Аддитивные и перспективные

Мы обратились к экспертам отрасли, которые рассказали о реальных проектах и продуктах с использованием аддитивных технологий и методов 3D-печати, а также о том, насколько дороговизна сочетается с эффективностью и спросом на такие инновационные решения.

Тренды быстрых изменений

Учитывая глобальные тренды на цифровизацию, снижение выбросов углеводорода в атмосферу и устойчивое развитие, энергетическая отрасль находится на передовой развития мировых трендов. Соответственно, растет и спрос на инновационные технологии в данной сфере. В этом уверена директор корпоративного акселератора GenerationS от РВК Екатерина Петрова.

— Если говорить про глобальные тенденции, то в фокусе решения, которые позволяют сделать процесс поставки электроэнергии конечным потребителям не только максимально удобным и комфортным, но и экологически чистым, — отметила Е. Петрова. — Например, в прошлом году мы запускали совместный акселератор с одним крупным международным игроком в энергетической сфере, который как раз искал подобные решения, гарантирующие клиентам, что потребляемая ими электроэнергия получена из возобновляемых источников энергии.

В рамках акселератора мы познакомились со R&D командой Airalab, которая к тому времени уже реализовала несколько пилотных проектов в области энергетики и зеленых финансовых инструментов на стыке технологий IoT и Blockchain. Среди таких проектов можно выделить: автоматизированный выпуск и продажа зеленых сертификатов на основе данных от солнечной электростанции в Сколково и программу по сокращению выбросов углекислого газа в Назарбаев-Университете.

По словам Екатерины Петровой, в каждом конкретном сценарии IoT устройства позволяли обеспечить бизнес-процесс в автоматизированном режиме, а Ethereum Blockchainстал публично доступным из любой точки планеты реестром, в котором сохранялась информация о выпуске, перемещении и использовании зеленых сертификатов с привязкой к данным от IoT устройств.

Аддитивные технологии, или технологии 3D-печати, также востребованы во многих областях, и энергетика тут не исключение. Среди выпускников акселератора GenerationS особенно можно выделить компанию «Центр аддитивных технологий», которая разработала 3D-принтер, «выращивающий» песчаные литейные формы слой за слоем непосредственно по компьютерной модели.

Данная технология помогает машиностроительным предприятиям в десять и более раз ускорить процесс изготовления новых отливок с помощью 3D-принтера, разработанного компанией. Технология 3D-печати литейных форм актуальна при изготовлении единичных и мелкосерийных, в том числе крупногабаритных, отливок, применяемых в сложном машиностроении, энергетике и атомной промышленности. Принтер, разработанный «Центром аддитивных технологий», выигрывает по стоимости у зарубежных конкурентов и ориентирован на отечественные расходные материалы.

Если говорить про инновационные тренды в энергетической отрасли в России, то можно выделить технологии, которые направлены на оптимизацию производственных процессов на генерирующих объектах компаний. Поскольку энергетический сектор в нашей стране в большинстве своем представлен традиционной генерацией, технологии, продлевающие срок службы оборудования, очень востребованы, наряду с решениями, связанными с безопасностью на производстве и подготовкой персонала.

— В нашей воронке также был стартап «Виртуальные энергосистемы», который позволял эффективно организовать не только производство, но и сбыт электроэнергии благодаря интеллектуальной системе учета и управления, — сказала Е. Петрова. — Данное решение позволяло управлять процессом поставки электроэнергии на стороне потребителя, сокращая расходы, при одновременном увеличении прибыли энергосбытовой компании.

Это стало возможно благодаря механизмам ценозависимого снижения потребления электрической энергии, утвержденным Постановлением Правительства РФ весной 2019 г. Данная технология известна как Demand Response, и сейчас активно развивается во всем мире. Суть ее в том, что в часы пиковой нагрузки, когда спрос на электрическую мощность возрастает, дополнительная мощность закупается не от источников генерации, а за счет снижения использования электроэнергии на стороне потребителей.

Потребители точно так же зарабатывают, как генерирующие компании, но при этом «производят» виртуальную энергию. Эту мощность закупают, как правило, энергосбытовые компании и поставляют ее оптом на рынок. Компания «Виртуальные Энергосистемы» стояла у истоков появления этой технологии в России.

С помощью программного обеспечения и оборудования собственной разработки на базе технологии интернета вещей (IoT) компания помогает потребителям быстро настроить коммерческий и технический учет в реальном времени и определить количество электрической мощности, которое оно может продать на рынок без ущерба для производства.

В процессе пилотных внедрений совместно с некоторыми энергосбытовыми компаниями было отмечено, что промышленные предприятия получают экономический эффект не только от продажи мощности, но и снижают себестоимость своей продукции за счет оптимизации потребления энергоресурсов и повышения производительности оборудования.

В быстроменяющемся мире очень важно всегда быть в тренде, уметь перестроить или адаптировать свои технологии под условия, которые диктуют современные реалии. Энергетический сектор был и остается важным направлением, которое во многом определяет наше будущее.

Алгоритм, созданный заранее

Непростую задачу по изменению физико-механических свойств металла по всей толщине изделия решают ученые из Национального исследовательского университета «Московский энергетический университет». Они создали установку электронно-лучевого аддитивного формообразования и, собственно, модели, позволяющие не только детализировать основные закономерности производства методом электронно-лучевой 3D-печати, но и оптимизировать процесс, переходя к построению «цифрового двойника» данной технологии.

Кроме того, научные специалисты экспериментально исследовали, как нагревается и переносится металл, в том числе при колебании пучка электронов в пространстве. Результаты показали, что при правильно выбранном режиме колебаний происходит перенос металла, таким образом, можно менять форму создаваемых слоев, воздействуя на траекторию перемещения пучка и частоту осцилляции. Такое решение не имеет аналогов в данной области.

— Основным практическим выходом работы, безусловно, является создание системы автоматизированного управления процессом, — рассказал руководитель проекта по гранту Российского научного фонда, профессор НИУ «МЭИ» Алексей Щербаков. — Наиболее логичный подход — построение замкнутой системы, в которой осуществляется стабилизация какого‑либо параметра, измеряемого с помощью датчика, например, температуры. Такая схема позволит устранить отклонения температуры от заданной, а значит, обеспечит постоянство размеров и формы наплавляемого слоя, а также стабилизирует физико-механические свойства металла по всей толщине изделия. Решить эту задачу не так просто, ведь скорости нагрева высоки, а на датчики воздействуют пары материала.

На данный момент показана возможность регулировать температуру во время процесса с помощью интегрированных в систему управления регулятора и датчика – пирометра спектрального отношения, позволяющего определить температуру объекта по цвету его излучения. В этом случае созданные модели позволят заранее определять режимы воздействия и алгоритмы управления, что сократит время вспомогательных операций.

— Технология, где используется в качестве присадочного материала проволока, в сравнении с порошковой и традиционными видами изготовления изделий из металлов (фрезерование, точение и т. д.) дает множество преимуществ, — поделился А. Щербаков. — Это экономия сырья (металла) до 10 раз в сравнении с механической обработкой, особенно при изготовлении полых или ребристых конструкций. А также снижение производственных затрат не менее чем в 2‑3 раза, даже с учетом необходимости проведения последующей механической обработки, что особенно важно для прототипирования изделия. Еще одно преимущество — более низкая стоимость сырья в сравнении с порошковыми технологиями и высокие скорости наплавки (1‑20 кг в час).

При этом, отметил научный эксперт, технология пока достаточно молода и применяется для решения специфичных задач. В частности, послойной наплавки полых и протяженных деталей, при изготовлении которых традиционными методами большая часть металла превращалась бы в отходы (стружку). Например, топливные баки, ребристые несущие конструкции, которые можно изготавливать не только из сталей, но и титановых, алюминиевых сплавов, а также химически активных и тугоплавких металлов. Это обусловлено тем, что процесс реализуется в технологическом вакууме, то есть лучшей из существующих защитных сред.

К существующим на сегодняшний день недостаткам инновационного решения Алексей Щербаков отнес неоднородность структуры, и физико-механических свойств получаемых изделий из‑за влияния зон повторного нагрева и постепенного прогрева всего изделия при изготовлении; необходимость последующей размерной обработки из‑за пространственного разрешения технологии, измеряемого миллиметрами, и «волнистости» формируемой поверхности. А также техническую сложность процесса управления процессом наплавки изделий сложной формы из‑за необходимости одновременного управления пространственно-энергетическими характеристиками источника нагрева, скоростью перемещения электронной пушки и скоростью подачи проволоки.

— На сегодня технология еще достаточно дорога, ведь комплекс оборудования должен включать в себя крупногабаритную вакуумную камеру, электронную пушку, высоковольтный источник питания и роботизированный манипулятор, компьютеризированную систему управления и комплекс датчиков для непрерывного контроля параметров процесса, — подчеркнул А. Щербаков. — Но данная инновация прекрасно вписывается в концепции «Цифрового производства» и «Индустрии 4.0». Так что, я думаю, в ближайшие десятилетия процесс разработки изделий, создания электронной конструкторской документации и систем управления технологическим оборудованием будут интегрированы в единой информационной среде для решения задач аддитивного производства изделий на основе технологии электронно-лучевой наплавки с подачей присадочной проволоки.

Хочу отметить, что проект разрабатывался коллективом специалистов. В составе научной группы: руководитель проекта Андрей Слива (первый, кто воплотил идею в виде технологии и разработал многие научно-технические решения, без которых проект не состоялся бы), аспиранты Дарья Гапонова и Александр Гуденко – разработчики прототипа системы управления и авторы новых решений в области управления пространственно-энергетическими характеристиками пучка, специалисты в области материаловедения и др.

СПРАВКА

История аддитивных технологий для создания изделий из металлических материалов началась довольно давно. «Порошковые» технологии развивались с конца 1980‑х годов, спустя почти десятилетие, в середине 1990‑х годов были созданы первые коммерческие образцы в Технологическом университете Чалмерса в Швеции и Центре лазерных технологий Фраунгофера в ФРГ. «Проволочные» появились с середины 1990‑х, в то время первые образцы оборудования создали Sciaky Inc., США, а затем в конце 2000‑х – исследовательский центр NASA Langley.

СПРАВКА

Компания из Дубая с помощью технологии 3D-печати реализует проект под названием Smart Palm. Идея предусматривает открытие на городских улицах и пляжах станций, где люди смогут зарядить телефон, подключиться к сети Wi-Fi и т. д. «Умные пальмы» имеют современный дизайн и собирают солнечную энергию.

Аддитивные технологии позволяют создавать новые виды ветровых установок. Компания Orange Silicon Valley решила изготовить микротурбины. Если традиционные ветроэлектростанции сложно транспортировать, то новые установки можно легко перевезти куда угодно. К тому же они идеально подходят для городских условий. Прототипы установок напечатали из ABS-пластика на настольном 3D-принтере.

Еще один зарубежный старт­ап RCAM Technologies решил внедрить 3D-печать для производства ветроэлектростанций. Причем разработчики создают не микротурбины, а напротив, большие по высоте агрегаты, ведь чем выше установка, тем эффективнее она работает. Суть технологии проста: некоторые детали ветроэлектростанции печатают прямо на месте. В 2019 году этот стартап стал одной из лучших аддитивный технологий в энергетике.