Интервью руководителя ИЦ CompMechLab Алексея Боровкова журналу Rational Enterprise Management: "Изменит ли бионический дизайн производство?"

В последнем номере журнала Rational Enterprise Management №2 / 2017 (.pdf, 1,22 МБ) в рамках заочного круглого стола "Изменит ли бионический дизайн производство?" опубликованы ответы А.И. Боровкова.

Технологическое развитие в наступившую цифровую эпоху совершает, можно сказать, парадоксальный вираж, отклоняясь с пути создания все более техногенных изделий и обращаясь за помощью к живой природе. Непрерывный поиск инновационных идей для генерации во всех сферах экономики и жизни людей продукции с новыми необычными свойствами ведет к тому, что традиционные методы производства уже не в состоянии их реализовать.

Появившийся во второй половине прошлого века и становящийся все более актуальным бионический дизайн – подход к разработке принципиально новых конструкций на основе природных структурных форм – способен создавать в кратчайшие сроки сложнейшие инженерные решения, фактически столь же совершенные, как и те, что были созданы природой за тысячелетия эволюции. Каковы, однако, реальные перспективы этого подхода потеснить традиционные технологии моделирования? Что он может предложить для улучшения традиционных деталей и конструкций? Какова специфика внедрения бионического метода проектирования изделий в современное производство? Какое программное обеспечение способно обеспечить создание подобных конструкций? Свое экспертное мнение высказывают ведущие специалисты и топ-менеджеры российских и зарубежных компаний, имеющих в данной области наибольшую экспертизу.

Ниже приведет текст с ответами Алексея Боровкова, проректора по перспективным проектам СПбПУ, руководителя Инжинирингового центра “Центр компьютерного инжиниринга” (CompMechLab) СПбПУ. Полный текст публикации с ответами других участников круглого стола "Изменит ли бионический дизайн производство?": Rational Enterprise Management №2 / 2017 (.pdf, 1,22 МБ).

– Бионический дизайн приверженцы этого направления в промышленном конструировании провозглашают в качестве принципиально нового подхода к созданию best-in-class оптимизированных конструкций. Означает ли это, что существующие технологии оптимизации скоро исчерпают свой потенциал и их дальнейшая поддержка и развитие бесперспективны уже в среднесрочной перспективе, а для их пользователей – это путь к технологической отсталости?

Использование бионических принципов в процессе проектирования и создания продуктов нового поколения является на сегодняшний день одним из ключевых трендов технологического развития, затрагивающим самые разные отрасли высокотехнологичной промышленности (авиастроение, автомобилестроение, машиностроение), медицину, архитектуру, промышленный дизайн и другие области. На данный момент можно выделить два основных подхода к применению бионических принципов – традиционный и современный. И если первый предполагает заимствование принципов организации, свойств, функций, структур и материалов из живой при-роды с целью улучшения существующих и создания новых, не менее совершенных технических систем, то второй неразрывно связан с развитием передовых производственных технологий, и в его основе лежат технологии компьютерной оптимизации (Computer-Aided Optimization, CAO) – многопараметрической, топологической, многокритериальной, мультидисциплинарной и др. – то есть математический подход, основанный на описании пространственной (3D) задачи оптимизации с помощью уравнений в частных производных. Сегодня технологии компьютерной оптимизации и компьютерного моделирования тесно вплетены в процесс проектирования конструкций, более того, они стали основой, а затем и драйвером проектирования в промышленности, выражением чего служит парадигма Simulation & Optimization Driven Design.

Суть этой концепции заключается в том, что проектирование изделия осуществляется на базе первичных инженерных расчетов, что существенно облегчает дальнейшую работу – получаемый в результате дизайн близок к оптимальному и может служить отправной точкой для более эффективного использования методов математического программирования. Такой подход значительно сокращает сроки разработки продукта и существенно удешевляет этот процесс, позволяя при этом повысить технико-эксплуатационные характеристики изделия.

Конвергенция и синергия технологий компьютерного проектирования и моделирования, включая технологии оптимизации (то есть концепции Simulation & Optimization Driven Design) и аддитивные технологии дают возможность говорить о принципиально новом подходе к проектированию и созданию best-in-class оптимизированных конструкций – бионическом дизайне (Simulation & Optimization Driven Bionic Design), который не только не исключает технологии оптимизации, но способствует их развитию и совершенствованию.

– Какое требуется программное обеспечение для моделирования и анализа изделий с бионическим дизайном? Это должно быть специализированное ПО, решающее полный цикл задач – от создания первоначального дизайна конструкций до их оптимизации и подготовки к производству или возможно использование распространенных САD/СAE/CAM-пакетов?

Для создания изделий в соответствии с принципами бионического проектирования необходимо высокотехнологичное инженерное программное обеспечение. В первую очередь это программные системы, позволяющие использовать топологическую оптимизацию.

Признанным лидером на рынке таких систем является программная система OptiStruct, разработанная компанией Altair (США). К данному классу ПО относятся также модуль для расчета механической прочности моделей solidThinking Inspire, тоже разработанный компанией Altair, решения для структурной оптимизации и оптимизации потоков Tosca Structure и Tosca Fluid компании Dassault Systemes (Франция), система для оптимизационных расчетов Optimus компании Noesis Solutions (Бельгия), программный комплекс для решения задач оптимизации IOSO NM компании «Сигма Технология» (Россия), программная среда оптимизации конструкций modeFrontier компании ESTECO (Италия) и др.

Однако важно понимать, что когда речь идет о создании высокотехнологичных инженерных систем, вопросом ключевой важности является уровень подготовленности и компетенций специалистов, которые не может заменить даже самое высокотехнологичное программное обеспечение. Подготовка таких специалистов – «инженерного спецназа» – то есть тех, кто работает на передовой линии перспективных производственных технологий и новых способов организации производства, – процесс долгий и крайне трудоемкий, именно поэтому их доля составляет всего 5-10% от общего числа инженеров. Таких специалистов готовит Институт передовых производственных технологий (ИППТ) СПбПУ.

– Для технического воплощения бионической модели, очевидно, необходимо обеспечить сложную настройку инженерного процесса под данный проект и его встраивание в технологическую цепочку.

Насколько в этой связи рентабельно внедрять принципы бионического дизайна в существующее производство? Является ли более эффективным путем создание с нуля нового производства? Или тот или иной способ реализации бионического проекта зависит от целевой задачи – оптимизировать типовые элементы и конструкции либо же организовать производство нового изделия со сложной и нестандартной структурой?

Безусловно, проектирование изделий с применением принципов бионического дизайна требует компетенций высокого уровня и соответствующего набора высокотехнологичных инструментов (в том числе программного обеспечения и суперкомпьютеров).

Более того, полностью использовать потенциал технологий оптимизации позволяют только аддитивные технологии, так как в силу сложной геометрии изготовление конструкций, полученных в результате оптимизации, посредством традиционной механообработки даже на современных многофункциональных станках с ЧПУ является либо невозможным, либо крайне затратным. Однако важно понимать, что, применяя бионический подход, мы не ставим себе целью удешевление конечного продукта. Сочетание технологий топологической оптимизации с аддитивными технологиями дает возможность получить продукт с принципиально новым дизайном – «за гранью интуиции главного конструктора», что в свою очередь позволяет снизить эксплуатационные издержки за счет снижения массы изделия и повышения его технико-эксплуатационных характеристик.

Также стоит отметить, что внедрение отдельных технологий при старых производственных мощностях и традиционном подходе к производству зачастую удорожает конечную продукцию. Однако в Инжиниринговом центре СПбПУ есть успешные примеры комбинирования новых и традиционных технологий производства. Таким примером может служить спроектированная в Инжиниринговом центре опора раздаточной коробки передач (РКП) для отечественного автомобиля премиум-класса. Опора РКП предназначена для обеспечения необходимой жесткости и прочности соединения РКП с кузовом, а также является одним из ключевых компонентов с точки зрения пассивной безопасности.

Результатом выполненных работ стало достижение ценового значения ниже целевого, а также радикальное снижение массы – в 3,4 раза по сравнению с аналогами: опора зарубежного автомобиля премиум-класса имеет массу 19 кг, в то время как опора, изготовленная в Инжиниринговом центре СПбПУ, – всего 5,6 кг. Проектирование, виртуальные испытания и оптимизация, подготовка цифровой рабочей конструкторской документации и создание CAD-модели осуществлялись с помощью CML – экспертной мультидисциплинарной и кросс-отраслевой системы, разработанной в Инжиниринговом центре СПбПУ. Была создана CAD-модель, проведена топологическая и топографическая оптимизация, а также необходимые расчеты на прочность, жесткость, пассивную безопасность, модальный анализ и проч.

При разработке и изготовлении конструкции опоры РКП впервые в отечественной практике применялись технологии, сочетающие в себе как аддитивные технологии, так и технологии литья под давлением – на 3D-принтере, разработанном в ИППТ СПбПУ, из ABS-пластика была напечатана модель опоры в реальном масштабе, а затем была изготовлена опытная партия изделий посредством литья в формы ХТС (формы на основе холодно-твердеющей смеси, или литье «в разовые песчаные формы»).

Разумеется, в долгосрочной перспективе для обеспечения глобальной конкурентоспособности производимой продукции необходим повсеместный переход на новый технологический уклад. Но перевооружение производства – это весьма длительный, постепенный и ресурсоемкий процесс. Для этого во всем мире создаются программы по технологическому развитию, призванные способствовать повышению конкурентоспособности производств и конечной продукции в отдельной стране или регионе. Такие программы уже запущены в США, ЕС, Китае. В России этой цели служит в частности мегапроект «Фабрики Будущего», направленный на решение инженерно-технологических Проблем-Вызовов (Industrial Challenge Problems), актуальных для компаний высокотехнологичных отраслей промышленности и новых рынков Национальной технологической инициативы, с помощью передовых производственных технологий (в первую очередь технологий цифрового проектирования и моделирования, аддитивных технологий и новых материалов).

– Очевидно, что изготавливать изделия с особо сложным бионическим дизайном можно только с помощью аддитивных технологий ввиду того, что традиционные технологии производства накладывают достаточно жесткие ограничения на конструкцию изделия. Где пролегает та грань, которая разделяет возможность реализации бионического проекта

посредством традиционных производственных процессов либо только методами АМ? Вообще, какими технологиями и оборудованием должна обладать компания-производитель, чтобы работать с бионическими моделями?

Аддитивные технологии в полной мере предоставляют возможность реализовать преимущества, которые несет в себе топологическая оптимизация. Однако во многих случаях возможно применение и традиционных производственных технологий, например, литья (как в случае с опорой РКП) или ЧПУ-обработки. Но используя ЧПУ-обработку, следует помнить, что ее применение снижает стоимость изделия, при этом одновременно снижаются и технические характеристики изделия, в то время как его эксплуатация удорожается. Этот факт c очевидностью подтверждает одна из демонстрационных задач, выполненная в Инжиниринговом центре СПбПУ – проектирование и изготовление кронштейна авиационного двигателя. Благодаря применению бионического подхода, включающего компьютерный инжиниринг, топологическую оптимизацию и аддитивные технологии, массу детали удалось снизить в 4,39 раза по сравнению с оригинальным изделием на основе традиционных для отрасли решений (с 1,046 до 0,238 кг). Далее, для одной из геометрий кронштейна в рамках проекта была выполнена адаптация под субтрактивное производство – обработку на станке с ЧПУ. Проигрыш в массе детали, изготовленной с помощью традиционной механообработки, по сравнению с произведенной аддитивным методом, составил около 30%. С другой стороны, выигрыш по сравнению с оригинальным изделием оказался существенным – масса детали была снижена в 3,35 раза.

Что касается инструментов, необходимых для применения принципов бионического дизайна, то если речь идет о стадии проектирования, – это по крайней мере базовый набор высокотехнологичного инженерного ПО, в первую очередь технологий компьютерной оптимизации, так как эти технологии являются основой бионического дизайна.

– В каких областях бионический подход является актуальным уже сегодня и его преимущества наиболее очевидны, учитывая в том числе проблему сертифицирования бионических изделий для применения в высокотехнологичных отраслях промышленности?

Наибольшую выгоду от применения принципов бионического дизайна можно извлечь в таких высокотехнологичных отраслях, как автомобилестроение, авиастроение, ракетостроение, где крайне важно обеспечить минимальный вес изделия при сохранении (или повышении) всех его технико-эксплуатационных параметров. На сегодняшний день уже есть примеры изготовления изделий подобного рода – заделы в этой области уже имеют GE, Lockheed Martin и другие мировые лидеры высокотехнологичных отраслей промышленности.

В силу относительной новизны и в то же время востребованности технологии проблема сертификации бионических изделий, равно как и изделий, изготовленных при помощи 3D-печати, действительно стоит достаточно остро, на данный момент ею занимаются многие мировые лидеры в различных отраслях, такие как Airbus, GE, Boeing. Если говорить о России, то проблема сертификации решается в рамках дорожной карты «Технет» НТИ. В частности, в 2017 году планируется запуск испытательного полигона для экспериментально-цифрового центра сертификации на базе Сколковского института науки и технологий.

Смысл цифровой сертификации, как ее понимают в ИЦ СПбПУ, заключается в проведении тысяч виртуальных испытаний как отдельных компонентов, так и всей системы в целом, что дает возможность радикально снизить количество натурных испытаний. Именно этот подход обеспечил получение в июне 2016 года с первой попытки высшего балла по пассивной безопасности во время испытаний отечественного автомобиля премиум-класса на независимом полигоне в Берлине. Достижение такого результата практически с нуля за 1,5 года стало возможным благодаря применению принципиально новых подходов «проектирования на основе моделирования», созданию матрицы целевых показателей и ограничений (при этом одновременно учитывалось около 30 000 целевых показателей и ограничений), выполнению тысяч виртуальных испытаний на основе разработанных уникальных «умных» моделей, а также применению системы CML.

В отличие от строительной и интерьерной сферы, где бионический дизайн помогает создавать архитектурные и дизайнерские объекты поистине совершенной красоты и функциональности, в сфере производства применение бионических принципов, как видим, ограничивается пока достаточно прозаическими задачами – оптимизацией уже существующих деталей и элементов конструкций с целью сделать их более легкими, прочными и экономичными. Соответственно, наибольшее практическое значение на сегодняшний день бионическое моделирование имеет для таких отраслей, как авиакосмическая, автомобильная, а также двигателестроение, то есть там, где облегчение деталей с сохранением или увеличением прочности имеет особо важное значение. Отдельным развивающимся направлением, востребованным в рамках небольших объемов производства, является изготовление в связке с аддитивными технологиями «бионически» спроектированных деталей сложной геометрии, которые невозможно получить иным способом. Тем не менее, использование бионических принципов для проектирования и создания продукции нового поколения является набирающим силу технологическим трендом, постепенно проникающим в самые разные, в том числе высокотехнологичные, отрасли промышленности.

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