Русских Роман, Ведущий инженер-конструктор, ООО «Нано ПЛК», г. Санкт-Петербург

В настоящей статье рассмотрена проблематика низкой оснащённости 3D-комплексами российских промышленных предприятий. Проведён обзор основных минусов традиционных систем проектирования. Произведён обзор основных направлений в модернизации систем моделирования и систем контроля. Дана оценка эффективности каждого из них, а также проанализирована возможность подготовки соответствующих кадров, которые будут задействованы в данной отрасли на высокотехнологичном оборудовании.

Ключевые слова: высокотехнологичный, производство, 3D, анализ, регресс, ЧПУ, подготовка, контроль, модель, протопирование

На сегодняшний день проектный подход к решению важных задач на высокотехнологичных предприятиях в РФ претерпевает стагнацию, а в некоторых отраслях даже регресс. Далеко не все единицы в секторе переходят на инновационные 3D-методы моделирования и системы контроля качества. Причин этому несколько:

• Высокая стоимость оборудования;
• Недостаточная квалификация персонала;
• Нежелание производителя использовать передовые технологии/нежелание рисковать.

Та малая часть предприятий, которые всё-таки освоили современные технологии, не могут в одиночку поддерживать развитие экономики страны в этом секторе. По данным Росстата на конец 2016 года из 410000 промышленных предприятий только лишь 10000 (2,5 %) пользуется решениями российской компании «Аскон» (данные на период конца 2016 года), что говорит о тотальной неоснащённости большей части предприятий [1], [2].

Стоит отметить, что в зарубежных странах доля экономического эффекта от работы высокотехнологичного сектора составляет от 30 до 70 %. К высокотехнологичным относят авиакосмическую, электронную, фармацевтическую промышленность и производство коммуникационного оборудования, которые характеризуются наибольшим значением наукоемкости. [3]

Сегодня некоторые предприятия ещё используют традиционные методы для осуществления контроля: применение штангенциркулей, микрометров, шаблонов при учёте допусков и посадок, использование бумажного эскизирования. Совокупность этих методов даёт ощутимый регресс нашему высокотехнологичному сообществу, которое с каждым годом имеет всё большее и большее влияние на развитие экономики.

В настоящее время во многих развитых странах используется схема проектирования — 3Д-модель – прототип – действующая деталь или механизм. Такая последовательность позволяет добиться высокой скорости разработки изделий, уменьшению количества брака, сокращает время на внедрение новых продуктов в производство. Раскроем каждое звено отдельно и проследим связь между ними.

Конструкторская подготовка с помощью 3Д методов позволяет создать модель с точностью до ±10 микрон с возможностью внесения любого изменения в конструкцию, изменение типа материала, из которого будет изготавливаться будущий прототип. [4] Сегодня стационарные и портативные 3Д-сканеры позволяют обрабатывать предметы любой формы и конфигурации. Имеется возможность снимать объекты на удалении и с помощью специализированного ПО восстанавливать исходный размер снимаемого объекта. Уменьшается количество проектной документации, поскольку все проекты и модели можно хранить в электронных форматах на ЭВМ, уменьшается процент брака как на проходящих входной контроль качества деталях, так и на выпускаемой продукции, уменьшаются затраты на трудоресурсы, подготовку и проведение контроля качества. Безусловным фактом можно считать то, что переход на прогрессивное оборудование требует объёмных вложений от инвесторов и владельцев, но эта модернизация производства в перспективе обеспечит гарантированный рост предприятия и доход инвесторам.

Горная промышленность. Используется при создании 3D-моделей горных выработок: забоев, шахтных стволов, лав, штреков, съездов. Создание горной инфраструктры на модели при помощи маркшейдерской съёмки. [5]

Строительство. Обмер зданий, сооружений, помещений при помощи НЛС (наземное лазерное сканирование). Так же используется при обследовании нефтяных резервуаров на предмет коррозии и утечки нефти или газа. [6,7]

Архитектура. Сканирование художественных скульптур, зданий, фасадов, помещений, реставрация.

Медиа, дизайн, реклама. Производство видеопродукции, графика, реклама, разработка дизайна.

Авто/мотостроение. Проектирование автомобилей и мотоциклов, тюнинг и ремонт.

Медицина и стоматология. Точное сканирование частей тела, изготовление протезов, зубных имплантов.

Реверс-инжиниринг. Точное снятие размеров для подготовки проектной документации.

Промышленность. Широкий спектр производственных задач, разработка дизайна, контроль качества и обратное проектирование.

После того, как создана 3Д модель, можно приступать с прототипированию, то есть воссозданию объекта заданных размера и формы. Он может быть исполнен в материале, который был предварительно предусмотрен проектом, а может быть исполнен в полимере для каких-либо дополнительных испытаний или анализа геометрии. Создание прототипа происходит с помощью станков для 3Д-печати, которые позволяют:

• проектировать изделия любой пространственно сложной геометрии без ограничения фантазии;
• внедрения бионического проектирования, основанного на природных аналогах, например, ячеистых и решетчатых структурах;
• изготовления за одну операцию конструктивно сложных узлов как единую деталь, что приводит к снижению веса изделия, упрощению ремонта и повышению надежности механизма;
• полной автоматизации технологического процесса изготовления детали и исключения влияние оператора на точность и качество обработки;
• сокращения количества технологических операций (вплоть до одной) и трудоемкости изготовления узла;
• изготовления детали без этапа проектирования и изготовления дорогостоящей технологической оснастки;
• значительного сокращение себестоимости и сроков изготовления первых опытных образцов конструкций на этапах НИОКР;
• апробации нескольких вариантов конструкции и обеспечения рентабельности изготовления малых серий;
• внесения изменений в цифровую трехмерную модель конструкции детали на любой стадии проектирования и испытаний;
• изготовления изделия практически в местах их использования, даже в космосе на борту МКС;
• обеспечения экологичности за счет уменьшения до 100% отходов и вредных выбросов в окружающую среду. [8]

В отличии от метода форменного литья этот метод позволяет как выиграть в денежном эквиваленте, так и в временном. Необходимо добавить, что создание сложных поверхностей, например: поверхности лопаток паровых и газовых турбин, компрессоров, лопастей гидротурбин и насосов, крыльчаток, кулачков, роторов, гребенных и воздушных винтов, элементов воздушных судов (фюзеляжа, лонжеронов, закрылок и др.), кузовов автомобилей, технологической оснастки типа пресс-форм, штампов, кокилей и т.п., требует применения особого вида технологий, с которыми максимально минимизируются затраты на время изготовления и на материал. До недавнего времени многие эти поверхности получались или подвергались финишным операциям методами механической обработки со снятием припуска. Однако отходы металла в стружку при этом могут превышать 70 % и составляют порядка 10 % промышленных расходов. В США в стружку уходит 15 млн. тонн металла на сумму свыше $15 млрд. в год. [8]

Аналогом высокоточной обработки можно считать использование станков с числовым программным управлением (станок ЧПУ). Начало использования данных механизмов датируется 1960-1970 года, когда они пришли на смену традиционным станкам. Опыт использования станков с ЧПУ показал, что эффективность их применения возрастает при усложнении конструкций деталей, повышении их точности.

На основе ЧПУ решается проблема круглосуточного использования оборудования, когда в первую смену производство подготавливается, а во 2-ю и 3-ю смены оно работает при малочисленном штате обслуживающего персонала.

На современном этапе развития машиностроения применение станков с ЧПУ стало одним из главных направлений научно-технического прогресса в области механической обработки резанием.

Металлорежущие станки с ЧПУ способны выполнить практически неограниченное число различных согласованных перемещений рабочих органов с определенной точностью и за известное время по заранее заданным командам. Все это создает новые технологические возможности и расширяет их применение, совершенствует производство на новой основе. Оборудование с ЧПУ — это техника, которой принадлежит будущее.

По отечественным и зарубежным данным эффективность от внедрения станков с ЧПУ определяется следующими показателями:

 Числом заменяемых универсальных станков (3 — 8).

 Сокращением количества рабочих (на 25 — 30%).

 Увеличением доли машинного времени в структуре операции и ростом производительности труда (до 70%).

 Снижением трудоемкости изготовления деталей (на 25 — 80%).

 Сокращением сроков подготовки производства (на 50 — 70%).

 Сокращением общей длительности цикла изготовления продукции (на 50 — 60%).

 Экономией стоимости проектирования и изготовления оснастки (от 30 до 80%).

 Уменьшением брака, повышением точности обработки (в 2 — 3 раза), обеспечением взаимозаменяемых деталей.

 Сокращением объема и времени на выполнение разметочных и слесарно-доводочных работ (в 4 — 8 раз).

 Внедрением с начала запуска технически обоснованных расчетных норм.

Особое значение внедрение станков с ЧПУ приобретает при организации гибких производственных систем (ГПС). Их применение в этом случае позволяет обеспечить выполнение двух важных условий:

• гибкость, то есть оперативность перестройки производства на выпуск новых изделий;
• безлюдную технологию, то есть возможность функционирования без дополнительного вмешательства оператора в течение длительного времени (от одной смены до круглосуточного режима работы).

После изготовления партии деталей необходимо провести контроль их качества на предмет допусков. Для быстрого и качественного анализа так же может быть использована технология 3D-мониторинга. Основные преимущества:

• Контроль ведется по всей геометрии, а не только по отдельным размерам. Это крайне важно в случае 3D печати, так как неравномерная усадка, плохая калибровка или неверное расположение поддержек могут привести к отклонениям в тех местах, где их не ожидают. Как следствие, при проверке нескольких габаритных размеров ошибка может себя не проявить, а при дальнейшей эксплуатации выразиться в проблемах при собираемости.
• Исходные данные для контроля уже «под рукой» — это цифровая 3D модель, по которой производится выращивания на 3D принтере. Всё, что необходимо для проведения полноценного анализа геометрии в этом случае, — это 3D сканер и специальная ПО, в которую загружаются результаты 3D-сканирования и исходная 3D-модель (это может быть либо файл CAD-модели, либо та же полигональная модель STL, которая используется для 3D-печати).

Благодаря всеобъемлющей информации, получаемой по результатам контроля с помощью 3d сканера, можно проводить анализ точности процесса 3D-печати изделия в целом и по его результатам вносить конструктивные изменения в модель (менять расположение поддержек, добавлять ребра жесткости и т.п.), в ориентацию объекта в камере и режимы построения и термообработки (особенно актуально, когда речь идет о печати металлических изделий).

Безусловно, необходима графо-геометрическая подготовка персонала, который будет работать с этим современным комплексом. И в этом секторе так же необходима модернизация учебного процесса, которая обусловлена следующим:

• современные технологии проектирования и производства используют в качестве информационной основы при описании изделия его электронную геометрическую модель изделия;
• выпускающие кафедры технических университетов применяют в учебном процессе компьютерные программы для моделирования процессов изготовления и функционирования изделия. При этом технологии построения 3D модели – электронного аналога детали или устройства, а также 2D модели, используемой для документирования проектного решения, выходят за границы предметных областей для старших курсов;
• геометрическая подготовка в современной общеобразовательной школе не ориентирована на то, что выпускник продолжит образование в высшем техническом учебном заведении. [9]

 

Как мы смогли проанализировать, внедрение автоматизированных технологий на несколько порядков повышают качество выпускаемой продукции в короткий срок. Сокращение проектной документации на бумажных носителях, увеличение производительности каждого из подразделений в высокотехнологичной отрасли. Однако, ситуация, образовавшаяся на рынке, требует нашего пристального внимания, так и внимания со стороны государства, которое наиболее заинтересовано в прогрессе этой ветви экономики. Так же следует напомнить о значительной корреляции между системами методов проектирования и оборудованием. Одна лишь модернизация методов не позволит сектору увеличить свой потенциал. Имеет смысл пошаговое внедрение современных систем, на базе которых будет использоваться высокотехнологичное оборудование. Только так можно добиться высокого результата.

Список используемой литературы

1. http://www.tadviser.ru/index.php/Компания:АСКОН
2. http://www.gks.ru/bgd/regl/b16_48/Main.htm
3. Степанова Е.Ю. Наукоемкие отрасли и высокие технологии – основа технологической безопасности и независимости страны // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2014. №2 (304). С. 122-132.
4. Тишкин В.О., Парфенов В.А. Точность создания электронных ЗD-моделей при лазерном сканировании // Научно-Технический «Оптический журнал» №7, стр. 90-90.
5. Юшкин Е.Ф, Методы трехмерного моделирования породных массивов при исследованиях геомеханических свойств и ведении горных работ // ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ, №3 том -2, стр. 293-297.
6. Васильев Г.Г., Лежнев М.А., Леонович И.А., Сальников А.П. Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, Проблемы и перспективы использования наземного лазерного сканирования при обследовании резервуаров // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2016 №1, стр. 21-24.
7. Е.С. Богданец, В.В. Мусихин, Пермский государственный технический университет, Современные методы выполнения обмерных работ и обследования промышленных зданий и сооружений // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология, нефтегазовое и горное дело. 2009 №4.
8. Е.Ю. Степанова, Г.В. Барсуков, Ю.С. Степанов, Прорывные технологии нового поколения формообразования пространственно-сложных поверхностей наукоемких изделий // Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2, стр. 243-249.
9. В. И. Иващенко, Методология адаптивной графо-геометрической подготовки при обучении автоматизированному проектированию // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета, №3(19), 2009, стр. 264-272.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ:

Русских Роман Олегович

Ведущий инженер-конструктор ООО «Нано ПЛК»

Почтовый адрес: 197374, г. Санкт-Петербург, Приморский проспект, дом 52/1, кв. 427

Email: roman_russkikh@yahoo.com

Телефон: +79213952753