ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ СОЗДАНИИ ПРЕДМЕТОВ КАЗАХСКОЙ КУЛЬТУРЫ

В Стратегии развития Казахстана сказано, что развитие цифровой индустрии обеспечит импульс всем другим отраслями. В свое время Глава государства поставил задачу по разви-тию новых индустрий, которые создаются с применением цифровых технологий [1]. Адди-тивные технологии (3D-принтинг, или трехмерная печать) являются глобальным мировым явлением. В настоящий момент уровень внедрения этих технологий довольно высок: по Се-верной Америке - 41% от производственных масштабов, в Европе - 30 % производства ис-пользуют аддитивные технологии, Азии принадлежит  25 % и только 4 % - остальному  миру [2].  По данным аналитического агентства IDTechEx, ожидается, что в 2025 году по Северной Америке рынок 3D-принтеров упадет до 37%, а в Европе и Китае темпы роста поднимутся до 32 % и 29 % соответственно. Тогда весь остальной мир к 2025 году будет на уровне 2 % [2]. Эти данные говорят об актуальности внедрения аддитивных технологий в промышленность Казахстана. Что касается материалов для 3D-печати, то в настоящее время ассортимент материалов продолжает расширяться, и ключевые производители оборудования для 3D-принтеров на-правляют значительные ресурсы на создание и выдвижение новых материалов на рынок. Этот портфель совместимых материалов продолжает расширяться, поскольку конечным пользователям требуются продукты более высокого качества, больший выбор и гибкость, а в случае создания прототипов - материалы, которые лучше отражают внешний вид и поведе-ние конечного продукта. Поскольку конечные пользователи входят в несколько отраслевых вертикалей, этот список постоянно расширяется и рынок 3D-печати охватывает все более широкую палитру материалов. Также хорошо известен факт, что Казахстан по запасам золота занимает пятнадцатое ме-сто в мире, по запасам серебра - четвертое место, по содержанию золота в руде - второе ме-сто в мире [3]. Среди стран СНГ, по доказанным месторождениям золота, Казахстан нахо-дится на третьем месте после России и Узбекистана. По прогнозам специалистов, Казахстан имеет запасов более 10 тыс. тонн золота [4]. В республике основная часть запасов золота сосредоточена на 8 крупнейших месторож-дениях, из которых два находятся в Акмолинской области - Васильковское и Жолымбет.  При этом наша страна, входя в число мировых обладателей золота, на внутреннем рынке может представить только 10% от всей ювелирной продукции, остальные 90 % поступают из стран-экспортеров готовых ювелирных изделий, таких как Россия и Турция.  В целом золото дорожает в течение многих лет и постепенно переходит в категорию роскоши для населения. В настоящее время золотые изделия реализуются в салонах РК по цене 22 тыс. тенге (около 4 тысяч рублей) за грамм[6].А ведь для народов Азии и Казахстана ювелирные изделия являются обязательным атрибутом семейного торжества и элементом национальной культуры. Это еще раз подтверждает актуальность внедрения новых техноло-гий, которые не только снизят себестоимость изготовления ювелирных изделий, но и возро-дят исконно народные казахские мотивы, узоры и орнаменты. Как известно из истории,  при изготовлении ювелирных изделий принято применять ручной труд или литье. Трехмерное моделирование позволяет визуализировать любое жела-ние клиента, а трехмерная печать позволяет получить абсолютно точную модель ювелирного изделия. В качестве основных аргументов для введения аддитивных технологий в ювелирное производство можно выделить следующие преимущества: - снижение себестоимости изготовления; - высокая скорость выполнения заказов; - экономия драгоценных металлов; - новые возможности в дизайне; - получение абсолютно эксклюзивных изделий. Кроме того, использование новой технологии позволяет создавать очень детализирован-ные элементы самых малых размеров и дает возможность корректировки 3D-файла. Это зна-чит, что нет необходимости отливать изделие из драгоценных металлов, чтобы оценить его соответствие желаемому образцу. Изменению в данном случае подвергается пластиковый прототип, за счет чего происходит экономия дорогостоящих материалов и времени [7].  Если говорить о тенденциях в научных исследованиях по аддитивным технологиям, то необходимо отметить, что США принадлежит самое большое число публикаций, а по числу продаж машин, работающих по аддитивным технологиям, лидирует Китай. Самыми первы-ми научными публикациями были статьи немецких ученых, а по объемам финансирования исследований в Европе впереди всех на сегодняшний день Англия. Ведущими организация-ми в мире, которые работают с аддитивным производством, являются: 7 организаций из США, 4 из Китая, 3 из Великобритании, 2 из Германии, 2 из Австралии, 1 из Сингапура и 1 из Бельгии. Все эти факты свидетельствуют о перспективах данной технологии, а значит, и Казахстан должен быть заинтересован во внедрении аддитивной технологии в производство новых изделий.  Целью исследований стал вопрос о  возможности внедрения аддитивных технологий в производство эксклюзивной ювелирной продукции, а также разработка новых методик соз-дания трехмерных цифровых моделей для конструкций литейной оснастки и обоснование ее рациональной эксплуатации, что, в свою очередь, способствует поднятию имиджа народного традиционного казахского искусства. За последние 10 лет аддитивные технологии значительно продвинулись во многих от-раслях промышленности: аэрокосмическая, автомобильная, медицинская сфера и даже кули-нария. Значительно увеличилось проникновение аддитивных технологий на массовый ры-нок, но еще не достигнут максимум из-за ряда технических проблем, таких как скорость пе-чати, точность, допуски и объемы производства. Эти проблемы открывают широкие возможности для исследований на этапах процесса трехмерной печати. Создание центра дизайна и трехмерного моделирования в Акмолинской области позво-лит получать новые для региона услуги по трехмерному моделированию, созданию прототи-пов и моделей новой, в частности, ювелирной продукции, а также поднятие имиджа народ-ного традиционного казахского искусства. Кроме того, возможно:  создание уникальных моделей будущих изделий любой сложности; изготовление ювелирных украшений по эксклюзивным трехмерным моделям; создание собственного цифрового архива; восстановление уникальных изделий. Возможность качественного изучения, освоения и внедрения в производство, а главное, в образовательный процесс новых аддитивных технологий поможет форсировать индустри-ально-инновационное развитие Казахстана и позволит молодым специалистам чувствовать себя более уверенно на международном рынке. В качестве научной новизны проекта можно считать разработку научной и учебно-методической литературы для подготовки специалистов нового профиля по новым образовательным программам, создание новых для региона и Казахстана консалтинговых услуг по трехмерному моделированию. Новое производство ювелирных изделий с использованием трехмерного моделирования может стать имиджевой отраслью Казахстана за счет эксклюзивности и доступной стоимости.  Преимущества от внедрения аддитивных технологий: точные симметричные линии; 3D-модель можно быстро доработать или переделать; на основе одного изделия, можно быстро построить модельный ряд; точное проектирование по размерам эскиза. Так же может использоваться, картинка, фо-тография, рисунок и т.д. с основными размерами, остальное будет создаваться по пропорци-ям; расчёт веса будущего изделия, а также вес и количество дополнительных элементов; модель строится с учётом всей специфики ювелирных технологий: чеканка, вальцовка и т.п.; сокращение технологического процесса и времени на изготовление изделия [7]. Все эти факты свидетельствуют о перспективах данной технологии, а значит, Казахстан должен быть заинтересован во внедрении аддитивной технологии в производство новых изделий. Одновременно с этим анализ ситуации с внедрением аддитивных технологий показал проблемные стороны развития новых технологий в Казахстане: - отсутствие четкого понимания оборудования и его назначения, приводящее к его не-эффективному использованию; - непрофессиональный сервис; - отсутствие технической поддержки. Нет качественных консультаций из-за нехватки высококвалифицированных специали-стов. Основной угрозой для развития новых технологий в Казахстане является именно отсутствие человеческого потенциала [8]. В Казахстане для внедрения аддитивных технологий в промышленное производство не-обходимы специалисты, обладающие фундаментальными знаниями, основанными на науч-ных принципах. Необходим единый центр, оборудованные мастерские и лаборатории для приобретения навыков в трехмерной печати и, в целом, новая специальность в высшей шко-ле. Во всем мире финансирование исследований по аддитивным технологиям увеличивается ежегодно, например, в ЕС аддитивные технологии, безусловно, являются приоритетной областью с инвестированным финансированием в размере 160 миллионов евро [11]. При рассмотрении направлений денежных потоков можно выделить следующие: 1 - новые материалы для аддитивных технологий; 2 - новые методы послойного синтеза; 3 - разработка программного обеспечения для прототипирования. IDTechEx прогнозирует, что к 2029 году мировой рынок оборудования, материалов, программного обеспечения и услуг для 3D-печати будет оцениваться в 31 млрд долларов [11]. Обзор исследований английских университетов показал:   В Университете Ноттингема зарегистрировано самое высокое финансирование, лучшее оборудование и широкий спектр публикаций. В Университете есть несколько уникальных машин, и его исследовательский интерес широк и распространяется на различные темы, с небольшим акцентом на использование новых материалов в трехмерной печати. Кембриджский университет обладает самым широким из доступных диапазонов обору-дования, и некоторые эксклюзивные машины прототипирования представлены в публикациях, т.е. основное направление исследований - создание новых методов послойного синтеза.  Исследования Университета Шеффилда в области AM сосредоточены на разработке ма-териалов, а также на новых программных приложениях и процессах. Университет Лафборо - еще один ведущий университет, финансирование которого уд-воилось в 2015 и 2016 годах. В его исследованиях AM интенсивно использовался в качестве инструмента для производства продукции. До сих пор Университетский колледж Калифорнийского университета в Лондоне был самым быстрорастущим университетом, с четырехкратным увеличением финансирования, полученного в 2015 и 2016 годах. В настоящее время он больше ориентирован на разработку программных приложений и создание новых материалов для аддитивных технологий. В отчете по аддитивным технологиям, выполненном Лондонским Императорским Кол-леджем, сказано: «Исследования аддитивных технологий в Великобритании слабы в области регулирования, проектирования, экономической и экологической оценки, что может стать ключом к расширению исследований AM и привести к коммерциализации данной технологии» [9]. Анализ внешних источников говорит о том, что есть общие мировые тенденции в разви-тии аддитивных технологий:  - положительно, что этой технологии принадлежит будущее, все с этим согласны и мак-симально вкладывают в научные исследования средства, чтобы раскрыть истинный потенциал технологии,  - отрицательно, что темпы коммерциализации этой технологии невысоки. Массачусетский технологический университет оказал значительное влияние на индуст-рию трехмерной печати в основном благодаря своим инновационным исследовательским проектам. В частности, MIT запустил новый 11-недельный онлайн-курс, который может стать одной из самых важных инициатив для профессионалов, которые заинтересованы в распространеии аддитивных технологий по всему миру [10]. Реализация и решение задач проекта позволят приблизиться к коммерциализации адди-тивных технологий в Казахстане, а значит, идти в ногу с мировыми лидерами. Значимость проекта состоит в создании новой области технологических знаний про-мышленного производства. Кроме экономической эффективности проект имеет высокую социальную значимость, создание в области учебно-технологической системы подготовки специалистов. Это в свою очередь, позволит форсировать внедрение новых технологий, повысить уровень подготовки выпускников технических специальностей и успешно адаптировать их в мировое технологическое пространство.  Создание центра, оснащенного новым технологическим оборудованием, имеющим са-мые современные программные продукты трехмерного моделирования, окажет положитель-ное влияние  на происходящие социальные и экономические процессы региона. Кроме того, специфика ювелирной промышленности объясняется термином «ювелирная точность», и внедрение аддитивных технологий в производство новых изделий позволит реализовать эту точность с минимальными затратами. Уникальность предлагаемого проекта заключается в том, что уже имеющиеся на вооружении цифровые технологии трехмерного моделирования позволят создать из драгоценных металлов эксклюзивные изделия с казах-ским национальным колоритом,  и это может стать визитной карточкой всего Казахстана. Реализация исследовательских задач должна быть достигнута на основе использования контент-анализа, анализа статистических данных, сравнительного анализа, описательного метода, методов запроса интернет-аналитики.  Методологической основой работы явится системный подход к изучению и описанию взаимосвязей эксплуатационных свойств детали с технологическими условиями распечатки модели по аддитивным технологиям. Методика предусматривает комплексное теоретическое и экспериментальное исследование процесса послойного синтеза при изготовлении оснастки для литья по выплавляемым моделям.  Ранее в инициативной работе (2015 - 2017 гг.) с №  госрегистрации 0115РК02087 уже были проведены опытно-конструкторские разработки и выявлены параметры трехмерной печати, влияющие на качество новых изделий. Работа выполнялась на имеющемся двухцвет-ном 3D принтере - Wanhao Duplicator 4, работающем по аддитивной технологии FDM. Также имеется достаточный опыт работы на трехмерных принтерах Objet 30 фирмы Stratasys, которые были выпущены для образовательных учреждений с целью ознакомления с основами послойного синтеза. Все перечисленное оборудование имеет один значительный недостаток - низкую скорость печати.  При проведении экспериментальных работ используется технология SLA на трехмерном принтере Formlab Form 3SLA. Выбор данного типа оборудования сделан с учетом имеющегося опыта и позволяет резко повысить результативность исследований, т.к. обладает высокой скоростью печати, высокой точностью изготовления мелких изделий. Получение большого числа опытных образцов позволяет проводить корреляционные исследования. Получение результатов каждого эксперимента занимает меньше времени, а объем выполненных образцов - значительно больше.  Для определения точностных характеристик полученных образцов планируется исполь-зование трехмерного лазерного 3D сканера для ювелирных изделий, который может быть использован еще и как контрольно-измерительная машина. Программное обеспечение по-зволяет накладывать цифровую проектную модель на цифровую модель со сканера и опре-делять величину погрешности изготовления прототипа или самого изделия.  В процессе выполнения проекта имеется хорошая возможность отследить взаимосвязь качества цифровой модели и точности изготовления прототипа, т.к. будет определена необ-ходимая математическая модель функциональной зависимости теплового воздействия на допуски изготовления детали.  Для снижения затрат при использовании аддитивной технологии необходимо оптимизи-ровать параметры поддержки печатного образца. Усовершенствованные САПР и новые по-коления обученных инженеров по трехмерной печати могут сделать многое для расширения рынка аддитивных технологий, а значит, и для экономики Казахстана. Управление рисками в Проекте предусматривается, и в случае несвоевременного финан-сирования проекта проведение экспериментальных исследований будет проводиться соглас-но графику на базе научно-производственной Лаборатории трехмерного моделирования Кокшетауского университета им. Абая Мырзахметова в соответствии с планом НИР. Как было сказано выше, процесс исследования аддитивных технологий имеет общие тенденции с процессом трансферта инновационных технологий и может найти поддержку в таких организациях, как Департамент господдержки предпринимательства Республики Ка-захстан и в управлении предпринимательства и промышленности Акмолинской области. В результате проведения исследовательских работ и создания математической модели процесса получения изделия по аддитивной технологии может быть расширен перечень про-дукции и спектр услуг Акмолинской области. Как следствие, увеличен объем выпускаемых на литейном оборудовании изделий и снижена себестоимость получения  литых деталей по выжигаемым моделям. Величина экономического эффекта может быть рассчитана точно; по предварительным прогнозам, использование аддитивных технологий в ювелирном производстве будет рентабельным и окупится менее чем за 1,5 года. Возможность качественного освоения и внедрения в производство и в учебный процесс новых аддитивных технологий поможет форсировать индустриально-инновационное разви-тие Казахстана и позволит молодым специалистам чувствовать себя более уверенно на меж-дународном рынке. Индустриализация определена флагманом внедрения новых технологий в ежегодном послании Главы государства народу Казахстана «Новые возможности развития в условиях четвертой промышленной революции». Одним из жизненно необходимых условий для успешной конкуренции на мировом рынке предприятий добывающего и обрабатывающего секторов являются инновации, позволяющие использовать все преимущества нового технологического уклада.