Современный человек, тем или иным образом связанный с производством, не понаслышке знает о происходящих изменениях в промышленности в соответствии с концепцией Индустрии 4.0, направленных на то, чтобы быстро, удобно, вариативно, максимально безлюдно и близко к потребителю получать конкурентоспособную продукцию. Сейчас сложно представить производителей, разработчиков систем, промышленных интеграторов без линейки своих продуктов, подходов и решений в контексте новой технологической революции. Одним из ключевых драйверов Индустрии 4.0 являются аддитивные технологии, которые, по мнению экспертов, способны и должны встать в один ряд с традиционными, а в не очень отдаленной перспективе – заменить, по крайней мере, половину имеющегося станочного парка. О том, что сдерживает активное потребление предприятиями промышленных 3D-принтеров, говорится немало, но первое ограничение – неготовность самих предприятий переосмыслить, «реинженирить» свое производство, поставить на рельсы умных технологий.
Безусловно, это сложно, а зачастую, при имеющемся кадровом составе, – почти невозможно. Нужна опытная команда, способная с системным инженерным подходом реализовать сложные проекты, соответствующие инвестиции. Что говорить, реализовать такое под силу лишь немногим даже крупным зарубежным компаниям (среди них, например, General Electric, Siemens, многие автоконцерны), а в России это сделать еще сложнее.
Тем не менее, в России не хотят отставать от западных разработок и инвестируют в научный потенциал, программные решения, а также оборудование полного цикла аддитивного и околоаддитивного производства. Например, в рамках дорожной карты «Технет» по развитию кросс-рыночного направления Национальной технологической инициативы на базе Института передовых производственных технологий Санкт-Петербургского политехнического университета, НПО «Сатурн», «Сколтеха» и других организаций активно развиваются концепции цифровых, «умных» и виртуальных фабрик будущего с тем, чтобы отмоделировать и получить в реальности площадки цифрового проектирования и моделирования продукции нового поколения. Мощная государственная поддержка проекту, а также состав заслуженных и опытных экспертов внушает определенный оптимизм.
Ну а пока Россия с переменным успехом ведет разработку и опытную эксплуатацию обсуждаемых систем, западные компании всерьез взялись за промышленную реализацию фаб-рик будущего в контексте аддитивного производства. Что и каким образом им в этом плане удается?
Первое, что осваивает любая компания, предлагающая промышленные аддитивные системы или доступные 3D-принтеры, – это, конечно, саму технологию и линейку отдельных устройств. К слову, на данный момент коммерчески успешных промышленных технологий не так много: SLA, FDM, SLS, DMLS/SLM, EBM, LMD/DED/LENS, EBAM, PJP, DLP, Inkjet.
Отработали технологию, предложили оборудование с требуемыми размерами, моделированием, материалами, производительностью – получили армию лояльных клиентов в лице частных лиц, вузов, участников НИИР, предприятий, клиник, сервисных бюро. Мы не будем говорить о совершенствовании систем – это процесс обязательный и постоянный.
Следующий шаг в развитии оборудования, если разработчик готов работать с серийными производствами, – создание установок для автоматизированного или роботизированного производства. Здесь уже не обойтись без организации производства с автоматизированными комплексами, гибкими производственными системами (ГПС) с широким набором конфигураций или киберфизических систем.
Отдельного внимания заслуживает вопрос цифрового обеспечения рабочего процесса с использованием аддитивных технологий. Например, проектирование деталей специально под аддитивное производство DfAM (англ. Design for Additive Manufacturing) находится на ранней стадии развития. Специалистам, отвечающим за процессы работы с технологиями 3D-печати, приходится практически вручную стыковать отдельные этапы и процессы: разработку изделий, инженерный анализ, оптимизацию конструкции, тепловые расчеты и т.п. Таким образом теряется время и возникает высокий риск ошибок. Стандарты существующих PLM решений сейчас не готовы управлять информацией об аддитивных изделиях. Приблизить готовность производства к формату Индустрии 4.0 можно при синергии информационных и физических объектов. Это прекрасно понимают разработчики промышленных систем и плотно сотрудничают с софтверными компаниями для реализации полноценной цифровой экосистемы будущего производства.
Известная компания Stratasys уже несколько последних лет успешно тестирует новый класс автоматизированных устройств, так называемых демонстраторов Индустрии 4.0, – того, как ведущий производитель аддитивного оборудования видит производство будущего.
Например, демонстратор Infinite-Build 3D (H2000) позиционируется компанией для производства крупногабаритной оснастки и конечных изделий по FDM технологии.
Это передовое устройство отличает высокая точность, повторяемость, скорость (превосходящая самые продвинутые установки Fortus технологии FDM в 10 раз), возможность построения изделий практически без ограничения по габаритам, а также мультиматериальное производство из гранулированных материалов с возможностью их замены «на лету». Уже сейчас такие установки используются в Boeing и Ford Motor Company.
Еще один многообещающий концепт компании Stratasys – демонстратор Robotic Composite 3D. Здесь уже используется гибридный метод изготовления деталей из композитных материалов (например, из угленаполненного Nylon 12), который является одним из наиболее перспективных направлений развития технологий 3D-печати.
В ячейках замкнутого цикла одновременно будут работать аддитивные и субтрактивные технологии, а функции нормоконтроля возложены на специально запрограммированного для этого робота. Такое оборудование сможет эффективно использоваться в авиационной, автомобильной промышленности с целью производства более легких деталей для увеличения топливной эффективности транспортных средств, а также в медицине и энергетике.
Следующий демонстратор Stratasys – Continuous Build. Это пример масштабируемой платформы для любого типа производства: НИОКР, учебной практики или производственного бизнеса. Платформа построена на основе ячеек-камер с индивидуальным «облачным» управлением. Такие устройства строятся в зависимости от поставленных задач: от исследовательских работ до низкосерийного многономенклатурного производства.
Здесь Stratasys максимально близко приблизилась к воплощению концепции Индустрии 4.0. – создана не зависимая от оператора, саморегулирующаяся «облачная» платформа, способная самостоятельно осуществлять планирование задач в зависимости от текущей загрузки каждой ячейки.
Помимо Stratasys, автоматизированными решениями занимаются и многие другие компании, например, ARBURG, 3D Systems, Coobx, Formlabs, преимущественно в направлении термопластиков и светоотверждаемых акриловых смол.
Отдельно хотелось бы отметить работу в направлении автоматизации и роботизации производства компаний, производящих оборудование для печати из порошковых металлов. Здесь активно проявляют себя компании AddUp, Concept Laser, EOS, Renishaw, SLM Solutions, Additive Industries, RPM (Okuma + Fastems + RPM), BeAM и другие. Одни из них работают над модульными системами, способными взаимодействовать друг с другом, начиная от первичных задач работ по подготовке порошка и заканчивая термическими операциями по снятию напряжений в изделии и автоматическому или полуавтоматическому удалению поддержек. Другие же активно развивают полностью закрытые системы со всем необходимым оборудованием, способные быстро разворачиваться в требуемых для производства помещениях. Последние проиллюстрируем следующим примером.
Michelin, ведущий производитель покрышек – наверное, единственная компания, которая смогла за более чем десятилетний срок собрать по крупицам различные технологические решения и организовать автоматизированное серийное производство с использованием аддитивных технологий. В компании с 2000 года используют технологию селективного лазерного сплавления мелкодисперсионного (6 – 8 мкм) порошка для 3D-печати ламелей для литейных форм, которые невозможно воспроизвести по традиционным технологиям. Это позволяет поднять качество конструкции оснастки и конечной продукции на недостижимый ранее уровень: за счет использования «напечатанных» ламелей оснастки тонкостенные внутренние канавки шин имеют сложный профиль, что весьма положительно сказывается на их потребительских свойствах.
- подготовку, загрузку и выгрузку порошка в рабочую зону 3D-принтеров;
- производство посредством технологии селективного лазерного сплавления на одно- или двухлазерных системах;
- выгрузку заготовок ламелей на платформе из зоны построения;
- ультразвуковую мойку заготовок ламелей;
- снятие ламелей с платформ;
- финишную постобработку;
- контроль качества.
Угол печати без поддерживающих структур может составлять 15 градусов (эти цифры по достоинству оценят специалисты по 3D-печати), что возможно именно за счет использования мелкодисперсионных порошков.
Особо сложным делом, со слов разработчиков автоматизированной линии, было добиться высокой повторяемости результатов и надежности работы оборудования. Добавим к этому специально спроектированные механизмы для взаимодействия между «разношерстными» технологическими модулями, программное обеспечение для подготовки, верификации данных, а также систему управления заказами и контроля. Реализовать подобное производство стало под силу благодаря сплоченной команде энтузиастов, для которых выполнить такую системно-инженерную задачу стало делом профессиональной чести.
Благодаря полученному компанией Michelin опыту работы с аддитивными технологиями совместное предприятие Fives Michelin Additive Solutions, созданное в 2016 году и расположенное в Клермон-Ферране, стало разрабатывать и поставлять промышленные технические решения для 3D-печати под маркой AddUp. Например, инновационная разработка AddUp – это мобильные производственные системы FlexCare, обеспечивающие высочайший уровень охраны труда и защиты окружающей среды. Гибко конфигурируемая под требования технического задания заказчика система позволяет организовать безопасное производство на основе мелкодисперсионных порошков практически в любом производственном помещении.
Что касается оценки степени зрелости сегодняшней 3D-печати, компании-пионеры аддитивных технологии в настоящее время работают над «шлифовкой» своих решений и инвестируют в проекты по оснащению фабрик будущего. Такие продвинутые решения объединяют целый ряд технологий, позволяя получить на выходе комплексные многофункциональные ячейки с возможностью быстрого изменения под текущие рыночные условия.
Как известно, разработчики и последователи методологии Индустрии 4.0 выбирают передовые решения с ориентацией на цифровые технологии, а 3D-печати отводят отдельное место, как основному драйверу физического изготовления продукции. Ведь любая технология для производства должна опираться на оборудование, а цифровая технология будущего – на оборудование будущего, в котором главное место отводится максимальной гибкости и ориентации на мелкосерийное производство большой номенклатуры, или другими словами – позаказному единичному производству.
Хотя при всех своих многочисленных преимуществах 3D-принтеры до сих пор лишь немногими компаниями воспринимаются как бизнес-инструмент, способный поменять подходы к технологии и качественно изменить конечную продукцию, все-таки промышленный переворот, при котором аддитивное оборудование действительно начнет вытеснять традиционное, произойдет уже в недалеком будущем.
Группа компаний «Солвер» и входящая в нее фирма «Современное оборудование», использует в работе с клиентами свой и мировой передовой опыт и имеет глубокие компетенции для эффективного внедрения аддитивных технологий. В настоящий переходной период, когда у руководителей предприятий только начинает формироваться понимание концепции Индустрия 4.0, а традиционные подходы по-прежнему удовлетворительно работают, мы можем рекомендовать гибридный подход к освоению цифровым технологий.
Он состоит в создании на основе осмысления сильных и слабых сторон аддитивных и субтрактивных технологий прототипа производства, превосходящего традиционное по ряду факторов. Для тех же, кто готов уже сейчас начать активное использование новых технологий в концепции Индустрии 4.0, мы предлагаем инструменты, многократно доказавшие на практике свою эффективность многими пользователями, как в лице среднего бизнеса, так и транскорпораций мирового уровня.
