ПРОХОРОВ цифровая информатика. Реферат по дисциплине Информационная экономикацифровая экономика
 Скачать 414.77 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) Реферат по дисциплине «Информационная экономика/цифровая экономика» на тему: «Цифровые фабрики» Вариант 12 (22) Выполнил: Прохоров В.А . Проверил: Владимир, 2020 Содержание
Введение Термин «Индустрия 4.0» уже широко распространен и включает в себя целый спектр понятий от современных технологий автоматизации производств и моделей оптимизации различных бизнес-процессов предприятий до реализации элементов робототехники и повсеместного внедрения технологий Интернета вещей. Термин «Индустрия 4.0» используется как синоним четвертой промышленной революции. Ее суть в том, что сегодня материальный мир соединяется с виртуальным, в результате чего рождаются новые киберфизические комплексы, объединенные в одну цифровую экосистему. Роботизированное производство и «умные» заводы — один из компонентов трансформированной отрасли. Четвертая промышленная революция означает все большую автоматизацию абсолютно всех процессов и этапов производства: цифровое проектирование изделия, создание его виртуальной копии, совместная работа инженеров и дизайнеров в едином цифровом конструкторском бюро, удаленная настройка оборудования на заводе под технические требования для выпуска этого конкретного «умного» продукта, автоматический заказ необходимых компонентов в нужном количестве, контроль их поставки, мониторинг пути готового продукта от склада на фабрике до магазина и до конечного клиента. Но и после продажи производитель не забывает о своем продукте, как это было раньше в классической модели: он контролирует условия использования, может менять настройки удаленно, обновлять программное обеспечение, предупреждать клиента о возможных поломках, а под конец цикла использования — принимать продукт на утилизацию. Изменения, которые происходят в промышленности под воздействием информационных технологий, помогают значительно увеличить качество выпускаемой продукции и услуг. Это повышает лояльность и удовлетворенность клиентов. Производители также не остаются внакладе: новые подходы и бизнес-модели, которые рождаются в Индустрии 4.0, позволяют им больше зарабатывать, а значит, инвестировать в улучшение продукции. Цифровые фабрики Индустрии 4.0. Осязаемые прототипы нового технологического уклада Причины появления постиндустриальной экономики Совершенствование информационных и производственных технологий, развивающаяся механизация и автоматизация производств – все это способствует сокращению количества персонала, отвечающего за рутинные технологические операции материального производства. Вместе с этим растет потребность в высококвалифицированных кадрах, способных программировать работу механизмов и информационных систем. Высокие требования, предъявляемые к квалификации и интеллекту таких сотрудников, стимулируют целый пласт перемен в структуре общества и, что важно, в образовательной сфере. Все большее влияние на экономику начинают оказывать не материальные средства производства для массового выпуска товаров, а высокоинтеллектуальная разработка сложных устройств и изготовление специальной и уникальной продукции небольшими партиями. Современные производства с легкостью справляются с тиражированием продукции практически любого уровня сложности, а вот с обеспечением все возрастающего спроса на производство инновационных продуктов, а также товаров и услуг индивидуального назначения пока есть проблемы. Общественное и экономическое развитие сегодня подошло к зарождению элементов промышленности будущего, для которой основную ценность будет представлять интеллект систем, механизмов, товаров и услуг, способный самостоятельно принимать решения в зависимости от многочисленных факторов взаимодействия со средой и человеком. Концепция назревающей четвертой промышленной революции, или, как ее называют, «Индустрия 4.0», получила свое начало в 2011 году благодаря политикам, бизнесменам, ученым и промышленникам Германии и была провозглашена главной составляющей развития страны в области высоких технологий. Цель, которую ставили перед собой разработчики этой концепции, – повышение конкурентоспособности страны в промышленности посредством тесной интеграции киберфизических систем на предприятиях и за их пределами. В результате воплощения этой концепции, по мнению разработчиков, должно происходить взаимодействие между производственными мощностями и произведенными ими товарами без непосредственного участия человека, причем с самоадаптацией под новые запросы потребителей. Взаимодействие должно быть настолько глубоким и автоматизированным, что у каждого потребителя товаров или услуг появится возможность практически напрямую контролировать производство своего заказа. Впоследствии концепция получила свое развитие в США, Китае и других странах. Сегодня определены девять драйверов, оказывающих основное влияние на развитие концепции «Индустрии 4.0». В их числе: самоуправляемые роботы; аддитивное производство; дополненная реальность; компьютерная имитация оборудования, материалов и технологий; горизонтальная и вертикальная системная интеграция; промышленный «Интернет вещей»; «Туманные» вычисления; информационная безопасность; «Большие данные» и аналитика. Можно заметить, что многие из драйверов уже сегодня активно используются при создании продуктов и услуг. Тем не менее, для полного воплощения новой концепции производства требуется их дальнейшее совершенствование и их синергетическое функционирование. Аддитивному производству, как одному из драйверов развития «Индустрии 4.0», также требуются значительные качественные и количественные изменения, но в первую очередь ему необходима интеграция в автоматизированное безлюдное производство. Настоящее и будущее аддитивных технологий Сейчас остается все меньше скептиков в том, что касается перспектив развития аддитивного цифрового производства. Крупные авиационные, автомобильные, оборонные, приборостроительные предприятия, медицина, включая стоматологию, образование, частный бизнес, всевозможные бизнес-инкубаторы, сервисные бюро уже по достоинству оценили преимущества использования 3D-печати и активно встраивают ее в свои рабочие процессы. Наиболее успешные компании даже приняли у себя внутренние стандарты на использование аддитивных технологий и материалов. Представим, что при производстве деталей 3D-печатью больше не потребуется длительной разработки технологии, использования многоосевых станков со сложнейшим программированием работы, высококвалифицированного персонала, проектирования и использования оснастки, наличия литьевого цеха для заготовок, обязательного контроля заготовок и готовых деталей, сложной логистики и т.п. Аддитивные технологии в совокупности с другими составляющими «Индустрии 4.0» способны значительно сократить сроки логистических операций, тогда как сейчас процессы традиционной механообработки занимают в среднем менее 5% производственного цикла, а 95% приходится на внутризаводскую и внешнюю логистику. Ожидается, что цифровое производство сменит в ближайшие 20 лет некоторые виды массового производства, особенно с высокой конечной стоимостью продукции. Согласно концепции «Индустрии 4.0», производства будущего не будут иметь большую номенклатуру парка оборудования. Они будут строиться на основе гибких производственных ячеек в составе киберфизических систем. Ячейки и системы будут адаптироваться под конкретный заказ путем перепрограммирования, смены производственных модулей, оснастки, инструмента, материалов, перенаправления логистических потоков – и все это будет происходить в максимально короткие сроки. Такие производственные центры будущего будут иметь развитую сеть, строиться буквально полным техническим и технологическим клонированием и приближены к основным точкам потребления продукции.  Как показывает успешный опыт использования аддитивных технологий в промышленности, зачастую удается сократить технологический процесс производства в несколько раз, при этом сложность изделий может быть повышена с одновременным сокращением количества деталей в сборке, ведь 3D-печать позволяет строить детали без оглядки на конструктивные и технологические ограничения, присущие традиционным подходам. Так, например, принципы бионического проектирования с использованием конечно-элементного анализа (от англ. Finite Element Analysis, FEA) уже сейчас активно используются для облегчения деталей авиационной техники (рис. 1). Отдельное внимание следует уделить широкому спектру используемых материалов: это композиты, металлы, керамика, термопластики, фотополимеры и многие другие. Со временем каждая технология будет иметь неограниченный перечень материалов, а их композитный состав будет автоматически определяться расчетной программой в зависимости от назначения и условий эксплуатации конечного изделия. Сегодня большая часть производителей 3D-принтеров и аддитивных систем все еще предлагает отдельные средства производства, не способные встраиваться в технологический поток с использованием киберфизических систем. Другими словами, это один, два или три принтера, обслуживаемых одним оператором. В обязанности оператора входит подготовка принтера к работе, подготовка рабочего органа к печати тем или иным материалом, подготовка и загрузка программы, смена материала, а зачастую и трудоемкая постобработка. Ограничением массового распространения «металлических» SLS/SLM/EBM-технологий является достаточно высокая стоимость оборудования и зависимость от материалов (переход на другой материал требует полной очистки рабочих органов установки), что не дает возможности быстрой перенастройки на другое изделие. Плюс к этому – последующее слесарное удаление элементов поддержки, термообработка. Тем не менее, производители уже начали решать проблему быстрой смены материала, это мы рассмотрим далее. Технологии SLA/MJM/DLP/PolyJet обычно сложно использовать для конечных изделий ввиду особых свойств материалов. Использование технологий с песчано-полимерными, керамическими и гипсовыми смесями имеет достаточно ограниченные сферы применения. Технология FDM и подобные ей (например, APF) используют термопластики промышленного класса и представляются наиболее выигрышными по совокупности свойств (в тех случаях, когда для будущих изделий может быть использован пластик, а не металл): стоимость оборудования, свойства и скорость замены материалов, способность автоматизированного удаления материала поддержки. К недостаткам технологии FDM можно отнести слоистую структуру поверхности. Поэтому изготовленные по этой технологии детали сразу использовать без их доработки удается не всегда. Конечно, есть и другие новые технологии, использующие аддитивный способ изготовления деталей, но многие из них пока не являются по-настоящему отлаженными коммерческими продуктами. Аддитивные производства – прообразы цифровых фабрик будущего Concept Laser  На проходившей в прошлом году во Франкфурте-на-Майне выставке Formnext компания Concept Laser с технологией SLM представила новую архитектуру оборудования и производства. Уникальная разработка подтверждает твердую нацеленность компании на воплощение концепции «Аддитивной фабрики будущего» («AM Factory of Tomorrow»), призванной вывести аддитивное производство на более высокий уровень качества, гибкости и эффективности (рис. 2). Принципиально новый подход к проектированию компонентов процесса открывает широкие перспективы для модульной интеграции производственных технологий на предприятиях. Это означает, что промышленное производство будет быстрее и рентабельнее. Уже в конце этого года Concept Laser представит свои первые коммерческие установки. Как правило, производители металлических аддитивных систем предлагают решения без возможности интеграции своего оборудования в общий производственный процесс. Новая архитектура оборудования Concept Laser предусматривает продуманную автоматизацию основных технологических операций: подготовку оборудования к печати, печать и постобработку. По словам Флориана Бекманна (Florian Bechmann), возглавляющего отдел исследований и разработок компании Concept Laser, «по существу, речь идет о разделении систем аддитивного производства на любое число свободно комбинируемых модулей для независимой подготовки оборудования к печати, печати изделия, обработки напечатанного изделия. Параллельные процессы загрузки порошка и выгрузки готовых изделий повышают эффективное время печати, тем самым существенно сокращая «простои» машин, ранее функционировавших автономно. Здесь кроется огромный потенциал повышения эффективности производственной цепочки. Для промышленного серийного производства этот принципиально новый подход, резко отличающийся от привычных «количественных» концепций оборудования, означает возможность сделать очередной шаг вперед». Инженеры Concept Laser смогли распараллелить процесс подготовки и саму печать «на уровне оборудования». Аддитивное производство в понимании Concept Laser уже может выходить на режим 24/7. Установки интегрируются с традиционными станками с ЧПУ для «гибридного» производства, а также для последующей постобработки.  В основе новой производственной архитектуры лежит модульное разделение функций подготовки, производства, демонтажа, постобработки и хранения деталей (рис. 3). В зависимости от задач, размеров помещения можно комбинировать модули таким образом, чтобы обеспечить максимальную производительность работы со всем спектром доступных на сегодняшний день порошковых металлов с одновременным снижением производственных затрат. Имитационное моделирование производственных сценариев подтвердило, что площади, занимаемые оборудованием, работающим только по традиционным технологиям, реально сократить на 85%. А использование в установках нескольких лазеров увеличивают общую производительность системы. «Благодаря одновременному использованию до четырех лазеров значительно выросла скорость построения деталей. Мы также увеличили габариты области построения. На примере нашей концепции мы хотим показать, как принципы Четвертой промышленной революции способны изменить аддитивное производство и приблизить будущее. Здесь кроется огромный потенциал по повышению эффективности предприятий и оптимизации технологий под задачи серийного производства», – поясняет Ф. Бекманн. Additive Industries MetalFAB1 – настоящий промышленный «комбайн» от голландской компании Additive Industries. Он состоит из «металлического» 3D-принтера, печи для снятия с детали структурных напряжений, автоматизированной сменной платформы для построения, хранения и выдачи готовых деталей (рис. 4).  Количество модулей может достигать одиннадцати или более в зависимости от задач заказчиков. В совокупности с одновременной работой нескольких лазеров, модульной структурой, Additive Industries предлагает настоящий аддитивный мини-завод полного цикла для удовлетворения запросов наиболее требовательных заказчиков из авиационной, космической, медицинской, автомобильной промышленности, а также для инструментального производства. По оценке производителя, MetalFAB1 в 10 раз превосходит средний уровень подобных систем на рынке по повторяемости, производительности и гибкости. XJET  Новая технология металлической 3D-печати от израильской компании XJET способна перевернуть представление о многофакторности процесса аддитивного производства деталей из металла. Наночастицы порошка в технологии от XJET помещаются в жидкий композитный раствор. По аналогии с процессом PolyJet (о котором мы уже не раз писали на страницах «Умпро») струйные головки выпрыскивают этот раствор, формируя деталь по заранее рассчитанной программе. Высокая скорость процесса, его безопасность, быстрая и простая загрузка материала картриджами, а также возможность автоматизации операций по удалению материала поддержки позволяет встраивать XJET в цифровые фабрики будущего. Потенциальные и практически состоявшиеся события в отрасли аддитивных производств. Самое важное из них – ближайшие планы американской корпорации General Electric по приобретению двух компаний, известных своими промышленными 3D-принтерами: шведской Arcam Group AB и немецкой SLM Solutions Group AG. Сделка может состояться уже в октября этого года, ее стоимость составит 1,4 млрд долларов. Уже сейчас в корпорации успешно функционирует автоматизированная производственная линия по 3D-печати форсунок для двигателей LEAP-1A. Есть и другие примеры тесного сотрудничества крупнейших корпораций с производителями аддитивного оборудования. Английский Rolls-Royce имеет тесные связи с компанией Renishaw – производителем SLM-установок. В США же самая крупная аэрокосмическая и оборонная компания Lockheed Martin ведет плотную работу с компаниями Sciaky Inc., Norsk Titanium, а также с Sandia National Laboratories, где ранее были заложены основы технологии металлической 3D-печати Optomec. Такие шаги говорят о планомерной консолидации крупнейших промышленных корпораций с разработчиками и поставщиками оборудования для аддитивных технологий с целью создания производств будущего с технологиями полного цикла. ARBURG Компания ARBURG известна, прежде всего, своим широким модельным рядом термопластавтоматов (ТПА). Тем не менее, осознавая важность и перспективность аддитивных технологий, их место в «Индустрии 4.0» ARBURG с недавнего времени подключилась к направлению аддитивного производства, выпустив 3D-принтер Freeformer, работающий по оригинальной технологии ARBURG Plastic Freeforming (APF). В целях компании – разработать «умный завод», который будет характеризоваться высоким уровнем гибкости, эффективности и использования ресурсов (рис. 6).  Freeformer может работать с гранулированным термопластиком, благодаря чему открываются широкие возможности по использованию для производства деталей множества видов пластмасс. Еще один плюс системы – возможность использования в одной модели нескольких материалов. Правда, на данный момент технология не может похвастаться производством сложных деталей, с которыми легко справляется технология FDM. Тем не менее в Германии считают технологию APF способной в будущем составить серьезную конкуренцию нынешним лидерам аддитивной отрасли. В линию «умного завода» по выпуску кастомизированной продукции, в понимании ARBURG, помимо ТПА должны быть интегрированы роботизированные системы (с 7-осевым роботом) и такие периферийные устройства, как 3D-принтеры. В результате после ТПА деталь перемещается роботом в принтер для нанесения на изделие индивидуальной маркировки кодов DM (Data Matrix) и другой пользовательской информации. Это гарантирует, что детали будут идентифицированы в любое время с помощью сканера, а цеховая логистика будет полностью контролироваться компьютерной системой предприятия. Клиенты же получат уникальное изделие, например, с индивидуальным именем пользователя, логотипом компании, а также прочими элементами, улучшающими эргономику и подчеркивающими индивидуальность. Stratasys На выставке IMTS (International Manufacturing Technology Show), прошедшей в сентябре в Чикаго, компания Stratasys анонсировала стратегию развития своих продуктов, ориентированных на промышленный сектор. Были продемонстрированы два концепта на основе многоосевых роботехнических комплексов Kuka с головками, печатающими по технологии послойного наплавления полимерной нити (FDM). Новые продукты компании обладают увеличенной скоростью экструзии, более качественной печатью, возможностью быстрой смены материалов, а также способностью изготавливать детали почти любой длины.  Демонстратор с рабочим названием «Infinite-Build 3D» (рис. 7) предназначен для использования в авиационной, космической, автомобильной промышленности, а также в тех производствах, которые нуждаются в крупногабаритных, легких, изделиях из термопластиков с высокой повторяемостью механических свойств. Его особенностью является производство деталей, практически неограниченных по длине. Если раньше заказчику приходилось идти на компромисс при приобретении оборудования для изготовления деталей с габаритами, превышающими камеру построения, а потом осуществлять склейку частей в единое цельное изделие, то с предлагаемым решением эта проблема полностью решается.  Второй аппарат под названием «Robotic Composite 3D» (рис. 8) состоит из промышленного 5-осевого робота-манипулятора Kuka и 3-осевой платформы построения (суммарно восемь осей). С его помощью можно наносить слои термопластика в любом направлении поворота платформы, что позволяет повысить прочность конечных изделий. По утверждениям представителей компании, здесь также возможно нанесение углеволоконных материалов с получением геометрии, недостижимой у других производственных систем композитной выкладки. Примечательно, что материал поддержки здесь уже не нужен. Компания Stratasys в концепте значительно увеличила размеры изготавливаемых деталей, а также скорость в 10 и более раз по сравнению с ее промышленной установкой Fortus 900 mc. Стоит отметить непосредственное и активное влияние на подобные проекты корпорации Boeing, определяющей общие требования к технологиям для производства мелкосерийных кастомизированных деталей, компании Ford Motor, планирующей использование инновационных методов производства на своих предприятиях, а также Siemens, обеспечивающей программную интеграцию решений Stratasys. Несомненно, Stratasys является показательным примером компании, задающей тренд в области аддитивных технологий будущего и способной завоевать достойное место в «Индустрии 4.0». Ситуация в России В России интерес к технологиям высок, однако говорить о скором переходе на решения на базе Интернета вещей пока преждевременно. Тем не менее у отечественной промышленности есть значительный потенциал для развития в этом направлении. Основные фонды многих предприятий изношены и нуждаются в модернизации, которая обеспечит их конкурентоспособными позициями на локальном и внешнем рынках. Предпринимателям, которые собираются внедрять технологии «Индустрии 4.0» на практике, стоит оценить текущее состояние предприятия и задачи, требующие решения, и заранее выстроить тот сценарий развития бизнеса, в который впишутся новые технологии. В России внедрение новых технологий началось примерно в одно время с другими странами. Однако, учитывая масштабы государства и бюрократическую систему, раскачка оцифровывания производства в качестве общегосударственной идеи продвигается довольно медленно. По аналогии с проектом «Индустрия 4.0» в Германии, нацеленным на укрепление и повышение конкурентоспособности немецких производственных предприятий на мировом рынке, в России сформирована Национальная технологическая инициатива (НТИ) (при участии Агентства стратегических инициатив (АСИ), Российской Венчурной компании (РВК)), целью которой являются формирование кардинально новых рынков и создание условий для глобального технологического лидерства России к 2035 году. Задачами НТИ являются разработка дорожных карт развития ключевых отраслей, а также финансовая и организационная поддержка важнейших стратегических проектов компаний и научных организаций. В настоящее время созданы ассоциации, способствующие развитию «Промышленного интернета» и Интернета вещей в России. Они выполняют роль компетентных консультантов в различных отраслях и инициаторов разработки стандартов и нормативно-правовых документов. В стратегии развития крупных российских компаний отражено применение технологий «Индустрии 4.0», такая тенденция наблюдается во многих отраслях промышленности: нефтегазовой индустрии, машино-строении, энергетике, транспорте, медицине и т.д. Все эти факты свидетельствуют о том, что в ближайшие 3–5 лет в России должен сформироваться рынок с огромным потенциалом, способный, во-первых, сдержать отток квалифицированных специалистов и повысить качество разработки аппаратных решений, во-вторых, предоставить возможность массового применения инновационных технологий на базе подготовленных и локализованных отраслевых стандартов. В 2017 году в России была принята специальная дорожная карта «Технет» (передовые производственные технологии). По поручению президента Владимира Путина готовится программа «Цифровая экономика 2024». Одной из целей этой программы является создание условий для организации отечественных цифровых платформ, их сетевого взаимодействия и внедрения в научных, образовательных организациях и технологических компаниях РФ для проведения фундаментальных и прикладных исследований, создания прикладных разработок и стимулирования привлечения частных инвестиций. Внедрять принципы «Индустрии 4.0» пока могут позволить себе крупные компании такие, как «Ростехнологии», «Газпром», «Росатом», «Роснефть». Заключение Мы живем во время значительных перемен в экономике, промышленности, образовании и медицине. Сегодня развитие цифровых технологий задает прототип нашего уже близкого будущего – насыщенного думающими устройствами в цифровых фабриках и за их пределами, способными выполнять рутинные операции самостоятельно без участия человека. Запланированные действия по консолидации крупнейших корпораций с лидерами 3D-печати подтверждают важность и неизбежность лидерства аддитивных технологий по отношению к традиционным подходам. В мире инноваций выиграют те производственные компании, которые будут иметь гибкое оборудование и технологии, способные мгновенно перестраиваться под новые задачи. Это зарождение нового технологического уклада «Индустрии 4.0». Список использованной литературы: Боровков А.И. О рабочей группе «ТехНет» (Передовые производственные технологии) Национальной технологической инициативы // Трамплин к успеху (корпоративный журнал дивизиона «Двигатели для гражданской авиации» АО «ОДК»). 2016, № 7 Куприяновский В.П., Добрынин А.П., Синягов С.А., Намиот Д.Е., Уткин Н.А., Николаев Д.Е. Трансформация промышленности в цифровой экономике — проектирование и производство // International Journal of Open Information Technologies. 2017. Т. 5, № 1. Тарасов В.Б. Стратегический инжиниринг предприятий будущего: массовое сотрудничество, интернет вещей, инициатива «индустрия 4.0» // Инжиниринг предприятий и управление знаниями (ИП&УЗ-2016): сб. науч. тр. XIX науч.- практ. конф. Москва, 26—27 апреля 2016 г. / под науч. ред. Ю.Ф. Тельнова. М.: ФГБОУ ВО «РЭУ им. Г.В. Плеханова», 2016. Трубашевский Д.А., Ежеленко В.В. (SOLVER журнал – инженерный консалтинг) 09.2018, № 43 |