Человечество непрерывно работает над ускорением и удешевлением традиционного производственного процесса. Прорывом в этом направлении стали аддитивные технологии, которые позволяют с помощью 3D-принтера изготавливать любое изделие на основе компьютерной модели, от шестеренок до авиационных двигателей. Чтобы поставить 3D-печать на поток, промышленные гиганты развивают полноценную цифровую экосистему. Как она формируется и что из себя представляет, расскажем на примере «Газпром нефти».
Сегодня аддитивное производство применяется во всех развитых странах, с наибольшим успехом — в США, Японии и Западной Европе. 3D-печать набирала популярность постепенно: с 2014 по 2020 годы этот рынок рос со среднегодовыми темпами 19,3%, достигнув к 2020 году объема в $12 млрд в мире, говорится в исследовании Techart. Согласно прогнозам, в 2030 году он может увеличиться в пять раз, притом что две трети крупных промышленных компаний уже используют 3D-печать в производственных процессах, следует из данных J’son & Partners Consulting. В основном это предприятия из аэрокосмического сектора, машиностроения и здравоохранения.
Нефтегазовая отрасль также взяла на вооружение новый способ производства, главным образом для прототипирования и печати неответственных деталей, повреждение которых не повлечет негативных последствий для оборудования. По разным оценкам, в 2021 году объем этого сегмента в мире может составить более $470 млн.
Российские промышленные компании интересуются 3D-печатью не меньше западных коллег. За последние годы отечественный рынок аддитивных технологий вырос более чем в 4 раза и достиг 3,1 млрд рублей, заявил в конце 2020 года заместитель министра промышленности и торговли РФ Михаил Иванов. И хотя нефтяные компании занимают небольшую долю рынка, они активно участвуют в формировании технологической инфраструктуры аддитивного производства и нормативной базы в стране. Одной из таких компаний стала «Газпром нефть».
Покупать или печатать?
«Газпром нефть» начала изучать возможности применения аддитивных технологий в конце 2018 года с запуска нескольких НИР-проектов. Их задачей было определить, какие виды материально-технических ресурсов (МТР) целесообразно печатать. Несмотря на растущую популярность, промышленная 3D-печать пока остается инструментом для решения точечных бизнес-задач. Использование технологии оправдано, например, если поставка детали занимает слишком много времени или производители оборудования не выпускают запчасти. В этом случае выгоднее напечатать новую деталь, заменив поврежденную, чтобы не покупать оборудование целиком.
Если же речь идет о всегда доступных на рынке недорогих универсальных расходных материалах, то покупка и хранение крупной партии, скорее всего, обойдется компании дешевле, чем единичное изготовление и последующая доставка.
«Оценивать нужно каждую конкретную ситуацию: материал, размер сломанной детали, ее доступность на рынке, — рассказывает Данар Подкопаев, руководитель направления аддитивных технологий „Газпромнефть-Цифровых решений“. — В некоторых случаях мы понимали, что печать помогает нам значительно сэкономить. Например, на одном из наших бункеровщиков сломалась шестеренка, которую производитель оборудования не продает отдельно. Это можно сравнить с бытовой ситуацией, когда сломалась крышка от телевизионного пульта, только другой масштаб. Оборудование с этой шестеренкой стоит 120 тыс. рублей, а 3D-печать шестеренки — 100 рублей (в основном это стоимость материала). Поставку оборудования мы бы ждали от 30 календарных дней, а шестеренку напечатали за 2 часа».
В 2019 году в «Газпром нефти» выбрали несколько кейсов, чтобы перейти от теории к практике. В компании напечатали 5 деталей: для бункеровщика, нефтедобывающей платформы «Приразломная» и Московского НПЗ. Все они прошли испытания, в результате одну из деталей пришлось перепечатывать, чтобы добиться нужного качества, а для другой — крыльчатки обдува электродвигателя бункеровщика «Газпромнефть-Шиппинга» — был подобран более прочный пластик, чем в оригинале.
«У 3D-печати есть серьезные преимущества. Обычно плановый заказ запасной части по существующим регламентам — это процесс, требующий времени. Однако заранее предусмотреть время и место внезапного отказа механизма практически невозможно. При этом, как правило, выходит из строя всего одна деталь, весь остальной механизм остается исправным. К сожалению, нередко из-за одной детали приходится покупать весь механизм. В случае с 3D-печатью мы экономим и выигрываем во времени. На изготовление и доставку деталей уходит от двух дней до нескольких недель, в зависимости от сложности и логистики», — рассказывает Михаил Борзых, суперинтендант «Газпромнефть-Шиппинга». Эта процедура выглядит следующим образом: поврежденная деталь отправляется с судов на оцифровку, затем выполняется печать и доставка новой детали обратно. Если есть готовые чертежи, то сломанную деталь можно не пересылать и еще сэкономить время.
Основная сложность, по словам Михаила Борзых, заключается даже не в логистике, а в процедуре восстановления истинных размеров поврежденной детали: «Например, 30% упомянутой ранее крыльчатки изначально было расплавлено, поэтому работы по 3D-проектированию и восстановлению размеров были очень важны. Случается, что приходится корректировать размеры детали, изготавливая второй и третий образцы».
Пока в «Газпром нефти» печатают только те изделия, которые не являются важными частями оборудования, а следовательно, не могут повлечь серьезные потери в случае поломки. Все риски, включая юридические, компания просчитывает в сотрудничестве с заказчиками. Так «Газпром нефть» печатает только стандартные детали, которые не требуют обязательной сертификации. Широкое тиражирование технологии, по словам специалистов компании, может ускориться с появлением более-менее полного пакета государственных стандартов на печать.
Как напечатать деталь
Первый этап: отвечаем на вопросы «можно ли напечатать деталь?» и «выгодно ли это?».
Второй этап: реверс-инжиниринг. Он необходим для того, чтобы получить трехмерную модель изделия, если на это изделие нет технической документации. Для этого с оригинальной детали снимают мерки, то есть измеряют ее стандартными инженерными инструментами, такими как штангенциркуль, оцифровывают и создают компьютерную 3D-модель. Если деталь со сложной геометрической формой, то для ее оцифровки понадобится 3D-сканер, который позволяет создать точную копию. На этом же этапе подбирается материал, из которого будет изготовлено изделие. Для этого анализируется химический состав имеющегося образца, исследуются его эксплуатационные характеристики. Здесь есть возможность сменить материал, например, на более стойкий или менее дорогой.
Третий этап: 3D-печать. Все данные о детали, полученные во время подготовки к печати, переносятся в 3D-принтер. 3D-принтеры отличаются в зависимости от технологии и применяемого материала. Для печати используют пластик в виде нитей, гранул, порошка, воск, гипс, металлические порошки и многое другое.
Четвертый этап: механическая обработка напечатанного изделия. Она нужна, чтобы привести поверхность изделия к нужной шероховатости, например, для более плотного прилегания к другим деталям.
Пятый этап: в случае необходимости проводятся лабораторные или стендовые испытания изделия на соответствие требуемых характеристикам.
Заинтересовала статья? Или вам интересны другие темы? Оставляйте свои комментарии - нам важно знать ваше мнение.
Как новая разработка решит безнадежную проблему нефтепереработчиков
Технология, которая удешевляет разведку нефти в разы
Что такое цифровой завод и как он устроен
Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала: www.gazprom-neft.ru/press-center/sibneft-online/
Фото: Стоян Васев, Getty Images