Современные предприятия все активнее переходят в цифровую форму. Произошла интеграция информационных и операционных технологий с традиционными средствами производства, что, по сути, делает неразделимым цифровой и реальный миры. Цифровую революцию в сфере производства называют Индустрия 4.0: в ее условиях производственные предприятия представляют собой технологически сложные системы, которые способны быстро реагировать, адаптироваться и обмениваться информацией.

Цифровое производство позволяет решать две основных задачи. Во-первых, достигается максимальная эффективность за счет полной автоматизации и оптимизации производственных процессов. Во-вторых, решающую роль приобретает информационный обмен, то есть все этапы производственного процесса, от оформления заказа и планирования до изготовления, тесно связаны друг с другом. Операторы «умных фабрик» могут мгновенно получить доступ к технологическим данным и проанализировать их, что дает им полный контроль над каждым устройством в производственной экосистеме. Таким образом, операторы имеют возможность не только анализировать произошедшие события, но и использовать полученные массивы данных для прогнозирования будущих проблем.

3D-печать, также называемая аддитивным производством (Additive Manufacturing; AM), – это, в своей основе, цифровая технология. Ее применение открывает новые горизонты для проектирования и производства, а также позволяет сэкономить время и средства. Изначально аддитивные технологии применялись для прототипирования, но уже сейчас основные преимущества 3D-печати способствуют ее применению в создании конечной продукции. Это происходит по мере того, как технология становится все более зрелой в плане гарантированного создания деталей высочайшего качества и радикально меняет традиционные производственные процессы в таких отраслях, как авиация и медицина. Новая рыночная реальность открывает возможности для новых бизнес-моделей: как пример можно привести массовое изготовление оправ для очков по индивидуальным заказам. Кроме того, использование 3D-печати в прототипировании и НИОКР ускоряет время вывода на рынок и уменьшает первоначальные инвестиции благодаря сокращению числа итераций.

Наконец, цифровая основа 3D-печати совершенно органично делает ее неотъемлемой частью Интернета вещей (IoT). Подготовка аддитивного производства, рассчитанного на нужную производительность в соответствии с определенными задачами, со всеми коммуникациями и отслеживаемостью продукции, может стать серьезной трудностью, если у вас нет нужных программных систем. Без этого ресурсы не будут использованы оптимально, а производственный процесс не удастся анализировать, что значительно ограничит потенциал технологии: например, вместо распределенного прототипирования будет выполняться централизованное.

Комплексная производственная экосистема: информационный обмен и производительность на четырех уровнях

На предприятиях Индустрии 4.0 применяются все типы технологий, доступных сегодня для создания инженерной экосистемы, в которой реализован по-настоящему комплексный процесс, начиная с проектирования и заканчивая контролем качества с помощью ИИ прямо на предприятии.

Первый уровень определяется конкретным вопросом: как комплексный производственный процесс помогает решать поставленные задачи. Вслед за этим необходимо убедиться, что после отправки цифровых файлов на объектах, независимо от их географии, будет достигнут идентичный результат. Затем необходимо обеспечить возможность анализа процессов: так будут доступны подробные сведения о процессе производства детали. Наконец, для полного управления процессом необходимо постоянно контролировать производственную линию, ведь на основе полученных данных ИИ сможет усовершенствовать и оптимизировать процесс.

Ниже рассматриваются четыре шага к созданию конечных деталей, а также подробно раскрыты преимущества, связанные с повышением производительности и улучшением информационного обмена на каждом из этих этапов.

1. Проектирование в комплексном производстве

Процесс начинается с определения целесообразного способа применения технологии аддитивного производства. После анализа производственных технологий по ряду критериев большинство инженеров-конструкторов останавливаются на 3D-печати, поскольку она экономит время, сокращает расходы и расширяет возможности проектирования. К конкретным преимуществам 3D-печати относятся производство легких конструкций и компактных деталей, сокращение времени сборки деталей, изготовление кастомизированных изделий по разумной цене, а также создание многофункциональных деталей.

Обдумывая проект, инженеры решают, как реализовать его на производстве с максимально возможной эффективностью. Основная задача – сбалансировать качество и расходы: для изготовления качественной детали необходимо учитывать допуски, ее плотность, свойства материалов, а также требования различных сертификатов, параллельно пытаясь снизить стоимость изготовления.

Специалист (как правило, инженер-технолог) контролирует все этапы и факторы производственного процесса, в том числе время вывода изделия на рынок, затраты на печать, этапы постообработки, повторяемость, процент брака и скорость производства. Он оценивает соотношение цены-качества и определяет, когда необходимо выполнить тот или иной аспект (например, покрытие детали) – на этапе производства или постобработки.

При расчете расходов на 3D-печать изделия прежде всего необходимо учитывать его добавочную стоимость. Возможно, основной фактор – сэкономить потребление топлива самолета или снизить количество запасных деталей на складе. Следующий фактор — затраты на аддитивное производство. Чем оно дешевле, тем больше бизнес-моделей будут экономически выгодными для его применения. В связи с этим рассмотрим подробнее основные факторы стоимости.

2. Глобальная производственная сеть

По результатам первого этапа составляется график производственного процесса, в который входят: непосредственно проект, материал, параметры процесса и даже необходимые этапы постобработки. Это не что иное, как полный цикл изготовления определенной детали в соответствии с графиком. После этого начинается реализация производственного процесса.

Цель данного этапа – создать условия для печати деталей в соответствии с решениями проектировщиков. Поскольку 3D-печать – универсальная технология производства, вы можете обеспечить стабильную и надежную печать одной и той же детали в любой точке мира, уменьшив объем физических поставок и, следовательно, выбросов CO2, а также время поставок. Такой процесс называют распределенным производством. Для его активизации и ускорения отдельные предприятия должны обеспечить надежную взаимосвязь бизнес-систем с оборудованием. Таким образом, на этом этапе главным приоритетом становится информационный обмен, который можно упростить путем создания специализированного программного обеспечения.

Перечисленные факторы связаны с объединением цифровых систем в единый комплекс. Сегодня мы только вступаем в эпоху, когда производство можно объединить с системами планирования ресурсов предприятия (ERP), когда полностью действуют цифровые права и полностью реализован потенциал цифровых хранилищ. С учетом этого компаниям требуются открытые программные средства для доступа к цифровым файлам, подключения к SAP-системам, получения заказов через системы планирования ресурсов предприятия или облачные системы, а также для обеспечения защиты прав интеллектуальной собственности.

Индустрия 4.0 дает возможность создать по-настоящему универсальную производственную систему и повысить ее производительность и эффективность информационного обмена

Полная интеграция цифровых систем устраняет потребность в наличии запасных частей: достаточно напечатать нужную деталь на основе имеющегося проекта. «Цифровые запасы» помогают компаниям экономить средства и пространство на складах. Кроме того, детали не нужно никуда отправлять, ведь распечатать их можно где угодно, просто достав проект с «виртуальной полки».

Одно из основных преимуществ 3D-печати – возможность массово производить готовые изделия на заказ в рамках глобальной производственной сети. В этих случаях простота организации аддитивного производства является преимуществом для производительности. Для своевременного ответа на вопросы о стоимости и сроках доставки системы обработки заказов на производственных объектах по всему миру должны быть связаны между собой.

3. Внутри цифровой фабрики

К началу третьего этапа имеются утвержденный проект (на этапе 1) и налаженная система производства на нескольких объектах. Следующий этап – выполнение заказа. Для этого необходимо перейти непосредственно к изготовлению.

На данном этапе приоритетом становится контроль производства, а именно определение графика печати деталей различными машинами, обеспечение отслеживаемости и ввод точных данных в 3D-принтеры.

Бизнес-логика стандарта ISA95: как может работать цифровая фабрика

Для описания концепции мы используем бизнес-логику ISA95 (см. схему выше), объясняющую, как может работать цифровая фабрика с аддитивным производством. Фактически ERP-система объекта определяет, что необходимо изготовить, к какому сроку и по какой стоимости. Следующий уровень – производственный план. Производственный план – это средство обобщенного планирования процессов, намеченных к исполнению на базе производственных мощностей цеха завода. По умолчанию система не связана с аддитивным производством, однако в ней можно указать, какие изделия необходимо напечатать на 3D-принтерах. К планируемым задачам относятся печать, термообработка, удаление поддержек, обработка на станках с ЧПУ, ГИП, сборка и так далее.

Для оборудования аддитивного производства составляется график. Плотная интеграция с 3D-принтерами необходима для контроля за тем, на каких машинах и из каких материалов печатаются те или иные детали. Автоматизированное управление процессом достигается посредством взаимодействия системы с оборудованием, например, с датчиками на производстве.

Нижняя часть схемы («Производственный процесс») – это, собственно, и есть оборудование для создания конкретных деталей. Для применения 3D-печати на предприятии обязательна система, поддерживающая данную технологию. На практике под этим подразумевается наличие сети с открытой инфраструктурой: так данные будут переданы на любую машину без ограничения по торговой марке.

Два других требования – наличие системы, которая может автоматизировать этапы для оптимизации производства и отслеживаемости. В зависимости от требований бизнеса под отслеживаемостью могут пониматься различные параметры, например, серийные номера, которые нанесены на деталь и могут быть автоматически сохранены (на каком принтере, когда и кем напечатана деталь). Все это позволяет лучше контролировать этап производства.

Благодаря объединению таких параметров и интеграции информации в центральной консоли необходимые данные всегда будут в распоряжении управляющего производством.

4. Информационное обеспечение

Мы находимся на пороге эпохи, когда данные рассматриваются как важнейший фактор прогресса и дифференцированности. В рамках «умной фабрики» системы обратной связи, объединенные с производством и различными процессами, дают возможность корректировать и анализировать данные, тем самым повышая производительность. Чем больше данных доступно, тем эффективнее будут выполняться внутренние операции, потому что такие технологии, как искусственный интеллект, могут использовать эти данные и полностью оптимизировать технологические процессы вашей компании в намного большем масштабе, чем люди.

Таким образом, данные, собранные в ходе производственного процесса, будут учитываться экосистемой при создании цифровой фабрики. Для этого операторам производства необходимо убедиться, что фиксируются нужные данные.

Распространенный пример: использование камер для мониторинга состояния порошка в 3D-принтерах. Далее, для этого требуется ПО, которое проанализирует изображение и мгновенно даст обратную связь, необходимую для своевременного выявления неисправности. Под информационным обеспечением понимается два типа данных: оперативные данные и большие данные.

Оперативные данные связаны с мониторингом и управлением. Управление производством и получение статуса оборудования в реальном времени связаны именно с использованием датчиков и сигналов машины. Цель – выявить неисправность для ее своевременного устранения.

Второй тип – большие данные (также называемые автономными). Как правило, терабайты таких данных сохраняются в течение определенного промежутка времени. Они выступают средством обучения: система анализирует прошлые события, чтобы выявить ошибку и принять соответствующие меры в будущем.

Для этого датчики собирают необработанные данные. Здесь информационный обмен жизненно важен для того, чтобы иметь возможность передавать эти данные через нужный ИИ и получать сведения о том, как протекает процесс построения. Когда что-то идет не так (допустим, порошок в машине влажный), ИИ автоматически останавливает производственный процесс. Цель останова производства – сохранить эффективность: максимально быстро исправить ошибку и сэкономить время и затраты на изготовление.

После этого ИИ продолжит анализировать большие данные для дальнейшего усовершенствования процесса.

Готовы выйти на новый уровень производительности и информационного обмена?

Для того чтобы пойти на риск и внедрить новую технологию, нужна смелость, однако чем больше ставки, тем крупнее выигрыш. Наверняка вам известно, что компании, осваивающие такие технологии первыми, имеют гораздо больше шансов стать лидерами на рынке.

3D-печать дает возможность производить более оптимизированные изделия и внедрять более универсальные бизнес-модели. Если именно вы решите внедрить технологию 3D-печати для производства конечных изделий, необходимо убедиться, что ваши действия максимально эффективны и могут быть повторены в большем масштабе.

Для успешного внедрения аддитивного производства на предприятии требуется специализированная программная экосистема, гарантирующая максимальную производительность и обмен цифровыми данными.

Автор: Семен Попадюк

Источник