Статья Инжинирингового центра "CompMechLab": "Перспективные направления развития передовых производственных технологий в России"

Среда, 10 мая 2017 17:10

Опубликован сборник докладов XVII Апрельской международной научной конференции «Модернизация экономики и общества». В сборник вошла статья «Перспективные направления развития передовых производственных технологий в России», подготовленная сотрудниками CompMechLab

Сборник XVII Апрельская международная научная конференция по проблемам развития экономики и обществаВ марте 2017 года опубликован сборник «XVII Апрельская международная научная конференция по проблемам развития экономики и общества». (В четырех книгах. Отв. ред. Е. Ясин. М.: НИУ ВШЭ, 2017).

Сборник составлен по итогам XVII Апрельской международной научной конференции по проблемам развития экономики и общества, организованной Национальным исследовательским университетом «Высшая школа экономики» (НИУ ВШЭ) при участии Всемирного банка и проходившей 19–22 апреля 2016 года в Москве.

В сборник вошла статья «Перспективные направления развития передовых производственных технологий в России» (.pdf, 3.52 МБ, книга 3, с. 381) за авторством  проректора по перспективным проектам СПбПУ, научного руководителя Института передовых производственных технологий (ИППТ СПбПУ), руководителя Инжинирингового центра “Центр компьютерного инжиниринга” (CompMechLab®) СПбПУ А.И. Боровкова и главного специалиста отдела технологического и промышленного форсайта Ю.А. Рябова.

Ниже приводим полный текст публикации.

Перспективные направления развития передовых производственных технологий в России.

Глобализация рынков, конкуренция, стремительное развитие технологий и наукоемких инноваций, появление сверхсложных научно-технических проблем (комплексных задач на стыке нескольких отраслей промышленности) требует от промышленности гораздо более быстрых темпов развития, предельно коротких циклов разработки, низких цен и высокого качества продукции. Спрос на сложные многофункциональные инженерные изделия стимулирует процесс постоянных модификаций как самих продуктов (изделий / конструкций / разнообразных технических систем), так и технологий их производства — инструментов, позволяющих оптимизировать процессы разработки, изготовления и управления.

Ответом на этот вызов становятся передовые производственные технологии (ППТ), которые находятся сегодня в фокусе промышленной, инновационной, научной и образовательной политики развитых стран: лидерами в разработке новых мер и подходов выступают США, Европейский союз и некоторые государства — члены этого интеграционного объединения. Такое внимание к ППТ связано с тем, что они представляют собой уже не открытия, изобретения или научное знание, а способы решения производственных задач, доведенные до промышленного прототипа, а экономический кризис конца 2000-х — начала 2010-х годов, обесценив капиталовложения в старые основные промышленные фонды, позволяет отказаться от традиционных технологий и создает предпосылки для их замены на новый пакет неконвенциональных технологий, дающих их обладателям бесспорные конкурентные преимущества [В.Н. Княгинин].

При этом сами по себе передовые производственные технологии не являются однозначным понятием. К их определению существует множество подходов, которые акцентируют внимание на различных аспектах. В данном докладе авторы подробно остановились на трех подходах — американском, европейском и российском.

В США главной инициативой по развитию ППТ является Advanced Manufacturing Partnership, которая была запущена в июне 2011 г. В основе инициативы лежит доклад Президентского совета советников по науке и технологиям (PCAST), озаглавленный Ensuring Leadership in Advanced Manufacturing.

В документе дается следующее определение передового производства: это «совокупность видов деятельности, которые: 1) зависят от использования и согласования информации, автоматизации, вычислений, программного обеспечения, телеметрии, компьютерных сетей и/или 2) используют новейшие материалы и возникающие инструменты благодаря развитию физических и биологических наук (например, нанотехнологий, химии и биологии). Передовое производство включает как новые способы производства уже существующих продуктов, так и производство новых продуктов с использованием передовых технологий».

Позже, в октябре 2014 г., в рамках другого доклада PCAST — Accelerating U.S. Advanced Manufacturing — были выделены три группы передовых технологий, определяющие конкурентные преимущества Америки:

1) передовые датчики, управление и производственные информационные платформы;

2) визуализация, информатика и цифровое производство;

3) производство передовых материалов. В Евросоюзе применительно к ППТ предпочитают говорить о «системах передового производства» (Advanced Manufacturing Systems), которые, наряду с нанотехнологиями, передовыми материалами, микро- и наноэлектроникой, фотоникой и биотехнологиями, рассматриваются в документах Европейской комиссии 2009 г. как часть так называемых ключевых перспективных технологий (Key Enabling Technologies) — драйверов создания новых продуктов и услуг на рынке к 2020 г.

Определение систем передового производства было дано позже, в докладах Группы высокого уровня по ключевым перспективным технологиям, созданной в июле 2010 г.: «1) производственные системы и услуги, процессы, заводы и оборудование — робототехника, автоматизация, измерительные системы, когнитивная обработка информации, обработка сигналов и управление производством посредством информационно-коммуникационных технологий; 2) производственные операции, за счет которых создаются высокотехнологичные продукты; 3) использование инновационных инструментов в производстве и изобретение новых процессов и технологий для производства будущего».

Россия не остается в стороне от тематики развития передовых производственных технологий.

Экспертами Сколковского института науки и технологий (А.К. Пономарев, И.Г. Дежина, А.С. Фролов) было предложено собственное определение передовых производственных технологий, которое впоследствии было использовано при подготовке проекта скоординированной программы исследований и разработок в интересах развития новых производственных технологий на 2016–2020 гг. Минобрнауки России.

«Перспективные производственные технологии — это комплекс процессов проектирования и изготовления на современном технологическом уровне кастомизированных (индивидуализированных) материальных объектов (товаров) различной сложности, стоимость которых сопоставима со стоимостью товаров массового производства, в том числе в странах с дешевой рабочей силой».

На основе многолетнего опыта применения передовых производственных технологий ГК CompMechLab А.И. Боровков, выступая на заседании Президиума Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России (16 сентября 2014 г.), акцентировал внимание на том, что ППТ — это, как правило, сложный комплекс мультидисциплинарных знаний, наукоемких технологий и системы интеллектуальных ноу-хау, полученных с помощью длительных и дорогостоящих научных исследований, эффективного применения концепции открытых инноваций и трансфера передовых наукоемких технологий. Принципиально важно подчеркнуть, что многие наукоемкие технологии аккумулируют наработки нескольких лет, создаются большими коллективами, а потому трудоемкость их создания составляет тысячи и десятки тысяч человеко-лет.

Существенным представляется следующий терминологический аспект: понятие передовых производственных технологий призвано отразить тот факт, что речь идет именно о совокупности новых, с высоким потенциалом, уже зарекомендовавших себя, демонстрирующих де-факто стремительное развитие, но имеющих пока по сравнению с традиционными технологиями относительно небольшое распространение, новых материалов, методов и процессов, которые используются для производства глобально конкурентоспособных и востребованных на мировом рынке продуктов или изделий (машин, конструкций, агрегатов, приборов, установок и т.д.). Использование термина «передовые» также позволяет избежать неконструктивной дискуссии относительно того, в какой степени технологии являются перспективными, а также провести их разграничение с современными технологиями, которые, в отличие от ППТ, уже получили достаточно широкое распространение.

Для России ППТ — это современная версия промышленной политики, направленная на создание в кратчайшие сроки глобально конкурентоспособной и кастомизированной продукции нового поколения, на импортозамещение и импортоопережение высокотехнологичной зарубежной продукции, на увеличение доли экспорта отечественных высокотехнологичных продукции и услуг («экспортно ориентированное импортоопережение»).

С точки зрения Центра компьютерного инжиниринга СПбПУ, целесообразно дать следующую классификацию передовых производственных технологий:

1. Цифровые технологии:

  • цифровое проектирование и моделирование — технологии компьютерного проектирования (CAD), инжиниринга (CAE) и оптимизации (CAO), включая проектирование на основе принципов бионического дизайна; суперкомпьютерные технологии (HPC), технологии управления жизненным циклом изделий (PLM);
  • технологии организации и управления производством — автоматизированные системы управления технологическими процессами (ICS), системы оперативного управления производственными процессами на уровне цеха (MES), технологии сбора, хранения, управления и анализа данных (промышленный Интернет, Big Data).

2. Новые материалы: полимеры; металлопорошки и порошковые композиции; сплавы; композиты; керамики; метаматериалы; цифровое проектирование материалов.

3. Цифровое производство: аддитивные (3D-принтинг) и гибридные технологии; робототехнические комплексы.

Ключевую роль в этой классификации играют цифровое проектирование и моделирование, новые материалы и аддитивные технологии: именно эта триада обеспечивает производство “best-in-class” оптимизированных сверхсложных изделий / конструкций для самых различных рынков / отраслей.

В настоящий момент ощутимые результаты применения ППТ наблюдаются в наиболее наукоемких отраслях промышленности, характеризующихся передовым в научно-техническом плане производственным аппаратом, высококвалифицированным кадровым потенциалом работников, относительно высокими затратами на научные исследования. Наукоемкие отрасли оказывают комплексное влияние на развитие традиционных отраслей и сферы услуг в части трансфера технологий.

Данные отрасли производят сложную продукцию, которая создается на основе самых современных достижений науки и техники, обладает высокой конкурентоспособностью и возможностью адаптации (конфигурации) под нужды конкретного потребителя.

Классификация передовых производственных технологий

Классификация передовых производственных технологий.

К таким отраслям относятся в первую очередь автомобилестроение и производство авиационной и космической техники, мировым лидерам которых (BMW, Daimler, Airbus, Boeing, Lockheed Martin и др.) критически важно достичь таких характеристик, как минимальный вес при удовлетворении высоких показателей механических свойств (по жесткости, прочности, устойчивости, вибрациям и т.д.), а также экономической эффективности. Достижение совокупности всех необходимых показателей возможно уже сейчас благодаря применению ППТ.

Исходя из классификации передовых производственных технологий и существующих научно-технических заделов в России, авторы выделили три перспективных направления развития. Это компьютерное проектирование материалов, аддитивные и гибридные технологии и бионический дизайн конструкций. Где это было возможно, эти направления были выделены методом комплексирования, т.е. соединения различных элементов, что дает новое качество, которого было бы невозможно достигнуть, если бы использовалась лишь одна технология или один существующий задел. В данной статье авторы подробно остановились на бионическом дизайне конструкций.

Первое перспективное направление — компьютерное проектирование материалов на атомарном / кристаллическом уровне — заключается в том, что на всех стадиях создания передовых материалов начинают использоваться математические алгоритмы и специализированные программные системы, которые позволяют значительно ускорить процесс изобретения и последующего массового внедрения, тем самым отказавшись от метода перебора вариантов («проб и ошибок») по итогам проводимых натурных (физических) экспериментов.

В России исследования в сфере компьютерного проектирования материалов ведутся А.Р. Огановым в Лаборатории компьютерного дизайна материалов (МФТИ, с 2013 г.) и Лаборатории 4 «Расчетное проектирование материалов» (Сколтех, Центр по проектированию, производственным технологиям и материалам, с 2015 г.).

Второе перспективное направление — аддитивные и гибридные технологии. В России существует несколько центров, в которых накоплен значимый научно-технический задел в деле разработки в области оборудования и материалов для 3D-печати. Формат краткой статьи по итогам конференции позволяет упомянуть лишь некоторые из них: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Всероссийский НИИ авиационных материалов, Томский государственный университет, предприятия ГК «Росатом», региональный инжиниринговый центр УрФУ, ННГУ им. Н.И. Лобачевского и др.

Третье перспективное направление — бионический дизайн, или (Simulation & Optimization)-Driven Bionic Design, — это «проектирование и производство глобально конкурентоспособной и кастомизированной / персонализированной продукции нового поколения на основе применения технологий компьютерного инжиниринга, оптимизации (многопараметрической, топологической, многокритериальной, мультидисциплинарной и др.) и передовых производственных технологий, в первую очередь аддитивных технологий, когда получаемые оптимальные “best-in-class” инженерные решения (детали, изделия, конструкции и т.д.) напоминают структуры, встречающиеся в живой природе».

За счет бионического дизайна конструкция уже на этапе проектирования приближается к оптимуму, а прототипирование и натурные испытания превращаются из длительного дорогостоящего итерационного процесса в краткосрочный и недорогой этап окончательной проверки и валидации. Это позволяет значительно повысить конкурентоспособность продукции, производства и компании, заметно снизить расходы и максимально ускорить выпуск новой продукции на рынок.

Бионический дизайн позволяет получать “best-in-class” оптимизированные изделия, характеристики которых не уступают, а превосходят характеристики традиционных конструкций. Для России бионический дизайн остается достаточно новым явлением, обещающим, однако, большое будущее в промышленном производстве, особенно в его высокотехнологичном секторе. На данный момент существуют единичные примеры использования бионических принципов для создания конечного продукта. Так, в Центре компьютерного инжиниринга СПбПУ был спроектирован, оптимизирован и изготовлен с помощью аддитивных технологий металлический кронштейн, масса которого на 77% меньше массы обычного кронштейна, применяемого в конструкциях летательных аппаратов. При этом известно, что масса является ключевым фактором в авиакосмической отрасли: для самолетов снижение массы конструкций ведет к экономии на протяжении жизненного цикла до 350–1000 долл., а для спутников — до 10 000 долл. и более.

Такие “best-in-class” оптимизированные изделия можно получать на «фабриках будущего» — современных производствах по проектированию и созданию глобально конкурентоспособной и кастомизированной / персонализированной продукции нового поколения, а также по решению актуальных задач по импортозамещению / экспортно ориентированному импортоопережению высокотехнологичной зарубежной продукции на основе применения передовых производственных технологий (в первую очередь цифрового проектирования и моделирования, новых материалов и аддитивных технологий) с последующим добавлением к этой цепочке новых технологических элементов (робототехники, сенсорики, промышленного Интернета, Big Data, прочих ППТ), позволяющих осуществить переход от цифрового (Digital Factory) к «умному» (Smart Factory) и/или виртуальному (Virtual Factory) уровню «фабрики будущего».

Таким образом, при должных усилиях со стороны всех заинтересованных сторон (государства, бизнеса и общества) и правильном выборе наиболее перспективных направлений развития передовых производственных технологий у России существуют все возможности обеспечить глобальную конкурентоспособность промышленности. Наиболее важным инструментом поддержки в этом смысле сегодня видится Национальная технологическая инициатива, в рамках которой тематика ППТ является центральной для рабочей группы «ТехНэт».

В 2016 г. рабочая группа «ТехНэт» планирует запустить ряд элементов «фабрики будущего» на испытательных площадках /«полигонах» (Test Beds) с целью разработки и тестирования совместимости передовых технологий в среде, отражающей реальные производственные условия, и оценки потенциала их интеграции в современное производство.

Эта деятельность будет осуществляться Институтом передовых производственных технологий СПбПУ, где на базе Центра компьютерного инжиниринга будет создана Цифровая фабрика (с учетом уникального опыта сотрудников Центра по успешному выполнению в 2014–2015 гг. работ в рамках проекта по созданию отечественного автомобиля премиум-класса и на основе многолетнего успешного взаимодействия сотрудников ГК CompMechLab с мировыми высокотехнологичными компаниями-лидерами на современных рынках), и ПАО «НПО «Сатурн», на площадке которого будет запущена «умная» фабрика в тесном взаимодействии с Цифровой фабрикой СПбПУ.

Кроме того, на базе Сколковского института науки и технологий, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и ИППТ СПбПУ планируется запустить распределенную площадку инфраструктурного характера по сертификации материалов и конструкций нового качества. Проекты по формированию профессионального сообщества и развитию кадрового потенциала в области передовых технологий будут реализованы при непосредственном участии Фонда «Сколково», Открытой технологической академии, Фонда «Центр стратегических разработок», ОАО «РВК», «Роснано», ИППТ СПбПУ.

Инциниринговый центр CompMechLab® является членом Национальной Ассоциации нефтегазового сервиса (http://nangs.org) с 2016 года.

Поделитесь новостью одним нажатием:


Подпишитесь бесплатно на нашу ежедневную рассылку
самых свежих новостей России и мира
по нефтегазодобыче, сервису и машиностроению!
Нас читают тысячи руководителей по всему миру.