Аддитивные технологии в производственных процессах
Аддитивные технологии в производственных процессах
Экономические проблемы внедрения аддитивной технологии
Курс на опережающее развитие аддитивных технологий определяет актуальность тщательного технико-экономического анализа рентабельности их внедрения в конкретное производство. Вопросы экономики слабо отражены в статистике, что вызывает трудности у специалистов, занимающихся внедрением аддитивного производства. Вместе с тем в мировой экономике взят курс на опережающее развитие и внедрение аддитивных технологий размерного формообразования, что предопределяет актуальность тщательного технико-экономического анализа рентабельности аддитивных производств. С формально-технологической точки зрения внедрение аддитивной технологии на конкретном предприятии оправдано и целесообразно в том случае, если при прочих равных условиях снижаются издержки производства на единицу продукции (удельные ресурсные затраты). Таким образом, первостепенное значение приобретает расчет разности цеховых себестоимостей изготовления детали или сборочной единицы по двум вариантам технологий:
· существующая технология изготовления изделия с использованием освоенных методов получения заготовок и механообработки;
· технология изготовления изделия с использованием операций аддитивного формообразования.
Прежде чем обсудить особенности такого расчета, сформулируем некоторые условия, ограничения и допущения:
1. Необходимым условием сравнения технико-экономической эффективности вариантов технологий является тождественность производственных результатов. Поэтому, прежде чем проводить сравнительный анализ вариантов необходимо проверить тождество результатов по составу продукции, ее качеству, объему, срокам выполнения производственного задания, режиму времени и условиям труда.
2. Если второй вариант позволяет сразу получить составную часть изделия из n деталей, то для обеспечения тождественности результата по составу продукции в первом варианте следует учитывать суммарные удельные затраты на изготовление каждой из n деталей плюс себестоимость процесса их сборки, транспортные и складские расходы.
3. Если второй вариант обеспечивает сокращение цикла технологической подготовки производства и производственного цикла, то для сравнения необходимо обеспечить тождественность вариантов по срокам. Сокращение сроков поставки товарной продукции на рынок особенно важно при изготовлении новой по потребительским свойствам товарной продукции в условиях жесткой конкуренции. Это обстоятельство можно учитывать, как упущенную выгоду от реализации продукции по аддитивному варианту. Такой расчет зачастую вызывает вопросы из-за возможного изменения рыночной конъюнктуры, уровня цен на продукцию, однако он дает возможность достаточно просто оценить важное конкурентное преимущество аддитивных технологий.
4. Предполагается, что оба варианта обеспечивают одинаковое качество продукции, обусловленное техническими условиями на изготовление (тождественность по качеству продукции). В противном случае изменение функциональных свойств изделия необходимо оценивать при расчете, руководствуясь имеющимися рекомендациями. Так, рекомендуется пересчитывать число изделий повышенного качества в большее число изделий обычного качества с изменением соответствующих затрат.
Учитывая сказанное, структура затрат на себестоимость изготовления и сборки:
1) по первому варианту технологии представляется в виде
C1 = ∑ (C1зi + C1мi) + Cсб, i = 1
2) А по второму — С2 = Спр + Сад + Спс,
где С1, С2 — суммарные себестоимости изготовления конечного продукта по сравниваемым вариантам технологии, С1зi — себестоимость получения заготовки i‑й детали сборочной единицы, С1мi — себестоимость механообработки i‑й детали, m — число изготовляемых деталей сборочной единицы, Ссб — себестоимость сборки составной части изделия с учетом стоимости всех остальных комплектующих согласно спецификации сборочной единицы, Спр — себестоимость предварительных (предшествующих) операций, Сад — себестоимость операции (операций) аддитивного формообразования, Спс — себестоимость последующих операций окончательной обработки изделия.
Заметим, что аддитивные технологии послойного выращивания изделий из порошка не позволяют избавиться от остаточной пористости, что заставляет в ряде случаев использовать последующие технологии, например, горячее изостатическое прессование, инфильтрацию, термообработку. Как показано выше, как конечный продукт используют всего около 19% продукции аддитивного производства. Предполагается, что исходные материалы по второму варианту, например, металлический порошок, являются покупными и на предприятии не производятся. Для технико-экономической оценки эффективности двух вариантов технологий используют метод прямого расчета себестоимости, согласно которому выбор лучшего варианта осуществляют по двум критериям:
· расчетному коэффициенту сравнительной экономической эффективности Ер
· или по расчетному сроку окупаемости Тр.
Правило предпочтения выражается неравенствами вида Eр > Eн, Tр < Tн, где индекс «н» соответствует нормативной величине соответствующего критерия. При нахождении этих критериев приходится рассчитывать разность суммарных цеховых себестоимостей при переходе от первого варианта ко второму (∆С = С1 — С2). Где сравнивается разность затрат на основные материалы, на зарплату, на амортизацию и так далее. В общем случае разность расходов на материал ∆Cм рассчитывают по известной формуле, зная оптовые цены на единицу массы материала и отходов, нормы расхода материала и массу отходов на одно изделие по вариантам. Приведенные данные позволяют оценить отношение стоимости материала при аддитивном формообразовании (См2) к стоимости его при механической обработке (См1) величиной 0,5–5.
Особенность сравнительных расчетов в нашем случае заключается в следующем.
Во‑первых, как правило, использование операции аддитивного формообразования позволяет заметно снизить количество операций в технологическом процессе изготовления детали. Во‑вторых, штучно-калькуляционное время на операции аддитивного формообразования составляет, как правило, десятки часов. Поскольку современное оборудование длительное время работает в автоматическом режиме, при его эксплуатации целесообразно применять многостаночное обслуживание и совмещение профессий. В результате станкоемкость и трудоемкость операции значительно отличаются. Поэтому для каждого способа аддитивного формообразования получают расчетное выражение для машинного или оперативного времени исходя из существующей методики нормирования технологических операций с учетом специфики физико-химических процессов получения объемных твердых форм в каждом случае. Основным недостатком послойного синтеза изделий пространственно-сложной формы является относительно большая величина машинного времени обработки. Это приводит к высокой доле затрат на амортизацию оборудования в калькуляции себестоимости. Так, по имеющимся данным доля затрат на амортизацию станка может достигать в отдельных случаях 70 % себестоимости изделия.
Для снижения себестоимости по этой статье затрат рекомендуется максимально повышать загрузку, эксплуатировать оборудование без выходных, желательно в 2–3 смены. В связи с быстрым моральным износом такой техники срок окупаемости не должен превышать 5 лет. По мнению экспертов, в ближайшие годы следует ожидать заметного снижения цен на оборудование для SLS и SLM, что благоприятно скажется на конъюнктуре продаж и темпах внедрения соответствующих технологий. Для повышения экономических показателей при внедрении Аддитивных технологий в производстве рекомендуется оснащать участок аддитивного формообразования несколькими машинами с различными возможностями, например, SLM 50 + SLM 300 (400 Вт, 50 мкм):
- SLM машины с мощным лазером производительнее и обеспечивают более низкую технологическую себестоимость. Машины с менее мощным лазером и меньшим диаметром пятна обеспечивают лучшее качество поверхностного слоя изделий;
- распределение номенклатуры изделий разного типоразмера между машинами с различными габаритами рабочей зоны приводит к экономии порошка и сокращению вспомогательного времени.
К преимуществам, которые также можно учесть при технико-экономическом обосновании, относят также сокращение численности рабочих и затрат на обеспечение безопасности жизнедеятельности, снижение цеховых и заводских накладных расходов за счет удешевления логистики.
Организационно — технический аспект
При освоении технологий актуальной задачей становится описание их характеристик и условий реализации. Уточняется понятийный аппарат, устанавливаются взаимосвязи между параметрами физико-химических процессов, обеспечивающих синтез твердого тела заданной конфигурации, и технологическими характеристиками операций аддитивного формообразования. Такая работа приведет в обозримом будущем к созданию нормативно-справочной базы аддитивных технологий. К факторам, сдерживающим развитие аддитивных технологий в производстве относят следующие:
· свойства материала
· точность изготовления и качество поверхности деталей
· относительно низкая производительность
· высокие капитальные вложения
· оборудование все еще несовершенно
· отличия в геометрии и свойствах между идентичными деталями, изготовленными на разных установках
· закрытая архитектура большинства Аддитивных установок, что не позволяет исследователям и технологам варьировать условия обработки.
Наряду с перечисленными, к факторам организационно-технического характера лимитирующим развитие и внедрение аддитивного производства относятся следующие:
1. Стандартизация процессов аддитивного производства, началась и активно развивается в Американском обществе по испытанию материалов (ASTM). Уже созданы ряд важных стандартов, однако на разработку достаточно полного комплекта международных стандартов, разработку национальных стандартов потребуется время.
2. Аттестация оборудования является принципиально важным фактором для внедрения Аддитивного производства и выступает необходимым предварительным условием для сертификации продукции. Основные проблемы аттестации оборудования можно сформулировать следующим образом:
— отсутствие стандартов на материалы, технологии и оборудование;
— большое число разнородного по конструкции и принципам действия оборудования;
— недостаточный опыт его промышленной эксплуатации и отсутствие статистики;
— отсутствие в ряде случаев результатов испытаний изделий в реальных условиях, достоверных данных, характеризующих физико-механические свойства изделий;
— слабое метрологическое обеспечение;
— закрытая архитектура оборудования;
— существующая бизнес-модель продаж и послепродажного обслуживания оборудования фактически превращает установку в черный ящик, ограничивает возможности технологов и операторов установки в повышении эффективности Аддитивных технологий;
— время и деньги на проведение процедуры аттестации.
3. Перечисленные выше факторы затрудняют сертификацию Аддитивной продукции. Пока что применение, как правило, сопровождается чрезвычайно строгими испытаниями для контроля соответствия свойств изделия техническим требованиям, что значительно снижает преимущества и эффективность аддитивного производства.
4. Следует подчеркнуть, что создание технологий и оборудования третьего и четвертого классов требует не только скорейшего развития научных основ технологии машиностроения применительно к новым процессам и методам формообразования, но и опережающую подготовку инженерно-технических кадров, способных решать новые конструкторско-технологические задачи
Основные направления развития
Эффективным направлением повышения производительности оборудования для аддитивного формообразования является разработка новых способов, отличных от послойного синтеза. Так, отметим появление способа аддитивного формообразования, основанного на объемном синтезе требуемой формы из жидкого интерфейса. Этот способ — continuous liquid interface production (CLIP) — обеспечивает высокую скорость формообразования (в 25–100, а в перспективе, по мнению экспертов, до 1000 раз большую, чем способы послойного синтеза). Он также характеризуется изотропностью структуры и свойств объекта производства, низкой шероховатостью поверхности, высоким разрешением при печати изделия. Ожидается получение пространственно-сложного объекта, функциональные свойства которого соответствуют требованиям к готовому продукту, в режиме реального времени.
Отметим тенденцию к развитию комбинированных технологий и оборудования четвертого класса. Такие технологии обеспечат дальнейшее сокращение длительности технологического цикла и позволят использовать достоинства как субтрактивных, так и аддитивных технологий. Так, компания Solidica разработала технологию UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing), на базе которой компания Fabrisonic выпускает гибридные станки типа SonicLayer R200, обеспечивающие аддитивно-субтрактивную обработку изделий из пластичных металлов и композиционных материалов с металлической или полимерной матрицей. Компания Mitsubishi LUMEX начала поставлять интегрированный комплекс Avance‑25, обеспечивающий объединение SLS-технологий и 5‑осного фрезерования. О подготовке к производству комплекса MPA‑40, интегрирующего возможности 5‑осного фрезерования и 3D-газодинамического напыления, сообщила компания Hermle. Применение таких технологий и соответствующих станочных систем также потребует технико-экономического обоснования с учетом приведенных выше особенностей.
Заключение
Развитие аддитивных производств, сопровождалось ажиотажем и завышенными ожиданиями. Несмотря на то, что многие считают Аддитивные технологии прорывными и ключевыми при переходе к шестому технологическому укладу, пока, их влияние, в масштабах мирового производства, остается умеренным. Реалистический подход и анализ опыта недавно прокатившейся по миру промышленной «нанореволюции» позволяют надеяться, что Аддитивное производство в обозримом будущем займет свою достаточно обширную нишу в мировом производстве.
Sergey Golubev (Сергей Голубев)
Crynet Marketing Solutions, vtorov.tech, EU structural funds, ICO/STO/IEO projects, NGO & investment projects, project management