ИИ-литейные производства нового поколения

ИИ-проектирование производств нового поколения: от уникальной литейной оснастки к массовому выпуску крупногабаритной продукции

Одним из важнейших направлений повышения конкурентоспособности современной промышленности может стать переход от совершенствования отдельных станков, деталей и технологических операций к комплексному проектированию всей производственной системы.

Речь идёт не только о создании новой оснастки. Одновременно должны проектироваться конечное изделие, применяемые материалы, технологическое оборудование, производственные операции, внутренняя логистика, системы контроля качества, ремонта, переналадки и управления предприятием. Все эти элементы необходимо рассматривать в рамках одного проекта и оптимизировать по общей цели: выпускать продукцию быстрее, дешевле, качественнее и с меньшими затратами ресурсов.

## От множества деталей — к крупным интегрированным изделиям

Показательным примером такого подхода стало применение компанией Tesla крупногабаритного литья под давлением. Вместо изготовления нижней части автомобиля из множества отдельных деталей, которые необходимо штамповать, перемещать, позиционировать, сваривать и контролировать, крупные передняя и задняя части основания автомобиля стали изготавливаться в виде интегрированных алюминиевых отливок.

Для этого используются разработанные итальянской компанией IDRA крупные машины литья под давлением Giga Press. Сама IDRA называет себя первым производителем, чьи машины такого класса применялись для изготовления компонентов силовой структуры автомобильного кузова. Практика Tesla показала возможность замены большого количества элементов одной крупной отливкой, хотя проект полностью цельнолитого основания автомобиля оказался значительно сложнее и пока не стал универсальным серийным решением.

Главный вывод из этого опыта состоит не в том, что все автомобили обязательно следует отливать целиком. Он состоит в необходимости заново проектировать изделие и весь способ его производства, последовательно уменьшая:

* количество деталей;
* число сварных и резьбовых соединений;
* объём сборочных операций;
* протяжённость производственной логистики;
* количество промежуточных складов;
* трудоёмкость контроля;
* длительность производственного цикла;
* площадь предприятия;
* расход энергии и материалов;
* вероятность накопления отклонений и дефектов.

Чем меньше отдельных элементов, перемещений и операций необходимо для выпуска продукции, тем выше может быть скорость производственного потока и тем ниже — себестоимость изделия.

## Не отдельная форма, а единый проект производства

Оснастка является центральным, но не единственным элементом новой производственной модели.

Недостаточно спроектировать форму, матрицу, штамп, опалубку или литейный кокиль. Необходимо одновременно разработать:

1. конструкцию конечного изделия;
2. состав и свойства материала;
3. способ подготовки материала;
4. оснастку;
5. основное технологическое оборудование;
6. оборудование подачи, дозирования и перемешивания;
7. системы нагрева, охлаждения, вакуумирования и создания давления;
8. системы извлечения изделия;
9. роботизированную транспортировку;
10. механическую и финишную обработку;
11. неразрушающий контроль;
12. машинное зрение;
13. цифровой двойник;
14. систему технического обслуживания;
15. экономику серийного производства.

Проектироваться должна не отдельная литейная форма, а производственная ячейка, линия или целый завод, способный стабильно выпускать требуемое количество изделий с заданными свойствами.

При этом оборудование и оснастка могут иметь различный жизненный цикл.

Основное оборудование — прессы, манипуляторы, насосные станции, смесители, печи, дозаторы, магнитные системы, роботизированные комплексы и устройства контроля — может быть универсальным и сравнительно редко заменяемым. Оснастка должна меняться значительно чаще, обеспечивая переход предприятия с одного изделия на другое.

Таким образом, одно базовое оборудование сможет выпускать десятки и сотни видов продукции посредством быстрой замены форм, матриц, вставок, рабочих модулей и управляющих программ.

Это особенно важно для автомобильной промышленности, судостроения, строительства и производства специального оборудования, где рынку требуется одновременно массовость, гибкость и возможность сравнительно быстро обновлять номенклатуру.

## Полный цикл ИИ-проектирования

Основой проекта должна стать ИИ-платформа полного цикла, способная проектировать не только геометрию изделия, но и всю технологию его производства.

ИИ может использоваться для:

* генеративного проектирования изделий;
* уменьшения массы при сохранении прочности;
* объединения нескольких деталей в одну;
* выбора материала;
* моделирования заполнения формы;
* расчёта тепловых потоков;
* прогнозирования усадки и деформаций;
* расчёта кристаллизации;
* выявления риска пористости и трещин;
* проектирования литниковых, вентиляционных и охлаждающих систем;
* проектирования оснастки;
* расчёта ресурса оснастки;
* подбора оборудования;
* составления маршрута производственных операций;
* определения оптимального расположения оборудования;
* управления материальными потоками;
* расчёта себестоимости;
* моделирования различных объёмов выпуска;
* автоматической корректировки режимов производства.

Цифровая модель должна объединять изделие, материал, оборудование, оснастку и производственный процесс. Изменение одного параметра должно автоматически пересчитывать остальные элементы проекта.

Например, замена алюминиевого сплава на композит, бетон или полимер должна приводить не только к изменению материала формы, но и к перерасчёту давления, температур, времени выдержки, способов армирования, охлаждения, извлечения и последующей обработки изделия.

## Проектирование материалов под конкретное изделие

Материал не должен рассматриваться как заранее заданная и неизменная величина.

В рамках единого проекта необходимо создавать или адаптировать составы материалов под конкретную конструкцию, способ изготовления и условия эксплуатации.

Это могут быть:

* алюминиевые, магниевые, чугунные и стальные сплавы;
* металлические композиционные материалы;
* стеклопластики;
* углепластики;
* базальтопластики;
* полимербетоны;
* фибробетоны;
* жаростойкие бетоны;
* геополимеры;
* керамические материалы;
* пеноматериалы;
* армированные грунтовые композиции;
* вторичное сырьё;
* многослойные и градиентные материалы.

ИИ должен подбирать состав, структуру и технологию материала исходя из требуемой прочности, массы, теплопроводности, долговечности, ремонтопригодности, стоимости и доступности местного сырья.

В перспективе материал может готовиться непосредственно перед формованием с автоматической корректировкой состава по данным лабораторных анализов, датчиков и машинного зрения.

## Управляемые магнитные поля в литейных технологиях

Одним из перспективных направлений развития проекта должно стать применение управляемых магнитных и электромагнитных полей.

В металлургии внешние магнитные поля могут воздействовать на движение расплава и процессы затвердевания. Они способны изменять конвекцию, распределение температуры, формирование кристаллической структуры, ликвацию и пористость. Исследования показывают, что статические и вращающиеся магнитные поля могут использоваться для управления структурой отливки, перемешивания расплава и повышения однородности материала.

Управляемые магнитные поля могут применяться:

* при плавке и подготовке металла;
* при электромагнитном перемешивании;
* при заполнении формы;
* при регулировании движения расплава;
* при направленной кристаллизации;
* при уменьшении неоднородности структуры;
* при управлении включениями;
* при формировании поверхностного слоя;
* при производстве заготовок для оснастки;
* при нанесении металлических покрытий;
* при изготовлении композитных и керамических материалов.

Магнитное формование применимо не только к металлам. В технологии магнитного шликерного литья внешнее поле используется для ориентации частиц и формирования управляемой структуры керамических изделий. Это открывает возможности создания деталей с заранее заданной анизотропией и повышенными механическими или функциональными свойствами.

В рамках проекта необходимо разработать цифровые модели, позволяющие ИИ управлять параметрами магнитного поля в зависимости от состава материала, геометрии изделия и текущего состояния процесса.

Магнитные системы могут стать частью как производства самой оснастки, так и выпуска конечной продукции с её использованием.

## Современные литейные и формовочные технологии

Платформа не должна ограничиваться традиционным литьём металлов. Она должна объединить различные технологии получения крупногабаритных изделий:

* литьё металлов под высоким и низким давлением;
* вакуумное литьё;
* литьё с противодавлением;
* центробежное литьё;
* непрерывное и полунепрерывное литьё;
* литьё по выплавляемым моделям;
* литьё по газифицируемым моделям;
* литьё в оболочковые формы;
* электромагнитное литьё;
* литьё с ультразвуковым воздействием;
* реолитьё и тиксоформование;
* инжекционное формование полимеров;
* реакционное формование композитов;
* вакуумную инфузию;
* литьё бетона и геополимеров;
* крупноформатную 3D-печать;
* торкретирование;
* виброформование;
* ротационное формование;
* производство многослойных изделий;
* комбинированное аддитивно-литейное производство.

Конкретная технология должна выбираться не по отраслевой традиции, а по минимальной совокупной стоимости жизненного цикла изделия.

 Оснастка из доступных и комбинированных материалов

Хотя неметаллические материалы в проекте прежде всего предназначены для изготовления конечной продукции, их также можно применять при создании отдельных видов оснастки.

В зависимости от температуры, давления, количества циклов и требуемой точности оснастка может изготавливаться из:

* инструментальных сталей;
* чугуна;
* алюминиевых сплавов;
* жаростойких бетонов;
* фибробетона;
* полимербетона;
* керамики;
* композитов;
* торкрет-масс;
* песчано-полимерных смесей;
* гибридных металлобетонных конструкций.

Наиболее нагруженные поверхности могут выполняться из металла или керамики, а массивная силовая часть — из более дешёвого бетона или композита.

Такой подход позволит уменьшить стоимость крупногабаритной оснастки, ускорить её изготовление и сделать экономически целесообразным производство изделий сравнительно небольшими сериями.

## «Чёрные заводы» нового поколения

Изготовление оборудования, оснастки и конечной продукции целесообразно организовывать на максимально автоматизированных предприятиях — условных «чёрных заводах».

Это заводы, на которых значительная часть операций выполняется без постоянного присутствия человека:

* роботизированная подготовка сырья;
* дозирование компонентов;
* плавка и смешивание;
* изготовление оснастки;
* крупноформатная печать;
* фрезерование;
* нанесение покрытий;
* сборка;
* заливка или формование;
* автоматическое извлечение изделий;
* очистка;
* термическая обработка;
* контроль;
* упаковка;
* внутрипроизводственная логистика.

Такие предприятия смогут работать круглосуточно, а специалисты будут преимущественно контролировать систему, разрабатывать новые изделия, проводить техническое обслуживание и устранять нестандартные отклонения.

Основное оборудование может сохраняться на предприятии десятилетиями, а обновление продукции будет происходить за счёт замены оснастки, программ, рабочих модулей и рецептур материалов.

Разберем открывающиеся ИИ-возможности на примере ПАО КАМАЗ и электро-автомобиля «Атом»

Одним из первых направлений проекта может стать автомобилестроение.

Для автомобилей КАМАЗ на первом этапе перспективно проектирование:

* крупных литых элементов рам;
* частей кабин;
* оснований кабин;
* подрамников;
* корпусов мостов;
* картеров;
* элементов подвески;
* корпусов электроприводов;
* батарейных отсеков;
* элементов грузовых платформ;
* интегрированных деталей специальной техники.

Для электромобиля «Атом» можно рассмотреть крупные элементы силовой структуры кузова, батарейного основания, передней и задней частей платформы, корпусов приводов и внутренних конструктивных модулей.

При этом необходимо оценивать не только снижение количества деталей, но также ремонтопригодность, возможность локальной замены повреждённых модулей, стоимость страхового ремонта и пригодность автомобиля к эксплуатации в российских климатических условиях.

КАМАЗ и его литейный завод могут стать не только потребителями технологии, но и разработчиками оснастки, оборудования и готовых производственных линий для других отраслей.

## Цельнолитые катера и яхты

Отдельное направление — производство полностью или преимущественно отлитых корпусов катеров, яхт и маломерных судов.

Такие изделия могут производиться:

* из алюминиевых сплавов;
* из стеклопластика;
* из базальтопластика;
* из других композитов;
* из полимербетона;
* из специальных видов армированного бетона;
* в виде многослойных конструкций.

Целиком могут формоваться корпус или крупные его части: днище, борта, палуба, надстройка, внутренние силовые элементы.

За счёт объединения корпуса и внутреннего набора можно сократить количество сборочных операций, сварных швов и соединений. Внутри изделия сразу могут формироваться каналы, усиления, посадочные места, технологические полости, элементы непотопляемости и крепления оборудования.

Для серийных катеров, речного транспорта, плавучих домов и автономных платформ это может дать значительное снижение стоимости.

## Речные ледокольные приставки Юрия Чашкова

Важным практическим направлением может стать серийное изготовление речных ледокольных и ледоочистительных приставок, включая разработки капитана и изобретателя Юрия Арсентьевича Чашкова.

Предлагаемые им модульные приставки предназначены для установки перед буксирами или другими судами и могут использоваться для разрушения и удаления льда. Разработка рассматривается как один из способов продления речной навигации, а её автор связывает дальнейшее развитие технологии с обеспечением круглогодичного движения по замерзающим рекам.

ИИ-платформа позволит:

* оптимизировать форму ледовой приставки;
* моделировать разрушение льда;
* рассчитывать нагрузку на корпус;
* адаптировать конструкцию к глубине реки;
* учитывать мощность конкретного буксира;
* проектировать модульные сменные элементы;
* выбирать металл, композит или бетон;
* снижать массу и стоимость конструкции;
* создавать оснастку для серийного изготовления.

Приставки могут отливаться полностью либо собираться из нескольких крупных литых модулей. Для внутренних объёмов могут использоваться армированный бетон, металлические оболочки, композиты, пеноматериалы и комбинированные конструкции.

Создание дешёвых серийных приставок для существующего речного флота может стать частью более широкой программы продления, а в перспективе — обеспечения круглогодовой навигации на отдельных участках рек России.

## Модульные дома и крупные строительные элементы

Перспективным направлением является производство модульных домов и строительных блоков, отливаемых целиком или крупными пространственными секциями.

В одной форме могут изготавливаться:

* жилая комната;
* санитарный модуль;
* кухонный блок;
* лестничный модуль;
* техническое помещение;
* гараж;
* автономный энергетический модуль;
* целый небольшой дом.

В стенах и перекрытиях сразу могут формироваться:

* оконные и дверные проёмы;
* вентиляционные каналы;
* кабельные трассы;
* водопроводные каналы;
* места установки оборудования;
* теплоизоляционные слои;
* элементы крепления;
* декоративная поверхность.

Для изготовления могут применяться бетон, фибробетон, геополимеры, композиты, пеноматериалы и активированный грунт.

При массовом производстве один комплект сменной оснастки сможет круглосуточно выпускать типовые строительные модули, а изменение цифровой модели и вставок позволит получать разные планировки и архитектурные решения.

## Пиролизные котлы и энергетическое оборудование

Крупноформатное литьё и формование может применяться при производстве:

* пиролизных котлов;
* газогенераторов;
* печей;
* реакторов;
* теплообменников;
* корпусов тепловых насосов;
* фильтрационных установок;
* сепараторов;
* резервуаров;
* систем переработки отходов;
* оборудования автономных домохозяйств.

Вместо сборки сложного корпуса из большого количества листовых и трубных элементов часть каналов, камер, рёбер, опор и посадочных мест можно формировать непосредственно в крупной отливке.

Это способно сократить количество сварных соединений, уменьшить риск утечек, повысить герметичность и стабильность геометрии.

Для высокотемпературных установок могут использоваться многослойные изделия: наружная силовая оболочка, теплоизоляционный слой и внутренняя жаростойкая футеровка.

## Изделия из активированного грунта

Особое значение проект может иметь для территорий, где стоимость традиционных строительных материалов во многом определяется доставкой.

Местный грунт можно:

* исследовать;
* просеивать;
* измельчать;
* сушить;
* активировать;
* смешивать со связующими;
* армировать волокнами;
* модифицировать минеральными добавками;
* формовать под давлением;
* подвергать термической или иной обработке.

В зависимости от состава грунта и выбранной технологии из него могут производиться:

* стены;
* стеновые панели;
* блоки;
* перекрытия;
* кровельные элементы;
* дорожные и тротуарные плиты;
* трубы;
* лотки;
* бордюры;
* подоконники;
* плинтусы;
* оконные рамы;
* двери;
* дверные коробки;
* ванны;
* умывальники;
* унитазы;
* душевые поддоны;
* столешницы;
* лестничные ступени;
* элементы мебели;
* резервуары;
* элементы благоустройства.

Разумеется, для разных изделий потребуется различная степень очистки, активации, армирования, гидроизоляции и поверхностной обработки материала.

Например, сантехнические изделия должны иметь плотную водостойкую структуру, устойчивое защитное покрытие и поверхность, пригодную для санитарной обработки. Оконные рамы и двери должны быть устойчивы к влаге, перепадам температуры и многократным механическим нагрузкам.

ИИ должен определять, для каких изделий конкретный местный грунт пригоден, какие добавки необходимо использовать и какова будет стоимость готовой продукции.

## Производство непосредственно у источника сырья

Мобильные комплексы могут разворачиваться рядом с местом добычи или использования сырья.

Это позволит:

* не перевозить большие объёмы грунта;
* перерабатывать местные промышленные отходы;
* использовать золу, шлаки и минеральные остатки;
* производить строительные элементы рядом с объектом;
* быстро создавать жильё и инфраструктуру;
* осваивать удалённые территории;
* сокращать стоимость логистики.

На место может доставляться универсальное оборудование, а оснастка изготавливаться на региональном «чёрном заводе» или печататься непосредственно на мобильной площадке.

## Управление всеми производственными операциями

Снижение себестоимости невозможно обеспечить только за счёт удачной конструкции оснастки.

Необходимо оптимизировать каждую операцию:

* закупку и подготовку сырья;
* хранение;
* дозирование;
* перемешивание;
* плавку;
* подачу материала;
* заполнение формы;
* выдержку;
* охлаждение;
* извлечение;
* транспортировку;
* обработку;
* окраску;
* контроль;
* упаковку;
* ремонт;
* возврат отходов в производство.

ИИ должен анализировать загрузку оборудования, потребление энергии, простои, износ, количество брака, движение незавершённого производства и действия персонала.

Вместо локальной оптимизации каждого подразделения необходимо оптимизировать скорость прохождения изделия через всё предприятие.

Даже очень производительный литейный комплекс не даст ожидаемого эффекта, если сырьё подаётся с задержками, изделия долго ожидают контроля, а готовая продукция перемещается через несколько промежуточных складов.

## Контроль качества в реальном времени

Каждое изделие должно получать цифровой паспорт, содержащий:

* происхождение сырья;
* состав материала;
* параметры каждой операции;
* температуру;
* давление;
* данные магнитных полей;
* продолжительность выдержки;
* скорость охлаждения;
* результаты машинного зрения;
* результаты ультразвукового, рентгеновского или иного контроля;
* сведения о последующей обработке.

ИИ должен сопоставлять качество готового изделия с параметрами производства и постепенно уточнять технологические режимы.

Целью должна стать не выбраковка дефектного изделия после завершения производства, а предупреждение появления дефекта в ходе самого процесса.

## Межотраслевая платформа

Разрабатываемая система должна стать не отдельной технологией КАМАЗа или литейного завода, а межотраслевой платформой.

Она может включать:

* библиотеку цифровых моделей;
* базы свойств материалов;
* каталог оборудования;
* цифровые модели оснастки;
* систему генеративного проектирования;
* технологические симуляторы;
* цифровые двойники заводов;
* систему расчёта себестоимости;
* модуль управления производством;
* маркетплейс разработчиков;
* механизм проведения конкурсов;
* систему защиты интеллектуальной собственности;
* сеть испытательных и сертификационных центров.

Заказчик должен иметь возможность задать требуемое изделие, объём выпуска, свойства, доступное сырьё и предельную стоимость. Система должна предложить несколько вариантов конструкции, материала, оснастки, оборудования и производственной площадки.

## Конкурсы вместо работы одной организации

Создание таких технологий нецелесообразно поручать только одному конструкторскому бюро или одному поставщику.

По каждому направлению необходимо проводить конкурсы среди:

* литейных предприятий;
* производителей оборудования;
* разработчиков ИИ;
* университетов;
* научных институтов;
* стартапов;
* материаловедческих компаний;
* специалистов по робототехнике;
* независимых изобретателей.

Конкурсы могут проводиться отдельно по проектированию изделия, оснастки, материала, магнитной системы, производственной линии и методов контроля.

Лучшие решения затем должны объединяться в один проект.

## Роль КАМАЗа и литейного завода

КАМАЗ и его литейное производство могут стать центром компетенций, объединяющим автомобилестроение, материаловедение, роботизацию, ИИ и проектирование производств.

На базе предприятия целесообразно создать центр:

* крупногабаритного литья;
* ИИ-проектирования изделий;
* проектирования сменной оснастки;
* разработки универсального оборудования;
* электромагнитных литейных технологий;
* композитных и грунтовых материалов;
* цифровых двойников;
* роботизированных «чёрных заводов»;
* производства крупногабаритных изделий для сторонних заказчиков.

Это позволит предприятию получать доход не только от продажи автомобилей, но и от разработки технологий, оборудования, оснастки, лицензий, программного обеспечения и готовых производственных комплексов.

## Ожидаемый результат

Главным результатом проекта должна стать технология быстрого преобразования новой идеи в устойчивое массовое производство.

Процесс должен выглядеть следующим образом:

**потребность рынка — цифровая модель изделия — проектирование материала — проектирование оборудования — создание оснастки — моделирование всех операций — изготовление и испытание — круглосуточное серийное производство — анализ данных — постоянное улучшение.**

При такой системе основное оборудование может служить сравнительно долго, а ассортимент будет меняться за счёт новой оснастки, цифровых моделей и рецептур материалов.

В результате десятки отраслей смогут быстрее выводить на рынок продукцию, сокращать число деталей, снижать трудоёмкость, использовать местное сырьё и производить сложные крупногабаритные изделия с меньшей себестоимостью и более высоким качеством.

Стратегическая задача проекта — научиться проектировать не отдельные детали и машины, а целостные производственные системы, в которых изделие, материал, оборудование, оснастка, технологии, бизнес-процессы и управление создаются одновременно и подчиняются единой цели.

На примере пилотного проекта ПАО КАМАЗ и его литейного завода - можно будет разобрать, как именно скорость создания и запуска таких производств способна стать одним из основных конкурентных преимуществ КАМАЗа, его литейного завода и российской промышленности в целом.