ВНИИИНСТРУМЕНТ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ
Телефон для контактов: (495) 366-94-11, е-mail:
Нанотехнологии

Аннотация

Дорожная карта «Использование нанотехнологий для создания высокоэффективного обрабатывающего инструмента» (далее — Карта) представляет собой обобщающий документ, который отражает многоуровневую систему стратегического развития предметной области в рамках единой временной шкалы и содержит показатели экономической эффективности перспективных технологий и продуктов, обладающих высоким потенциалом спроса и привлекательными потребительскими свойствами. Дорожная карта разработана на основе данных опроса экспертного сообщества, а также исследования международных и российских статистических и аналитических материалов.
За последние 30 лет требования к механической обработке существенно изменились. Доля труднообрабатываемых материалов в машиностроении, которое является основным потребителем обрабатывающего инструмента, возросла с 10% до 80%. Увеличились требования к качеству и производительности обработки. Данные факторы обуславливают возрастающую необходимость в современном инструменте с улучшенными эксплуатационными характеристиками. С помощью инструмента, изготовленного на основе нанотехнологий, возможно решение большинства технологических задач, стоящих перед отраслью.
Дорожная карта описывает структуру спроса на обрабатывающий инструмент и указывает перспективные рынки для его применения. Дорожная карта оценивает возможности нанотехнологий по обеспечению ключевых потребительских свойств обрабатывающего инструмента, позволяющие сформировать существенные конкурентные преимущества для него. Временной горизонт дорожной карты - до 2020 г.

Общая характеристика предметной области

Предметная область настоящей дорожной карты ограничивается инструментом для обработки различных металлических и неметаллических материалов в обрабатывающей промышленности.

Обрабатывающий инструмент (ОИ) — это инструмент, используемый для изменения формы, размеров и качества поверхности обрабатываемой заготовки путём удаления части материала в виде стружки, ее шлифования, полирования, доводки, а также пластического деформирования с целью получения готовой детали или полуфабриката.

Остальные типы инструмента, применяемые в других отраслях, подлежат рассмотрению в рамках отдельных отраслевых дорожных карт, так как они в большой степени узко специализированы и связаны с конкретными отраслевыми технологиями, в частности: 1) инструмент, применяемый в медицинской технике (хирургический и зубопротезный инструмент); 2) инструмент, применяемый в горнодобывающей промышленности и дорожном строительстве (буровой инструмент, зубцы строительно-дорожной техники); 3) инструмент, применяемый в сельском хозяйстве (сельскохозяйственный режущий инструмент, рабочие органы сельскохозяйственной техники); 4) инструмент, применяемый в пищевой промышленности (ножи, дробилки, рабочие органы смесителей).
Для изготовления обрабатывающего инструмента в основном применяют четыре группы инструментальных материалов (инструментальные стали, твердые сплавы, сверхтвердые материалы, режущая керамика), каждая из которых подразделяется на несколько подгрупп (рис. 1). Ни один из этих инструментальных материалов не является универсальным и занимает свою нишу в соответствии с показателями вязкости, прочности, износостойкости и твердости.

Источник: данные экспертного опроса
Рисунок 1. Виды инструментальных материалов и их характеристики

С учетом рассматриваемых в дорожной карте технологий и продуктов выделены восемь типов материалов, используемых для производства обрабатывающего инструмента, а также определены их распространенность и перспективность в России и в мире (стрелками обозначены тенденции к росту и сокращению соответствующих долей):

    http://www.rusnano.com
  1. Быстрорежущие стали  
  2. Штамповые стали
  3. Твердые сплавы
  4. Режущие керамические материалы
  5. Поликристаллические алмазы (ПКА)
  6. Кубический нитрид бора (КНБ)
  7. Абразивные материалы
  8. Материалы для изготовления электродов
  • РФ: 18% v
  • РФ: 2%
  • РФ: 50% ^   
  • РФ: 1%^
  • РФ: 6%
  • РФ: 6%^
  • РФ: 17% v
  • -
  • Мир: 11% v  
  • Мир: 2%
  • Мир: 56% ^
  • Мир: 9%
  • Мир: 6%
  • Мир: 6%^
  • Мир: 10%v
  • -

Описание и конкурентные преимущества основных типов материалов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Описание свойств инструментальных материалов


Материал

Описание

1.Быстрорежущие
стали

Высоколегированные инструментальные стали высокой твердости с карбидным упрочнением и содержанием углерода свыше 0,6 %.
Повышение качества быстрорежущих сталей достигается при использовании порошковой металлургии (ПМ). Характерными свойствами быстрорежущих сталей, изготовленных методом ПМ, являются высокая прочность на изгиб, в 1,5-2,5 раза более высокая стойкость по сравнению с традиционными марками.

2. Штамповые
стали

Делятся на две группы: 1) деформирующие металл в холодном состоянии;
2) деформирующие металл в горячем состоянии. Стали 1 типа должны обладать высокой твердостью и износостойкостью, высокой прочностью и удовлетворительной вязкостью для работы при ударных нагрузках. Стали 2 типа дополнительно должны выдерживать термическое воздействие. Для увеличения твердости при высоких температурах используют химико-термическую обработку: азотирование, диффузионное хромирование, борирование, а также осаждение на поверхность штампа карбидов титана, имеющих особо высокую твердость.

3. Твердые
сплавы

Основной инструментальный материал, обеспечивающий высокопроизводительную обработку материалов резанием. Твердосплавный инструмент занимает более 50% общего объема рынка инструмента, причем этим инструментом снимается до 85% стружки, так как скорость резания, достижимая при обработке таким инструментом в 2-5 раз выше, чем у быстрорежущего инструмента.
Твердые сплавы получают методами порошковой металлургии в виде пластин и стержней на основе карбидов вольфрама WC, титана TiC, тантала TaC и ниобия NbC, мельчайшие частицы которых соединены посредством связок из кобальта или никеля в смеси с молибденом. Существует также особая группа твердых сплавов, в которых не применяется карбид вольфрама (керметы). Широко применяется твердосплавный инструмент с упрочняющими, износостойкими, антифрикционными и другими типами покрытий, в том числе наноструктурными.

4. Режущие
керамические
материалы

Режущие керамические материалы можно разделить на четыре группы:
1) оксидная (белая керамика) на основе Al2O3, 2) оксикарбидная (черная керамика) на основе композиции Al2O3-TiC, 3) оксиднонитридная (кортинит) на основе Al2O3-TiN, 4) нитридная керамика на основе Si3N4.
Характерна пластическая прочность и высокая скорость резания, намного (до 2 раз) превосходящая инструмент из твердого сплава. Уменьшение размера зерна и пористости минералокерамики приводит к росту износостойкости, прочности и твердости материала.

5. Поликристалли-
ческий алмаз
(ПКА)

ПКА - это модификация углерода кристаллического строения. Производят синтетические алмазы из графита при больших давлениях и высоких температурах. Использование режущих пластин из ПКА позволяет повысить стойкость в 15-20 раз по сравнению с инструментом из твердого сплава. Недостаток алмаза в качестве режущего материала – невозможность его использования для резки материалов, содержащих углерод.
С целью повышения эффективности работы алмазного абразивного инструмента применяют алмазные зерна, покрытые тонкой металлической пленкой с хорошими адгезионными и капиллярными свойствами по отношению к алмазу – медь, никель, серебро, титан и их сплавы.

6. Кубический
нитрид бора
(КНБ)

Пластины из КНБ получают путем компактирования нанопорошков КНБ. КНБ незначительно уступает алмазу по твердости, отличаются высокой термостойкостью (до 1570К), стойкостью к циклическому воздействию высоких температур и слабым химическим взаимодействием с железом. Скорость резания инструментом из КНБ может превышать скорость резания твердосплавным инструментом в 5 и более раз.
При применении КНБ производительность обработки повышается в 1,5-3 раза по сравнению с твердосплавным инструментом, улучшается качество обработанных поверхностей, исключается необходимость последующей абразивной обработки. Недостатком КНБ является его высокая стоимость.

7. Абразивные
материалы

Зерна абразивного материала с острыми кромками служат режущими элементами шлифовальных инструментов. Подразделяются на естественные и искусственные. К естественным абразивным материалам относятся такие минералы, как кварц, наждак, корунд и др. В промышленности наиболее распространенными являются искусственные абразивные материалы: электрокорунды, карбиды кремния и бора. К искусственным абразивным материалам относятся также полировально-доводочные порошки – оксиды хрома и железа.
Особую группу искусственных абразивных материалов составляют синтетические алмазы и кубический нитрид бор, которые являются наиболее перспективными, так как обладают максимальной твердостью (алмаз) и термостойкостью (КНБ).

8. Инструменты       для новых методов
обработки

Электроды для электроэрозионной и электрохимической обработки должны быть достаточно твердыми и противостоять различным условиям механической и температурной деформации. При обработке углеродистых и жаропрочных сплавов используют графитовые и медные электроды. Для черновой обработки применяются электроды из алюминиевых сплавов и чугуна, а при обработке отверстий — электроды из латуни. При обработке твердых сплавов и тугоплавких материалов широко применяют электроды из композиционных материалов.
Сопла и форсунки для гидроабразивной резки обычно изготавливают из сапфира, рубина или алмаза (срок службы сапфировых и рубиновых сопел - до 100–200 часов, алмазных сопел – до 1000–2000 часов). Смесительные трубки изготавливают из сверхпрочных сплавов (срок службы – до 150–200 часов). Для плазменной резки используют медные сопла, иногда с вольфрамовой вставкой. Электроды для плазменной резки изготавливают из меди, гафния, вольфрама (активированного иттрием, лантаном или торием) и других материалов.
Для лазерной резки обычно применяются твердотельные и газовые типы лазеров, однако они постепенно уступают место более перспективным диодным и волоконным лазерам. Для разрезания металлов в основном требуется мощность лазера от 450–500 Вт и выше, для цветных металлов – от 1кВт и выше.


Источник: аналитические материалы, данные экспертного опроса

Продукты в области обрабатывающего инструмента можно условно разделить на четыре глобальные продуктовые группы (лезвийных режущий инструмент, шлифовальный инструмент, деформирующий инструмент, инструмент для новых методов обработки), объединенные по принципу общности эксплуатационных, конструктивных особенностей и технологических подходов. Согласно экспертному прогнозу были определены их доли на российском рынке и возможный потенциал использования нанотехнологий в данных продуктовых группах в будущем (до 2020 года). Кроме того, практически в каждой группе были выделены подгруппы в соответствии с используемыми материалами и типами инструментов (таблица 2)

Таблица 2. Сегментация рынка обрабатывающего инструмента

1. Лезвийный режущий инструмент

- (резцы, сверла, фрезы, развертки, протяжки, зенкеры и др.)

- Монолитный быстрорежущий инструмент

- Монолитный твердосплавный инструмент

- Составной твердосплавный инструмент

- Сборный твердосплавный инструмент

- Сборный инструмент из сверхтвердых материалов (СТМ) и керамики

- Составной инструмент из СТМ 

Доля сегмента на рынке РФ:

2010           2020

63% > 66%

Доля нано в сегменте:

2010          2020

6% > 46%

2. Шлифовальный инструмент

(шлифовальные круги, ленты, пасты, суспензии, режущая проволока)

- Шлифовальный инструмент из абразивных материалов

- Шлифовальный инструмент из сверхтвердых материалов (СТМ)

- Пасты, порошки и суспензии из СТМ

Доля сегмента на рынке РФ:

2010           2020

30% > 27%

Доля нано в сегменте:

2010          2020

3% > 20%

3. Деформирующий инструмент

(штампы, дорны, волоки, ролики, фильеры)

- Штампы, пресс-формы, ролики и фильеры из инструментальной стали

- Штампы, пресс-формы, ролики и фильеры из твердого сплава

- Ролики и фильеры из СТМ 

Доля сегмента на рынке РФ:

2010           2020

7%

Доля нано в сегменте:

2010          2020

3% > 12%

  • Инструмент для новых методов обработки
  • электроды и проволока
  • для электроэрозионной и электрохимической обработки
  • сопла и форсунки
  • для гидроабразивной и газоплазменной обработки
  • лазеры высокой мощности

Доля сегмента на рынке РФ:

2010           2020

<1%

Для достижения высоких эксплуатационных характеристик при изготовлении инструмента возможно использовать определенные нанотехнологии. Основные направления использования нанотехнологий для каждой продуктовой группы перечислены в таблице 3 с указанием прогноза их распространения к 2020 году.

Таблица 3. Перспективные нанотехнологии в производстве обрабатывающего инструмента


Вид инструмента

Перспективные нанотехнологии
(прогноз удельного веса в сегменте инструмента,
созданного на основе нанотехнологий в 2020 г., %)

Монолитный быстрорежущий инструмент

– нанесение наноструктурных покрытий (50%)
– наномодификация поверхностного слоя (25%)
– компактирование нанодисперсных порошков и производство инструмента из объемных наноструктурных материалов (25%)

Монолитный твердосплавный инструмент

– нанесение наноструктурных покрытий (53%)
– компактирование нанодисперсных порошков и производство инструмента из объемных наноструктурных материалов (30%)
– детонационные, плазмохимические и др. технологии синтеза сверхтвердых материалов с наносвязками (15%)
– наномодификация поверхностного слоя (2%)

Сборный и составной твердосплавный инструмент

– нанесение наноструктурных покрытий (36%)
– компактирование нанодисперсных порошков и производство инструмента из объемных наноструктурных материалов (35%)
– детонационные, плазмохимические и др. технологии синтеза сверхтвердых материалов с наносвязками (18%)
– наномодификация поверхностного слоя (11%)

Штампы, пресс-формы, ролики и фильеры из инструментальной стали

– нанесение наноструктурных покрытий (85%)
– наномодификация поверхностного слоя (15%)

Штампы, пресс-формы, ролики и фильеры из твердого сплава

– компактирование нанодисперсных порошков и производство инструмента из объемных наноструктурных материалов (45%)
– нанесение наноструктурных покрытий (40%)
– детонационные, плазмохимические и др. технологии синтеза сверхтвердых материалов с наносвязками (15%)

Шлифовальный инструмент из абразивных материалов

– производство из нанопорошков алмаза и СТМ абразивного инструмента на синтетических связках (70%)
– электрохимические технологии производства специальных абразивных нанопорошков (30%)

Шлифовальный, в том числе отрезной инструмент из СТМ

– детонационные, плазмохимические и др. технологии синтеза сверхтвердых материалов с наносвязками (30%)
– производство из нанопорошков алмаза и СТМ абразивного инструмента на синтетических связках (70%)

Пасты, порошки и суспензии из СТМ

– технологии получения абразивных нанопорошков (плазмо-химический синтез, детонационное распыление и др.)


Источник:данные экспертного опроса

Целевые характеристики обрабатывающего инструмента (рис. 2) были заданы исходя из характеристик наиболее распространенных технологий изготовления инструмента, а именно компактирования нанодисперсных порошков (в основном, твердых сплавов) и нанесения наноструктурных покрытий (в основном, многослойных). По результатам экспертного исслледования выявлено, что Россия в настоящее время движется в русле мировых технологических тенденций, однако отстает в части достижения конкретных эксплуатационных характеристик. Выход на технологический уровень, соответствующий мировому, как в области твердых сплавов, так и в области покрытий, ожидается не ранее 2020-2025 гг.


Источник: данные экспертного опроса

 

Рисунок 2. Целевые характеристики обрабатывающего инструмента

Продукты из раздела «новые методы обработки» имеют несколько важных отличий от традиционного инструмента. Во-первых, они являются бесконтактными, то есть при обработке отсутствует механический контакт между деталью и инструментом. Во-вторых, с их помощью можно в некоторых случаях осуществлять обработку с наноточностью, даже если для их изготовления не применялось никаких нанотехнологий. Например, с помощью современных электрохимических станков уже сейчас возможно нанесение покрытий нанометрической толщины, обеспечивается разрешающая способность при электрохимическом копировании порядка 100 нм. В таблице 4 представлены основные преимущества и недостатки новых методов обработки, которые определяют область применимости этих методов.

 

Таблица 4. Новые методы обработки и их свойства


Новые методы обработки

1. Лазерная обработка

+ Отсутствие механического контакта с заготовкой
+ Высокая точность лазерной резки
- Термическое воздействие на материал в зоне реза
- Невозможность резки светоотражающих и светопропускающих материалов, а также материалов толщиной более 20 мм

2. Гидроабразивная обработка

+ Отсутствие термического воздействия на материал
+ Широкий спектр разрезаемых материалов и толщин (до 150 - 230 мм)
+ Высокая точность резки с погрешностью 0,1 мм
- Ограниченный ресурс комплектующих и режущей головки

3. Плазменная обработка

+ Обрабатываются металлы толщиной до 100 мм при высокой скорости резания
+ Небольшой локальный нагрев заготовки, исключающий тепловую деформацию
- Подвергаются резке только токопроводящие материалы
- Низкая точность реза и необходимость дополнительной обработки

4. Электроэрозионная обработка

+ Позволяет получить рез малой ширины с высоким качеством
+ Используется практически для всех металлов и сплавов
- Невысокая производительность (скорость подачи менее 1 мм/мин)
- Высокое энергопотребление

5. Электрохимическая обработка

+ Применяется независимо от твердости и прочности обрабатываемых материалов
+ Отсутствие механического и термического влияния инструмента на заготовку
+ Снижение шероховатости обрабатываемой поверхности при одновременном повышении производительности по сравнению с ЭЭО
- Высокое энергопотребление
- Сложность настройки производственного процесса


Источник: аналитические материалы, данные экспертного опроса

Наряду с продуктами в области обрабатывающего инструмента, изготовленного с помощью нанотехнологий, в дорожной карте были рассмотрены альтернативные технологии, которые могут существенно снизить потребность в инструменте в некоторых областях применения. В частности, ресурсосберегающие технологии позволяют полностью исключить механическую обработку (вытачивание детали из заготовки), так как деталь в этом случае изначально создается заданной формы и размера. Глобальные тенденции свидетельствуют об очень высокой перспективности подобных методов, в частности технологий точного литья, направленной кристаллизации и др. Однако на временном горизонте дорожной карты еще не ожидается замещения ими традиционных методов обработки в широком спектре применений. В таблице 5 перечислены основные группы и виды альтернативных технологий с указание основных их преимуществ и недостатков.

Таблица 5. Альтернативные технологии, снижающие потребность в обработке, и их преимущества и недостатки.


Альтернативные технологии

Преимущества и недостатки

1. Ресурсосберегающие технологии

1.1. Точное литье и штамповка металлических и неметаллических материалов

+Используются для изготовления заготовок нужной формы, что значительно снижает расход материалов и затраты на обработку
- Недостаточно разработаны для получения готовых изделий

1.2. Новые методы неразъемного соединения материалов
       (сварка, пайка, склейка)

+ Используются для соединения частей заготовок после их отдельной обработки, что значительно снижает расход материалов и затраты на обработку
- Существующие виды соединений недостаточно прочны

1.3. Аддитивные методы (послойный синтез):
1.3.1. Стереолитография
1.3.2. Селективное лазерное спекание
1.3.3. Технология многоструйного моделирования
1.3.4. Построение модели путем послойного склеивания ПВХ-пленки
1.3.5. Технология послойного наложения расплавленной полимерной нити и др.

+ Быстрый синтез моделей в производстве (литейная форма, шаблоны и др.)
+ Дешевое мелкосерийное производство продукции (медицина, инженерный анализ и др.)
- Невысокая точность (0,025 – 0,3 мм)

1.4. Экструзия

+ Используется для получения изделий путем продавливания расплава материала через формующее отверстие, что снижает расход материалов
- Возможна не для всех типов материалов (только полимерные и ферритовые)

2. Новые конструкционные материалы и технологии

2.1. Технологии получения изделий из композиционных материалов
2.1.1. Намотка
2.1.2. Автоклавное формование
2.1.3. Пултрузия
2.1.4. Инжекция
2.1.5. Инфузия и др.

+ Повышение эксплуатационных свойств получаемых изделий за счет ориентированной укладки наполнителя и его высокого содержания в материале
+ Регулирование структуры и свойств материала изделия путём введения различных модификаторов
- Применимы не для всех видов изделий
- Часто изделия требуют сложной дополнительной обработки

2.2. Направленная кристаллизация

+Является наиболее прогрессивной технологией литья, обеспечивающей высокие эксплуатационные свойства материалов
- Требует проведения опытных плавок для подбора параметров установки


Источник: аналитические материалы, данные экспертного опроса

Технологические задачи

Для существенного увеличения производительности инструмента и повышения его качества необходим комплекс мероприятий, направленных на решение ключевых технологических задач. Основные усилия должны быть сосредоточены на следующих группах задач: 1) получение новых наноструктурированных инструментальных материалов; 2) нанесение нанопокрытий на поверхность инструмента и модификация поверхности; 3) наноразмерная обработка и новые технологии конструкции инструмента. Перечень ключевых технологических задач представлен в таблице 6. В правой колонке описан ожидаемый эффект от решения указанных задач.

Таблица 6. Технологические задачи для предметной области

Технологическая задачи

Эффект

Получение наноматериалов

1. Создание порошковых быстрорежущих сталей с наноразмерным зерном

  • Увеличение прочности, твердости, теплостойкости и износостойкости наноструктурированных инструментальных материалов
  • Увеличение скорости и производительности  обработки
  • Увеличение качества обработки, экономию обрабатываемого материала

 

2. Получение наноразмерного зерна для твердых сплавов

3. Спекание наноструктурных твердых сплавов

4. Получение наноструктурных материалов на основе алмаза

5. Получение наноструктурных материалов на основе КНБ

6. Получение абразивных порошков на основе нанопорошков

7. Изготовление нанодисперсных связок для шлифовальных инструментов

Нанесение нанопокрытий

8. Нанесение наноструктурных износостойких покрытий на обрабатывающий инструмент

  • Увеличение стойкости и сокращение затрат, приходящихся на инструмент
  • Повышение точности размеров и качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей
  • Минимизация применения токсичных СОТС при механической обработке

9. Нанесение покрытий на алмазный порошок

10. Нанесение декоративно-защитных покрытий на корпуса инструмента

11. Изготовление катодов и мишеней для нанесения наноструктурных покрытий

12. Наномодификация поверхностного слоя

Наноразмерная обработка и изготовление инструмента

13. Наноразмерная настройка режущих кромок прецизионного инструмента

  • Повышение точности режущего и деформирующего инструмента с высоким качеством обработки режущих кромок и точных переходных элементов
  • Увеличение точности размеров и формы детали, чистоты обрабатываемой поверхности  сверхсложных деталей точного приборостроения

 

14. Наноразмерная обработка режущих кромок и переходных элементов обрабатывающего инструмента

15. Неразъемное соединение наноструктурных поверхностей рабочей части и корпуса инструмента

16. Изготовление многостержневых электродов нанометрового диаметра

17. Увеличение производительности и точности лазерной обработки


Источник: аналитические материалы, данные экспертного опроса

Мировой рынок обрабатывающего инструмента

По результатам исследования выявлены три возможных сценария развития мирового рынка обрабатывающего инструмента (рисунок 3).

Источник: аналитические исследования, бизнес-планы проектов ГК «Роснанотех», данные экспертного опроса
Рисунок 3. Мировой рынок обрабатывающего инструмента, млрд. долл. США

  •  Активный сценарий предполагает
    • Увеличение темпов роста по сравнению с докризисными темпами с 6-8% до 12-14% в год в 2011-2015 гг. с учетом восстановительного роста после кризиса
    • В 2015 году рост рынка на 80-90% к уровню 2010 года
    • Стабилизация темпов роста на уровне 8-10% после 2015 года
    • Предпосылки: 1) быстрый рост спроса на инструмент (в связи с ростом спроса на продукцию обрабатывающих производств); 2) развитие и совершенствование технологий обработки материалов; 3) снижение цены и более широкое внедрение инструмента, изготовленного с помощью нанотехнологий
  •   Конструктивный сценарий предполагает
    • Сохранение темпов роста на уровне докризисного времени, а именно 6-8%
    • Восстановление рынка к 2013 году (выход на уровень 2008 года), а в 2015 году рост рынка на 45% к уровню 2010 года и на 15% к уровню 2008 года
    • Стабилизация темпов роста на уровне 8-10% после 2015 года
    • Предпосылки: постепенный рост спроса на инструмент (в связи с восстановлением спроса на продукцию обрабатывающих производств)
  •    Инерционный сценарий предполагает
    • Уменьшение темпов роста по сравнению с докризисными темпами с 6-8% до 4-6% в год
    • Восстановление докризисного объема рынка в 2015 году (выход на уровень 2008 года) и рост на 30% к уровню 2010 года
    • Стабилизация темпов роста на уровне менее 6% после 2015 года
    • Предпосылки: 1) медленный рост спроса на инструмент (в связи с медленным восстановлением спроса на продукцию обрабатывающих производств);
      2) недостаток вложений в исследования и разработки, медленное совершенствования технологий производства инструмента

Российский рынок обрабатывающего инструмента

В ходе исследования определены три возможных сценария развития российского рынка обрабатывающего инструмента (рисунок 4).


Источник: аналитические исследования, бизнес-планы проектов ГК «Роснанотех», данные экспертного опроса
Рисунок 4. Российский рынок обрабатывающего инструмента, млрд. руб.

  •  Активный сценарий предполагает
    • Развитие в России производства современного инструмента, в т.ч. изготовленного с использованием нанотехнологий, импортозамещение
    • Бурное развитие отраслей–потребителей инструмента
    • Реализация масштабных инфраструктурных проектов с государственной поддержкой
    • Структура производства соответствует мировому уровню
    • Перспективы экспорта, импортозамещение
    • Рост рынка к 2015 году на 30-50%, сохранение темпов роста 3-7% в год после 2015 г.
  •  Конструктивный сценарий предполагает
    • Постепенный выход обрабатывающих отраслей промышленности из кризиса
    • Импортозамещение в отдельных сегментах рынка обрабатывающего инструмента, где есть наибольший технологический задел
    • Рост рынка, не превышающий 5% в год
  •  Инерционный сценарий предполагает
    • Отсутствие собственных современных производств, близкая к 100% импортозависимость
    • Стагнация на рынке: сохранение текущего объема или медленный рост
    • Отсутствие в стране каких-либо масштабных проектов, которые могли бы поднять спрос на высокотехнологичный инструмент

Сегменты рынка обрабатывающего инструмента

В ходе исследования выделены десять основных областей применения высокоэффективного обрабатывающего инструмента:

 1. Оборонно-промышленный комплекс

 2. Автомобилестроение

 3. Авиационная и ракетно-космическая промышленность

 4. Тяжелое и энергетическое машиностроение

 5. Железнодорожное машиностроение и судостроение

 6. Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение

 7. Нефтегазовый комплекс

 8. Электротехническая и электронная промышленность

 9. Лесотехнический комплекс

10.  Прочие (ремонтные мастерские, автосервисы, личные хозяйства и др.)

В таблице, приведенной ниже, цветом обозначена перспективность сегментов рынка с точки зрения текущих объемов и потенциала роста объемов использования высокоэффективного обрабатывающего инструмента, изготовленного с помощью нанотехнологий: зеленый - высокая, желтый - средняя, красный - низкая.


Таблица 7. Сегменты рынка обрабатывающего инструмента

1. Оборонно-промышленный комплекс

Факторы, способствующие развитию

Факторы, тормозящие развитие

  • Сбалансированный портфель зарубежных заказов
  • Увеличение государственного заказа
  • Дополнительное финансирование отрасли (~ 10 трлн. руб.) до 2020 года
  • Отставание от передовых разработок в некоторых областях
  • Закрытость отрасли, слабое взаимодействие с иностранными разработчиками
  • Зависимость предприятий отрасли от государства

Тенденции

  •  Вооружённым силам РФ остро необходимы новые образцы военной техники, а значит, нужна новая индустриализация ОПК, результатом которой станет использование новых станков, применение новых обрабатывающих технологий и качественно новых инструментов, в т.ч. произведенных с использованием нанотехнологий.

 

2. Автомобилестроение

Факторы, способствующие развитию

Факторы, тормозящие развитие

  • Условия, стимулирующие размещение в РФ иностранных производств, обязанных увеличивать локализацию
  • Стимулирование спроса за счет льготных кредитов, утилизации и других государственных программ
  • Действующая стратегия развития отрасли до 2020 года
  • Высокая доля готовых импортных комплектующих в производимых автомобилях
  • Низкое качество автомобилей и комплектующих российской разработки и производства
  • Недостаток современных обрабатывающих центров, в которых используется высокоэффективный инструмент

Тенденции

  •  Применение новых подходов к организации современных производств (также и на предприятиях-сателлитах) и обязательная локализация иностранного производства дадут импульс потребности в наукоёмких инструментальных системах.

 

3. Авиационная и ракетно-космическая промышленность

Факторы, способствующие развитию

Факторы, тормозящие развитие

  • Государственная поддержка отрасли согласно стратегии и ФЦП до 2015 г.
  • Модернизация и создание производств продукции мирового уровня
  • Производство новых перспективных самолётов (SSJ, MC-21 и др.)
  • Невысокий спрос на существующие образцы техники гражданской авиации
  • Возможность ресурсосберегающего производства деталей (в т.ч. с использование композиционных материалов), не требующего дополнительной обработки

Тенденции

  •  Расширяющееся применение труднообрабатываемых материалов ведёт к увеличению потребности в качественно новых инструментах, в т.ч. произведенных с использованием нанотехнологий.

 

4. Тяжелое и энергетическое машиностроение

Факторы, способствующие развитию

Факторы, тормозящие развитие

  • Наличие долгосрочных закупочных программ у крупнейших потребителей
  • Строительство новых энергоблоков
    ГК «Росатом» в соответствии с ФЦП до 2015г.
  • Риск пересмотра инвестиционных программ предприятий-потребителей
  • Значительная зависимость предприятий отрасли от поддержки государства

Тенденции

  • Основным требованием, предъявляемым к инструменту в этой отрасли, является его высокая прочность. Поэтому, несмотря на то, что данный сегмент рынка является инерционным, а технологии длительное время не меняются, здесь ожидается постепенное внедрение как новых технологий обработки, так и новых инструментов.

 

5. Железнодорожное машиностроение и судостроение

Факторы, способствующие развитию

Факторы, тормозящие развитие

  • Расширение и обновление подвижного состава и транспортной сети по стратегии развития до 2030 г.
  • Модернизация судостроительных производств по стратегии развития до 2020 г. и получение государственного заказа ОСК
  • Возможное уменьшение количества заказов, обеспечивающих функционирование предприятий
  • Увеличение доли импортной продукции и комплектующих

Тенденции

  •  Компании, обслуживающие подвижной состав являются крупнейшими потребителями инструмента для обработки труднообрабатываемых материалов (колесных пар). Для повышения производительности обработки возникает потребность в новых инструментах, в т.ч. произведенных с использованием нанотехнологий. С ростом экономики объем как железнодорожных, так и морских и речных перевозок будет расти. Строительство современных боевых кораблей ит подводных лодок для перевооружения российских ВМФ также может повысить спрос на высококачественный инструмент.

 

6. Тракторное и сельскохозяйственное машиностроение

Факторы, способствующие развитию

Факторы, тормозящие развитие

  • Традиционные конкурентные преимущества (дешевизна, простота обслуживания) отечественной сельскохозяйственной техники
  • Государственная программа развития с/х отрасли на 2008 - 2012 годы
  • Отставание от передовых разработок во многих областях
  • Нестабильная ситуация вследствие сложного финансового положения с/х производителей
  • Высокая доля импорта на рынке сельскохозяйственной техники, конкуренция со стороны производителей из СНГ
  • Сокращение государственной поддержки агропромышленного сектора с 2014 г. в связи с требованиями ВТО

Тенденции

  •  Для отрасли характерны традиционные медленно меняющиеся технологии и дешевизна выпускаемой продукции. Только в случае обновления производств и разработке новых образцов техники, пользующихся спросом, возможно использование современных инструментальных систем и инструмента.

 

7. Нефтегазовый комплекс

Факторы, способствующие развитию

Факторы, тормозящие развитие

  • Высокодоходная отрасль, возможность значительных инвестиций со стороны ведущих участников рынка

 

  • Низкие темпы модернизации технологического оборудования
  • Сильная зависимость от конъюнктуры на сырьевом рынке
  • Высокая доля импорта в некоторых сегментах (например, в трубной промышленности)

Тенденции

  •  Масштабное переоснащение производств отрасли, выпускающих технологическое оборудование для предприятий ТЭК, может привести к росту спроса на наукоёмкий инструмент.

 

8. Электротехническая и электронная промышленность

Факторы, способствующие развитию

Факторы, тормозящие развитие

  • Быстрое увеличение спроса на продукцию отрасли
  • Развитие производств в России, в т.ч. с участием ведущих мировых корпораций
  • Сильное отставание предприятий отрасли от иностранных компаний
  • Слабый уровень разработок специального инструмента
  • Отсутствие производства широкой номенклатуры комплектующих для изделий электроники

Тенденции

  •  Отрасль характеризуется использованием мелкоразмерного инструмента (например, для обработки печатных плат), для которого основным требованием является острота режущих кромок. При этом объём механической обработки мал и потребность в инструментах будет расти только в случае повышения конкурентоспособности отрасли и вытеснении зарубежных производителей.

 

9. Лесотехнический комплекс

Факторы, способствующие развитию

Факторы, тормозящие развитие

  • Развитие деревянного домостроения в рамках различных ФЦП
  •  Высокий потенциал отрасли в РФ в связи с природными условиями
  • Слабое развитие отечественного производства конечной продукции
  • Низкая глубина переработки древесины

Тенденции

  •  В отрасли наблюдается низкий уровень переработки древесины. Поэтому только организация современных производств полного цикла может значительно увеличить потребление дорогостоящего инструмента.

 

10. Прочие

Рынок включает в себя строительную отрасль, мелкие предприятия технического профиля (автосервисы, ремонтные мастерские и др.) и частных лиц.

Факторы, способствующие развитию

Факторы, тормозящие развитие

  • Гибкость небольших компаний, быстрое приспособление к требованиям рынка
  • Недоступность высокотехнологичного инструмента мелким потребителям в связи с его высокой стоимостью
  •  В строительстве мала доля труднообрабатываемых материалов, для которых нужен высокотехнологичный инструмент

Тенденции

  •  Оборот высококачественного инструмента в данном секторе невысок, и внедрение такого инструмента возможно только после его сильного удешевления.

Источник: аналитические исследования, данные экспертного опроса

По мнению экспертов, России необходима глубокая модернизация производства, подразумевающая не просто замену старого оборудования на новое, а переход на качественно новые технологии, позволяющие повысить как качество, так и производительность обработки. При этом нужно учитывать, что все высокотехнологичные инструменты (в т.ч. изготовленные с использованием нанотехнологий) будут однозначно дороже по сравнению со старыми образцами, а значит, будут востребованы и экономически эффективны при применении только на соответствующем оборудовании.

Государственная поддержка отраслей-потребителей инструмента

Динамика потребления металлорежущих станков (МРС) и инструмента в РФ определяется развитием ситуации в таких отраслях промышленности, как ОПК, автомобилестроение, авиационная и ракетно-космическая промышленность и других отраслях, развивающихся во многом за счет поддержки со стороны государства. В этой связи следует упомянуть об основных программах государственной поддержки указанных отраслей:
- повышенный спрос на инструмент в ОПК ожидается в связи с разработанным документом десятилетнего плана под названием "Основы государственной политики РФ в области развития оборонно-промышленного комплекса до 2020 года и на дальнейшую перспективу", предполагающий финансирование в размере около 10 триллионов рублей.
- спрос на инструмент в авиационной промышленности определяется темпами роста производства титанового и алюминиевого проката, которые являются сложными в обработке материалами. В отрасли принята «Стратегия развития авиационной промышленности РФ до 2015 года» и действует ФЦП «Развитие гражданской авиационной техники России на 2002-2010 годы и на  период до 2015 года», которые направлены на возвращение отрасли на глобальный рынок и завоевание к 2015 г. не менее 5% мирового рынка продаж гражданской авиатехники.
- государственное финансирование является определяющим фактором развития ракетно-космической промышленности. В настоящее время модернизация данной отрасли входит в число государственных приоритетов, запущен проект строительства нового космодрома «Восточный» в Амурской области (2010-2015 гг.), в будущем потребуется его обеспечение современной техникой и оборудованием.
- развитие энергетического машиностроения в РФ происходит в рамках масштабного реформирования энергетики, что влечет за собой рост спроса на высококачественное металлообрабатывающее оборудование и инструмент. Большинство крупных компаний отрасли имеют долгосрочные инвестиционные программы, реализуемые в том числе при поддержке государства. Кроме того, в России реализуется ФЦП "Развитие атомного энергопромышленного комплекса России на 2007-2010 годы и на перспективу до 2015 года".
- автомобилестроение является крупнейшим сегментом потребления обрабатывающего инструмента. В отрасли утверждена «Стратегия развития автомобильной промышленности Российской Федерации на период до 2020 года». При этом спрос на автомобили в России активно растет в связи с программами льготных кредитов, утилизации. Открытие новых сборочных автомобильных производств в РФ и рост выпуска автомобилей потребует соответствующего увеличения поставок инструмента для автопроизводителей.
- судостроение является одной из основных отраслей потребления высококачественных сплавов, требующих современных МРС и инструмента. В отрасли принята «Стратегия развития судостроительной промышленности на период до 2020 года и на дальнейшую перспективу». Кроме того, планируется увеличения государственного заказа на строительство кораблей и подводных лодок для ВМФ. Программа развития российского судостроения предполагает модернизацию устаревшего оборудования судостроительных производств, что повлечет за собой рост спроса на высокоэффективный инструмент.
- транспортное (ж/д) машиностроение является одним из важнейших потребителей инструмента. Согласно «Стратегии развития железнодорожного транспорта в РФ до 2030 года», в настоящее время стоит вопрос обновления и увеличения парка железнодорожной техники, расширения железнодорожной транспортной сети РФ, которые будут производиться преимущественно на основе продукции российского производства.

Описание визуального представления дорожной карты

Визуальное представление дорожной карты включает семь основных слоев (рис. 5):

1

Основные типы материалов, используемых для производства обрабатывающего инструмента

2

Основные технологические задачи в области производства высокоэффективного обрабатывающего инструмента

3

Перспективные продукты в области обрабатывающего инструмента, производимые с использованием нанотехнологий

4

Области применения и рыночные перспективы инновационных продуктов в области обрабатывающего инструмента. Прогнозы объемов и темпов роста основных сегментов рынка

5

Альтернативные технологии, снижающие потребность в обработке и их преимущества и недостатки

6

Прогноз важнейших потребительских характеристик в области обрабатывающего инструмента, производимого с использованием нанотехнологий

7

Основные риски и ограничения для предметной области

Визуальное представление дорожной карты иллюстрирует взаимосвязи между инструментальными материалами, основными технологическими тенденциями, определяющими развитие предметной области, перспективными продуктами и сегментами их рынков. Также на изображение дорожной карты нанесены прогнозные данные об объеме и динамике потребления обрабатывающего инструмента со стороны крупнейших отраслей промышленности.

Рисунок 5. Структура дорожной карты

Загрузить материалы дорожной карты(.pdf)

 
Телефон для контактов: (495) 366-94-11, е-mail:

© ВНИИИНСТРУМЕНТ,  2006-2011