ПрактикаМир технологий

Аддитивное производство и другие плюсы цифровых промышленных технологий

Алексей Панишев | 29.10.2020

Аддитивное производство и другие плюсы цифровых промышленных технологий

Согласно недавнему исследованию трендов на рынке цифрового производства, среди двух тысяч руководителей производственных предприятий по всему миру, сегодня компании активно инвестируют в передовые решения промышленных цифровых технологий: в частности, 85% производственных компаний планируют увеличить инвестиции в аддитивное производство или, проще говоря, 3D-печать.

«Технологии 3D-печати рассматриваются как способ не только снижения затрат и ускорения выхода продукции на рынок, но и как уникальное конкурентное преимущество, которое упрощает доступ к инновациям для потребителей, — отмечает вице-президент и генеральный директор региона Восточная Европа компании HP Inc. Алексей Воронков. — В будущем благодаря аддитивному производству будут трансформированы целые отрасли, уже сегодня ведущие организации в сфере здравоохранения, автомобилестроения и ритейла активно используют возможности 3D-печати, пересматривая традиционный подход к организации бизнеса».

Термин «субтрактивный», то есть получаемый удалением части из заготовки, даже по смыслу звучит менее привлекательно, чем «аддитивный» — получаемый прибавлением. Но уже первые орудия, которые начал изготавливать человек (еще не разумный, не Homo sapiens), получались именно благодаря субтрактивному производству: с подходящего булыжника скалывали отщепы другим камнем, чтобы получить удобную форму и острый режущий край.

Так и пошло развитие промышленности: каждый раз проще оказывалось сперва произвести заготовку, а потом убрать с нее все лишнее. Вытачивание всевозможных втулок, нарезание резьбы на болты и гайки, раскрой металлического листа на фрагменты, которые затем свариваются, спаиваются или как-то еще собираются воедино, — стандартный индустриальный метод. Однако есть ли смысл слепо хранить ему верность в современных условиях, когда стремительная эволюция технологий 3D-печати делает аддитивное производство ощутимо более привлекательным, чем субтрактивное?

Дышите!

В самом начале коронавирусной пандемии стало понятно: у тяжелых пациентов в первую очередь поражаются легкие, и потому решительно необходимо подключать их к аппаратам искусственной вентиляции (ИВЛ) или хотя бы к стандартной для многих больниц сети подачи кислорода непосредственно к койкам. Но просто так вдувать кислород в дыхательные пути больного немыслимо – необходима тонкая плавная регулировка скорости потока живительного газа. Для этого чаще всего применяют трубку или клапан Вентури — устройство, сравнительно простое в изготовлении, но нуждающееся в микронной точности обработки внутренних поверхностей. К тому же принципиально одноразовое, дезинфекции и повторному использованию оно не подлежит: каждый пациент, подключаемый к кислородной магистрали, должен снабжаться персональным респиратором с собственной трубкой Вентури.

Как и подавляющее большинство прочих разновидностей вентилей, изобретенных человечеством, клапан Вентури чаще всего изготавливают субтрактивным способом, применяя множество операций: прессовку, пайку, шлифовку. Производственные компании поставляют в больницы сертифицированные клапаны Вентури за немалые суммы и резко наращивать их производство обычно не готовы: работа тонкая, кропотливая. Нехватка клапанов дорого обошлась населению планеты, и в особенности Западной Европы с ее довольно компактными больницами, не рассчитанными на авральное развертывание дополнительных коек. И когда в марте т. г. госпиталь итальянского городка Кьяри в провинции Брешиа испытал такую нехватку, проблему взялся решить инженерный стартап Isinnova.

img

Используя сравнительно простой 3D-принтер, стартаперы создали по разработанной буквально за одну ночь модели прототип клапана и привезли его в госпиталь. «Нам таких нужно сто, и чем скорее, тем лучше», — сказали врачи, испытав изготовленную по аддитивной технологии трубку Вентури в деле. Как выяснилось, это не проблема – был бы только в наличии пластик для принтера. Isinnova быстро развернула выпуск до сотни клапанов в сутки, причем каждый априори соответствовал требуемым стандартам благодаря цифровому контролю качества, который непрерывно реализует сам 3D-принтер в процессе работы. При себестоимости не более €2-3 эти клапаны оказались поистине бесценны и в итоге помогли спасти жизнь многим.

Еще один важный плюс аддитивных технологий, проявившийся в истории с трубками Вентури, — их невероятная гибкость. И респираторы, и вентили кислородных магистралей, с которыми соединяются клапаны, могут иметь различные диаметры и резьбу. Не составляет ни малейшего труда внести небольшие изменения в цифровую модель клапана, чтобы 3D-принтер изготовил по ней деталь, гарантированно совместимую с сопрягаемым медицинским оборудованием. Причем обойдется один такой клапан в одну и ту же сумму вне зависимости от того, две штуки закажет их госпиталь, два десятка или две тысячи. Переналадка же субтрактивных станков, даже таких передовых, как экструзионные, для производства тех же самых клапанов из полимеров классическим, аналоговым способом тоже возможна. Но в малых партиях себестоимость готовых деталей, ради которых придется создавать новые пресс-формы, неизбежно выходит запредельной.

Компания НР, признанный лидер в разработке технологий 3D-печати, внесла немалый вклад в борьбу с коронавирусом. На специально созданной странице размещались (и до сих пор доступны) проектные файлы защитных масок класса защиты FFP3, фиксаторов для масок, лицевых щитков, тупферов для взятия проб из носовых полостей, механизмов для бесконтактного открывания дверей, компонентов для респираторов — и прочих необходимых для медиков объектов, которые дешевле и проще изготовить на 3D-принтере на месте, чем заказывать с централизованного склада и ждать — в надежде, что они не придут слишком поздно.

img

Сила в единстве

Аддитивные технологии позволяют снять все перечисленные проблемы разом — и не только при изготовлении медтехники. Так, немецкий автоконцерн Volkswagen Group в партнёрстве с HP Inc. и GKN Powder Metallurgy осуществляет многолетний план в области совместной разработки деталей и их производства. В Bentley Motors Ltd. почти каждая деталь будущего автомобиля изначально создается в миниатюре благодаря 3D-принтерам, а новый тормозной суппорт Bugatti для гиперкара Chiron и вовсе был напечатан на 3D-принтере из титанового сплава, обычно используемого в авиационных или ракетных двигателях.

img

Значит ли все вышесказанное, что субтрактивным промышленным технологиям самое время отправляться на свалку истории? Вовсе нет: ни ковш роторного экскаватора, ни корпус космической ракеты методом 3D-печати пока создать нереально. Более того, огромное множество приборов и механизмов содержат в себе разнородные элементы, которые непременно должны быть изготовлены из различных материалов. И если даже каждый фрагмент такого устройства по отдельности допускает производство на 3D-принтере, собирать их воедино пока что приходится вручную.

Хотя зачем же вручную? Роботизированная сборка (и тут уже не имеет значения, каким образом изготовлена та или иная деталь) сегодня переживает стремительный расцвет. В автомобильной промышленности уже до 80% всех операций на конвейере производится без участия человека, на очереди – отрасли добычи и переработки полезных ископаемых, строительная и производственная индустрия в самом широком смысле слова. Интеграция аддитивных технологий и возможностей автоматизированной сборки различных элементов, как исполненных субтрактивными методами, так и посредством 3D-печати, дает возможность промышленным автоматам за считаные минуты собирать в единую конструкцию детали. Эти детали состоят одновременно из металлических, пластиковых и иных материалов и могут быть объединены в сложносоставные конструкции.

Главный плюс такого автоматизированного производства с привлечением 3D-печати — простая и дешевая возможность его модификации. В зависимости от пожеланий заказчика предприятие может на одном и том же оборудовании изготавливать достаточно сильно отличающиеся по массогабаритным характеристикам сложносоставные изделия, которые в традиционной промышленности требовали бы развертывания производственно-сборочных линий для каждой серии в отдельности. В условиях чрезвычайной динамичности современного рынка и непрерывного совершенствования технологий сверхгибкая производственная линия становится выгодным объектом для инвестиций и основательной базой для еще большего ускорения технического прогресса.

img

Совместно с Siemens компания HP в настящее время работает над созданием комплексного решения для аддитивного производства. Строится это решение на платформе 3D-печати и аналитики HP и включает новую систему 3D-печати HP Jet Fusion 5200 Series в сочетании с портфолио программных продуктов Siemens Digital Enterprise для цифрового предприятия. Совместная экспертиза HP и Siemens, создавая эффект синергии, помогает заказчикам быстро и без лишних затрат разрабатывать уникальные продукты, ускорять вывод на рынок высококачественных 3D-печатных деталей и в целом координировать условия для наиболее полной реализации потенциала аддитивного производства.

Помимо новых 3D-принтеров и ПО для них, НР активно работает над совершенствованием материалов для аддитивного производства. Так, совместно с немецким гигантом химической промышленности BASF компанией создан новый полипропилен для многократного применения: универсальный, прочный, устойчивый к химическому воздействию. Он не просто подходит для производственных систем 3D-печати HP, но и отвечает всем требованиям автомобильной, потребительской, промышленной и медицинской сфер, а также помогает оптимизировать расходы и увеличить производительность. В тех же ситуациях, когда необходим материал прочнее полипропилена, НР предлагает использовать металлический порошок и предназначенные для работы с ним 3D-принетры HP Metal Jet. Компания Cobra выбрала именно эти аддитивные производственные машины для выпуска своего нового инвентаря для игры в гольф, повысив в результате свою производительность и удовлетворив самым высоким запросам игроков.

Нас не обманут

Безудержное развитие производственной базы в самых отдаленных уголках мира имеет такой негативный побочный эффект, как повсеместное торжество контрафакта. Невзирая на все усилия законодателей и таможенных служб, поддельные высокотехнологичные устройства, предметы одежды и обуви, аксессуары и драгоценности по черным и серым каналам так или иначе поступают даже в наиболее горячо борющиеся за охрану интеллектуальной собственности страны.

С подделкой банкнот, облигаций и прочих ценных бумаг производители высококачественных цветных принтеров научились справляться давно: их распечатки сопровождает незаметный глазу (обычно выполненный желтой краской) микрошрифт либо цифровой код, включающий серийный номер принтера, что дает возможность быстрее идентифицировать горе-фальшивомонетчиков. Теперь, благодаря микронным допускам, с которыми изготавливаются 3D-печатные объекты, аналогичный по сути, но объемный микрошрифт можно интегрировать прямо в текстуру любого продукта, созданного аддитивным методом. Это не QR-код на упаковке товара, который не составляет труда закрасить или перерисовать, – теперь по самой поверхности детали или устройства могут быть рассредоточены бесчисленно повторяющиеся данные о дате и месте ее выпуска, технических условиях производства, соответствии нормативным требованиям и т. п.

Ради будущего

Упомянутое в самом начале исследование свидетельствует: технологии цифрового производства стимулируют экономический прогресс и способствуют повышению гибкости предприятий. Более того, развитие инноваций трансформирует целые отрасли: так, 91% опрошенных руководителей интересуется технологиями массовой кастомизации и считает, что их можно эффективно использовать в бизнесе, если персонализировать детали с помощью 3D-печати/аддитивного производства. Аддитивные технологии открывают новые возможности для совместной работы и взаимодействия: для 85% руководителей важное значение имеет сотрудничество между секторами для внедрения новых цифровых технологий производства, а 81% руководителей отмечает, что их компании планируют в будущем сотрудничать с государственными учреждениями в области цифрового производства.

img

В сложившихся ныне экономических условиях устойчивое, экономное производство будет по-прежнему иметь для бизнеса первостепенное значение. Субтрактивные же технологии по сути своей избыточны. Невозможно в условиях свободного рынка сразу в точности оценить, сколько заказчикам потребуется тех или иных товаров, какого фасона и цвета — особенно с учетом жесткой конкуренции, когда схожие по сути продукты готовы предлагать десятки и сотни компаний.

Поэтому товар сперва заведомо производится в избытке, а потом продается — уж столько, сколько выйдет. Перепроизводство рождает массу проблем: чрезмерное потребление ресурсов планеты, избыточные выбросы в атмосферу, необходимость утилизировать оставшуюся невостребованной продукцию и т. п. Более того, субтрактивное производство централизовано —поэтому едва ли не треть в общем объеме антропогенных выбросов углекислого газа в мире сегодня приходится на перевозящий огромные массы продукции транспорт.

Переход к преимущественно аддитивному производству позволяет сначала продавать товар, а затем уже его выпускать. Потребитель получает возможность — благодаря виртуальной и дополненной реальности — в деталях ознакомиться с предполагаемой покупкой и выбрать наиболее подходящие для себя ее характеристики. После чего на автоматизированной фабрике (либо прямо в магазине, превращенном де-факто в выставочный центр доступной продукции) будет изготовлен в точности соответствующий ожиданиям данного клиента экземпляр товара. И все это без необходимости загромождать склады предварительно произведенным широким ассортиментом схожих по сути продуктов, без нужды развозить их затем железнодорожными составами и большегрузными фурами в магазины.

img

В более отдаленной, но также вполне реальной перспективе аддитивное автономное производство снимает еще и проблему избыточной централизации промышленности. Пример КНР, которая стала в 1990-е «всемирной мастерской», а к исходу 2010-х осталась с развитой сетью промпредприятий, нередко загруженных выпуском реальных товаров меньше чем наполовину, весьма показателен. Прежде капитал следовал за рабочей силой: где она дешевле — там было выгоднее строить заводы и фабрики. Унифицированные же модульные производства на основе 3D-печати с автономным управлением можно будет, словно киоски фастфуда, развертывать практически на любой локальной площадке. Работать они станут по цифровым моделям, создаваемым в центральном офисе головной компании, и включаться только после оформления очередного персонифицированного заказа. Затраты на логистику сократятся самым драматическим образом, а покупательская удовлетворенность возрастет.

Еще более она будет расти по мере того, как дальнейшее развитие аддитивных технологий позволит осваивать всё новые материалы и применять 3D-печать к новым областям промышленного производства. Цифровое моделирование благодаря облачным технологиям и виртуализации станет доступно не только для задач ядерной физики или авиастроения, решаемых сегодня на суперкомпьютерах, но и при испытании «цифровых двойников» буквально любой промышленной продукции – от кроссовок с новым типом демпфирующего материала в подошве до дрона или электромобиля со сверхлегкими корпусами.

В результате еще до овеществления, до вывода на 3D-печать и натурных испытаний, потребительские товары удастся достоверно проверить на прочность, долговечность и соответствие заявленным характеристикам — всё на уровне цифровых моделей, без дополнительных затрат и негативного воздействия на природу. И это лишь начало — ведь цифровые технологии по-настоящему начинают приходить на производство только сейчас!

3D-печать, производство

Журнал: Журнал IT-Expert [№ 10/2020], Подписка на журналы


Поделиться:

ВКонтакт Facebook Google Plus Одноклассники Twitter Livejournal Liveinternet Mail.Ru

Также по теме

Другие материалы рубрики

Мысли вслух

К намекам Gartner о том, что пора бы AI перестать тратить и начать зарабатывать, добавляются требования суровой действительности о необходимости быстрой адаптации к изменениям и скорости принятия решений в условиях растущей конкуренции.
Так что же получается, умение через туман будущего увидеть сверкающий маяк желанной цели и показать его другим, чтобы зажечь их сердца и направить их в нужном направлении, – это и есть самый полезный навык, который неподвластен ни времени, ни новым технологиям?
Несколько человек из пришедших на курс оказались ярыми противниками любых стандартов, методик и лучших практик. Причем подавали своё неприятие под соусом «я – практик с более чем десятилетним опытом».

Компании сообщают

Мероприятия