Баннер
Баннер
31.03.2015 16:15

Синергия применения суперкомпьютерных современных технологий производства

Автор  Николай Семёнов, Сергей Серёжин, Кирилл Колганов, Александр Мурашов
Оценить
(0 голоса)

На протяжении множества лет основной технологией производства изделий было удаление «лишнего» материала. Технология была актуальной до тех пор, пока изделия производились из недорогих материалов, а экономика стран не была выраженно рыночной. Современные технологии определяются актуальными государственными задачами, которые даже для промышленности подчас являются инновационными. Зачастую актуальные задачи государства также связаны с применением новых материалов с характерными свойствами. Такие материалы довольно дороги в цене, а некоторые выпускаются только под ряд конкретных изделий — по этой причине объекты, создаваемые по старой технологии, за счет утилизации материала при резании стоят чрезвычайно дорого или не могут быть созданы в принципе без применения новых подходов.

С освоением технологии литья, штамповки, сварки и т.п. появилась возможность за меньшее количество технологических операций приблизиться к спроектированной форме изделия.

 

На определенном этапе развития промышленности, несмотря на содержание небольшого объема лишнего материала в таких заготовках, эти технологии все же позволили осуществлять технические прорывы в серийном производстве в течение многих лет. Даже сейчас литье и штамповка занимают одну из основных технологических ниш промышленного производства несмотря на наличие значительных ограничений в отношении допустимой геометрии конечных изделий. Несмотря на достаточно высокий уровень актуальности этих технологий, эволюция производства продолжает стремиться к усовершенствованию способов получения конечных изделий. Сегодня открывается возможность совершить качественный промышленный скачок благодаря сочетанию передовых вычислительных и производственных технологий.

Аддитивные технологии

В 1984 году Чак Халл (Chuck Hull) из корпорации 3D Systems изобрел стереолитографию — процесс послойного отверждения жидких фотополимеров ультрафиолетовым облучением. В патенте 1986 года Халл дал такое определение: «система для построения трехмерных объектов с помощью создания образов поперечных срезов объекта». С тех пор было изобретено и модернизировано много других технологий, основывающихся на данном принципе. Возникло понятие «аддитивные технологии» (additive technology), означающее комплекс подходов к изготовлению изделия путем «добавления» (addition) материала, в отличие от традиционных технологий механической обработки, в основе которых лежит принцип удаления «лишнего» материала из заготовки. Также получил широкое распространение термин «3D-печать».

Если на заре применения аддитивных технологий трехмерная печать использовалась главным образом для изготовления функциональных и демонстрационных прототипов, то в настоящее время ведутся успешные экспериментальные работы по производству подобным способом уже непосредственно конечных изделий.

В настоящее время материалы, пригодные для применения в аддитивных технологиях, не ограничиваются фотополимерами. Сегодня существует промышленное оборудование для трехмерной печати из большого числа металлических сплавов и разнообразных прочных и жаростойких пластиков. Современные литейные формы могут быть отпечатаны из подготовленного песка, зерна которого обработаны специальной смолой. Применяемые материалы позволяют создавать даже конечные функционирующие системы, а с точки зрения возможности реализации конструктивных особенностей с помощью послойного создания объекта можно сформировать внутри него криволинейные полости практически произвольной формы, как имеющие выходы на внешнюю поверхность, так и обладающие полностью замкнутым объемом.

Известно, что корпорация «Боинг» производит некоторые воздуховоды сложной формы целиком с помощью трехмерной печати из пластика. Компания BAE Systems разработала и изготовила с помощью аддитивных технологий ряд деталей для истребителей Tornado, в том числе валы отбора мощности с двигателей. Самолеты Королевских ВВС Великобритании, оснащенные этими деталями, совершают полеты без каких-либо известных осложнений. Также в прессе сообщалось, что американская компания SpaceX установила отпечатанный на 3D-принтере главный клапан подачи окислителя в один из девяти двигателей Merlin 1D ракеты Falcon 9, успешно запущенной 6 января 2014 года. При этом изготовление детали новым способом заняло менее двух дней, тогда как типичное время производства с помощью литья составляло месяцы.

Аддитивные технологии имеют много преимуществ. Для создания изделия на 3D-принтере не требуется разработка дорогостоящих литейных форм, матриц и пуансонов или какой-либо другой оснастки — поэтому штучные изделия получаются дешевле и появляются на свет намного быстрее, чем при изготовлении традиционными способами. Эта же особенность 3D-принтеров делает их эффективным инструментом для изготовления прототипов изделия в процессе его разработки. Изделие производится с высокой точностью — точность большинства современных промышленных 3D-принтеров находится на уровне нескольких десятков микрометров.

Другой важной возможностью, которую предоставляют некоторые из аддитивных методов, является создание изделий с градиентным переходом материала. В 2014 году НАСА изготовила опору для монтирования на спутнике зеркала с помощью послойного нанесения металлического порошка на вращающийся стержень, порошок спекался лазерным лучом. При этом состав подаваемого материала постепенно заменялся от оси создаваемой детали к ее краям. Такие методы позволяют создавать монолитные детали с вариацией механических, термических и магнитных свойств в разных частях изделия.

Аддитивные технологии, их инфраструктура и высокопроизводительные вычисления

Модернизация всей производственной цепи позволяет достичь той цели, которую ставит перед собой государство — инновационное развитие. Усовершенствование всех производственных этапов во всех рыночных отраслях при поддержке государства позволяет вывести на рынок множество высококачественных конкурентных продуктов и достичь замещения импортных аналогов. На практике для сокращения сроков достижения целей оказалось недостаточным развить один процесс из технологической цепочки. Например, за последние годы в конструкторские бюро РФ глубоко и эффективно проникли методики численного моделирования на этапе проектирования изделий. Актуальным становится расширение области внедрения высокопроизводительных вычислений на производстве. Сегодня наиболее передовые возможности современных производств и технологий уже всегда основываются на результатах ресурсоемких вычислений.

Сегодня первоочередной задачей суперкомпьютерных технологий в производстве является исполнение вспомогательной функции – осуществление упрощенного внедрения новых, в т. ч. аддитивных технологий, которые все чаще рассматриваются как перспективные.

Даже на существующем уровне развития аддитивных технологий без инженерных расчетов и ускоряющих их параллельных вычислений обойтись невозможно. Если на двух- или трехосевом токарном станке умелый мастер может выточить деталь, читая бумажный чертеж, то при использовании многофункционального четырех- и пятикоординатного станка, способного фрезеровать сложные криволинейные поверхности с высокой точностью и скоростью, без цифровой модели уже не обойтись. Для аддитивного производства наличие виртуальных электронных моделей изделия является безусловной необходимостью. Например, модель изделия может быть построена конструктором с нуля в CAD-пакете. Однако все более важным становится подход, связанный с реверсинжинирингом, локальной оптимизацией геометрии или свойств изделия. Для оперативного и эффективного применения таких подходов исходный физический прототип изделия оцифровывается по технологии 3D-сканирования и, при необходимости, — фотограмметрии. В результате этого формируется специфическая электронная модель изделия — так называемое «облако точек», представляющее собой множество точек с конкретными пространственными координатами. Чем выше разрешение сканирования, тем точнее возможно передать геометрическую форму изделия, но тем больше оперативной памяти и вычислительных ядер требуется. Актуальные требования к оцифровке изделия уже не позволяют осуществить этот процесс на обычных мощных ПК.

«Облако точек» может быть импортировано в CAD/CAM/CAE-системы, и на его основе может быть построена «привычная» цифровая трехмерная модель для ее последующей оптимизации, инженерной доработки и взаимной адаптации модели и технологических процессов аддитивного и традиционного производства. Эти процедуры связаны с цепочкой расчетов, сложность которых быстро возрастает при увеличении размеров сканируемой детали, повышении сложности ее формы, а также увеличении разрешения сканирования, что в качестве инструмента расчета требует суперкомпьютер.

Сами по себе задачи инженерной оптимизации геометрии изделия также требуют существенных вычислительных ресурсов, особенно когда речь идет об объектах больших размеров или сложной формы. Также это верно для деталей, работающих в сложных условиях со значительными напряжениями, градиентами температур и т.п. — в этом случае в расчетах приходится применять подробные расчетные сетки, что приводит к быстрому росту необходимой для расчетов оперативной памяти и вычислительных мощностей.

Накопляемая со временем база знаний позволит перейти к разработке нового аддитивного оборудования с более высокими показателями точности, для чего необходимо решить ряд вычислительных научно-исследовательских задач, представляющих значительную сложность.

Во-первых, необходимо разработать методы получения еще более мелкозернистых порошков различных пластиков и металлических сплавов, при этом интерес представляют различные варианты формы зерна. Необходимо учитывать, что однородность формы и состава гранул порошка крайне важна для обеспечения качества конечного изделия. Более того, для достижения заявленного производителем уровня качества конкретное аддитивное оборудование настроено на строго определенные параметры исходного порошкового материала, и в большинстве случаев применение сырья с другими параметрами приводит к значительным искажениям производимых деталей или полной их непригодности к использованию. Разработка более совершенных методов получения мелкодисперсных порошков различного состава, зерен различных форм сопряжена с обстоятельными исследованиями и численными экспериментами в области материаловедения. Однако только опытным путем получения изделий можно определить требования к формам и размеру зерен порошка материала.

Кроме развития методов промышленного производства сырья актуальными являются вопросы более совершенного управления свойствами производимых изделий, особенное значение они имеют для послойного производства композитных и градиентных материалов. Эти задачи требуют применения более точных и ресурсоемких физико-математических моделей, которые описывали бы процессы, происходящие при спекании в единое целое гранул порошков, в том числе представляющих собой многокомпонентные смеси.

Эти исследования тоже невозможно представить себе без значительных численных экспериментов.

В частности, в 2014 году Министерство энергетики США выделило грант компании AltaSim на разработку инженерного пакета для обеспечения аддитивного производства, который должен работать с применением высокопроизводительных вычислений.

В итоге в рамках современного производства присутствует необходимость использования вычислительных ресурсов на всех стадиях процесса. Вычислительные ресурсы требуются и для построения исходной цифровой модели по облаку точек, полученных при трехмерном сканировании исходного объекта.

Требуются они и для задач инженерной оптимизации, и для анализа соответствия между измерениями конечного изделия и его оптимизированной цифровой модели. Фактически для аддитивного производства необходимо внедрение и использование комплексного интегрированного решения, включающего целый ряд программно-аппаратных средств, интегрированных с поддерживающим аддитивные технологии промышленным оборудованием.

Можно предположить, что сохранение существующих тенденций приведет к более глубокому проникновению суперкомпьютерных решений малого и среднего класса в производственные структуры.

Реалии и перспективы взаимодействия производственных и вычислительных технологий в России

Аддитивные технологии и соответствующее оборудование развиваются в мире уже около 25 лет. В России только в последние годы серьезно обратили внимание на применение этих технологий.

Для достижения максимальной синергии вычислительных технологий и методов аддитивного производства необходима тесная интеграция в единый комплекс аппаратных вычислительных ресурсов, профильного программного обеспечения, производственных мощностей и ряда околопроизводственных компетенций. Для обозначения концепции подобных интегрированных структур в мире применяется понятие «цифровое производство».

Цифровое производство обладает рядом значительных преимуществ. Применение технологий, методов и инструментов численного моделирования, находящихся в едином комплексе с автоматизированным оборудованием аддитивного производства, облегчает оптимизацию технологических процессов и ускоряет выпуск готовых изделий (рис. 1).

Важным достоинством цифрового производства является возможность оказания полного спектра производственных и сопутствующих услуг, сопровождая процесс разработки и изготовления изделий от начала до конца. В этот спектр входит: трехмерное сканирование образцов; численное моделирование и инженерная многокритериальная оптимизация на суперкомпьютере; трехмерная печать песчаных литейных форм; изготовление конечных изделий любой сложности из пластика, металлических сплавов и композитных материалов с помощью аддитивных технологий; производство отливок и заготовок с помощью высокоточного литья; неразрушающий контроль качества геометрии и внутренней структуры продукции с помощью трехмерных сканеров и томографов; разработка сопроводительной технической документации на продукцию и сертификация изделий в соответствии с требованиями нормативных документов (рис. 2).

Ожидания от применения описанных комплексных подходов в мире довольно высоки. Доступные к настоящему моменту сведения выглядят весьма многообещающими. Например, результаты проведенного компанией CIMdata исследования говорят о том, что компаниям, перестроившим работу в соответствии с принципами цифрового производства, удалось снизить время вывода продукта на рынок на 30%, повысить производительность на 15%, снизить себестоимость продукции на 13%, сократив затраты на оборудование на 40%. При этом дается оценка, что срок возврата инвестиций составил в среднем несколько месяцев, и выгоды от перехода на новые производственные технологии в годовом исчислении превысили сделанные инвестиции в пять—десять раз.

Первые точки роста и распространения цифровых производственных технологий в России уже начинают появляться. В Уфе функционирует центр, который в том числе занимается аддитивным производством непосредственно промышленных деталей, применяя в качестве технологии 3D-печать из металлических порошков. В настоящее время ООО «Проектно-инжиниринговая компания» создает Центр цифровых технологий в Казани. Проект реализуется при активном содействии представителей Министерства экономики и развития РФ, Министерства экономики Республики Татарстан, Министерства промышленности Республики Татарстан. С первого квартала 2015 года запланировано оказание части спектра услуг цифрового производства, а на последующих этапах развития Центра планируется постепенный выход на оказание полного спектра данных услуг. Известно, что на начальных этапах развития Центра основными потребителями создаваемой конечной продукции станут предприятия таких отраслей промышленности, как авиастроение, вертолетостроение, судостроение, космическая отрасль, автомобилестроение, двигателестроение и приборостроение. Однако, учитывая мировой опыт гораздо более широкого отраслевого распространения аддитивных производственных технологий, в будущем можно предполагать активное участие Центра в распространении инноваций и в других отраслях отечественной промышленности. Бытует мнение, что сочетание аддитивных и вычислительных технологий всерьез и надолго займет существенную нишу в отечественной промышленности и послужит существенным рычагом дальнейшей трансформации и интенсивного развития российской промышленности.

Еще в этой категории: Пейзаж с оленем и вертолетом »

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Новости

Календарь материалов

« Марта 2017 »
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
    1 2 3 4 5
6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18 19
20 21 22 23 24 25 26
27 28 29 30 31