А.В. Мойсеенко 

Инновационный центр Сколково / Инжиниринговая группа Flat-Рacked Container-Smart. 

Компания ООО «Смарт Фолд Логистик», г. Донецк, ДНР.  https://cargofold.ru

В статье рассматривается актуальная проблема мировой логистики — возврат и хранение порожних контейнеров. Предложено инновационное конструктивное решение складного контейнера типа Flat-Packed с монококовыми несущими элементами. Ключевая особенность — монококовых несущих элементов — функция шарнира реализована не за счёт навесных элементов, а путем локального замещения жёсткого сердечника в сэндвич-панели на структурированный эластомер-материал с решётчатой или ламинарной структурой (полиуретан, силикон, 

EPDM-пенополимеры) и генеративные силовые AM-узлы и опоры, при сохранении непрерывности внешних и внутренних композитных обкладок. Локальные концентраторы нагрузок (угловые фитинги, шарниры, опоры) выполняются в виде аддитивно выращенных узлов (AM-узлов) с генеративной решетчатой структурой. 

Для реализации предложенной конструкции разработана замкнутая цифровая экосистема GOAPS™+ML (Generative Optimized Advanced Production System + Machine Learning), объединяющая этапы инжиниринга, топологической оптимизации, адаптации под производство, автоматизированной печати, постобработки и накопления данных в самообучающейся библиотеке. 

Введение

Контейнеризация грузов за последние десятилетия стала основой мировой торговли. Однако активный рост объёмов перевозок обнажил системную проблему —  дисбаланс грузопотоков. До 20% контейнеров, транспортируемых по морю, и до 40% по суше, перевозятся в порожнем состоянии [1]. Грузовым портам, терминалам и перевозчикам приходится содержать огромные парки пустой тары, занимающей складские площади и требующей дополнительного топлива при транспортировке.

Одним из перспективных направлений решения проблемы являются складные контейнеры (foldable/flat-packed containers). Четыре таких контейнера в сложенном состоянии занимают объём одного стандартного 20‑футового контейнера [2]. Пионером в этой области выступает компания Holland Container Innovations (Нидерланды), предложившая конструкцию из стеклопластика и алюминия массой 1800 кг (против 2200 кг у стального аналога) [3].

Однако существующие решения обладают рядом недостатков:

• использование отдельных шарнирных узлов, что снижает общую жёсткость;

• наличие разрывных соединений, требующих герметизации;

• повышенная масса за счёт крепёжных элементов;

• ограниченный ресурс подвижных частей.

1. Анализ существующих решений

Стандартный ISO-контейнер представляет собой сварную пространственную раму из стального проката, обшитую гофрированным листом. Несущая функция полностью возложена на раму; обшивка выполняет ограждающую роль. Такая схема не допускает складной трансформации без потери прочности.

В конструкции Holland Container Innovations используются отдельные шарнирные петли, соединяющие разрезные панели (рис. 1). Это позволяет складывать контейнер, но создаёт зоны концентрации напряжений и требует дополнительных уплотнителей. Масса снижена за счёт применения стеклопластика, но технология остаётся трудоёмкой в производстве [4].

Рис. 1. Складной контейнер Holland Container Innovations

Существующие складные контейнеры решают проблему возврата порожней тары, но не лишены недостатков, связанных с конструкцией шарниров и дискретностью силовых элементов. Требуется переход к интегральной несущей структуре, где трансформация обеспечивается не стыками, а локальным изменением свой­ств материала панели и шарниров.

2. Предлагаемая конструкция

Предлагаемый контейнер (рис. 2) построен по принципу Frame-­Shell Hybrid, где:

• основная несущая функция реализована монококовыми панелями;

• локальные концентрации нагрузок воспринимаются аддитивными силовыми узлами (AM-узлами);

• трансформация контейнера обеспечивается интегрированными шарнирными зонами, встроенными в структуру панелей.

Рис. 2. Силовая архитектура монококового складного контейнера: 1 — монококовые панели; 2 — AM-узлы (шарниры, кронштейны, опоры); 3 — угловые интерфейсы

Ключевой элемент новизны — непрерывная монококовая панель, в некоторых местах соединённая со смежными панелями, функция шарнира реализована локальным замещением жёсткого сердечника (PET-пена, соты) на эластомерный материал с решётчатой или ламинарной структурой (полиуретан, силикон, EPDM). Внешние композитные обкладки (скины) остаются непрерывными по всей длине панели (6058 мм), включая шарнирную зону (рис. 3).

Рис. 3. Структура панели

Технические параметры:

• Материал скинов: стекло/углепластик (E ~ 50–200 ГПа).

• Материал сердечника в жёсткой зоне:  PET-пена (E ~ 0.2–0.5 ГПа).

• Материал сердечника в шарнирной зоне: полиуретан/силикон/EPDM (E ~ 0.5–50 МПа).

• Толщина панели: 75–150 мм.

Рис. 4. FEM-модель распределения напряжений в зоне шарнира

Для валидации предложенной конструкции выполнено конечно-­элементное моделирование (FEM) в среде Ansys. Рассматривались три типа нагружения (рис. 4):

• вертикальная нагрузка при штабелировании (6 ярусов);

• изгибающий момент при подъёме краном;

• циклические нагрузки в шарнирной зоне при складывании/раскладывании.

Результаты моделирования подтвердили:

• максимальные эквивалентные напряжения не превышают предела текучести для выбранных материалов (запас прочности 2.5);

• деформации в шарнирной зоне находятся в упругой области для эластомера;

• непрерывность внешних слоёв обеспечивает герметичность при всех режимах нагружения.

Особенности:

• Узлы не прикручены и не приварены к панели, а являются частью силовой оболочки (монокок + узел).

• Интеграция узла в панель достигается за счёт клеевого соединения с оптимизированной площадью контакта либо гибридного производства (панель формуется вокруг напечатанного узла).

Принцип трансформации представлен на рис. 6:

• боковые панели перемещаются навстречу;

• торцевые панели складываются пополам (шарнирная зона);

• крыша и днище складываются пополам к боковым панелям.

Рис. 5. Генеративные AM-узлы: а — шарнир; б — кронштейн; в — опора

Рис. 6. Этапы складывания контейнера: 1 — разложен, 2 — сложен

3. Замкнутая цифровая экосистема GOAPS™+ML

Предложенная конструкция реализуется в рамках собственной технологической платформы GOAPS™ (Generative Optimized Advanced Production System). В отличие от разомкнутых решений [5–10], GOAPS™ объединяет все этапы жизненного цикла изделия — от инжиниринга до утилизации — в единую цифровую экосистему с обратной связью и самообучающейся 

базой знаний (Machine Learning). Процесс включает пять последовательных этапов (рис. 7):

Рис. 7. Замкнутый цикл цифровой экосистемы GOAPS™+ML

Этап 1. Инжиниринг и топологическая оптимизация

Взаимодействие: цифровой двой­ник (Digital Twin) + генеративный дизайн.

Инженер загружает исходную геометрию детали (например, шарнира или кронштейна) и техническое задание (нагрузки, материал, точки крепления). Система GOAPS™, используя алгоритмы топологической оптимизации, создаёт несколько вариантов геометрии, удаляя материал из ненагруженных зон и добавляя его в зонах пиковых нагрузок.

Решаемая проблема: традиционные детали перетяжелены, проектируются с избыточным запасом прочности.

Эффект: снижение веса детали на 30–50%; сокращение цикла НИОКР на месяцы за счёт валидации в цифровом двой­нике.

Этап 2. Адаптация под производство (подготовка к печати)

Взаимодействие: оптимизация поддержек + база знаний (библиотека деталей).

Система анализирует геометрию и адаптирует её под конкретный материал. Автоматически рассчитывается оптимальная ориентация детали в пространстве и минимизируется количество временных опорных структур (поддержек).

Решаемая проблема: неправильная ориентация и избыток поддержек ведут к перерасходу материала, увеличению времени печати и сложной постобработке.

Эффект: экономия материала на поддержки до 15%; сокращение времени печати до 20%.

Этап 3. Автоматизация производственного цикла

Взаимодействие: интеграция с MES + генерация ЧПУ-программ.

GOAPS™ интегрируется с MES-системой предприятия. Производственное задание ставится автоматически: система выбирает свободный принтер, назначает время старта и генерирует управляющие программы не только для 3D-принтера (LPBF/DED), но и для последующей механообработки на станках с ЧПУ.

Решаемая проблема: разрыв между цифровой моделью и физическим производством, потери времени на ручное планирование и перепрограммирование.

Эффект: сокращение времени подготовки производства до 50%.

Этап 4. Производство и постобработка

Взаимодействие: 3D-печать металла (LPBF/DED) + гибридные методы.

Реализуется непосредственное выращивание детали. Для узлов контейнера применяется гибридный подход: печать (LPBF) сложной внутренней решётки (lattice), затем наплавка (DED) внешних слоёв или нанесение композита.

Решаемая проблема: невозможность изготовления сложных внутренних полостей и решётчатых структур традиционными методами.

Эффект: консолидация сборок (вместо 10 деталей — одна), исключение слабых мест (сварных швов, болтовых соединений), дополнительное снижение веса на 10–15%.

Этап 5. Обратная связь и база знаний

Взаимодействие: анализ проектов + машинное обучение + библиотека деталей.

Готовая деталь проходит контроль геометрии (3D-сканирование) и механических испытаний. Данные о реальном весе, времени печати, возникших дефектах загружаются обратно в систему, пополняя библиотеку деталей и служа основой для обучения модели машинного обучения. Это ключевое отличие GOAPS™ — самообучающаяся экосистема.

Решаемая проблема: каждый новый проект начинается с нуля, накопленный опыт теряется.

Эффект: ускорение будущих разработок на 30–40% (система предлагает готовое решение из библиотеки); снижение затрат на кадры (обучение студентов на реальных кейсах).

4. Сравнительный анализ GOAPS™+ML и DAPS™ (таблица 1)

5. Результаты и преимущества (таблицы 2 и 3)

Эксплуатационные преимущества

• Возможность штабелирования четырёх сложенных контейнеров в одном стандартном слоте.

• Снижение расхода топлива при транспортировке порожней тары до 25% [2].

• Полная коррозионная стойкость (композит + титан/алюминий).

• Плавучесть в аварийных ситуациях.

Заключение

1. Предложенная архитектура складного контейнера с монококовыми панелями и интегрированными AM-узлами решает ключевую проблему логистики — возврат порожней тары — за счёт снижения массы на 30% и возможности штабелирования четырёх контейнеров в одном слоте.

2. Ключевая конструктивная новизна — реализация шарнирной функции путём локального замещения жёсткого сердечника на эластомер при сохранении непрерывности внешних композитных обкладок, что обеспечивает абсолютную герметичность и исключает концентраторы напряжений.

3. Разработанная платформа GOAPS™+ML обеспечивает замкнутый цифровой цикл производства, интегрируя топологическую оптимизацию, генеративный дизайн, аддитивный синтез, автоматизированную постобработку и самообучающуюся базу знаний.

4. Сравнение с DAPS™ [4] показывает преимущества GOAPS™: замкнутая экосистема, ML-библиотека, полная интеграция с MES и встроенный образовательный модуль обеспечивают дополнительное сокращение времени подготовки производства на 50% и ускорение новых разработок на 30–40% за счёт повторного использования накопленных данных.

5. Количественные эффекты от внедрения технологии подтверждены моделированием и анализом: снижение веса деталей до 50%, экономия материала до 15%, сокращение цикла НИОКР на месяцы.

Дальнейшие исследования будут направлены на физическую реализацию прототипа и валидацию конечно-­элементных моделей в натурных испытаниях.

Разработанная технология апробирована не только на складных контейнерах, но и на линейке мобильных домов-трансформеров Smart MET House. Использование монококовых панелей и генеративных узлов, спроектированных в платформе GOAPS™, позволило снизить массу конструкций дома на 28%, обеспечить складное состояние «плоский пакет» и сократить время монтажа на площадке до 30 минут. Это подтверждает универсальность предложенных технических решений для различных классов складных пространственных конструкций. (рис. 8). 

Рис. 8. Перспективные конструкции умных складных экодомов-трансформеров Smart met house

Литература

1. UNCTAD. Review of Maritime Transport 2025. — United Nations, 2025. — 130 p. https://maritimeducation.com/review-of-maritime-­transport‑2025‑global-­shipping-at-a-turning-­point/
2. Holland Container Innovations. 4FOLD Collapsible Container: White Paper. — Rotterdam, 2024. — 24 p. https://4foldcontainers.com/
3. Patent NL 2023456 B1. Foldable freight container / J. van der Pol. — 2023. https://patents.google.com/patent/US20100133264A1/en
4. Divergent Technologies Inc. DAPS™ — Digital Adaptive Production System: Technical Divergent Technologies Inc. Divergent Announces $290 Million Series E to Scale Digital Manufacturing Platform and Meet Growing US Defense Production Demand (2025). https://www.divergent3d.com/company/news/story/divergent-­series-e_20250915
5. Czinger K. The Divergent 3D Story: Reinventing Manufacturing.
6. 3D Printing Meets High Performance in Czinger Hypercars
7. Глен Снедден, Майкл Брукс. Consolidation of Assemblies via Generative Design and Metal AM. https://www.researchgate.net/publication/353439471_Metal_additive_manufacturing_in_aerospace_A_review
8. ASTM F3301–24. Standard Guide for Additive Manufacturing. https://store.astm.org/f3301–18.html
9. Gibson I., Rosen D., Stucker B. Additive Manufacturing Technologies. — Springer, 2021. https://link.springer.com/book/10.1007/978‑3‑030‑56127‑7
10. Gebhardt A., Hötter J. S. Additive Manufacturing: 3D Printing for Prototyping and Manufacturing. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978‑3‑031‑44282‑7_4
11. This car company set new track records to prove its 3D printing tech Kevin and Lukas Czinger have a new way of making cars, and it’s starting to catch on. https://arstechnica.com/cars/2022/10/turning-­powdered-aluminum-into-supercar-­parts-with-divergent‑3d/

Источник журнал "Аддитивные технологии" № 3-2026