Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Производственные технологии», посвященный компьютерному моделированию и 3D-печати. В этой лекции преподаватель магистерской программы «Новые производственные технологии и материалы» Сколтеха Игорь Ужинский рассказывает о преимуществах цифрового моделирования в производственном комплексе.

Цифровое производство ― это система, которая реализует то, что мы спланировали, спроектировали, создали какой-либо прототип либо вариант того, что мы хотим изготовить. Производство ― это, естественно, некий комплекс, система, набор технологий, материалов, ресурсов. Это система, которая должна взаимосвязанным образом функционировать и обеспечивать то, что на входе у нас есть ресурсы, материалы и определенное время, которое требуется, а на выходе ― некий материальный объект, который должен, например, прыгать, ездить или делать то, что требуется.

Говоря о цифровом производстве, мы опять же говорим о том, что цифровое производство ― это в основном материальная часть. Это станки, оборудование, всевозможные материальные процессы, это ресурсы, которые должны поступать вовремя, и так далее. Но это и виртуальная часть — модели всего, что там происходит. Самые разные модели, которые реализованы на тех или иных программных продуктах, можно использовать для самых разных задач, и я немного расскажу о том, какие задачи возможны. Это модели тех функций, тех процессов, которые происходят в рамках цифрового производства.

Рекомендуем по этой теме:
7209
Цифровое проектирование

Для чего я это говорил? Модели бывают совершенно разные: одно дело ― модель, предположим, самолета, который должен летать, у которого крылья и прочее, а модель процесса производства ― это нечто совершенно другое. Это модель операций, которые должны быть проанализированы, у которых разные этапы связаны. Это не материальная часть, но это тоже часть производства, она называется технологией. Поэтому модели должны быть не просто созданы, не просто мы должны знать, как их использовать, но они должны быть взаимосвязаны, они должны быть такими, чтобы выходы одних моделей были приемлемы и использовались эффективно в выходах других моделей.

Любое производство происходит в производственном комплексе ― в цеху или в чем-то такого типа, в неком помещении, здании. Необходимо иметь цифровое представление этого комплекса, производственного помещения, колонн и так далее. Для чего оно цифровое? Если у вас есть один фрезерный или токарный станок, может быть, нет особой необходимости делать цифровую модель одного станка. Но если у вас есть некоторое количество различных видов оборудования, которые взаимосвязаны, наличие цифрового двойника, цифрового представления этого оборудования и этого процесса здесь может быть уже очень полезно. Почему? Потому что все производство достаточно сложных изделий создается на целом комплексе различного оборудования, где различные детали реализуются на различных комплексах, а потом они должны собираться, налаживаться. Когда у вас оборудование расставлено в производственном комплексе, то важно, чтобы оно было расположено таким образом, чтобы это все представляло собой единый конвейер. Я говорю не о конвейере для сборки автомобиля, а о том, что каждый этап в производстве должен быть связан с другим как материально, так и информационно и со всех остальных точек зрения.

Поэтому для того, чтобы расставить оборудование, необходимо иметь модель помещения, в котором вы находитесь. Она должна быть такой, что, например, чтобы разместить оборудование наиболее эффективным образом, нужно было бы сдвинуть колонну или, наоборот, поставить новую колонну. Можете себе представить, что люди пытаются расставить оборудование в комплексе, в производстве ― они либо поставят эту колонну, либо ее снесут. Это затраты ресурсов и времени. И невозможно заново сделать то, что мы хотели сделать с самого начала. Например, снесли колонну, снесли стену ―, а что потом делать? Оказывается, она должна быть снова построена. Поэтому в рамках такого цифрового представления нашего здания, всего нашего оборудования, всех наших комплексов можно что угодно и куда угодно передвинуть, что угодно с чем угодно связать. Можно вставить, предположим, конвейеры, системы, которые подают что-то, понять, а нужен ли такой-то комплекс оборудования или нет либо нужен другой, какая производительность его нужна. Понятно, что, моделируя технологические процессы, помещения, функциональные качества тех производственных комплексов, которые у нас есть, мы получаем виртуальную модель того, как это все будет функционировать.

Модель функционирования представляет собой так называемую имитационную, симуляционную модель. Имея в наличии такие системы, виртуальные модели, цифровые модели всех компонентов, процессов, мы можем двинуться на шаг вперед, и этот шаг вперед — оптимизация. Оптимизация с математической точки зрения — это гораздо более широкая концепция и более глубокое понятие. Она определяется как средство, определенная система, которая позволяет вам открыть нечто, чего вы заранее не ожидали. Можно попробовать двигать станки, можно попробовать из головы придумать разные варианты, можно даже придумать очень хороший вариант. Но у человека есть естественные ограничения по тому, какое количество параметров, факторов он может учесть, как их можно соединить вместе, как одно влияет на другое. Есть определенное ограничение даже у большой группы людей ― выдающихся конструкторов ― при решении вопроса, каким же образом все можно объединить в некую систему, которая будет работать наиболее эффективно. А если представить это как математическую задачу с большим количеством критериев, с огромным количеством переменных, то это могут сделать только цифровые технологии, цифровые системы.

Для того чтобы цифровые технологии обеспечивали нам оптимальный выбор решений, конструкций, систем, необходимы цифровые модели всех процессов, всех систем, всего, что у нас есть. Нужно создание цифрового двойника всего производственного комплекса. Как только он у нас появляется, мы можем получить наиболее эффективный процесс производства, определить полный цикл потребностей, например, в соответствующих материальных ресурсах, энергии и так далее. Мы можем создать то, что называется lean manufacturing. Lean manufacturing ― это такое производство, при котором все делается без отходов, без задержек, без того, чтобы что-то простаивало, то есть наиболее эффективная система производства, которая позволяет вам создать то, что вы хотите. Она создается на основе цифровой системы производства.

Но цифровая система производства ― это, конечно, в первую очередь работа по тому, чтобы сформировать весь перечень моделей реальных производственных систем и компонентов, станков и оборудования, и она необходима для того, чтобы эта система была комплексная и единая, обеспечивала то, о чем мы говорили. Это создание большой библиотеки продуктов и компонентов. Это создание баз данных и баз знаний, которые бы позволяли вам и объединять, и разъединять, модифицировать то или иное оборудование в рамках тех ограничений, которые есть у него физически и функционально, или проектировать и создавать новое оборудование. То есть у вас есть производственный комплекс. Все работает идеально.

Но есть что-то такое, что работает не так, как нужно: вы не можете обработать такой-то материал, не можете его куда-то сдвинуть. Значит, нужно создавать. Создавать можно механическую систему, которая будет что-то двигать, передвигать или соответствующим образом поворачивать. Либо можно реализовывать какую-то технологию, которая вам требуется. Например, можно понять, нужен ли вам соответствующий робот. Роботы выполняют конкретные функции: они могут что-то передвигать, что-то закручивать и так далее. Нужен вам такой робот или вам нужен другой? Для того чтобы это понять, нужно встроить его в вашу производственную систему и обеспечить вокруг него такое окружение, чтобы, когда он поворачивался, он не полопал бы в ту самую несчастную колонну, о которой мы говорили, или не сбил настройку станка с программным управлением. Поэтому, имея цифровую систему производства, мы можем и оптимизировать, и проектировать, и разрабатывать новые технологии и системы, которые нам позволят наиболее эффективным образом, который требуется в настоящее время, наиболее экономно и быстро создавать новые продукты, изделия и делать то, что достойно существовать в цифровой экономике, которая является будущим всей системы производства.