В статье: о попытке решить проблемы американской литейной промышленности при помощи аддитивных технологий – электродуговой наплавки проволокой (WAAM).
Введение
Обычно термин «Импортозамещение» связывают с нашей страной и последствиями «святых» 90-х годов и «сытых» 2000-х. Но в США свои проблемы – начиная с 70-х годов промышленное производство переносилось в Китай. Вначале – легкая промышленность, потом экологически вредное тяжелая промышленность, потом…. Потом оказалось, что перенесено за рубеж даже то, что стратегически важно для безопасности США. А Китай из беззвучного слуги, готового работать за «чашку риса» постепенно превратился в промышленного гиганта, заявляющего о своих интересах и амбициях в совершенно различных сферах. Китай превратился в геополитического и экономического соперника США, которого необходимо «сдерживать», а критически важные для стратегической безопасности цепочки – «импортозамещать».
Отсюда и «трамповская» MAGA. Но, строго говоря, сдерживание Китая и «импортозамещение» началось еще при Обаме, и вся разница между демократами и республиканцами в том, что в понимании демократов достаточно перевести производства из Китая в «дружественные страны» - Вьетнам, Индию, Мексику. До 2014 года – и в Россию. Ну а республиканцам нужно возрождение США, как индустриальной державы.
Вопрос ненадежности партнеров и соперничества – основной, но не единственный. Еще одна проблема – логистика. От момента размещения заказа до момента получения отливки может пройти до 2 лет – согласования, разрешения на вывоз-ввоз, перевозка и т.п. занимает длительное время, особенно, если отливка крупногабаритная и выходит за пределы авто и ж/д габарита.
В процессе вывода «грязных» технологических производств всё крупногабаритное литьё было перенесено в Китай. И теперь в США просто негде сделать отливку весом более 200 фунтов (100 кг) – нет ни печей соответствующего объема, ни специалистов, ни предпринимателей, готовых вложится в производство, четко понимая, что ценовой конкуренции с Китаем или Индией им не выдержать, и жить они будут только на заказы правительства США.
И если в аэрокосмической области вопрос снимается изготовлением заготовок электронно-лучевой наплавкой проволоки (ЭЛАТ), то для энергетики такой метод – слишком затратный. Аддитивных технологий, способных изготавливать металлические заготовки с высокой производительность – не так уж и много. Это электронно-лучевая наплавка проволоки (ЭЛАТ), лазерная наплавка (ПЛВ), и электродуговая наплавка (WAAM).
Работы по импортозамещения литых заготовок и результаты
Энергетической отраслью в США «заведует» Ок-Риджская национальная лаборатория (или Оук-Риджкая, Оак-Риджская – Oak Ridge National Laboratory, ORNL).
Для импортозамещения крупногабаритных отливок в области энергетики она приняла решение использовать электродуговую наплавку проволоки.
Решение было принято в 2019 году, и ORNL совместно с Lincoln Electric начали разрабатывать технологию. В основу были положены решения фирмы Siemens в области управления процессом наплавки при помощи робота-манипулятора (робо-руки). Достоинство САМ от Siemens в том, что в одной программе можно было создавать управляющую программу как для процесса наплавки, так для процесса фрезеровки полученной заготовки в размер.
Программное обеспечение Siemens позволяет создавать управляющую программу для наплавки для ремонта или электродуговой сварки деталей. При работе можно использовать серийные роботы-манипуляторы и серийные сварочные головки. Вопрос стоит только в разработке режимов наплавки – термические напряжения при создании заготовки на порядок выше, чем при наплавке металла на каверну или сварке деталей, стандартные режимы здесь не подходят.
Поскольку это США, то решение было оглашено публично, церемония подписания соглашения была очень торжественной. После такой торжественной церемонии Министерство Обороны США отбросило последние сомнения насчет возможного "кидалова" и выделила несколько десятков миллионов долларов на разработку технологии.
Несколько лет на исследования, и в 2023 – первый успех, который можно подержать в руках.
Была напечатана лопатка весом 12 кг для паровой турбины. На фото – естественно, не заготовка, а готовая деталь после фрезеровки полученной заготовки.
Кроме успеха. Который можно подержать в руках – была разработана математическая модель, предсказывающая коробление заготовок в процессе производства, и определены принципы, сводящие коробление к минимуму (введение технологических галтелей, фасок и закруглений).
Не знаю, как вам, а мне то, что фаски, галтели и скругления снижают термические напряжения в отливках - говорили еще в совковом ВУЗе во времена СССР. Было бы странно, если при дуговой наплавке было бы наоборот. Но это так, в порядке старческого брюзжания. Очевидность - это одно, а математическое моделирование - совершенно другой уровень.
Громадье планов на будущее
Планов у Оук-Риджа – громадьё. Благо теперь, потрогав результат руками, к финансированию подключилось Министерство Энергетики США. Пятнадцать миллионов (15 000 000) долларов выделено на производство трех крыльчаток из нержавейки AISI 410 (аналог 12Х13), - одной экспериментальной, для сертификации, вторая (диаметром полтора метра) – для замены крыльчатки на гидроэлектростанции в Парксвилле штата Теннесси.
Ну а третья крыльчатка – для гидроэлектростанции в Ноксвилле, тоже в штате Теннесси – будет иметь вес 46 тон при диаметре более 4 метров. Вот оригинал, подлежащий замене:
Причем 15 миллионов долларов – это только на опыты и первую крыльчатку, две другие крыльчатки оплатит Tennessee Valley Authority, которой и принадлежат упомянутые выше гидроэлектростанции.
Заключение
Реальные достижения Оук-Риджской лаборатории могут показаться смешными – деталька весом 25 кг, но хочу напомнить, что заготовка после WAAM – это, по сути, один сплошной сварной шов, с дикими напряжениями. Любой, кто сталкивался со сваркой – знает, как «ведет» детали и сварочный шов из-за термических напряжений. Попытка на тех же режимах сделать крупногабаритную деталь – гарантированно обречена на провал из-за термических напряжений. И если разрыв детали на части – это гипербола (хоть и возможно в реальности), то образование глубоких трещин – вполне вероятно при такой технологии.
Именно из-за этого эта самая «простая» и самая «дешевая» аддитивная технология, доступная по цене даже любителям, до сих пор не получила широкого распространения.
Учитывая это – изготовление 25 кг детали, способной выдержать нагрузки при эксплуатации, без растрескивания и коробления – это очень большой успех. Немногие таким могут похвастаться.
С другой стороны – на опыте изготовления 25 кг детальки планировать изготовить 46-тонную конструкцию – мне кажется в Оук-Ридже работают очень оптимистические люди. Хотя, может быть, все проще – 15 миллионов «на опыты» нужно обосновать громадьем планов, а что там будет в итоге – не важно… Это США, результат – не важен, главное – выделенные деньги потратить в соответствии с назначением. Получили «на опыты» - потратили на опыты. А результат? Кому он интересен. Нельзя будет заказать крупногабаритные отливки в Китае – будут заказывать в Индии или построят производство в Мексике.
Другие статьи про эту технологию: