Запчасти из принтера — Журнал «Сибирская нефть» — №178 (январь-февраль 2021)

Программа «Газпром нефти» против COVID-19

Подробнее

Запчасти из принтера

Нужны ли аддитивные технологии нефтяной отрасли?
Текст:
Фото: Стоян Васев, Getty Images
Запчасти из принтера

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 Аддитивное производство (АП) — процесс изготовления деталей, основанный на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала слой за слоем, в отличие от вычитающего производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки). 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.

Рынок аддитивных технологий в нефтегазовой отрасли 2016–2027 года, $ млн

Источник: SimarTech

Рынок 3D-печати: применение технологии

Источник: MarketsAndMarkets, 2019

Глобальный рынок 3D-печати

Источник: GlobalData

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.

Текущее применение / ожидаемое в будущем применение

Источник: опрос Dimensional Research,
114 специалистов в сфере 3D-печати, 2019

Юридические тонкости

Аддитивные технологии претендуют на то, чтобы в будущем занять весомое место в производстве МТР различной сложности. Однако во всем мире это сегмент, где важным маркером высокого качества является соответствие утвержденным стандартам. И хотя очень часто эти стандарты носят рекомендательный характер, следование им становится гарантией качества. Сделанный по ГОСТу товар заведомо привлекательней для покупателя и вызывает больше доверия. Поэтому стандартизация в 3D-печати, как процессов в целом, так и отдельных видов продукции, позволит активизировать распространение технологии, победить скептицизм и опасения потребителей, их желание идти старым добрым проверенным путем.

Чтобы подготовить нормативно-правовую почву для аддитивного производства сложных материально-технических ресурсов, в феврале 2019 года представители «Газпром нефти» вошли в Технический комитет по стандартизации «Аддитивные технологии» (ТК 182). Таким образом компания участвует в формировании полной базы национальных стандартов РФ, касающихся жизненного цикла напечатанной продукции, ее испытаний, технологий аддитивного производства и 3D-принтеров.

Это участие для компании крайне важно: «Газпром нефть» заинтересована в принятии нормативной базы и развитии технологий аддитивной печати. «ГОСТы разрабатываются по мере появления в них необходимости. С утверждением различных ГОСТов формируется единый подход к терминологии, требованиям к осуществлению контроля качества как самих изделий, так и сырья, а также к методике и видам испытаний уже изготовленных МТР, — рассказывает руководитель программ по развитию инноваций в материально-техническом обеспечении „Газпром нефти“ Екатерина Чебан. — Разработка полноценной технической документации, описывающей требования к применению аддитивных технологий в производстве МТР и не уступающей по своему уровню международному и западному регулированию, позволит минимизировать риски и окажет катализирующее воздействие на развитие технологии. Именно эту работу мы и ведем в рамках Технического комитета».

Внося свою лепту в общее дело, компания разработала и направила в комитет на рассмотрение ГОСТ, в котором прописаны технические условия для аддитивного производства крыльчатки для электродвигателей. Участники комитета рассмотрят новый стандарт на публичных слушаниях, оценят содержание, возможно, отправят ГОСТ на доработку, а после повторных слушаний проголосуют за его принятие. Точно так же «Газпром нефть» участвует в рецензировании стандартов, предложенных другими участниками рынка аддитивного производства, такими как ВИАМ, «Росатом» и др. Сегодня в России действует 28 национальных стандартов в области аддитивных технологий, а на 2021 год программой национальной стандартизации запланирована разработка еще 11 ГОСТов в этой сфере.

«Российские ГОСТы появляются примерно с 2015 года по мере необходимости. Как правило, это адаптация лучшего международного опыта, накопленного технологическими компаниями, — отмечает Петр Вебер, главный специалист аддитивных технологий „Газпромнефть-Цифровых решений“. — Например, одним из первых в России появился национальный стандарт „Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы“, в котором прописаны ключевые понятия, чтобы участники российского рынка могли использовать единую терминологию».

Последовательное заполнение пробелов в вопросах стандартизации позволит создать полноценную экосистему аддитивного производства «Газпром нефти»: работа в этом направлении уже началась.

C какими препятствиями сталкивается ваша компания при внедрении аддитивных технологий

Источник: опрос Dimensional Research,
114 специалистов в сфере 3D-печати, 2019

Экосистема аддитивного производства

Возможности применения 3D-печати обширны, поэтому «Газпром нефть» нацелена на создание полноценной экосистемы аддитивного производства в компании. Она будет включать в себя цифровую среду аддитивного производства, инструмент автоматической обработки заявок на АП, библиотеку технической документации на МТР, инфраструктуру для совместного проектирования, реверс-инжиниринга, 3D-печати и механической обработки, а также интеграцию закупочных систем.

Сейчас компания работает над первым направлением — «Цифровая среда аддитивного производства». Проект находится на стадии MVP (минимально жизнеспособного продукта). Это портал, через который производственные службы компании смогут подавать заявки на печать необходимых деталей.

Чтобы не дублировать работы по созданию 3D-моделей, на портале будет размещена база уже напечатанных деталей. Она будет расширяться по мере развития аддитивного производства в компании. По словам Данара Подкопаева, сначала там появятся простые с точки зрения производства детали: «Мы будем анализировать потребности бизнеса и общаться с дочерними обществами, чтобы выявить те МТР, которые не проходят по закупочным спискам. Например, проблему с шестеренкой, о которой я уже говорил, мы выяснили благодаря контактам с „Газпромнефть-Шиппингом“. Если бы мы не сотрудничали, то коллегам, вероятно, пришлось бы заказывать новое оборудование».

После завершения работы над порталом компания приступит к развитию остальных звеньев цепочки аддитивного производства. Заявки на портале будет обрабатывать «Газпромнефть-Снабжение»: в его задачи входят прием, оценка, уточнение и согласование заказа. Затем к работе над изделием приступят специалисты «Газпромнефть-Цифровых решений», которые проведут реверс-инжиниринг и разработают конструкторско-технологическую документацию на деталь, если ее нет.

Далее данные отсылаются подрядчику, который напечатает деталь и проведет испытания, а готовое изделие отправится к заказчику после прохождения внутреннего контроля качества в «Газпромнефть-ЦР». В будущем «Газпром нефть» планирует самостоятельно печатать детали на собственных мощностях в Центре аддитивных технологий.

«На 2021 год мы поставили перед собой амбициозную задачу: по данной схеме мы планируем обработать не менее ста заявок на аддитивную печать, а также напечатать не менее двухсот МТР для наших дочерних обществ», — говорит Александр Паршиков, начальник департамента технологий роботизации и трехмерной печати «Газпромнефть-ЦР».

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.

Фото: Стоян Васев, Getty Images

Смотрите также

Еще статьи из номера №178 (январь-февраль 2021)

Подпишитесь на рассылку

Каждый месяц отправляем лучшие материалы. Это удобно!