Дежина и г публичный аналитический доклад по направлению новые производственные технологии

Обновлено: 17.05.2024

Традиционное проектирование самолета требует создания сотен тысяч чертежей и документов. Проектирование изделий и агрегатов из композитов значительно усложнено наличием большого количества дополнительных параметров конструкции. Эти параметры невозможно контролировать без использования инструментов цифрового проектирования.

1. Цифровое проектирование

Цифровое проектирование, в основе которого лежит электронная модель изделия, делает возможным отказ от выпуска чертежей и значительно уменьшает бумажный документооборот, что приводит к сокращению сроков выпуска продукции. Инструменты цифрового проектирования предоставляют инженерам наглядное описание изделия и его свойств, а единое хранилище цифровых данных об агрегате служит источником актуальной информации и исключает дублирование и работу с устаревшими данными.

Полимерные композиционные материалы (ПКМ) по сравнению с традиционными обладают меньшей массой и более высокими прочностными характеристиками. Процесс проектирования, однако, становится более сложным, поскольку при разработке инженеру необходимо постоянно уделять внимание огромному количеству параметров изделия, связанных между собой и оказывающих взаимное влияние друг на друга. Эти параметры связаны со спецификой самих материалов: главное направление армирования, количество слоев материала, их границы, идеализированная и реальная ориентация армирующего волокна каждого слоя и другие. В процессе проектирования должны учитываться особенности технологического процесса производства изделия из ПКМ, так как они оказывают значительное влияние на ключевые геометрические и механические свойства конечной детали.

Общий вид модели закрылка из композиционных материалов: атрибуты изделия и 3D-модель

Контуры слоев композиционного материала

2. Технологическая подготовка производства

Цифровое производство является одним из наиболее важных этапов подготовки серийного производства изделий авиационной отрасли. Здесь осуществляются технологическое нормирование, виртуальная пусконаладка производственного оборудования, определяется пропускная способность существующих мощностей, потребность в дополнительных ресурсах, решаются задачи оптимизации производства под заданную номенклатуру и анализируются различные сценарии внесения изменений в производственный план.

Рабочая конструкторская документация в цифровом виде

В технологическом процессе подготовки производства одной из ключевых и самых ресурсоемких задач является разработка управляющих программ (УП) для оборудования с программным управлением. В традиционном подходе технолог-программист должен увязать между собой геометрию детали и оснастки, параметры режущего инструмента и режимы резания, а также учесть особенности программирования стойки с ЧПУ, кинематику работы станка. Все это занимает длительное время и требует отладки УП непосредственно на оборудовании в цехе.

Моделирование укладки слоя композиционного материала на оснастку и развертка слоя

Пошаговая электронная инструкция рабочего цеха

Моделирование механообработки композиционной нервюры на станке с ЧПУ

По окончании процесса расчета и симуляции специалист получает полностью готовую к внедрению УП, не содержащую ошибок.

Модель и участок автоматизированного раскроя препрегов

Эффективные инструменты Цифрового производства для разработки управляющих программ обеспечивают максимальную скорость технологической подготовки, сокращение сроков запуска деталей в производство и минимизацию рисков повреждения высокотехнологичного оборудования, что положительно сказывается на сроках выполнения программы и обеспечивает высокое качество конечного продукта.

3. Цифровой двойник композиционного производства

Одной из основных задач при создании новых и реконструкции существующих производств является выбор проектных параметров, обеспечивающих выполнение заданных целевых показателей. Планировка площадей, состав оборудования и организация производства непосредственно влияют на объем инвестиций, сроки реализации и возможности будущего производства. В ходе проектирования инженерам приходится учитывать сотни и тысячи различных факторов, рассматривать не только отдельные участки, но работу всей системы в комплексе, что является исключительно сложной задачей. В то же время, очень высока цена проектной ошибки, выявленной после запуска производства, так как её устранение может потребовать дорогостоящих мероприятий, дополнительного оборудования или других ресурсов.

Модель и участок ручной укладки препрегов

Наряду с цифровыми двойниками изделия и технологического процесса, построение цифрового двойника производства дает возможность точно оценить достижимые показатели и качество заложенных в проект решений, обеспечить высокую степень гибкости и масштабируемости производства. Специалисты могут увидеть завод еще на этапе проектирования и проверить, как заложенные в проект решения будут работать на практике при различных условиях.

Подход на основе технологии имитационного моделирования позволяет работать со сложными объектами масштаба производственной площадки с необходимой детализацией — вплоть до отдельной операции, проводимой на рабочем месте. В ходе моделирования параметры и показатели работы можно посмотреть и скорректировать в интерактивном режиме.

Математическая модель, использованная в двойнике, учитывает самые разные параметры системы: производственную программу, номенклатуру продукции, технологический процесс для каждого типа деталей и характеристики оборудования. Параметры могут быть заданы в виде статистического распределения, что позволяет учесть случайные отклонения, неизбежные в реальном производстве, и их влияние на производство в длительной перспективе.

Модель и участок автоклавного формования композиционного изделия

Трёхмерная планировка служит для оптимизации материалопотоков, оценки времен и расстояний перемещения деталей, транспорта и персонала. Нормативные времена операций используются для расчета длительности цикла изготовления и загрузки оборудования. Модели оборудования включают большое количество параметров, определяющих его надежность, длительность обслуживания и ремонта, энергопотребление и множество других факторов.

4. Заключение

осуществления всестороннего моделирования объекта исследования — будь то деталь, агрегат, окончательное изделие из композитов или его производство — с целью прогнозирования поведения этого объекта в различных условиях;
формирования универсального языка описания изделий и производственных процессов на основе цифровой модели для упрощения взаимодействия как между различными подразделениями внутри предприятия, так и при общении с контрагентами.

В промышленно развитых странах, таких как США, Великобритания, Германия и др., вопросам освоения и внедрения в производство новейших технологий уделяется весьма существенное внимание. С этой целью в таких странах на государственном уровне проводится линия, направленная на формирование новых производственных технологий (НПТ) и высокотехнологичных методов производства (high value manufacturing, HVM), в том числе с привлечением научных организаций и с использованием опыта наиболее успешно развивающихся фирм и компаний. Осуществляется действенная государственная поддержка этого направления в промышленности и науке. Такие меры призваны всемерно содействовать дальнейшему развитию экономики этих стран.

В предыдущем номере журнала читатель мог ознакомиться с инновационной деятельностью и системами государственной поддержки новых производственных технологий (НПТ) в США. В данной статье приводится соответствующая информация по Великобритании и Германии, а также сделаны краткие выводы из зарубежного опыта в этих направлениях для России.

Инструменты государственной политики в области НПТ в Великобритании

Объединение в Департаменте бизнеса, инноваций и компетенций (BIS) функций по поддержке исследований и промышленной политики позволило ему комплексно подойти к реализации планов по технологическому развитию.

1. Координация бизнеса и государства

BIS совместно с бизнесом подготовил стратегии развития приоритетных отраслей (или секторов), формируя, таким образом, общее долгосрочное видение их развития. В рамках этих стратегий рассматривались такие специфические для каждой отрасли темы, как технологии, компетенции, доступ к финансированию, государственные закупки, поддержка производственной цепочки.

Наиболее близкими к тематике HПТ являются стратегии развития аэрокосмической и автомобильной промышленности, хотя пересечение по тематикам также имеется со стратегией атомной энергетики, ветряных офшорных электростанций и др.

Дежина И.Г., Фролов А.С., Данилин И.В., Инновационная деятельность за рубежом. Управление качеством №11 2016. 2016;11.

Базлов В.А. 1 Мамуладзе Т.З. 1 Харитонов К.Н. 1 Ефименко М.В. 1 Голенков О.И. 1 Пронских А.А. 1 Панченко А.А. 1 Павлов В.В. 1

2. Jacob A., Steven M., Arnold B., Bednarcyk A. Micromechanics of Composite Materials: A Generalized Micromechanics of Composite Materials: A Generalized Multiscale Analysis Approach // Butterworth-Heinemann, 2012. P. 87–101.

3. Nikolaidis E., Dan M.G., Singhal S. Engineering Design Reliability Handbook. CRC Press, 2014. P. 287–314.

4. David L., Panchal J., Choi H.-J., Seepersad C., Allen J., Mistree F. Integrated Design of Multiscale, Multifunctional Materials and Products. Butterworth-Heinemann, 2009. P. 100–121.

5. Bolyanovich, V. Powder metallurgy. In the processes of metal forming: casting and molding, Processing of Solid Particles, Deformation Processes, Metal Removal. Industrial Press Inc. New York, USA, 2010. P. 23–41.

7. Heaney D., Handbook of Metal Injection Molding. Wood head Publishing Series in Metals and Surface Engineering. Elsevier, 2012. P. 287–337.

9. Wohlers Report 2017. Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry Annual Worldwide Progress Report. Wohlers Associates, 2017. P. 187–211.

11. Kamal M.R., Isayev A.I., Liu S.-J., White J.L. Injection Molding – Technology and Fundamentals. Carl Hanser Verlag. Munich 2009. P. 131–142.

12. Randall M.G. Progress in Titanium Metal Powder Injection Molding. Materials 2013. № 6. P. 3641–3662.

14. Lee J.-S., Choi J.-P., Lee G.-Y. Consolidation of Hierarchy-Structured Nanopowder Agglomerates and Its Application to Net-Shaping Nanopowder Materials. Materials. 2013. № 6. P. 87–91.

15. You W.-K., Choi J.-P., Yoon S.-M., Lee J.-S. Low temperature powder injection molding of iron micro-nano powder mixture. Powder technology. 2012. Vol. 228. P. 67–73.

16. Williams N. Metal Injection Moulding in the firearms industry: a global perspective. PIM International. 2014. Vol. 8 (4). P. 31–47.

17. Rajabi J., Muhamad N., Sulong A.-B. Effect of nano-sized powders on powder injection molding: a review. Microsyst Technol. 2012. Vol. 18. P. 1941–1961.

18. Патент РФ № 2175993 Российская Федерация Заславский, МПК C22C 35/00 Хладностойкая модифицированная литая сталь и способ ее производства А.Я., Симанов А.Н., Дубровин А.С. // Подача заявки 31.12.1999 патент опубликован 20.11.2001. С. 34–67.

19. Калинина Н.Е., Кавац О.А., Калинин В.Т. Модифицирующая обработка литейных силуминов дисперсными композициями // Авиационно-космическая техника и технология. 2008. № 7. C. 16–19.

20. Калинина Н.Е., Кавац О.А., Калинин В.Т. Повышение технологических свойств литейных алюминиевых сплавов при модифицировании нано-дисперсными частицами // Авиационно-космическая техника и технология. 2010. № 4. C. 17–20.

21. Калинина Н.Е., Калиновская А.Е., Калинин В.Т., Дудников А.С. Особенности наномодифицирования многокомпонентных никелевых сплавов // Авиационно-космическая техника и технология. 2012. № 7. C. 23–26.

23. German R.M. PIM Breaks Barrier of $ 1 Billion Metal Powder Report. 2008. Vol. 63. No. 3. P. 8–10.

Технология MIM (Metal Injection Molding) представляет собой заливку металла в заранее изготовленную форму под давлением методом впрыска. Технологическая цепочка получения готовой детали состоит из выбора исходного материала, состоящего из металлического/керамического порошка (MIM/CIM-технология) и связующих компонентов, дальнейшего предварительного спекания в заданной форме, удаление связующего материала, и окончательного спекания. В результате окончательного спекания получают изделие с полностью удаленным связующим компонентом, закаленную спеканием с заданными размерами и допусками. Деталь практически без доработок готова к непосредственному использованию. При этом возможно задать требуемую пористость поверхности изделия на этапе спекания, таким образом изделия не подвергаются вторичной обработке – нанесению пористого покрытия, что крайне важно в производстве компонентов эндопротезов крупных суставов.

В России сегодня широко известны 6 компаний, использующие MIM-технологию в различных областях народного хозяйства, в том числе медицине. За рубежом данная технология более популярна – насчитывается более 400 компаний, использующих в производстве своей продукции MIM-технологии [1, 2], в том числе 106 в США, 69 в Китае, 41 в Германии, 38 в Японии, 17 в Тайване, 14 в Корее, 12 в Швейцарии [1, 3, 4]. Однако в настоящее время в промышленных масштабах инжекционное формование используют около 20 крупных корпораций, в том числе и в медицине [5, 6].

Наибольшее распространение PIM-тех- нология получила в стоматологии: коррекционные брекеты, эндодонтические наконечники (MIM), керамические имплантаты на основе фосфатов Ca, Na, керамические источники излучения для стерилизации медицинского инструмента (CIM) [7, 8].

Материалы и методы исследования

Цель исследования – изучение возможности применения инжекционного формования металлических порошков (Metal Injection Molding – MIM) в производстве серийной медицинской продукции как альтернативы традиционным технологиям производства. В результате анализа информации доступных печатных и электронных изданий были определены российские и ведущие зарубежные компании, которые на данный момент используют в своем технологическом процессе MIM-технологию. По изученным материалам дана оценка возможности использования MIM-технологии в медицине в целом, а также в травматологии и ортопедии в частности.

Мировыми лидерами в производстве медицинской продукции являются следующие компании:

- оборудование для хирургического лечения катаракты;

- слуховые аппараты (составные части);

- винты для имплантации в костную ткань (рис. 1);

- компоненты эндопротезов: коленный, тазобедренный, спинальный.

Рис. 1. Винты для имплантации в костную ткань, произведенные по технологии инжекционного формования металлических порошков (MIM)

- хирургические инструменты: эндоскопические захваты и ножницы, ручки скальпеля, щипцы, абляционные электроды;

- пластины для внутреннего остеосинтеза, винты, имплантаты и устройства для внешней фиксации позвоночника, инструменты для ортопедической хирургии;

- ортодонтические скобки, стоматологические инструменты;

- слуховые аппараты (корпуса, им- плантаты).

А. Ортопедические имплантаты:

- ацетобулярный компонент эндопротеза тазобедренного сустава (рис. 2);

- бедренные и тибиальные компоненты эндопротезов коленных суставов;

- компоненты эндопротеза локтевого сустава;

- компоненты для эндопротезирования голеностопного сустава и стопы.

Рис. 2. Ацетобулярный компонент эндопротеза тазобедренного сустава, выполненный по технологии инжекционного формования металлических порошков (MIM)

Б. Имплантаты, применяемые в хирургии позвоночника: TLIF-, ALIF- и PLIF-кейджи (рис. 3).

Рис. 3. Кейдж для декомпрессивно-стабилизирующих оперативных вмешательств на позвоночнике, произведенный по TiMIM технологии (Titan Metal Injection Molding) из пористого титана

Доля остальных компаний, использующих MIM-технологию на международном рынке медицинских изделий незначительна.

Компании, специализирующиеся на выпуске серийной медицинской продукции, используют однотипное сырье: материалы используемые в хирургии и эндопротезировании (кобальт-хром) с пределом прочности на уровне 650 МПа и прочностью на сдвиг 450 МПа, нержавеющие стали (аустенитные, ферритные, мартенситные, дисперсно-упрочненные, дуплексные) с характеристиками предела прочности 0,4–2,0 ГПа, сдвиговой прочности 0,2–1,9 ГПа, различные сплавы титана TiMIM [1, 17, 18]. Благодаря технологии MIM комбинируются преимущества заливки металлов в форму под давлением путем впрыска и традиционная технология обработки металлических изделий на ЧПУ станках. Таким образом становится возможным получение более требовательных, сложных, иногда даже не пригодных для литья конструктивных изделий, что часто требуется в изготовлении медицинской продукции.

Результаты исследования и их обсуждение

Технологии инжекционного формования дали толчок к развитию нового этапа производства изделий сложной геометрической формы, где необходимо выполнение деталей с ювелирной точностью, со свойствами материала, близкими к свойствам проката. В этом смысле MIM-технологии пришли на смену традиционным литьевым технологиям и обработки заготовок на ЧПУ станках [1, 19, 20]. Технология формования металлов под давлением обеспечили изготовление изделий сложной геометрической формы из широкого спектра материалов, с высокими прочностными характеристиками (приближающимися к изделиям, полученным механической обработкой: толщина стенки от 0,5 мм, шероховатость 1 мкм, прочностные свойства на уровне проката), но при этом значительно более высокой производительности и меньшей себестоимости [19–21].

Однако есть ряд отрицательных моментов:

– значительные первоначальные инвестиции в оборудование и литьевые формы, что не позволяет использовать MIM-технологии для выпуска ограниченной партии изделий, или индивидуального изделия – например имплантата крупного сустава;

- высокие риски, связанные с закупкой расходных материалов – в большинстве случаев используемые для формования смеси производятся за пределами РФ;

- строгие требования к геометрии изделия (ни один из геометрических параметров изделия не должен быть более 250 мм, вес изделия от 0,1 до 100 г, средняя толщина стенки от 0,5 до 6 мм).

Заключение

Развитие PIM (Powder Injection Molding) (MIM, CeramicIM) технологии в Российской федерации стремительно набирает обороты, рынок фидстоков и оборудования, использующегося для производства серийной продукции по PIM-технологии, растет в среднем на 9–11 % [19, 22, 23] в год.

Первая и единственная пресс-конференция на крыше Белого дома в Вашингтоне прошла при участии президента Джимми Картера 20 июня 1979 г. Картер созвал журналистов, чтобы презентовать им нагреватель воды на основе солнечной энергии. По словам президента, к 2000 году в США 20% энергии должны были быть обеспечены солнечными батареями.

Это уже третий подобный доклад Сколковского института науки и технологий: два предыдущих были посвящены перспективным производственных технологиям и фотонике.

Жанр аналитического доклада в идеале представляет собой policy report, показывающий перспективы данной области. В конечном счете такого рода книги ложатся в основу обоснования важности развития того или иного направления исследований. В данном случае это новые, можно сказать, прорывные, технологии разведки и добычи нефти и газа.

Как замечает во введении к работе директор Центра добычи углеводородов Сколтеха Михаил Спасенных, за последние 10 лет аккумулированный рост расходов нефтяных компаний на освоение новых технологий составил более 100%.

Это – оптимистический взгляд на ситуацию, выраженный в относительных цифрах. В реальных терминах картина представляется менее радужной. В книге Дэниела Ергина The Quest. Energy, Security, and the Remaking of the Modern World приводятся данные о расходах правительства США на НИОКР в области энергетики: в 2008 году они соответствовали расходам на ведение войны в Ираке в течение двух недель. Тут нельзя проводить прямую параллель между расходами частного бизнеса на НИОКР и госинвестициями, но порядок цифр понятен.

Инвестировать в НИОКР компании и правительства заставляет рост доли трудноизвлекаемых запасов (ТРИЗ) энергоносителей в структуре нефтегазодобычи. К 2040 году нефть из плотных пород будут добывать в значительных количествах в США, России, Канаде и Аргентине. Одновременно с затратами на собственные НИОКР нефтегазовые компании активно инвестируют в технологические стартапы, предлагающие решения в сегменте разведки и добычи.

Принято считать, что нефтегаз – низкотехнологичная отрасль, она и классифицируется в статистике как таковая. И действительно, если считать долю расходов на создание технологий по сравнению с общим объемом выполненных работ, особенно в сравнении, например, с электроникой,- то так оно и есть. Что, с другой стороны, не исключает инвестиции в самые современные методы обработки больших данных и компьютерное моделирование.

В докладе подробно анализируются такие направления, как новые технологии гидроразрыва пласта (ГРП); новые химические и тепловые методы увеличения нефтеотдачи (чем, в частности, занимается Центр добычи углеводородов Сколтеха). Иллюстрируют эти перспективные методы разработки на месторождениях Баженовской свиты. Отдельно рассматриваются возможности анализа больших данных в нефтедобыче.

Часто возникают иллюзии: Россия – большая страна, значит и внутренний рынок большой. Но по факту емкость нашего внутреннего рынка – это иллюзия, потому что тут надо смотреть даже не на покупательную способность, а на заинтересованность в покупке технологий.

Наш крупный бизнес привык работать с этими компаниями, ему нравится покупать у них решения под ключ. У маленькой или даже средней компании очень невелик диапазон предложения; со своим кусочком технологии такая компания должна встраиваться в технологическую цепочку или систему. Единственным исключением могут быть разработки в программном обеспечении, чем, собственно, многие в России и занимаются.

Есть компании, которые уже очень активно продают свои разработки, в том числе, на американский рынок. Мне понравилось отношение одной из опрошенных компаний, в которой внимательно следят за политикой правительств в нефтегазовой сфере, и как только обнаруживаются благоприятные изменения, устраивают туда свой десант и даже открывают офис, как это произошло в одной из стран Латинской Америки.

Не емкий рынок

На российском рынке конкуренция невелика; всего в нефтегазодобыче работает около трехсот мелких компаний; в США – более 10 тысяч, т.е. это разные порядки. В неконкурентной среде самим нет стимула заниматься разработкой технологий, тем более, если можно развиваться за счет доступа к административному ресурсу.

Получается, что здесь, так же, как во многих других областях в России, – не емкий внутренний рынок. Часто возникают иллюзии: Россия – большая страна, значит и внутренний рынок большой. Такие оценки можно встретить в рейтингах инновационного развития, которые сейчас популярны. В них потенциально емкий внутренний рынок упоминается как наше достоинство, наряду с тем, что у нас много женщин в науке и много людей с высшим образованием. Но по факту емкость нашего внутреннего рынка – это иллюзия, потому что тут надо смотреть даже не на покупательную способность, а на заинтересованность в покупке технологий. Там, где тысячи и тысячи маленьких добывающих фирм, больше шансов продать разработку.

Интересно, что те наши компании, которые изначально ориентировались на американский или, допустим, латиноамериканский рынки, они там отрабатывают свою технологию. И для кого-то это путь, чтобы затем у них купили продукт в России.

Не все идут по этому пути, кого-то больше устраивают гранты институтов развития. Это тоже возможный вариант, если компания встроилась в эту систему. Кстати, такая же история существует в Америке, где тоже есть бюджетные инноваторы, получающие из года в год государственные средства на развитие НИОКР в малом бизнесе.

Интересно, что с позиции ряда российских венчурных фондов нефтегазовая сфера очень перспективна: в России есть интересные разработки, которые так или иначе будут коммерциализированы. При этом венчурному капиталу все равно, будет ли это коммерциализировано в России или за рубежом: и тот, и другой результаты позитивны.

Вы можете ознакомиться с электронной версией докладом по ссылке.

Читайте также: