Цифровые технологии в промышленности на фабриках будущего. Цифровая фабрика

Сложность механизмов, новых объектов и материалов с каждым годом повышается. Если еще в 80-е годы автовладельцы могли самостоятельно собрать и разобрать автомобиль, то сейчас найти поломку зачастую нельзя даже в сервис-центре. Требования к инженерам и конструкторам постоянно растут, а ошибки поджидают на каждом этапе работы.

Современные технологии дают возможность переносить большинство инженерных процессов в виртуальную реальность. Это позволяет смоделировать различные условия, в которых механизму придется работать.

В виртуальности можно за секунды проводить тысячи тестовых испытаний и изменять материалы, из которых состоят те или иные детали конструкции. Можно даже работать с теми материалами, которых пока нет в реальной жизни.

Такие инновации дали возможность превращать обычные фабрики и заводы в «фабрики будущего», где продукция будет производиться во много раз лучше, дешевле и быстрее, чем это делается сегодня на традиционных производствах.

В развитии таких фабрик заинтересованы уже на государственном уровне: недавно правительством была утверждена дорожная карта «Технет», и, согласно этому плану, к 2035 году в стране должны быть созданы как минимум 40 «фабрик будущего». Кроме того, появятся новые решения, которые позволят сделать отечественные компании более конкурентоспособными в высокотехнологичных отраслях промышленности. Это даст возможность российским предприятиям выйти на глобальные рынки.

Цифровой двойник

Цифровой двойник — информационная сущность, которая находится в виртуальном пространстве параллельно с живым объектом. Такие двойники «строят» параллельно с возведением самих объектов, поэтому в процессе проектирования, испытаний и тестовой эксплуатации эта система наполняется и изменяется.

«Цифровой двойник», например атомной электростанции, включает в себя не просто 3D-модель здания, а всю информацию о блоках, из которых она построена, приборах и их производителях вплоть до последнего винтика. Экосистема содержит многочисленные документы, например регламентную и сертификационную документацию и договоры с поставщиками всех комплектующих. Это удобно, ведь комплексное хранение всех данных помогает оперативно управлять состоянием предприятия, будь то атомная станция или завод по переработке нефти, находящийся за тысячи километров.

Photo by h heyerlein on Unsplash

Платформа 3DEXPERIENCE

Платформа 3DEXPERIENCE позволяет в реальном времени анализировать то, что происходит с конструкцией и производством, и предугадывать, как они будут вести себя в будущем.

С помощью цифровых макетов, созданных в CATIA и DELMIA, можно увидеть всю картину производства или строительства. Это повышает вероятность успеха создания работоспособного объекта и уменьшает число ошибок. Экосистема позволяет решать проблемы как на этапе расчетов и моделировании объектов и систем, так и при их строительстве и эксплуатации.

Photo by rawpixel.com on Unsplash

Решения Dassault Systèmes для проектирования систем дают разработчикам и инженерам платформу, работа в которой сокращает сроки создания. Комплекс использует единый подход к проектированию, который уменьшает объем затрат на разработку.

Платформа находит свое применение в различных отраслях. В частности, среда Cabletray 3D предназначена для разработки трехмерных электрических кабельных сетей, а библиотека Systems Cooling Library необходима при разработке систем охлаждения.

Системный инжиниринг

Понятие «системного инжиниринга» появилось всего 10-15 лет назад. Этот подход возник как ответ на усложнение современных технических устройств. В системном инжиниринге физический образ объекта связывается с множеством данных о системах, которые в него входят, и о том, как эти системы взаимодействуют друг с другом.

Например, мы проектируем новую подводную лодку. На простой модели мы можем увидеть, как ее детали связаны между собой, однако, как лодка будет вести себя в боевых условиях, понять невозможно, ведь она состоит из совокупности целого ряда систем: одна из них отвечает за жизнеобеспечение, другая — за запуск торпед, третья — за подводную навигацию и так далее. Эти системы должны работать взаимосвязано, они, так или иначе, влияют одна на другую, хотя каждая из них разрабатывается отдельным конструкторским бюро.

Раньше конструкция подводных лодок или других сложных изделий была проще, поэтому один главный инженер мог охватить всю их структуру. Теперь же объекты настолько сложны, что один человек просто не в состоянии переварить всю информацию, учесть все условия, в которых будет находиться конструкция.

Согласно концепции «Технет», решать новые мультидисциплинарные задачи, с которыми столкнулось современное производство, в будущем предстоит людям новых специальностей, например системным инженерам, обладающим знаниями на стыке сразу нескольких высокотехнологичных областей.

Виртуальные испытания

Виртуальные испытания нужны прежде всего, чтобы уменьшить общее количество «реальных» тестов при создании объектов или механизмов. С помощью виртуальных испытаний высвобождаются денежные и временные ресурсы, которые можно потратить на конструирование новых изделий.

Хороший пример можно найти в автомобилестроении. Перед тем как запустить новую модель в производство, необходимо проверить ее безопасность. Для этого нужны тысячи краш-тестов, в том числе отдельных элементов — как крупных вроде кузова, так и небольших. Каждое такое испытание требует уничтожить десятки образцов, отнимает массу времени, поэтому базовое тестирование можно проводить в виртуальной среде. Для этого достаточно смоделировать те или иные усилия, которые влияют на деталь в момент аварии, а компьютер сам посчитает возможные последствия.

Таких виртуальных испытаний можно проводить тысячи, даже десятки тысяч. Основная их цель — не делать нерабочие прототипы, а реальные тесты проводить только на последних двух-трех удачных объектах.

Photo by Eddie Kopp on Unsplash

Комплекс Simpoe-Mold помогает снизить потребности в дорогостоящих и трудоемких физических испытаниях. Решение дает инженерам возможность прогнозировать и предотвращать появление дефектов на ранних этапах проектирования, что исключает переделку брака и в целом повышает качество деталей.

Кроме того, с помощью продуктов от SIMULIA возможно оценивать усталость и износоустойчивость для прогнозирования и анализа жизненного цикла конструкций и материалов, а также учитывать затраты на производство.

CATIA для технологии 3D-печати

CATIA представляет Function Driven Generative Designer — комплексный набор приложений для освоения и создания органических форм для технологии 3D-печати. Такая система позволяет существенно сократить конечную стоимость продукта.

Пользователи комплекса получают доступ к системе сбора всех данных. Программный продукт оказывает помощь конструкторам на этапе моделирования детали, дает возможность с легкостью выполнить проверку перед переходом к производству.

Аддитивные технологии

Метод 3D-печати уже хорошо известен на рынке и активно используется в разных сферах. Однако когда речь заходит об использовании деталей, изготовленных таким способом, в реальных механизмах, например в автомобилях, то конструкторам стоит учитывать, что точность таких деталей будет недостаточна. Дело в том, что во время печати детали деформируются относительно изначальной модели, а прочность изделия снижается.

С помощью современных инструментов проектирования, в частности, с помощью виртуальных испытаний, можно не только понять, как должна в теории выглядеть напечатанная деталь, но и просчитать заранее, с какими дефектами она будет изготовлена в реальной жизни.

Для этого конструктору нужно скорректировать изначальную модель, исходя из условий, в которые она попадет в процессе печати. Это очень похоже на виртуальный краш-тест, только материалы в ходе испытания подвержены воздействиям со стороны самого принтера.

Разработка новых материалов

Современные технологии дали инженерам инструменты, которые позволяют моделировать не только конструкции, но и молекулы материалов. Так можно совершенствовать, к примеру, автомобильные масла. В них можно добавлять многочисленные присадки, которые будут, например, защищать детали машины от коррозии.

Компании каждый год выпускают на рынок десятки видов масел, но для того чтобы их пустить в производство, надо провести десятки тысяч испытаний с новыми материалами. Для реальных исследований, чтобы смешивать разные компоненты и их испытывать, нужно много времени и ингредиентов.

Это же касается и более сложных материалов, в том числе конструкционных, необходимых для 3D-печати и даже лекарств. Благодаря виртуальному конструированию новых веществ и виртуальным тестам работы даже в фармакологии могут проходить быстро и со значительно меньшими затратами.

Кроме того, система экономит и человеческий ресурс, так как позволяет записывать характеристики получающихся материалов, не останавливая процесс экспериментов, что существенно облегчает работу лаборантов.

Создание новых материалов, в том числе передовых суперсплавов, полимеров и композиционных материалов относятся, согласно дорожной карте «Технет», к «сквозным технологиям» — передовым производственным технологиям будущего.

В 1955 году в экономике США произошло примечательное событие: затраты на информационные технологии впервые превысили затраты на материальное производство. Уже в 1960-1970-х годах формируется теория постиндустриального, информационного, общества с глубокими технологическими, экономическими, политическими и культурными изменениями общества того времени. Какие же основные факторы способствовали зарождению такой теории?ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ ПОСТИНДУСТРИАЛЬНОЙ ЭКОНОМИКИ

Совершенствование информационных и производственных технологий, развивающаяся механизация и автоматизация производств – все это способствует сокращению количества персонала, отвечающего за рутинные технологические операции материального производства. Вместе с этим растет потребность в высококвалифицированных кадрах, способных программировать работу механизмов и информационных систем.

Высокие требования, предъявляемые к квалификации и интеллекту таких сотрудников, стимулируют целый пласт перемен в структуре общества и, что важно, в образовательной сфере. Все большее влияние на экономику начинают оказывать не материальные средства производства для массового выпуска товаров, а высокоинтеллектуальная разработка сложных устройств и изготовление специальной и уникальной продукции небольшими партиями.

Современные производства с легкостью справляются с тиражированием продукции практически любого уровня сложности, а вот с обеспечением все возрастающего спроса на производство инновационных продуктов, а также товаров и услуг индивидуального назначения пока есть проблемы.

Общественное и экономическое развитие сегодня подошло к зарождению элементов промышленности будущего, для которой основную ценность будет представлять интеллект систем, механизмов, товаров и услуг, способный самостоятельно принимать решения в зависимости от многочисленных факторов взаимодействия со средой и человеком.

Концепция назревающей четвертой промышленной революции, или, как ее называют, «Индустрия 4.0», получила свое начало в 2011 году благодаря политикам, бизнесменам, ученым и промышленникам Германии и была провозглашена главной составляющей развития страны в области высоких технологий. Цель, которую ставили перед собой разработчики этой концепции, – повышение конкурентоспособности страны в промышленности посредством тесной интеграции киберфизических систем на предприятиях и за их пределами. В результате воплощения этой концепции, по мнению разработчиков, должно происходить взаимодействие между производственными мощностями и произведенными ими товарами без непосредственного участия человека, причем с самоадаптацией под новые запросы потребителей. Взаимодействие должно быть настолько глубоким и автоматизированным, что у каждого потребителя товаров или услуг появится возможность практически напрямую контролировать производство своего заказа. Впоследствии концепция получила свое развитие в США, Китае и других странах.

Сегодня определены девять драйверов, оказывающих основное влияние на развитие концепции «Индустрии 4.0». В их числе:

• самоуправляемые роботы;
• аддитивное производство;
• дополненная реальность;
• компьютерная имитация оборудования, материалов и технологий;
• горизонтальная и вертикальная системная интеграция;
• промышленный «Интернет вещей»;
• «Туманные» вычисления;
• информационная безопасность;
• «Большие данные» и аналитика.

  Можно заметить, что многие из драйверов уже сегодня активно используются при создании продуктов и услуг. Тем не менее, для полного воплощения новой концепции производства требуется их дальнейшее совершенствование и их синергетическое функционирование. Аддитивному производству, как одному из драйверов развития «Индустрии 4.0», также требуются значительные качественные и количественные изменения, но в первую очередь ему необходима интеграция в автоматизированное безлюдное производство.

  НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

  Сейчас остается все меньше скептиков в том, что касается перспектив развития аддитивного цифрового производства. Крупные авиационные, автомобильные, оборонные, приборостроительные предприятия, медицина, включая стоматологию, образование, частный бизнес, всевозможные бизнес-инкубаторы, сервисные бюро уже по достоинству оценили преимущества использования 3D-печати и активно встраивают ее в свои рабочие процессы. Наиболее успешные компании даже приняли у себя внутренние стандарты на использование аддитивных технологий и материалов.

  Представьте себе, что при производстве деталей 3D-печатью больше не потребуется длительной разработки технологии, использования многоосевых станков со сложнейшим программированием работы, высококвалифицированного персонала, проектирования и использования оснастки, наличия литьевого цеха для заготовок, обязательного контроля заготовок и готовых деталей, сложной логистики и т.п. Аддитивные технологии в совокупности с другими составляющими «Индустрии 4.0» способны значительно сократить сроки логистических операций, тогда как сейчас процессы традиционной механообработки занимают в среднем менее 5% производственного цикла, а 95% приходится на внутризаводскую и внешнюю логистику.

  Ожидается, что цифровое производство сменит в ближайшие 20 лет некоторые виды массового производства, особенно с высокой конечной стоимостью продукции. Согласно концепции «Индустрии 4.0», производства будущего не будут иметь большую номенклатуру парка оборудования. Они будут строиться на основе гибких производственных ячеек в составе киберфизических систем. Ячейки и системы будут адаптироваться под конкретный заказ путем перепрограммирования, смены производственных модулей, оснастки, инструмента, материалов, перенаправления логистических потоков – и все это будет происходить в максимально короткие сроки. Такие производственные центры будущего будут иметь развитую сеть, строиться буквально полным техническим и технологическим клонированием и приближены к основным точкам потребления продукции.Как показывает успешный опыт использования аддитивных технологий в промышленности, зачастую удается сократить технологический процесс производства в несколько раз, при этом сложность изделий может быть повышена с одновременным сокращением количества деталей в сборке, ведь 3D-печать позволяет строить детали без оглядки на конструктивные и технологические ограничения, присущие традиционным подходам. Так, например, принципы бионического проектирования с использованием конечно-элементного анализа (от англ. Finite Element Analysis, FEA) уже сейчас активно используются для облегчения деталей авиационной техники (рис. 2).

  Отдельное внимание следует уделить широкому спектру используемых материалов: это композиты, металлы, керамика, термопластики, фотополимеры и многие другие. Со временем каждая технология будет иметь неограниченный перечень материалов, а их композитный состав будет автоматически определяться расчетной программой в зависимости от назначения и условий эксплуатации конечного изделия.

  Сегодня большая часть производителей 3D-принтеров и аддитивных систем все еще предлагает отдельные средства производства, не способные встраиваться в технологический поток с использованием киберфизических систем. Другими словами, это один, два или три принтера, обслуживаемых одним оператором. В обязанности оператора входит подготовка принтера к работе, подготовка рабочего органа к печати тем или иным материалом, подготовка и загрузка программы, смена материала, а зачастую и трудоемкая постобработка.

  Ограничением массового распространения «металлических» SLS/SLM/EBM-технологий является достаточно высокая стоимость оборудования и зависимость от материалов (переход на другой материал требует полной очистки рабочих органов установки), что не дает возможности быстрой перенастройки на другое изделие. Плюс к этому – последующее слесарное удаление элементов поддержки, термообработка. Тем не менее, производители уже начали решать проблему быстрой смены материала, о чем мы расскажем далее.

  Технологии SLA/MJM/DLP/PolyJet обычно сложно использовать для конечных изделий ввиду особых свойств материалов. Использование технологий с песчано-полимерными, керамическими и гипсовыми смесями имеет достаточно ограниченные сферы применения. Технология FDM и подобные ей (например, APF) используют термопластики промышленного класса и представляются наиболее выигрышными по совокупности свойств (в тех случаях, когда для будущих изделий может быть использован пластик, а не металл): стоимость оборудования, свойства и скорость замены материалов, способность автоматизированного удаления материала поддержки. К недостаткам технологии FDM можно отнести слоистую структуру поверхности. Поэтому изготовленные по этой технологии детали сразу использовать без их доработки удается не всегда. Конечно, есть и другие новые технологии, использующие аддитивный способ изготовления деталей, но многие из них пока не являются по-настоящему отлаженными коммерческими продуктами.

  НАСКОЛЬКО РЕАЛЬНО ОРГАНИЗОВАТЬ «ЦИФРОВУЮ ФАБРИКУ»?

  Давайте поразмышляем о дальнейшем совершенствовании аддитивных технологий до уровня полноценного встраивания в «Индустрию 4.0». Есть ли уже сейчас реальные примеры хотя бы на уровне концепции?

  В качестве отправной точки реализации концепта цифровых аддитивных систем можно принять используемые на протяжении последних 30-40 лет гибкие производственные системы (ГПС), например, компании Fastems или сборочные производства любой ведущей автостроительной компании.Новая экономика организуется вокруг информационных сетей с горизонтальной и вертикальной интеграцией. Она основана на постоянном взаимодействии между узлами – локализованными производствами, называемыми FabLab (от англ. Fabrication Laboratory), – сертифицированными лабораториями, в которых «под одной крышей» собрано разнообразное основное и вспомогательное оборудование, позволяющее быстро «печатать» детали для компаний, ориентирующихся на инновации, а также выполнять индивидуальные заказы для частных лиц. Возможности таких лабораторий позволяют использовать различные технологии и материалы, но называть их полноценными ГПС пока рано.

  Уровень автоматизации, к которому человечество пришло в 1980-х годах, потребовал роста числа управленческих

  решений на одно производственное действие в 10 000 раз! В то же время внедрение принципов автоматизации и роботизации продвинуло промышленность с тех пор не более чем в 100 раз. Потенциально повышение уровня вычислительной техники позволяет ожидать гораздо большего – для этого достаточно вспомнить, насколько далеко с уровня 1980-х годов продвинулась вычислительная техника.

  Понять, сформировать, интегрировать различные технологические решения в единый производственный организм, который бы работал без участия человека, – вот та проблема, которую уже решают некоторые производители-интеграторы аддитивных технологий.

  АДДИТИВНЫЕ ПРОИЗВОДСТВА – ПРООБРАЗЫ ЦИФРОВЫХ ФАБРИК БУДУЩЕГО Concept Laser На проходившей в прошлом году во Франкфурте-на-Майне выставке Formnext компания Concept Laser с технологией SLM представила новую архитектуру оборудования и производства. Уникальная разработка подтверждает твердую нацеленность компании на воплощение концепции «Аддитивной фабрики будущего» («AM Factory of Tomorrow»), призванной вывести аддитивное производство на более высокий уровень качества, гибкости и эффективности (рис. 4). Принципиально новый подход к проектированию компонентов процесса открывает широкие перспективы для модульной интеграции производственных технологий на предприятиях. Это означает, что промышленное производство будет быстрее и рентабельнее. Уже в конце этого года Concept Laser представит свои первые коммерческие установки.

  Как правило, производители металлических аддитивных систем предлагают решения без возможности интеграции своего оборудования в общий производственный процесс. Новая архитектура оборудования Concept Laser предусматривает продуманную автоматизацию основных технологических операций: подготовку оборудования к печати, печать и постобработку. По словам Флориана Бекманна (Florian Bechmann), возглавляющего отдел исследований и разработок компании Concept Laser, «по существу, речь идет о разделении систем аддитивного производства на любое число свободно комбинируемых модулей для независимой подготовки оборудования к печати, печати изделия, обработки напечатанного изделия. Параллельные процессы загрузки порошка и выгрузки готовых изделий повышают эффективное время печати, тем самым существенно сокращая «простои» машин, ранее функционировавших автономно. Здесь кроется огромный потенциал повышения эффективности производственной цепочки. Для промышленного серийного производства этот принципиально новый подход, резко отличающийся от привычных «количественных» концепций оборудования, означает возможность сделать очередной шаг вперед».

  Инженеры Concept Laser смогли распараллелить процесс подготовки и саму печать «на уровне оборудования». Аддитивное производство в понимании Concept Laser уже может выходить на режим 24/7. Установки интегрируются с традиционными станками с ЧПУ для «гибридного» производства, а также для последующей постобработки.В основе новой производственной архитектуры лежит модульное разделение функций подготовки, производства, демонтажа, постобработки и хранения деталей (рис. 5). В зависимости от задач, размеров помещения можно комбинировать модули таким образом, чтобы обеспечить максимальную производительность работы со всем спектром доступных на сегодняшний день порошковых металлов с одновременным снижением производственных затрат. Имитационное моделирование производственных сценариев подтвердило, что площади, занимаемые оборудованием, работающим только по традиционным технологиям, реально сократить на 85%. А использование в установках нескольких лазеров увеличивают общую производительность системы.

  «Благодаря одновременному использованию до четырех лазеров значительно выросла скорость построения деталей. Мы также увеличили габариты области построения. На примере нашей концепции мы хотим показать, как принципы Четвертой промышленной революции способны изменить аддитивное производство и приблизить будущее. Здесь кроется огромный потенциал по повышению эффективности предприятий и оптимизации технологий под задачи серийного производства», – поясняет Ф. Бекманн.

  Additive Industries

  MetalFAB1 – настоящий промышленный «комбайн» от голландской компании Additive Industries. Он состоит из «металлического» 3D-принтера, печи для снятия с детали структурных напряжений, автоматизированной сменной платформы для построения, хранения и выдачи готовых деталей (рис. 6).Количество модулей может достигать одиннадцати или более в зависимости от задач заказчиков. В совокупности с одновременной работой нескольких лазеров, модульной структурой, Additive Industries предлагает настоящий аддитивный мини-завод полного цикла для удовлетворения запросов наиболее требовательных заказчиков из авиационной, космической, медицинской, автомобильной промышленности, а также для инструментального производства. По оценке производителя, MetalFAB1 в 10 раз превосходит средний уровень подобных систем на рынке по повторяемости, производительности и гибкости.

  XJET Новая технология металлической 3D-печати от израильской компании XJET способна перевернуть представление о многофакторности процесса аддитивного производства деталей из металла.

  Наночастицы порошка в технологии от XJET помещаются в жидкий композитный раствор. По аналогии с процессом PolyJet (о котором мы уже не раз писали на страницах «Умпро») струйные головки выпрыскивают этот раствор, формируя деталь по заранее рассчитанной программе. Высокая скорость процесса, его безопасность, быстрая и простая загрузка материала картриджами, а также возможность автоматизации операций по удалению материала поддержки позволяет встраивать XJET в цифровые фабрики будущего.

  Заканчивая рассказ о производителях металлических аддитивных принтеров и их решениях, хотелось бы упомянуть о некоторых потенциальных и практически состоявшихся событиях в отрасли аддитивных производств. Самое важное из них – ближайшие планы американской корпорации General Electric по приобретению двух компаний, известных своими промышленными 3D-принтерами: шведской Arcam Group AB и немецкой SLM Solutions Group AG. Сделка может состояться уже в октября этого года, ее стоимость составит 1,4 млрд долларов. Уже сейчас в корпорации успешно функционирует автоматизированная производственная линия по 3D-печати форсунок для двигателей LEAP-1A.

  Есть и другие примеры тесного сотрудничества крупнейших корпораций с производителями аддитивного оборудования. Английский Rolls-Royce имеет тесные связи с компанией Renishaw – производителем SLM-установок. В США же самая крупная аэрокосмическая и оборонная компания Lockheed Martin ведет плотную работу с компаниями Sciaky Inc., Norsk Titanium, а также с Sandia National Laboratories, где ранее были заложены основы технологии металлической 3D-печати Optomec.

  Такие шаги говорят о планомерной консолидации крупнейших промышленных корпораций с разработчиками и поставщиками оборудования для аддитивных технологий с целью создания производств будущего с технологиями полного цикла.

  Компания ARBURG известна, прежде всего, своим широким модельным рядом термопластавтоматов (ТПА). Тем не менее, осознавая важность и перспективность аддитивных технологий, их место в «Индустрии 4.0» ARBURG с недавнего времени подключилась к направлению аддитивного производства, выпустив 3D-принтер Freeformer, работающий по оригинальной технологии ARBURG Plastic Freeforming (APF). В целях компании – разработать «умный завод», который будет характеризоваться высоким уровнем гибкости, эффективности и использования ресурсов (рис. 8.)Freeformer может работать с гранулированным термопластиком, благодаря чему открываются широкие возможности по использованию для производства деталей множества видов пластмасс. Еще один плюс системы – возможность использования в одной модели нескольких материалов. Правда, на данный момент технология не может похвастаться производством сложных деталей, с которыми легко справляется технология FDM.

  Тем не менее в Германии считают технологию APF способной в будущем составить серьезную конкуренцию нынешним лидерам аддитивной отрасли. В линию «умного завода» по выпуску кастомизированной продукции, в понимании ARBURG, помимо ТПА должны быть интегрированы роботизированные системы (с 7-осевым роботом) и такие периферийные устройства, как 3D-принтеры. В результате после ТПА деталь перемещается роботом в принтер для нанесения на изделие индивидуальной маркировки кодов DM (Data Matrix) и другой пользовательской информации. Это гарантирует, что детали будут идентифицированы в любое время с помощью сканера, а цеховая логистика будет полностью контролироваться компьютерной системой предприятия. Клиенты же получат уникальное изделие, например, с индивидуальным именем пользователя, логотипом компании, а также прочими элементами, улучшающими эргономику и подчеркивающими индивидуальность.

  Stratasys

  На выставке IMTS (International Manufacturing Technology Show), прошедшей в сентябре в Чикаго, компания Stratasys анонсировала стратегию развития своих продуктов, ориентированных на промышленный сектор. Были продемонстрированы два концепта на основе многоосевых роботехнических комплексов Kuka с головками, печатающими по технологии послойного наплавления полимерной нити (FDM). Новые продукты компании обладают увеличенной скоростью экструзии, более качественной печатью, возможностью быстрой смены материалов, а также способностью изготавливать детали почти любой длины.Демонстратор с рабочим названием «Infinite-Build 3D» (рис. 9) предназначен для использования в авиационной, космической, автомобильной промышленности, а также в тех производствах, которые нуждаются в крупногабаритных, легких, изделиях из термопластиков с высокой повторяемостью механических свойств. Его особенностью является производство деталей, практически неограниченных по длине. Если раньше заказчику приходилось идти на компромисс при приобретении оборудования для изготовления деталей с габаритами, превышающими камеру построения, а потом осуществлять склейку частей в единое цельное изделие, то с предлагаемым решением эта проблема полностью решается.Второй аппарат под названием «Robotic Composite 3D» (рис. 10) состоит из промышленного 5-осевого робота-манипулятора Kuka и 3-осевой платформы построения (суммарно восемь осей). С его помощью можно наносить слои термопластика в любом направлении поворота платформы, что позволяет повысить прочность конечных изделий. По утверждениям представителей компании, здесь также возможно нанесение углеволоконных материалов с получением геометрии, недостижимой у других производственных систем композитной выкладки. Примечательно, что материал поддержки здесь уже не нужен. Компания Stratasys в концепте значительно увеличила размеры изготавливаемых деталей, а также скорость в 10 и более раз по сравнению с ее промышленной установкой Fortus 900 mc.

  Стоит отметить непосредственное и активное влияние на подобные проекты корпорации Boeing, определяющей общие требования к технологиям для производства мелкосерийных кастомизированных деталей, компании Ford Motor, планирующей использование инновационных методов производства на своих предприятиях, а также Siemens, обеспечивающей программную интеграцию решений Stratasys.

  Несомненно, Stratasys является показательным примером компании, задающей тренд в области аддитивных технологий будущего и способной завоевать достойное место в «Индустрии 4.0».

  ЗАКЛЮЧЕНИЕ

  Мы живем во время значительных перемен в экономике, промышленности, образовании и медицине. Сегодня развитие цифровых технологий задает прототип нашего уже близкого будущего – насыщенного думающими устройствами в цифровых фабриках и за их пределами, способными выполнять рутинные операции самостоятельно без участия человека. Запланированные действия по консолидации крупнейших корпораций с лидерами 3D-печати подтверждают важность и неизбежность лидерства аддитивных технологий по отношению к традиционным подходам. В мире инноваций выиграют те производственные компании, которые будут иметь гибкое оборудование и технологии, способные мгновенно перестраиваться под новые задачи. Это зарождение нового технологического уклада «Индустрии 4.0».

А.И. Боровков, соруководитель рабочей группы "ТехНет" Национальной технологической инициативы, проректор по перспективным проектам, научный руководитель Института передовых производственных технологий, руководитель Инжинирингового центра "Центр компьютерного инжиниринга" (CompMechLab ®) СПбПУ;

О.И. Клявин, первый заместитель директора Инжинирингового центра "Центр компьютерного инжиниринга" (CompMechLab ®) СПбПУ;

В.М. Марусева, специалист Отдела технологического и промышленного форсайта Инжинирингового центра "Центр компьютерного инжиниринга" (CompMechLab ®) СПбПУ;

Ю.А. Рябов, главный специалист Отдела технологического и промышленного форсайта Инжинирингового центра "Центр компьютерного инжиниринга" (CompMechLab ®) СПбПУ;

Л.А. Щербина, руководитель Отдела технологического и промышленного форсайта Инжинирингового центра "Центр компьютерного инжиниринга" (CompMechLab ®) СПбПУ

Проф. А.И. Боровков - соруководитель рабочей группы "ТехНет" Национальной технологической инициативы (НТИ), проректор по перспективным проектам, научный руководитель Института передовых производственных технологий (ИППТ), руководитель Инжинирингового центра "Центр компьютерного инжиниринга" СПбПУ.

В рамках «дорожной карты» рабочей группы «ТехНет» (Передовые Производственные Технологии) Национальной технологической инициативы (НТИ) будет создана первая в России демонстрационная площадка (полигон, TestBed) Фабрики Будущего - Цифровая фабрика (Digital Factory) , предназначенная для:

• отработки взаимодействия всего спектра технологий цифрового проектирования и моделирования CAD / CAE / FEA / MBD / CFD / FSI / EMA / CAO / … / HPC / PDM / PLM & MBSE & (MES & ERP) разработки глобально конкурентоспособной и кастомизированной / персонализированной продукции нового поколения, в частности, “best-in-class” оптимизированных конструкций,
• обеспечения импортозамещения / экспортоориентированного импортоопережения зарубежной продукции

для высокотехнологичных отраслей промышленности и рынков Будущего, формируемых в рамках Национальной технологической инициативы.

Цифровая Фабрика будет сформирована на базе Инжинирингового центра “Центр компьютерного инжиниринга” (CompMechLab ®) и Института передовых производственных технологий (ИППТ) Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) , подразделения которых, обладают уникальным опытом реализации масштабных инженерных проектов по заказам ведущих российских и зарубежных высокотехнологичных компаний-лидеров на современных рынках.

Цифровая фабрика ИППТ СПбПУ создается с целью достижения качественно нового уровня процесса проектирования продуктов / конструкций и подходов к производству за счет эффективного применения всего комплекса мульти- и транс-дисциплинарных компьютерных технологий мирового уровня, которые носят принципиально кросс-отраслевой / кросс-рыночный характер:

• новая парадигма (Simulation & Optimization)-Driven Design как основа проектирования глобально конкурентоспособных продуктов нового поколения, предназначенных для высокотехнологичных рынков Настоящего и Будущего;
• принципы бионического дизайна, позволяющие радикально улучшить характеристики продуктов / конструкций (вес, стоимость, оптимальные размеры и форма и др.) при сохранении всех необходимых технический требований (жесткость, прочность, устойчивость, первая собственная частота, концентрация напряжений и др.), когда получаемые оптимальные решения могут напоминать структуры, встречающиеся в живой природе;
• конвергенция и синергия цифрового моделирования и проектирования, компьютерного / суперкомпьютерного инжиниринга, компьютерных технологий оптимизации и аддитивных технологий, что позволит создавать принципиально новые и глобально конкурентоспособные «best-in-class» оптимизированные продукты / детали / изделия / конструкции.

Применение передовых компьютерных технологий CAD (Computer-Aided Design) и CAE (Computer-Aided Engineering) , включая FEA (Finite Element Analysis) , MBD (MultiBody Dynamics), CFD (Computational Fluid Dynamics), FSI (Fluid-Structure Interaction), EMA (ElectroMagnetic Analysis), CAO (Computer-Aided Optimization) позволяет значительно сократить сроки разработки и вывода на глобальный рынок сложной продукции. Применение суперкомпьютерных технологий (HPC, High-Performance Computing) предоставляет возможность ещё больше ускорить этот процесс, особенно, для сверхсложных наукоемких и ресурсоемких мульти-дисциплинарных проблем.

Внедрение PDM (Product Data Management) и особенно SPDM-систем (Simulation Process and Data Management) помогает упорядочить информационные потоки (для которых, как правило, характерно наличие больших массивов данных (BigData), которые генерируются в процессе многовариантного предсказательного моделирования, проектирования / разработки продукта), систематизирует информацию и облегчает доступ к ней. Каждая из перечисленных выше технологий сама по себе оказывает положительное влияние на оптимизацию производственных процессов, а использование их в комплексе обеспечивает мощный синергетический эффект.

Инициативы по созданию Фабрик Будущего поддержаны, в частности, в странах Европейского Союза. В рамках программы технологического развития Horizon 2020 пилотные проекты Цифровых фабрик создаются на базе таких компаний, как: Volkswagen (автомобилестроение; Германия), Siemens (электроника, Siemens Electronics Works Amberg; Германия) AgustaWestland (вертолетостроение; Англия, Италия), Consulgal (строительство; Португалия) и др. Цифровые фабрики (Digital Factory) являются, с точки зрения общей архитектуры Фабрик Будущего (Factories of the Future), основой (неотъемлемой частью) для развития «Умных» (Smart) и Виртуальных (Virtual) фабрик.

Цифровая фабрика ИППТ СПбПУ предполагает создание и отладку технологических и производственной цепочек до уровней готовности TRL6-TRL-7 / MRL6 (Technology / Manufacturing Readiness Levels) , начиная от стадий исследования и планирования, когда закладываются базовые принципы конкурентоспособного продукта, и заканчивая созданием опытного прототипа изделия:

• “оцифровка” жизненного цикла продукта и приведение его в соответствие с матрицей целей (требования / ограничения: технологические, технические, экономические и т.д.) на его разработку;
• формирование базы поставщиков и требований к ним при создании “best-in-class” продуктов (для разных отраслей) - неотъемлемый элемент Виртуальной фабрики;
• проведение серии первичных расчетов с целью определения общих принципов проектирования и создания оптимальной конструкции на основе современной концепции (Simulation & Optimization)-Driven Design & Additive Manufacturing;
• конструкторские работы (CAD); компьютерный / суперкомпьютерный инжиниринг (CAE, HPC), все виды оптимизаций (CAO; многокритериальная, многопараметрическая, многодисциплинарная, топологическая, топографическая, оптимизация размеров и формы, наконец, робастная оптимизация);
• выбор технологии производства и подготовка к изготовлению прототипа (Computer-Aided Manufacturing, CAM; Computer-Aided Additive Manufacturing, CAAM );
• изготовление прототипа (аддитивное производство, многофункциональные обрабатывающие центры на базе станков с ЧПУ и др.).

Рис. 1. Модель Цифровой фабрики ИППТ СПбПУ

Кроме того, в рамках деятельности Цифровой фабрики ИППТ СПбПУ предполагается создание Национального центра тестирования, верификации / валидации (TVV*) отечественного и зарубежного программного обеспечения (ПО), виртуальных полигонов по валидации разработанных продуктов и сети испытательно-диагностических лабораторий. Данные направления, как и сама Цифровая фабрика, будут реализованы, в первую очередь, сотрудниками Инжинирингового центра “Центр компьютерного инжиниринга” (CompMechLab ®) СПбПУ (ИЦ “ЦКИ” СПбПУ) на базе Суперкомпьютерного центра “Политехнический” (СКЦ СПбПУ), пиковая производительность которого составляет ~ 1 ПетаФлопс.

Уникальные компетенции и опыт сотрудников ИЦ ЦКИ СПбПУ позволят проводить анализ конкурентоспособности и готовности к промышленной эксплуатации отечественного программного обеспечения в сравнении с передовыми зарубежными компьютерными технологиями. В условиях санкций в отношении России, курса государства на импортозамещение, и возрастающего спроса российских компаний на разработку отечественного инженерного программного обеспечения, создание независимого экспертного Центра тестирования инженерного ПО становится чрезвычайно актуальным.

Имеющиеся в ИЦ “ЦКИ” СПбПУ заделы для создания Цифровой Фабрики, созданные в процессе успешной реализации десятков проектов в интересах:

• ведущих зарубежных высокотехнологичных компаний (Airbus Group, Boeing, General Electric, General Motors, Daimler / Mercedes, BMW, Rolls-Royce, Audi, Porsche, Volkswagen, Schlumberger, Weatherford, Siemens, LG Electronics и др.);
• ведущих российских высокотехнологичных корпораций (Ростех, Газпром, Роскосмос / ОРКК, ОАК, ОДК, ОСК, Силовые машины, Северсталь и др.),

а также в рамках Проекта по разработке первой в России единой модульной платформы (ЕМП) линейки отечественных автомобилей премиум-класса для первых лиц государства, позволят уже в 2016 году запустить в тестовом режиме Цифровую фабрику в области автомобилестроения, где одним из важнейших блоков будет виртуальный полигон по валидации конструкций.

Отработанные в рамках Цифровой Фабрики ИППТ СПбПУ решения и технологии будут тиражированы и масштабированы на многие высокотехнологичные отрасли промышленности России, а в рамках Национальной технологической инициативы - будут способствовать развитию рынков Будущего и формированию Экономики Будущего - Цифровой Экономики.

Национальная технологическая инициатива (НТИ)

Ряд ключевых мероприятий в рамках конференции посвящались участию университетов в Национальной технологической инициативе (НТИ - это программа мер по формированию принципиально новых рынков и созданию условий для глобального технологического лидерства России к 2035 году). Проректор...

Армин Грюнвальд (Armin Gruenewald)

Любая отрасль - от автомобилестроения и авиационно­космической промышленности до станкостроения и энергетики - зависит от качества конструкторско­технологической подготовки производства и механообработки в цехах. Нередко детали и сборочные единицы изготавливаются небольшими подразделениями или независимыми компаниями, которые сталкиваются с ростом конкуренции и необходимостью применять новые материалы и технологии. На сложные цепочки поставок распространяются все более ужесточающиеся нормативные требования, а сроки разработки требуется постоянно сокращать.

Европейский изготовитель пресс­форм конкурирует с производителями, работающими на рынках с менее жесткими нормативными требованиями, а также с региональными компаниями. При этом оснастку приходится разрабатывать как можно быстрее, чтобы не отставать от сроков разработки изделий, - ведь длительность процессов сократилась наполовину. Например, раньше на создание новой модели автомобиля уходило девять­десять лет, а теперь этот срок уменьшился до четырех. Соответственно сократились и сроки разработки деталей.

Для повышения эффективности производства нередко пытаются автоматизировать отдельные этапы при помощи различных систем, электронных таблиц и бумажных документов. Если автоматизация выполняется неверно, то в результате получаются разрозненные процессы, а бесценная информация и важнейшие производственные ноу­хау не используются должным образом. Подобный подход не повышает ни эффективности, ни конкурентоспособности предприятия.

Для выхода на новый уровень эффективности и победы в конкурентной борьбе машиностроительным предприятиям требуется новая концепция ведения бизнеса, в полной мере реализующая возможности, предоставляемые самыми современными технологиями. Единая интегрированная система создает интеллектуальные модели и процессы, объединяя этапы технологического проектирования и производства в рамках «цифровой цепочки», проходящей через все предприятие. Такой подход оптимизирует производственные процессы, снижает себестоимость и сокращает сроки выполнения заказов.

Вместо того чтобы сначала создать 3D­модель в системе автоматизированного проектирования (CAD­системе), а затем осуществить импорт и экспорт в разные системы, следует создать цифровой двойник - точную виртуальную копию реального изделия. Этот двойник передается между службами предприятия без потери данных, помогая выпускать продукцию, полностью соответствующую требованиям заказчика.

Внедрение цифрового производственного процесса сразу же повышает производительность и эффективность работы даже небольших предприятий, а также способствует дальнейшему росту бизнеса. Дигитализация - это не только устранение ручного ввода данных и изменений модели на каждом этапе разработки. Применение единой системы и интеллектуальной модели обеспечивает поддержку параллельной работы специалистов. Например, подготовка контроля качества изготовления детали выполняется одновременно с разработкой управляющих программ в CAM­системе. В результате происходит автоматизация всего процесса в целом при сохранении его гибкости.

Когда в конструкцию вносятся изменения, они автоматически передаются на все этапы процесса без ручного ввода данных. Предусмотрено сравнение геометрии 3D­модели и готовой детали, измеряемой на координатно­измерительной машине (КИМ). При этом полученная информация отправляется обратно в CAM­систему. Это значительно упрощает поиск и устранение несоответствий. Создается замкнутый контур совершенствования конструкторско­технологических проектных решений. Он повышает качество и производительность, а также сокращает сроки наладки оборудования. Качественные детали изготавливаются быстрее, что увеличивает число выполняемых заказов. Более того, при выполнении следующего заказа можно применить уже имеющиеся модели, доработав их под новые требования, что позволяет не начинать каждый раз проектирование с нуля. Повторное использование имеющихся на предприятии оптимальных рабочих процессов и ноу­хау - самый эффективный способ повышения производительности и качества.

Дигитализация не только автоматизирует выпуск деталей, точно соответствующих требованиям, но и упрощает внедрение новых цифровых технологий (промышленные роботы, аддитивное производство) даже на небольших предприятиях.

Раньше роботы в основном применялись для позиционирования и транспортировки заготовок, включая загрузку и выгрузку деталей на станках. Сегодня же они чаще используются и для выполнения механической обработки. Например, управляемый на основе цифровой модели робот способен точно просверлить сотни тысяч отверстий в крыле самолета. Но для этого необходима интеграция конструкторской модели с системами программирования роботов и станков ЧПУ и с технологическим оборудованием.

3D­печать и другие виды аддитивного производства позволяют изготавливать детали, которые в прошлом было просто невозможно сделать, а также использовать новые материалы и конструкторские решения, улучшающие технические характеристики изделия, снижающие массу и упрощающие сборку. Однако внедрение подобных процессов требует перехода на совершенно другие методики проектирования, значительно отличающиеся от разработки деталей, изготавливаемых механообработкой. В частности, создаваемые для 3D­печати детали отличаются минимальной материалоемкостью и при этом совершенно не похожи на привычные. При помощи методики генеративного моделирования инженеры создают сверхлегкие конструкции, не уступающие по своим характеристикам традиционным. Такие детали могут быть пустотелыми и иметь сложные «органические» формы. При этом необходимо избегать создания излишних поддерживающих элементов - их потребуется удалять, что может замедлить производство. Важнейшим аспектом становится наличие системы автоматизированного проектирования, способной выполнять топологическую оптимизацию традиционных конструкций. Методы аддитивного производства позволяют изготавливать такие изделия нового поколения с минимальными затратами на наладку и оснастку.

Цифровой завод - это бесшовное объединение важнейших этапов проектирования и изготовления деталей. Процесс­ориентированный подход объединяет сотрудников, данные и производственные ресурсы. Он гарантирует изготовление изделий, отвечающих всем требованиям заказчика, а также увеличение прибыльности и эффективности.

Цифровой завод в действии

Чтобы воспользоваться всеми преимуществами цифрового производства, не обязательно быть промышленным гигантом. Австрийский изготовитель пресс­форм HAIDLMAIR начинал как небольшая кузнечная мастерская, но при этом компания постоянно внедряла новейшие технологии. Когда нынешний генеральный директор компании Марио Хейдлмар (Mario Haidlmair) унаследовал эту должность у своего отца, он выяснил, насколько неэффективным было использование разрозненных и нередко несовместимых систем для проектирования деталей и разработки управляющих программ. Внедрив решения от Siemens, компании удалось построить оптимизированный сквозной процесс, в рамках которого создается цифровой двойник каждой детали. «В отделе программирования станков с ЧПУ мы точно воссоздаем ситуацию, возникающую на конкретном станке», - поясняет г­н Хейдлмар.

Над изготовлением пресс­форм работает множество различных отделов компании, и все они используют интеллектуальную 3D­модель. Это позволяет проверить характеристики еще не изготовленной детали, разработать управляющие программы для токарных, трех­ и пятикоординатных станков с ЧПУ в системе NX CAM от Siemens, а также проконтролировать технологический процесс сборки. Модели, данные по режущему инструменту, технологические операции и управляющие программы для ЧПУ хранятся в системе Teamcenter, поэтому все отделы получают доступ к единому источнику актуальной информации. Подобная цифровая цепочка обеспечивает эффективное взаимодействие сотрудников. Оператор станка, имея CAD­модель детали и взаимодействуя с конструктором и программистом станков с ЧПУ, быстро устраняет все возникающие проблемы еще до начала обработки.

Интегрированная система проектирования деталей, управления технологическими процессами и оборудованием снижает себестоимость (по оценке Хейдлмара - на 15­20%), а это «сотни тысяч евро в год». Еще одно преимущество, особенно при работе на высококонкурентном рынке - «сокращение сроков выполнения заказов».

С целью дальнейшей автоматизации процессов и повышения производительности компания Haidlmair внедряет стратегию механической обработки на основе элементов, поддерживаемую системой NX CAM. «Мы хотим добиться того, чтобы порядка 80% операций электроэрозионной обработки выполнялось полностью автоматически, без вмешательства оператора», - отмечает системный администратор CAM­решений Стефан Пендль (Stefan Pendl). И речь идет не только о сокращении затрат. Цель Хейдлмара - превратить небольшое производство в «лучшего в мире производителя пресс­форм». Он пытается достичь оптимального качества продукции: «Я с оптимизмом смотрю в будущее и уверен, что мы сможем добиться снижения себестоимости при одновременном росте качества. А именно этого ожидают все наши заказчики». 

Проект «Наставники: не рядом, а вместе!»

Лидер проекта: Александра Юрьевна Телицына, исполнительный директор MOO «Старшие Братья Старшие Сестры» .

Проект ориентирован на детей, находящихся в трудной жизненной ситуации. Адаптироваться и полноценно участвовать в жизни общества таким детям помогает индивидуальное общение с наставниками. Суть проекта - привлечение в качестве наставников успешных взрослых людей - деятелей культуры и спорта, представителей бизнеса и власти. В настоящее время в проекте принимают участие директора АСИ. Программа индивидуального наставничества дает детям возможность почувствовать уверенность в своих силах, развить лидерские компетенции, сориентироваться в выборе профессии.

АСИ окажет информационную и административную поддержку, поможет наладить коммуникацию с региональными органами власти с целью тиражирования проекта.

Проект «Этномир»

Лидер проекта: Руслан Фаталиевич Байрамов, президент Международного Фонда «Диалог Культур - Единый Мир» .

Культурно-образовательный центр «Этномир» в Калужской области за десять лет существования принял полтора миллиона гостей. Этнографический парк знакомит с жизнью, традициями и культурой народов России и мира. На аутентично воссозданных дворах размещены ремесленные мастерские, дома-гостиницы, музеи, рестораны традиционной кухни, сувенирные магазины; в Центре работают образовательные программы для детей, проходят фестивали, карнавалы, выставки, конференции, концерты, связанные с культурой разных стран и народностей.

В планах проекта - сделать «Этномир» креативным городом дружбы народов. Парк рассчитывает расширить свою территорию и увеличить посещаемость до 10 миллионов человек в год.

АСИ окажет консультационную и методологическую поддержку по созданию модельной программы дополнительного образования детей на базе культурно-образовательного центра «Этномир», а также содействие в развитии международных контактов.

Публикация подготовлена сотрудниками CompMechLab ® по материалам spbstu.ru , kremlin.ru , strf.ru , minpromtorg.gov.ru и собственной информации.