на этом разбирательства не закончились — стороны продолжали оспаривать сумму выплат и другие патентные нарушения. Только в 2018 году было официально объявлено, что у сторон не осталось претензий друг к другу.
В инновационной модели создание экспериментального варианта нового изделия не требует длительной и сложной производственной цепочки. Вместо множества этапов остается научно-исследовательская опытно-конструкторская разработка (НИОКР). Результатом работы становится не спецификация, а макет изделия или работающий прототип. Презентация этого прототипа на профильных конкурсах и выставках — один из способов заинтересовать инвесторов и получить финансирование. Кроме того, победителям и призерам обычно предоставляются гранты на дальнейшее развитие проекта.
В апреле 2018 года в Улан-Удэ прошел региональный этап Open Innovations Startup Tour. Конкурс организовал фонд «Сколково» совместно с правительством Бурятии. Разработка команды Бутуханова и его команды заняла на нем второе место. Кроме этого, призеры получили возможность презентовать свои проекты на конференции Startup Village 2018. На ней состоялся конкурс участников, на котором МИП «ЦКАТ» вошел в число 12 финалистов. Это позволило получить инвестиции в размере 2 млн рублей, а всего за три года проекту должны выделить 9 млн рублей.
В ноябре МИП «ЦКАТ» вышел в финал всероссийской премии «Headliner года — 2019» в номинации «Наука и образование». Там должны определиться два победителя — одного назовут эксперты, второго выберут народным голосованием. Участник, которого выберет жюри, получит грант в 2 млн рублей, победитель народного голосования — 1 млн рублей.
Идти в ногу со временем
ВСГУТУ, на базе которого работает МИП «ЦКАТ», готовит кадры для крупных промышленных предприятий Бурятии. Но и в институте, и на предприятиях нет оборудования для металлической 3D-печати. Другой фактор, который сдерживает развитие отечественных технологий 3D-печати, — отсутствие нормативной базы: национальные стандарты до сих пор не утверждены. Поэтому в вопросе развития аддитивных технологий Россия отстает, в то время как в мире наблюдается быстрый рост продаж 3D-принтеров: в 2017 году они увеличились на 80%.
Цель созданного Бутухановым МИП — сократить это отставание. Вячеслав собирается и дальше заниматься именно аддитивными технологиями для производства и материалами для 3D-принтеров. Его предприятие ищет возможность оперативно вносить изменения в свойства материалов в зависимости от проектируемых конструкций. Еще одна задача — снижение себестоимости производства.
«Также мы планируем, что наш принтер может быть применим в образовании для ознакомления школьников и студентов с методикой научных исследований новых материалов. Обучающиеся могут с помощью нашего принтера печатать образцы из различных металлических порошков. Причем, они смогут изготовить образцы согласно требованиям ГОСТ для разных видов механических испытаний, например, образцы на разрыв или на ударную вязкость. Учащиеся смогут оперативно проводить научные эксперименты, прикладные исследования, лабораторные работы по определению механических свойств металлических материалов», — говорит Вячеслав.
Проект предполагает полный цикл реализации инноваций — от построения цифровой модели до испытания свойств и постобработки готовой продукции. Поскольку для 3D-печати предполагается использовать синтезированный металл, лаборатория будет заниматься материаловедческим и конструкторским сопровождением работ, а также анализом структурного состояния синтезированного материала.
«Наша цель — не исследования ради исследований, — подчеркивает Вячеслав. — Мы собираемся выпускать продукцию под нужды региональных предприятий. Заводы, заинтересованные изделиями нашего МИП, сами займутся внедрением инновационных деталей в технологический процесс, разработкой маршрутных карт и вопросами сертификации аддитивного машиностроения».