Исследование интегрированных генеративных технологий и определение их места в современном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Исследование интегрированных генеративных технологий и определение их места в современном производстве



Введение

Человечество вступило в XXI с оптимистической уверенностью в том, что развитие технологий позволяет решить многие проблемы, с которыми приходится ему сталкиваться, ответить на многие вызовы, касающиеся всех сторон его существования. Этот век в большой мере авансом назван веком технологий.

Окружающий человека мир полон загадок и одновременно гениальных подсказок. Научиться их отгадывать и понимать - значит, добиваться прогресса во всем.

От первого заостренного кола и каменного топора человечество, созидая, реализовывало принцип «от большого к малому», «сверху вниз», т.е. принцип, базирующийся на разделении объемов на полезные и «не нужные части». А растительный мир природа создавала по принципу «от малого к большому», «снизу-вверх», формируя только то, что «нужно» путем послойного наращивания, генерирования.

Осознание всего этого и привело к созданию основ интегрированных генеративных технологий, разработке принципов их реализации в самых различных отраслях - от промышленных до гуманитарных: наука, промышленность, образование, медицина.

В общем разработка и реализация интегрированной технологии, в том числе и генеративной, становится возможной тогда, когда в каждой из интегрируемых областей науки, техники, технологии, материаловедения и т.д. достигнут необходимый новый уровень развития. Так было, например, с созданием синтетических алмазов: теория синтеза предложена академиком О.И. Лейпунским еще в 30-е годы, но лишь к середине 60-х прошлого века достижения материаловедения, кристаллографии, теплофизики, физики и техники высоких давлений и др. создали необходимые условия сначала для лабораторного, а затем и промышленного синтеза алмазов и др. сверхтвердых материалов.

Во временной цепочке традиционного создания продукта - период между возникновением идеи и выходом его на рынок - значительная доля приходится на изготовление моделей, прототипов и образцов изделия. В рамках интегрированных технологий задача значительного сокращения этой доли решается наиболее успешно. Все это требует изменения идеологии проектирования и изготовления изделий. В сочетании с возможностями многокоординатной обработки генеративные технологии снимают все ограничения по сложности конструкции и создают широчайшие предпосылки для кардинального совершенствования производства, резкого сокращения времени изготовления и затрат.

Все эти составляющие единого процесса имеют общую идеологию и принципы, в основе которых лежит прямой переход от 3D CAD образа непосредственно к изделию без применения оснастки, инструмента, технологических сред и т.д. Трехмерное твердое тело (изделие) получают генеративным путем. Например, на первом этапе образ изделия задается аналитически, чертежом, файлами компьютерных томограмм или фотографиями. На этой основе создается математическая трехмерная модель конструкции объекта; виртуальный инжиниринг позволяет оптимизировать конструкцию по тем или иным критериям; далее трехмерная математическая модель послойным наращиванием материализуется (полимер, керамика, бумага, металл и др.).

В данном исследовании излагается концепция трех уровней генеративных технологий. Оно базируется на сконцентрированном обобщении информации, собранной из многих независимых источников. Исследование может быть достаточным для понимания преимуществ новых подходов не только для быстрого создания прототипов или собственно изделий в сопоставлении с традиционным прототипированием и изготовлением, но и для понимания идеологии интегрированных генеративных технологий, их огромных потенциальных возможностей и безграничных областей эффективного их применения.

1. Основные тенденции развития современного производства

Вступление в XXI век характеризуется как время грандиозных достижений человечества во всех областях его жизнедеятельности и прежде всего в области промышленного производства. Вместе с тем характеризовать его необходимо с учетом того непреложного факта, что уровень достижений в различных странах и отраслях существенно не одинаков, и эта дифференциация имеет как объективные, так и специфические причины. Но главные тенденции развития машиностроительного производства можно рассматривать на примере промышленно развитых стран.

В условиях глобализации экономики каждая страна формирует и проводит государственную промышленно-экономическую политику, направленную на развитие определенных отраслей. В ходе такого рода процессов четко проявляются тенденции, характеризующие интегрированную отраслевую направленность экономики различных стран:

- государства, в хозяйственной структуре которых преобладают перерабатывающие отрасли производства, опирающиеся на высокие технологии, то есть страны, поставляющие на рынок конечные товары и услуги высокоорганизованных отраслей. Эти страны определяются как наиболее развитые;

- государства, где преобладают добывающие отрасли, то есть страны, в существенной мере живущие за счет ресурсов, данных природой, и которые по причине слабого развития обрабатывающих отраслей зачастую даже эти ресурсы поставляют на мировой рынок не как конечный продукт, а как исходное сырье для последующей переработки. Такие страны представляются как слаборазвитые.

Задача государственной экономической политики заключается в выработке промышленной концепции и хозяйственного механизма, опираясь на приоритетные отечественные отрасли, которые обеспечат стране должный уровень развития обрабатывающих отраслей в рамках международного разделения труда.

Сегодня рынок диктует свои требования, которые необходимо учитывать на всех этапах создания товарной продукции - от идеи, конструирования, производства до утилизации.

Индустриальное производство промышленно развитых стран характеризуется использованием крупномасштабных достижений высокотехнологичных гибких производств. Сегодня уже существует реальная возможность осуществлять технологическое управление формированием наперед заданных свойств изделий. При этом резко возрастает роль информационных технологий на всех этапах жизненного цикла изделия.

В настоящее время множество новых технологий создается на основе новейших научных достижений в области физики твердого тела, физики высоких давлений, оптики, биохимии, микроэлектроники и др. Это приводит к революционным изменениям в товарном насыщении в таких отраслях, как энергетика, транспортная техника, коммуникации, компьютерная техника, генная инженерия и т.д.

Научно-технический прогресс и конкуренция, диктующие необходимость снижения издержек производства одновременно как в процессе производства конкретного продукта (то есть в рамках цели производства), так и в системе исполнительного механизма (то есть непосредственно в производственной структуре) приводят к тому, что многие крупнейшие ранее узкоспециализированные предприятия становятся многопрофильными. В этих условиях отраслевая направленность проявляется уже не в форме специализированного предприятия, а в конкурентной борьбе многопрофильных предприятий, анализ функционирования которых в настоящее время приобретает все большее значение как в аспекте производства того или иного товара, так и в характере действий производственных структур - изготовителей того или иного продукта, представляемого на отраслевых рынках.

Глобализация, создание международных стратегических альянсов привело к тому, что конкуренция между предприятиями приняла интернациональный характер. Поэтому разработка и освоение новых технологий имеет значение уже не только для отдельных предприятий, но и для отрасли в целом. Это означает, что стимулирование разработок новых технологий диктуется как внутрифирменными интересами, так и интересами всей отрасли.

Ориентирование на новые технологии и быстрый прогресс производственной техники привело к возникновению прогрессивной и гибкой концентрации производства, которая нашла свое выражение в концепции компьютеризированного интегрированного производства. Сокращение длительности производственного цикла, уменьшение фондов, запасов в соединении с изготовлением продукции по принципу «точно во время» дало производству определенные резервы.

Одновременно производственные процессы и станки стали соединяться в сложные высокопроизводительные системы, в которых технологические и организационные цепочки зависят друг от друга.

Инвестиции в гибкие производственные системы усиливают необходимость их максимального использования по времени и техническим возможностям. Ошибки и нарушения процесса быстрее приводят к простоям этой дорогой системы, чем при традиционном или ручном изготовлении. Согласно исследованиям многие ошибки и нарушения процесса изготовления вызваны не производственным оборудованием и не в цепочке непосредственного процесса обработки, а преимущественно в области планирования и снабжения

Для того чтобы иметь конкурентоспособное производство, надо научиться обеспечивать работу сложных компьютерных производств с максимальной производительностью и качеством. Высокоразвитое прогрессивное производство с высококвалифицированным персоналом имеет дополнительные преимущества в том случае, если речь идет об освоении сложных комплексных процессов.

Таким образом, компьютеризированное интегрированное производство может рассматриваться как глобальная ведущая концепция промышленного производства второй половины XX столетия.

Наибольшего прогресса в освоении компьютеризированного интегрированного производства достигли крупные предприятия авиа- и автомобилестроения, электронной индустрии. Однако практика показала, что даже этим предприятиям не удалось в полной мере реализовать концепцию компьютеризированного интегрированного производства, но стало общепризнанным, что только это направление в состоянии активизировать обширный потенциал рационализации во всех областях производства.

Рисунок 1. Функции компьютеризированного интегрированного производства

Высокая стоимость рабочей силы и непродолжительный рабочий день, а также постоянный контроль исполнения производственных заданий ускоряют процесс применения автоматизированного производства. Однако полная автоматизация и компьютеризация производства является еще только теорией.

Важнейшим этапом развития производства стала реализация японской концепции «Lean Production» - «тощего производства».

Для «Lean Production» можно сформулировать ряд основных принципов:

На каждого сотрудника возлагается максимальное количество задач и ответственность за их выполнение.

Недостатки и проблемы в производстве устраняются тотчас же.

Обширная информационная система, которой может воспользоваться каждый сотрудник, обеспечивает высокую гибкость и быструю реакцию на нарушения или изменения производственного процесса.

Рабочие группы обладают высоким уровнем независимости.

Производственный климат подчинен единой стратегии предприятия и определяет взаимную ответственность за качество работы.

Анализ этих принципов показывает, что интеграция производства и устранение непроизводственных потерь стоят на первом месте. Здесь системная технология уже сместила классическое разделение труда. Системы автоматического регулирования и высокая надежность способствуют значительному повышению производительности. Эти положения являются предпосылками для высокой эффективности автоматизированного производства.

Совокупность принципов «Lean Production» позволяет производить постоянное улучшение процесса производства в виде непрерывного (монотонного) или ускоренного (скачкообразного) снижения расходов путем сокращения расточительных (непроизводительных) затрат.

Все, что непосредственно не способствует изготовлению продукции, считается расточительными (непроизводственными) расходами и устраняется, за исключением самой необходимой деятельности косвенных сотрудников. В качестве критериев оценки используются длительность производительного цикла, сроки и затраты на изготовление, объем фондов и качество продукции.

Концепция развития производства на рубеже тысячелетий базируется на сочетании достоинств концепции «тощего производства» и концепции компьютеризированного интегрированного производства первого поколения, поскольку обе преследуют одни и те же цели, следуют одним и тем же принципам. Интеграция принципов этих концепций может привести к другим концепциям, способным обеспечить повышение эффективности производства на путях его приращения и децентрализации, учета ведущей роли человеческого фактора, который не может быть заменен никаким уровнем развития ЭВМ.

Эта концепция, конечно же, связана с надежностью технологических процессов, технологическими процессами на пределах возможного, управлением комплексного протекания процесса способными к обучению эволюционными системами производства, использованием новых архитектур вычислительных средств. Системы пользования должны следовать децентрализованной структуре организации производства. Введение нейронных сетей и эволюционных алгоритмов позволяют наилучшим способом управлять процессами.

Современное промышленное производство характеризуется тем, что большинство технологических процессов реализуется в области, граничащей с предельными возможностями.

Высокая производительность и качество, интенсивное использование оборудования - это те характеристики, которые принципиально исключают друг друга. Чем шире мы раздвигаем границы производительности и качества в технологическом процессе, тем ненадежнее он становится. С другой стороны, процессы в области высоких скоростей удается эксплуатировать и одновременно добиваться высокой экономии времени обработки и затрат. Классическое противоречие может быть решено путем управления технологическим процессом, технологической системой.

Динамично изменяющееся промышленное производство, требует столь же динамичного изменения организационных структур.

Мировая практика постиндустриального развития подтверждает, что и преодоление трудных социальных проблем лежит, прежде всего, в сфере интенсивного развития национального производства, его обрабатывающих отраслей и именно на такой основе создания должного количества рабочих мест, которые обеспечивают высокий прожиточный минимум абсолютному большинству населения страны. В индустриально развитых странах это не только экономическая, но и социальная задача, объединяющая действия как государства, так и бизнеса, и только благодаря их совместным усилиям преодолевается жесткое социальное противостояние на базе социальной ориентации экономики.

На современных заводах доля затрат на заработную плату и выплат по социальному страхованию составляет сегодня около 50-70% от общих производственных расходов без затрат на материалы. Вследствие такого развития при изготовлении продукции стало возможным использовать труд заметно меньшего количества людей. При этом созидательная доля работ все больше смещается в сторону планирования и управления, т.е. все дальше отходит от непосредственного процесса изготовления.

Происходит перемещение производственного персонала из области непосредственного изготовления в область планирования и управления или в сферу обслуживания средств производства.

Важнейшей базовой задачей решения социальных проблем является развитие обрабатывающих отраслей производства, а, значит, создание в этом спектре должного количества рабочих мест. Оценивая роль, структуру машиностроительного комплекса, состояние, объемы затрат на его восстановление и обеспечение необходимых темпов развития, можно утверждать, что эти задачи не могут быть решены в рамках его отдельных предприятий и даже других более крупных производственных структур. А это значит, что проблема рабочих мест в машиностроении представляет собой важнейшую национальную задачу.

Деградация отраслей машиностроения в последние пятнадцать-двадцать лет привела к тому, что потеряно большое количество специалистов как вследствие их перехода в другие сферы деятельности, так и «утечки мозгов». Именно поэтому проблема создания рабочих мест в машиностроении при постановке задач обеспечения его развития тесно связана с такими вопросами в кадровой политике, как формирование специалистов высшей квалификации - докторов и кандидатов наук; подготовка инженерно-технического состава; обеспечение подготовки мастеров и рабочих различных уровней квалификации.

В промышленности в целом и в машиностроительной отрасли в частности действует ряд негативных факторов, которые вновь и вновь воспроизводят названные и др. проблемы, создавая в машиностроении масштабный системный кризис.

К числу основных системных негативных факторов необходимо отнести:

деградацию основных фондов машиностроения, достигшую критической отметки;

низкое качество продукции, высокие производственные издержки (металлоемкость, энергозатраты, транспортировка), низкую рентабельность производства и, как следствие, недостаток оборотных и инвестиционных средств для развития;

неэффективную кадровую политику, не способствующую привлечению квалифицированных специалистов в сферу промышленного производства, научно-технической и технологической деятельности;

несовершенство законодательной базы по государственной промышленной политике, техническому регулированию, ценообразованию на продукцию машиностроения и др., порождающее:

ь опережающий рост цен на продукцию и услуги естественных монополий;

ь отсутствие приведенных к международным требованиям стандартов выпускаемой продукции;

ь ограниченную емкость внутреннего рынка вследствие недостаточно высоких темпов роста экономики страны;

ь низкую конкурентоспособность белорусской машиностроительной продукции на внутреннем и внешнем рынке и низкую инвестиционную привлекательность машиностроения (как следствие изложенных выше факторов).

Вместе с тем следует признать, что главной причиной создавшегося положения является отсутствие обоснованной, базирующейся на достижениях науки и техники, единой государственной стратегии преобразования и опережающего развития отечественной промышленности.

2. Интегрированные технологии современного производства и их составляющие

В XXI веке - веке технологий собственно понятие технология трактуется как совокупность управленческих, научно-исследовательских, опытно-конструкторских и инжиниринговых процессов, являющаяся фундаментом продуктивной деятельности людей.

Это более широкое понятие, чем «совокупность методов средств по переработке сырья, материалов, полуфабрикатов, изделий и т.д. в материальном производстве». Оно также предполагает важную роль человеческого фактора и отраслевых технологий: промышленных и оборонных, транспортных и коммуникационных, ресурсосберегающих и природоохранных, информационных и гуманитарных и т.д.

Технологии являются возможно главными объективными предпосылками экономического развития и на этой основе удовлетворения потребностей с помощью новых продуктов, новых материалов, новых процессов или их возможных комбинаций.

Промышленные технологии как основные принципы получения новых материалов, изделий с заданными функциональными свойствами, построения производственных процессов и их эффективного надежного функционирования оказывают решающее влияние на жизнь человеческого общества, во многом определяют области и способы деятельности людей, открывают новые возможности гармонизации жизни и творчества человека с окружающей природой в глобальных масштабах.

Собственно глобализация стала порождением развивающихся технологий. Именно технологии (особенно информационные, транспортные, коммуникационные, аэрокосмические) разрушили иллюзию представлений о бесконечных земельных просторах и дали много доказательств тому, что мир тесен.

Уровень всего индустриального производства в различных странах и их научно-технический потенциал в большей степени зависит от того, в каких масштабах и в каких отраслях экономики там применяются высокие интегрированные технологии, насколько стали «прозрачными» и «взаимопроницаемыми» для идей и их реализации «перегородки» между всеми участниками процесса создания продукции - от идеи до выхода ее на рынок, какова степень интеграции их знаний, умений, опыта, материальных ресурсов, основных фондов и т.д.

Например, на передовых малых и средних предприятиях назначается менеджер изделия, который ведет все вопросы от приема заказа до поставки изделия заказчику.

С другой стороны, стремительно развивающаяся глобализация приводит к объединению усилий все более широкого круга предприятий, при этом каждое из них концентрируется на своей основной компетенции, в результате чего параллельно в разработке участвуют главное предприятие-разработчик, поставщики систем и компонентов, производители станков и оборудования, научно-исследовательские институты, т.е. зарождается своеобразная гармоничная культура отношений между альянсами, в том числе мировыми.

Каждое изделие машиностроения, поставляемое в условиях жесткой конкуренции на внутренний и в особенности на внешний рынок, должно обладать новым уровнем свойств и отвечать все возрастающим требованиям, предъявляемым потенциальным потребителем к функциональным, экологическим и эстетическим свойствам.

Эти тенденции повышения требований к качеству изделий нашли свое отражение в международных стандартах ISO-9000. Получение такого уровня изделий все больше связывают с нетрадиционными конструкторскими и технологическими решениями, реализация которых затруднительна и даже не возможна на основе использования технологии, оборудования, оснастки общего назначения и т.д., т.е. на основе всего того, что составляет суть традиционных технологий.

В связи с этим все большее внимание специалистов привлекают нетрадиционные технологии, созданию которых предшествует накопление обширных данных фундаментальных и прикладных наук. В отличие от традиционных, такие технологии называют «наукоемкими», «прецизионными», «нанотехнологиями» и др. Эти названия новых технологий связаны с тем или иным признаком технологического процесса или свойствами изделия, который принят в качестве определяющего, при этом во внимание чаще всего берется предельная точность, обеспечиваемая данным рабочим процессом.

Таким образом, термины, применяемые к новым технологиям, не являются исчерпывающими, т.к. не отражают всей многосложности и емкости новых технологий, всего спектра и нового уровня функциональных и других свойств макро- и микроизделий.

Независимо от используемой терминологии, все эти технологии объективно представляют собой составляющие единого, самостоятельного направления в рамках общей технологии машино- и приборостроения, суть которого более полно отражается в понятии высокие технологии.

Высокими следует считать такие технологии, которые, обладая совокупностью основных признаков, таких как наукоемкость, системность, физическое и математическое моделирование с целью структурно-параметрической оптимизации, высокоэффективный рабочий процесс размерной обработки, компьютерная технологическая среда и автоматизация всех этапов разработки и реализации, устойчивость и надежность, экологическая чистота, - при соответствующем техническом и кадровом обеспечении (прецизионное оборудование, оснастка и инструмент, определенный характер рабочей технологической среды, система диагностики, компьютерная сеть управления и специализированная подготовка персонала), гарантируют получение изделий, обладающих новым уровнем функциональных, эстетических и экологических свойств.

Понятие «высокие технологии» применительно к машиностроению выкристаллизовалось позже, чем в других отраслях, например, в микроэлектронике. Но оно уже само по себе включает обязательное наличие сочетания, совокупности целого ряда признаков, отражающих достижения различных отраслей знаний, таких, как наукоемкость, устойчивость, надежность, компьютерная технологическая среда, виртуальный инжиниринг, наличие самообучающихся систем искусственного интеллекта в процессах конструирования, планирования и сборки, нетрадиционное использование физических, химических и др. эффектов и явлений, прецизионное оборудование, оснастка, инструмент, системы диагностики, новые материалы и др. (рис. 2, 3).

Следовательно, высокие технологии по своей сути являются интегрированными.

Именно новый уровень функциональных, эстетических и экологических свойств изделий при соблюдении экономической целесообразности интересует потребителя. Именно этим гарантируется конкурентоспособность новой продукции.

Рисунок 2. К понятию «высокие технологии»

Повышение наукоемкости отраслевых технологий, возможность реализации системного подхода, тотальной компьютеризации технологий и производств (ориентация в пределе на CALS-технологии), совершенствование производственных структур и управления являются предпосылками создания интегрированных технологий. Составляющими интегрированных технологий являются конвенциональные разъединительные, соединительные, перераспределительные и генеративные технологии.

Интеграция - объединение материальных и нематериальных объектов, способов обработки, механо-физико-химических эффектов, инструментов, оборудования, транспортных средств и устройств, программного обеспечения, систем планирования и связи с целью получения принципиально новых результатов. Например, в конце 80-х годов прошлого века интеграция всех процессов обработки информации предприятий стала определяющей тенденцией технического и организационно-ориентированного развития производства, базой концепции компьютеризированного интегрированного производства, японской концепции тощего производства и др.

Из всего этого выделим те составляющие, которые связаны с новыми рабочими процессами высоких интегрированных технологий.

В целом ведущая объединяющая идея, разработка и реализация интегрированной технологии становятся возможными тогда, когда в каждой из интегрируемых областей науки, техники, технологии, материаловедения и т.д. достигнут необходимый новый уровень развития как главной предпосылки.

К интегрированным относятся такие технологии, которые базируются на органическом сочетании последних достижений в различных областях науки, техники, технологий, информатики, материаловедения и др., использование которых обеспечивает быстрое получение нового продукта с принципиально иным уровнем функциональных, эстетических и экологических свойств, гарантирующим ему высокую конкурентоспособность на рынке.

Международная интеграция в области товаров промышленного назначения и в сфере услуг все в большей степени определяется своевременным, ориентированным на потребителя и не требующим больших затрат товарным воплощением новых технологий или их комбинаций, их интеграции в конкурентоспособные на мировом рынке компоненты, изделия, процессы и системы.

Все возрастающие и все более дифференцирующиеся требования в области индустриального производства, охраны окружающей среды, охраны здоровья и безопасности деятельности человека требуют роста объема необходимых инноваций, слияния, интеграции различных технологий. В процессе создания высокотехнологичных изделий включается не одно новейшее технологическое решение. В результате технологии, ранее четко разграниченные и, казалось, далеко отстоящие друг от друга, сближаются, сливаются и формируют интегрированный технологический процесс.

С учетом принятого деления технологий по потенциалу конкурентоспособности на новые, прогрессивные, ключевые, базовые и вытесняемые, можно полагать, что интегрированные технологии могут играть существенную роль как прогрессивные и ключевые. Именно интегрированные технологии способны предложить такой уровень функциональных, экологических и эстетических свойств изделий, который другими существующими (базовыми) технологиями обеспечить невозможно.

Время рассматривается как стратегическое оружие в конкурентной борьбе, как эквивалент финансов, качества, производительности. Секрет успеха перемещается от стоимости, основанной на времени, к стратегиям, основанным на новых технологиях, т.к. именно новые технологии, новые рабочие процессы, прежде всего интегрированные, позволяют не жертвовать ни стоимостью, ни качеством при завоевании рынка и быстром реагировании на его все новые требования.

При этом область высоких интегрированных технологий может лежать в более широком интервале производительности, чем для технологий конвенциональных, а диапазон свойств существенно уже, но их характеристики качества естественно выгодно отличаются (рис. 3).

Рисунок 3. Области конвенциональных и высоких интегрированных технологий

Но следует учитывать то обстоятельство, что высокие интегрированные технологии строго ориентированы на определенный объект производства, а, значит, имеют более узкий спектр по сравнению с конвенциональными технологиями.

Создать по настоящему инновационный продукт, отвечающий требованиям рынка, можно только на основе новых технологических разработок. В настоящее время конкуренция между предприятиями все в большей степени определяется конкуренцией используемых технологий, т.е. технологической конкуренцией. Следовательно, новые технологии - главная движущая сила конкурентной борьбы.

Именно на этом фоне следует рассматривать достижения интегрированных технологий, базирующихся на принципах не «сверху-вниз», а «снизу-вверх», т.е. не на разделении объемов припуска и собственно изделий, а на послойном наращивании.

3. Интегрированные генеративные технологии и их уровни

Генеративные технологии, составляющие важнейший раздел интегрированных технологий, в последние десятилетия получили мощное развитие и охватили чрезвычайно емкие отрасли промышленного производства, авиации, автомобилестроения, архитектуры, медицины и т.д. вплоть до археологии.

Классическая технология изготовления в основе своей базируется на принципе «сверху-вниз» и трансформационных процессах - разделительных, соединительных, перераспределительных. Можно перечислить примеры рабочих процессов конвенциональных технологий соответственно - резание, сварка, ковка, штамповка (рис. 4).



Рисунок 4. Интегрированные технологии в машиностроении

Понятие «генеративные технологии» происходит от латинского «generari», что означает «вырастать», и отражает принципиальное отличие от традиционных технологий изготовления сначала заготовок, а затем последующей обработки их с целью отделения объема материала, составляющего припуск, резанием, штамповкой, электроэрозией, лазером и др. способами, обуславливающими заведомо низкий коэффициент использования материала.

В мир микроизделий могут вести два пути: можно из массивной заготовки, например, из кремния шлифованием получать необходимое точное миниатюрное изделие. По этому принципу функционирует системная техника, которая в основном занимается структурами размеров от мм до мкм. Другой возможный путь: берутся отдельные атомы, молекулы или частички из них, которые как кирпичики создают желаемую структуру. Этот принцип применяется и в нанотехнологии, которая занимается структурами в нанометровом диапазоне (млн. доля мм).

В соответствии с предложенной концепцией, к генеративным относятся технологии, базирующие изготовление изделий не на отделении объемов, составляющих припуск, а на послойном наращивании объектов до достижения требуемых их характеристик на нано-, микро- и макроуровнях и конструировании физической поверхности.

Генеративные технологии (ГТ) по своей сути являются своеобразным отражением в технике и технологии тех процессов, которые происходят в природных условиях в растительном мире. В процессе роста растение формирует только необходимые для его роста части - корни, стебель, листья, цветы, плоды. Кольца роста на срезе ствола дерева свидетельствуют - все части растения наращиваются послойно.

С точки зрения формообразования природа дает пример исключительно бережливых, чрезвычайно экономичных процессов. Здесь уместно привести аналогию структуры приповерхностных слоев растений и промышленных изделий, получаемых по генеративному принципу, т.е. с послойным выращиванием (рис. 5).

Рисунок 5. Аналогия приповерхностных слоев растений и промышленных изделий

Хотя идея генеративного изготовления изделий имеет давние корни, однако, именно в наше время созрели все предпосылки для реализации его огромного потенциала как новой научно-производственной идеологии - «не от большего к меньшему, а от меньшего к большему». Следует подчеркнуть, что генеративные технологии представляют собой образец эффективного интегрирования последних достижений материаловедения, информационных, лазерных, ионно-плазменных и др. наукоемких технологий, а также теории управления, оптимизации технологических процессов и конструкций, современных технологий литья, прецизионной и ультрапрецизионной обработки и т.д. наращивания (например, для формирования многослойной структуры и физико-механических и функциональных свойств физической поверхности). Также реализуема та или иная степень использования возможностей информационных технологий для ГТ различных уровней. В особенности это касается генеративных технологий прямого формообразования, например, послойное наращивание одно- или многократным окунанием в расплав материала, наплавка, сборка из объемных (трехмерных) частей единой детали, спекание или сварка послойно сформированных заготовок и др. (рис. 6).

Рисунок 6. Структура технологии генеративного изготовления в зависимости от использования прототипировании и производстве

интегрированный экономика генеративный



Предложенная концепция трех уровней позволяет системно рассматривать и реализовывать весь потенциал разнообразнейших технологий, соответствующих генеративному принципу «снизу-вверх».

На макроуровне производится послойное выращивание твердых тел, переход от виртуального пространства и виртуальных моделей к твердотельным объектам независимо от степени сложности их конструкции, форм и размеров. Это технологии Rapid Prototyping, наплавка, электродуговая, электрошлаковая, плазменная, газотермические покрытия и т.д.

На микроуровне производится наращивание микрослоев из различных материалов в любой последовательности толщиной от нанометров до десятков микрометров. Это технологии вакуумно-плазменные, химические, химико-термические и т.д.

На наноуровне осуществляется атомно-молекулярная самоорганизация и послойное наращивание объема, когда толщина слоев составляет от доли нанометра до нескольких нанометров, а граничный слой за счет текстурирования и др. приемов формирует физическую поверхность, ее топографию и функциональные свойства с учетом анизотропии. Такие процессы относятся к области нанотехнологий.

Термин «нанотехнология» используется для определения систем оборудования и технологий интегрированного производства, которые обеспечивают обработку с точностью порядка 1 нм. В более широком плане «нанотехнология занимается системами, новые функции и свойства которых зависят только от наноэффектов их компонентов», как звучит академическое определение понятия, которое дает союз немецких инженеров.

Генеративные технологии, в частности ускоренное формообразование и прототипирование по идеологии Rapid Prototyping, на макроуровне обеспечивают прямой переход от виртуального пространства и виртуальных моделей (электронных эталонов изделий) к реальным твердотельным трехмерным объектам без ограничений по сложности формы, не прибегая к использованию технологической оснастки и инструмента.

Концепция трех уровней интегрированных технологий позволяет рассматривать явления, происходящие в макро-, микро- и нанометрическом диапазонах, на единой методологической основе.

В соответствии с предложенной концепцией трех уровней генеративных технологий возможна комбинация традиционных технологий (например, для изготовления макроизделия) и технологий генеративных, по крайней мере, одного из уровней - макро-, микро- или наноуровней. Широко известны варианты нанесения наплавок, тонкопленочных покрытий на режущие инструменты, изготовленные по традиционным технологиям инструментального производства.

Идеальным вариантом эффективной реализации потенциала генеративных технологий был бы такой, когда макротело любой конфигурации, его поверхностный слой и физическая поверхность создаются послойным наращиванием.

Необходимо констатировать, что технологические возможности ряда реализуемых на практике генеративных способов послойного наращивания перекрывают указанные условные границы трех уровней - нано-, микро- и макроразмерных областей и поэтому не могут быть однозначно отнесены к какому-либо из них.

В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть эти технологии как переходные, т.е. уровни в размерных диапазонах сммм и мммк (рис. 7). К переходному уровню относятся различного рода наплавки (электродуговая, электрошлаковая, плазменная и др.), нанесение газотермических покрытий (газоплазменных, детонационных, индукционных и т.д.).

Необходимо учитывать, что генеративные технологии позволяют не только послойно наращивать часть всего объема изделия, например, восполняя объемы изношенного материала, наращивать функциональные слои, но и обеспечивают полное выращивание изделий независимо от их конструктивной сложности без оснастки и инструмента по принципу «от малого - к большему».

Рисунок 7. Уровни объектов интегрированных генеративных технологий



Заключение

Промышленное производство, осуществив переход от одной эпохи технических революций к другой, изменило тенденции своего развития, ориентируясь на новые ключевые технологии - информационные, коммуникационные, микро-, нано-, опто-, био- и гентехнологии. Именно эти ключевые технологии и составляют суть перехода от общества индустриального к научному, который сулит еще не до конца осознанные перемены.

Производственные технологии изготовления и в перспективе будут обязательно востребованы, поскольку постоянно подстраиваются к новым тенденциям с тем, чтобы, с одной стороны, обеспечить потребности людей, а с другой - заранее подготовить обеспечение, необходимое для ключевых технологий (миникомпьютеры, нанороботы, наноэлектроника, микроизделия, новые материалы, обладающие уникальными свойствами, новые механо-физико-химические эффекты и т.д.).

Повсеместный переход к высоким интегрированным технологиям требует соответствующего кадрового обеспечения. Глубокая специализация инженеров должна происходить на базе широкой интегрированной подготовки - конструкторско-технолого-экономической.

Из этого следует, что разносторонней подготовкой должен обладать любой специалист, работающий в области интегрированных генеративных технологий, являющихся по своей сути междисциплинарным направлением. Это диктуется еще и тем, что существует очевидная диалектическая связь, с одной стороны, между техническими науками и естественными, материаловедческими, а, с другой стороны, между ключевыми процессами и производственными технологиями изготовления.

Станут доступными новые принципы конструирования поверхности и поверхностного слоя изделий, базирующиеся на таких достижениях, как:

· создание материалов с новым уровнем физико - механических свойств;

· создание наноматериалов и нанообъектов;

· прецизионные способы обработки;

· ультрапрецизионные способы обработки;

· технологическое управление состоянием материала поверхностного слоя;

· целенаправленное изменение состава и структуры материала поверхностного слоя локальным лазерным и другими видами воздействия;

· физико-химические способы формообразования (атомно-молекулярный уровень);

· синтез многослойных покрытий;

· 3D измерения поверхности;

· физические методы исследования материала поверхностного слоя;

· нанотехнологии и т.д.

Реализация этих принципов откроет новые возможности получения поверхностей, поверхностного слоя с наперед заданными функциональными свойствами принципиально нового уровня.

Сочетание возможностей лазерной, компьютерной, вакуумной техники, материаловедения, химии полимеров и порошковых процессов, 3D-моделирование обеспечили основу для создания абсолютно новых высокотехнологичных наукоемких генеративных методов изготовления (Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacture), занявших важную нишу в триаде макро - микро - нанометрического уровней изготовления. Появление микростереолитографических методов показало, что для Rapid-технологий деление на макро- и микрометрические уровни достаточно условно.

Устойчивые позиции, которые уже сейчас заняты генеративными технологиями, реализующими принцип «от малого к большому», в областях автомобиле- и машиностроения, в авиации, приборостроении, электронике, бытовой технике, медицине, истории, в сфере культуры, архитектуры, молекулярной биологии и т.д. можно рассматривать как свидетельство того, что использование потенциала технологий послойного выращивания изделий в будущем даст очень много нового.



Литература

1. Интегрированные генеративные технологии: учеб. пособие [для студ. выс. учеб. заведений] / А.И. Грабченко, Ю.Н. Внуков, В.Л. Доброскок [и др.]; под ред. А.И. Грабченко. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2011. - 416 с.

2. Технологичность конструкции изделия: справочник / под ред. Ю.Д. Амирова. М.: Машиностроение, 1990. - 768 с.

3. Скородумов СВ. Создание и развитие систем компактного интеллектуального производства // Литейное производство. - М. - №7. -1999. - С. 28-33.

Размещено на Allbest.ru

...