Ключевые тренды в области материалов и продвинутые методы повышения эффективности производства

Современные инструменты для решения задач материаловедения и способы повышения эффективности производства обсудили на международной конференции Startup Village 2021. В течении двух дней основатели стартапов, крупные технологические корпорации, представители власти и эксперты говорили о ключевых технологические трендах, среди которых – инновации в области НИОКР, в том числе современные методы анализа, расширяющие возможности R&D-подразделений промышленных предприятий России.

Основные тенденции работы с материалами

В последнее десятилетие стала особенно заметна потребность в новых материалах для исследования космоса, развития электроники и атомной энергетики. В связи с этим сегодня в российской промышленности особое внимание уделяется материаловедению. Денис Хитрых, директор центра разработок и исследований «КАДФЕМ Си-Ай-Эс», выделяет 10 основных трендов в области материаловедения, влияющих на современное производство:

• разработка экологичных материалов;
• облегчение веса конструкции, в первую очередь за счет использования композиционных материалов;
• применение материалов с эффектом памяти формы;
• продвинутые композиты, для которых характерно использование высокоэффективных смол и армирования из высокопрочного волокна;
• информатика материалов, позволяющая прогнозировать материалы будущего;
• инженерия поверхности, объединяющая методы направленного изменения свойств поверхностных слоев материалов – например, материалов, неподверженных обледенению;
• графен, который в сочетании с атомами других материалов позволяет получить материал с новыми свойствами;
• аддитивное производство;
• интеллектуальное управление материалами.

Сегодня существует ряд успешных стартапов, которые уже работают с этими технологиями. Например, индийская компания Spectalite производит биоразлагаемые и перерабатываемые соединения на основе сельскохозяйственных отходов и возобновляемых ресурсов.

Голландский стартап ARCEON создает инновационные высокотемпературные композиты (HTRC) для спутников, деталей̆ ракетных двигателей̆, выдерживающих температуру до 1500 K. А испанская компания Graphenano тестирует графен не только в аккумуляторах, но и для создания корпуса и салона автомобиля.

Роль композиционных материалов в современном производстве

В своем докладе эксперт «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» отдельно выделил работу с композиционными материалами. Их можно разделить на 3 большие группы по назначению: потребительские, промышленные и продвинутые. Продвинутые композиты используются в основном в аэрокосмической отрасли, включая военную и коммерческую авиацию – доля использования этих материалов в ней уже превышает 50%. Самолеты-невидимки и беспилотные летательные аппараты используют преимущества радиолокационной̆ прозрачности композитов, кроме того, усовершенствованные композиты применяются для защиты от взрыва и баллистической̆ защиты.

Впрочем, использование композитов не ограничивается только авиастроением или военно-промышленным комплексом. Среди других отраслей применения – нефтегазовая и нефтехимическая промышленность, где они применяются, например, при изготовлении сосудов высокого давления. Так, ПАО  «Транснефть» недавно запустила проект, в рамках которого планирует изменить свои бизнес-процессы и перевести большой парк оборудования различного типа на композиционные материалы.

Технологии моделирования композиционных материалов

Сегодня существует множество инструментов, позволяющих значительно упростить процесс получения композиционных материалов – в том числе экосистема моделирования композитов Ansys, включающая выбор композиционного материала, анализ микроструктуры, получение общих глобальных характеристик, моделирование процессов укладки и пр. Такой подход позволяет не только ускорить создание материалов нового поколения, но и решать важные задачи, стоящие перед промышленными предприятиями – обеспечить безболезненный переход с традиционных материалов на композиционные, снизить затраты на материалы и увеличить эффективности их использования.

Одним из ключевых аспектов является выбор подходящего материала из сотен тысяч, существующих на рынке, и его сопровождение на всем жизненном цикле. Эксперт продемонстрировал методологию, разработанную профессором Эшби из Кембриджского университета и позволяющую полностью систематизировать этот процесс. Сегодня она представлена в системе управления информацией о материалах Ansys Granta. Ее применение позволяет выбрать подходящий материал, повысить эффективность изделия и производства, а также снизить затраты на материалы. Ряд других решений Ansys – Composite PrepPost, Mechanical и LS-DYNA – позволяют моделировать технологические процессы производства деталей из композитов, тем самым дополняя и упрощая процесс работы.

Повышение эффективности производства с помощью цифровых двойников

Другим аспектом снижения издержек современного производства является повышение эффективности обслуживания оборудования и оптимизация технологических процессов. Андрей Крылов, директор центра цифровых технологий «КАДФЕМ Си-Ай-ЭС», подчеркнул ряд ключевых инициатив, которые этому способствуют. Среди них – мониторинг производственных параметров и технического состояния оборудования в реальном времени, удаленная экспертная поддержка техников в AR, интерактивные цифровые производственные инструкции. Кроме того, все большую роль играет наличие цифровых двойников производственного оборудования, позволяющая повысить его эффективность и надежность. Для  эксплуатационной и сервисной служб предприятия это дает:

• сокращение операционных затрат, которые, например, в себестоимости нефти и газа составляют 25-30%;
• уменьшение времени простоев. Стоимость одного дня незапланированного простоя электрической станции составляет 50 млн руб.
• снижение издержек. Доля затрат на обслуживание предприятия в операционных издержках горнодобывающих компаний составляет 30-50%.

Внедрение технологий цифрового двойника и AR позволит не только решить эти задачи, но и оптимизировать стратегию обслуживания оборудования, а также повысить надежность и безопасность. Цифровой двойник на основе системной модели позволяет определять действительные характеристики оборудования в реальном времени и автоматически определять причины отклонений. Эта информация дает возможность планировать обслуживание оборудования по фактическому состоянию, формируя его прогноз по данным системной математической модели. Системная модель верифицируется по состоянию оборудования работает в непрерывном режиме на основе данных от полевых датчиков и поэтому отражает текущий технологический процесс с требуемой точностью.

Среди других задач цифрового двойника эксперт «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» выделяет:

• расширенное представление о технологическом процессе;
• резервирование и виртуализация полевых датчиков;
• выбор оптимального режима эксплуатации с учетом фактического состояния оборудования установки;
• оценка результатов выполнения технического обслуживания и ремонта на основе сравнения эталонных и фактических характеристик оборудования;
• анализ «что если…» на основе откалиброванной математической модели, описывающей фактическое состояние как оборудования, так и установки в целом.

В результате промышленное производство, внедряющее технологии цифрового двойника и AR, может оперативно оценивать новые технические решения и их влияние на свои процессы, безопасно выявлять риски и «узкие места», ограничивающие производительность, оценивать состояние и загрузку оборудования, подбирать оптимальные режимы работы и технические параметры нового оборудования для модернизации производства.

О «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»

АО «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» – крупнейший на российском рынке дистрибьютор систем инженерного анализа, а также центр компетенции и элитный партнер компании ANSYS, Inc. Компания обеспечивает лицензирование, внедрение и техническое сопровождение всех линеек продуктов Ansys, а также сопутствующих программных продуктов сторонних разработчиков для создания специализированных вертикальных решений. «КАДФЕМ Си-Ай-Эс» также оказывает клиентам комплексные услуги инженерного консалтинга, в том числе выполнение многодисциплинарных инженерных расчетов на заказ, разработку методик решаемых задач, развертывание и настройку высокопроизводительных вычислительных комплексов, проводит очное классное и дистанционное обучение, осуществляет интеграцию и адаптацию инженерного программного обеспечения. В эпоху цифровой трансформации компания помогает клиентам внедрять новые технологии Индустрии 4.0 на промышленном уровне и предлагает комплексные услуги по созданию цифровых двойников.