akimovpanarintextblock

Новые технологии в машиностроении

измерения повышается с применением более совершенных датчиков — измерительных устройств, сегодня подобные устройства способны отслеживать размеры до нескольких нанометров. Прецизионные станки с ЧПУ содержат вычислительные процессоры с высоким быстродействием, решающие многие задачи с заданной точностью. В режиме реального времени просчитываются огромные массивы данных с любой разрядностью чисел. Благодаря достижениям электроники, вычислительная система обладает наибольшей точностью. Исполнительная точность непосредственно зависит от узлов и агрегатов станка. Чем выше будут параметры составляющих оборудования, тем меньшая сложится окончательная погрешность.

Таким образом, современный станок можно представить себе как некий продукт, собранный из конструктора.

По-прежнему, нишу высокоточных станков с ЧПУ занимают европейские и японские производители, использующие узлы известных брендов. И станки их дорогостоящие.

Китайские станки с ЧПУ можно разделить на две основные группы:

•Первая группа производится на основе импортных комплектующих и обладает вполне приемлемым качеством.

•Вторая группа использует китайские комплектующие. Этим станкам в эксплуатации чаще требуются услуги наладчиков. Однако в случае введения дополнительных санкций эти станки невозможно будет отключить, и их работа гарантирована. Да и качество китайских комплектующих постоянно совершенствуется.

По данным Китайской Ассоциации машиностроения СМТВА за 10 месяцев 2018 г. производство промышленных станков с ЧПУ в Китае увеличилось на 8,7 %, что подтверждает увеличение спроса на эту продукцию.

Экспорт из Китая, в том числе оборудования, в Россию

скаждым годом только увеличивается, об этом свидетельствует статистика ФТС России.

Показатели роста машиностроительного рынка Китая свидетельствуют о том, что эта страна является мировым

69

Глава 2

лидером в этой отрасли промышленности. По темпам своего роста машиностроительный рынок Китая обогнал аналогичные отрасли промышленности таких стран, как Северная Америка, Япония и страны, входящие в Европейский Союз.

На дальнейшее увеличение доли экспорта машиностроительной продукции китайских производителей будет оказывать влияние и тот факт, что правительство этой страны собирается активно развивать проекты по инвестированию

вэкономику стран Африки, Ближнего Востока и Латинской Америки.

Все эти данные подтверждают, что машиностроительная отрасль Китая становится мировым лидером, вытесняя с этого рынка остальные государства, такие как Германия, Япония, США, Швейцария.

По данным агенства Allied Market Research к 2022 году мировой рынок ЧПУ, может составить $18 293 млн, при этом

впериод с 2016 по 2022 годы среднегодовой темп роста составит 5,5%. Ожидается, что доминировать на мировом рынке ЧПУ в течение прогнозного периода будет сектор промышленного оборудования. а наибольшая доля общемирового дохода будет приходиться на европейские страны.

В2015 году на долю Европы приходилась основная доля мирового рынка ЧПУ, и ожидается, что она сохранит свое доминирующее положение в течение прогнозируемого периода благодаря увеличению спроса на станки в таких странах, как Германия, Италия, Швейцария и Австрия. Что касается стран АТР, по данным прогноза, их доля на мировом также будет расти значительными темпами благодаря развитию технологий и повышению уровня жизни в таких странах, как Индия, Китай и Япония31 .

Будущее мирового станкостроения, несомненно, за технологиями, точными и гибкими производственными системами. Станки с ЧПУ в этом отношении выступают сегодня как всеобщий ориентир и показатель передового высокотех-

31 Europe: CNC Market to Grow by 2022. https://www.maschinenmarkt.international/ europe-cnc-market-to-grow-by-2022-a-581664/ (дата обращения: 4.04.2019).

70

Новые технологии в машиностроении

нологичного производства. Согласно новому отчету Grand View Research, Inc., глобальный рынок станков с ЧПУ, как ожидается, достигнет $100,9 млрд к 2025 году, а среднегодовой темп роста инвестиций увеличится на 6,8% в течение прогнозируемого периода. Увеличение связано с растущей потребностью в снижении эксплуатационных расходов и повышением эффективности32 .

Современные обрабатывающие производства в большинстве отраслей промышленности вынуждены использовать оборудование с ЧПУ, подчеркивая тем самым свою ориентированность на передовые технологии. Но это отнюдь не означает, что оборудование без ЧПУ перестает быть актуальным. Для малых производств приобретение станков с ЧПУ часто экономически нецелесообразно. Кроме того, без ЧПУ работа на станке осуществляется вручную, что имеет большое значение, если требуется, например, оперативная корректировка в процессе работы над заготовкой, или последовательное изготовление деталей различной сложности. Все это, разумеется, требует определенного уровеня квалификации мастера-­изготовителя, что, к сожалению, (или к счастью) идет вразрез с общей тенденцией автоматизации производства.

2.3. 3D-печать

Еще одним заметным направлением новых технологий, существенно влияющих на производство и общество, является 3D-печать. 3D-принтер представляет собой станок с числовым программным управлением, который в отличие от традиционного станка с ЧПУ не снимает ненужный материал с заготовки, чтобы в результате получить заданное изделие, а, наоборот, из загруженного в него материала послойно создает изделие, образец которого имеется в его программе.

32 Индустрия 4.0 вдохновляет на применение станков с ЧПУ в автоспорте. http:// planetacam.ru/articles/tekhnologii/CNC_motorsports/ (дата обращения: 29.03.2019).

71

Глава 2

Технологическими проблемами, которые нужно решать при создании 3D-принтеров, являются свойства материалов и качество соединения слоев. Все разновидности технологий объединяет послойное наращивание изготавливаемого объекта. Для соединения слоев применяется склеивание или спекание. Для последнего широко используются лазеры. В качестве материалов используются пластические массы и металлические порошки. Некоторые технологии допускают одновременное использование нескольких материалов.

Для архитектурных моделей используют керамические смеси, которые застывают после нанесения на поверхность. Новым направлением являются биопринтеры. Здесь печать производится каплями, содержащими живые клетки. Трехмерный объект формируется в результате роста и взаимодействия клеток. Эта технология должна в перспективе обеспечить выращивание органов для имплантации.

Первоначально основным предназначением 3D-печати было создание прототипов изделий на стадии проектирования. Если раньше при разработке новых изделий в машиностроении после разработки чертежей был необходим труд высококвалифицированных технологов и рабочих для получения образцов для испытания и доработки, то 3D-печать позволила получать образцы новых изделий быстрее и дешевле. При изготовлении металлических изделий с помощью литья всегда самой сложной частью была подготовка пресс-форм, в которые заливался металл. 3D-печать решила и эту задачу.

Способность 3D-принтеров изготавливать изделия сложной формы послужила основой для использования этой техники в производстве для создания единичных или мелкосерийных изделий, если требования к их прочности обеспечивались техническими возможностями применяемых материалов и технологий 3D-печати.

Развитие технологии 3D-печати выявило несколько полезных направлений ее использования. Во-первых, это облегчение конструкций за счет создания при печати поло-

72

Новые технологии в машиностроении

стей внутри конструкции при сохранении прочностных характеристик. В настоящее время аэрокосмические фирмы Boeing и Airbus широко используют трехмерную печать для изготовления более легких деталей летательных аппаратов. Наиболее сенсационным достижением в этой области является материал, который является металлической пеной. Это трехмерная структура из связанных между собой металлических трубочек, состоящая на 99% из воздуха, но сохраняющая твердость металла33 .

Во-вторых, 3D-печать дает возможность уменьшить число компонентов при создании изделий со сложной геометрией. Используя программное обеспечение, можно оптимизировать структуру изделия с точки зрения конструкции и технологичности. Изделие будет проще и дешевле.

Как показывает опрос фирм, использующих 3D-печать в своей деятельности, почти все отмечают конкурентные преимущества, которые дает эта технология, и более двух третей увеличивают инвестиции в 3D-печать, но пока на первом месте находится прототипирование (см. табл. 2.3.1), то есть не производство, а получение образцов изделия на стадии проектирования. Используют металлические материалы примерно треть опрошенных фирм, а пластическими массами пользуются более 2/3, в то время как основными конструкционными материалами в современной промышленности остаются металлы.

Показатели, представленные в таблице 2.3.1, имеют тенденцию к быстрому росту. В 2017 г. на разработку новых продуктов как основу рыночной стратегии указывали 29% фирм, металлические материалы использовали 28%, увеличивали инвестиции в 3D-печать 49%. Очевидно, что происходит структурный сдвиг в технологиях, и 3D-печать вытесняет и замещает другие методы разработки продуктов и их производства.

33 If 3D printing has changed the industries of tomorrow, how can your organization get ready today? EY, 2016. P. 7. https://www.ey.com/gl/en/services/advisory/ey-3d- printing-how-your-organization-can-get-ready (дата обращения 19.04.2019).

73

Глава 2

Таблица 2.3.1.

Основные показатели использования 3D-печати в 2018 г. по результатам опроса фирм*, %

* Обзор составлен на базе интервью с 1000 респондентов по всему миру. Географически 60% опрошенных представляют европейские фирмы, 25% американские, 9% фирмы Азии и Океании и 1% фирмы африканских стран. По отраслевому составу представлены 10 крупных отраслей: авиационная и космическая промышленность, автомобильная промышленность, производство потребительских товаров, высшее и среднее образование, электроника и электротехника, здравоохранение, высокие технологии, производство товаров для бизнеса, металлообработка и услуги.

Источник: The State of 3D Printing, 2018. https://www.forbes.com/ sites/louiscolumbus/2018/05/30/the-state-of-3d-printing- (дата обращения: 15.04.2019).

В отличие от промышленной робототехники, где господствуют четыре фирмы, две из которых японские и две европейские, производство и оказание услуг в области 3D-печати более дифференцированы. Производством 3D-принтеров занимаются малые и средние фирмы, но на рынок активно выходят крупные игроки, покупая производителей и сотруд-

74

Новые технологии в машиностроении

ничая с университетами для получения знаний в высокотехнологичной сфере. General Electric намерена развить свой бизнес по 3D-печати до 1 млрд долл. к 2020 г. путем активизации имеющего собственного подразделения и покупки специализированных шведской и немецкой фирм34 . Siemens сотрудничает с техническим университетом в американском штате Джорджия для развития аддитивных технологий, включая 3D-печать35 .

Значительную часть рынка формируют мелкие фирмы, которые узко специализированы и постоянно находятся в острой конкурентной борьбе, которая обостряется постоянным совершенствованием технологий. Рынок формируется вместе с увеличением технологических возможностей, но пока 3D-печать не заняла определенного места в промышленном производстве.

Мировым лидером по рыночной капитализации среди фирм, производящих промышленные 3D-принтеры, является американская компания Carbon 3D с рыночной капитализацией 1,7 млрд долл. на конец 2018 г.36  Для фондового рынка такой уровень капитализации невысок. Это, например, в 100 раз ниже капитализации фирмы PepsiCo Inc, производящей известный напиток, и 74 раза ниже IBM37 , являющейся одним из мировых лидеров в производстве оборудования и программного обеспечения, но в станкостроении преобладают непубличные компании (не выпускающие акции на рынок), а публичные (акционерные общества) невелики.

Так, самая крупная американская публичная компания в сфере производства станков с ЧПУ – Lincoln Elec-

34 If 3D printing has changed the industries of tomorrow, how can your organization get ready today? EY, 2016. P. 9. https://www.ey.com/gl/en/services/advisory/ey-3d- printing-how-your-organization-can-get-ready (дата обращения: 19.04.2019).

35 Ibid.

36 The Top 20 Most Valuable 3D Printer Companies 2019. December 27, 2018 https://3d­ sourced­.com/rankings/industrial-3d-printer-company/ (дата обращения: 01.02.2019).

37 U.S. Commerce – Stock Market Capitalization of the 50 Largest American Companies. http://www.iweblists.com/us/commerce/MarketCapitalization.html (дата обращения 24.04.2019).

75

Глава 2

tric – имеет рыночную капитализацию 6,2 млрд долл., крупнейшая немецкая фирма в этой отрасли – Maschinenfabrik Berthold Hermle AG – 1,95 млрд долл., a японская Okuna – 1,7 млрд долл.38 , то есть столько же, сколько крупнейшая фирма по производству промышленных 3D-принтеров. Таким образом, 3D-печать в промышленных целях признана

ифондовым рынком в качестве перспективного направления для инвестиций.

Если Carbon 3D совсем молодая фирма, основанная в 2014 г., то второй по рыночной капитализации производитель промышленных 3D-принтеров, американская компания 3D Systems (капитализация 1,5 млрд долл.) основана в 1986 г. как start-up изобретателем одной из технологий 3D-печати39 . Таким образом, рынок состоит как из новых фирм, активно развивающих рынок, так и из состоявшихся на рынке и имеющих многолетнюю историю ветеранов отрасли, что обеспечивает ему устойчивость развития при быстрых технологических изменениях.

Встранах Азии в последние годы Израиль занял лидирующие позиции в мире в области 3D печати. Израильские фирмы XJet, Nano Dimension входят в число ведущих в мире по рыночной капитализации в отрасли по производству 3D принтеров. XJet, основанная в 2005 г., производит принтеры, которые способны печатать солнечные панели,

иработает на рынках печати металлом и керамикой. Nano Dimension, основанная в 2012 г., выпускает принтеры, которые могут печатать одновременно диэлектрическими полимерами и металлом, что востребовано на рынке оборонной промышленности40 .

Что касается стран Восточной Азии, которые являются лидерами в производстве и использовании робототехники,

38 Top USA and International CNC Machinery Manufacturers. https://www.thomasnet. com/articles/top-suppliers/cnc-machinery-manufacturers (Дата обращения 24.04.2019).

39 The Top 20 Most Valuable 3D Printer Companies 2019 December 27, 2018 https://3d­ sourced.com/rankings/industrial-3d-printer-company/ дата обращения: 01.02.2019).

40 Ibid.

76

Новые технологии в машиностроении

то их успехи в области 3D-печати пока малозаметны на фоне американских и европейских фирм. Из 20 фирм, фигурировавших в упомянутом выше опросе, девять были американскими, пять немецкими, две израильскими и по одной из Бельгии, Швеции, Нидерландов, а одна была американо-­ голландской.

2.4. Промышленная робототехника

Хотя робототехника развивается уже несколько десятилетий, общепризнанного определения роботов не существует, но есть определение Международной организации по стандартизации (International Organization for Standardization): «Робот – это автоматически управляемый, программируемый, многоцелевой манипулятор, допускающий программирование движения по трем и более осям, установленный на определенной позиции или движущийся и служащий для автоматизации в промышленности»41 .

Первым мощным стимулом для создания механизмов, работающих без присутствия человека, стало возникновение атомной промышленности и необходимость работать с радиоактивными материалами. Непосредственный контакт с ними был смертельно опасен, и инженеры в начале 1950-х годов стали разрабатывать автономные манипуляторы для работы в атомной промышленности.

В 1954 г. в США был запатентован погрузочно-разгру- зочный манипулятор, управляемый с помощью перфокарт, а

в1956 г. была создана первая фирма по производству роботов. Первый промышленный робот был произведен в США

в1959 г. Он весил две тонны, и им управляла программа, записанная на магнитном барабане, но этот робот обладал очень высокой точностью при выполнении операций. В 1961 г. промышленный робот был использован «Дженерал

41 The Impact of Robots on Productivity, Employment and Jobs. Positioning Paper. IFR. Frankfurt, Germany. April 2017. P. 1.

77

Глава 2

Моторс» в производстве автомобилей. С 1967 г. промышленные роботы начали использовать в Европе. Пионером здесь была Швеция. В 1969 г. промышленные роботы проникают на японский рынок, и уже в 1971 г. в Японии была образована первая в мире национальная ассоциация робототехники, которая заложила фундамент успеха этой страны в создании и использовании роботов.

Робототехника уже имеет большую историю, но в последние годы распространение промышленных роботов стало особенно заметно. См. рис. 2.4.1.

Источник: построено автором по данным Executive Summary World Robotics 2018 Industrial Robots, p. 22.

Если в канун глобального финансово-экономического кризиса 2008–2009 гг. число промышленных роботов в мире достигло одного миллиона, то после него, невзирая на длительную рецессию, продолжает расти. По оценке в 2018 г. парк роботов достиг двух миллионов и по прогнозу на 2020 г. достигнет трех.

78