ritm062020

НАДЁЖНОСТЬ И ПРОСТОТА УПРАВЛЕНИЯ НОВЕЙШЕЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ Обновленная линейка лазеров YLS, трехлучевые YLS-BR и лазеры с изменяемым диаметром пучка AMB – обеспечат максимальную эффективность решений и легкую интеграцию

ВЫСОКАЯ ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ Преимущества КПД от розетки более 40% Максимальная компактность Отсутствие регламентных работ и простота эксплуатации Расширенные режимы выходного излучения Наибольший гарантийный срок и высочайшая надежность Подробнее обо всех новинках Вы можете узнать у наших консультантов по e-mail и телефону:

+7 (496) 255 74 46; sales@ntoire-polus.ru www.ipgphotonics.com

Семейство чиллеров собственной разработки с оптимальными параметрами для лазеров и голов

СОДЕРЖАНИЕ 4 Кризисы приходят и уходят, а HERMES AWARD остается / Crises come in and out, but HERMES AWARD remains 8 О лазерной микрообработке в прямом эфире / Live: laser micro-machining

16

10 Поддержать отечественный рынок станкостроения / Giving support the domestic machine tool market

12 Надежное партнёрство / Reliable partnership

16 Финишная обработка в абразивных средах / Finishing in abrasive environments

24

24 Новости робототехники / Robotics news

33 5 мифов о 3D-сканировании / 5 myths about 3D-scanning

36 Графен — реальность и прогнозы: применение в энергетике и электронике (2 часть) / Graphene — reality and forecasts: applications in energetics and electronics (Part 2)

33 36

* Фото на обложке из открытых источников

Издатель ООО «ПРОМЕДИА» директор О. Фалина главный редактор М. Копытина выпускающий редактор Т. Карпова дизайн-верстка С. Куликова руководитель проектов З. Сацкая Отдел рекламы: П. Алексеев, Е. Пуртова Е. Ерошкина, Э. Матвеев, О. Стелинговская консультант В.М. Макаров consult-ritm@mail.ru

АДРЕС: 101000, Москва, Милютинский пер., 18А, оф. 36c, пом. 1 т/ф (499) 55-9999-8 (многоканальный) e-mail: ritm@gardesmash.com https://www.ritm-magazine.ru Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор). Свидетельство о регистрации СМИ ПИ № ФС77-63556. (До 09.2015 журнал "РИТМ") Тираж 10 000 экз. Распространяется бесплатно на выставках и конференциях. Перепечатка опубликованных материалов разрешается только при согласовании с редакцией. Все права защищены ® Редакция не несет ответственности за достоверность информации в рекламных материалах и оставляет за собой право на редакторскую правку текстов. Мнение редакции может не совпадать с мнением авторов.

НОВОСТИ

КРИЗИСЫ ПРИХОДЯТ И УХОДЯТ, А HERMES AWARD ОСТАЕТСЯ 14 июля в Ганновере в рамках Digital Days HANNOVER MESSE’2020 был назван победитель ежегодного конкурса инноваций HERMES AWARD. Независимое жюри под председательством профессора доктора Реймунда Нойгебауэра (Prof. Dr. Reimund Neugebauer), президента Fraunhofer-Gesellschaft, номинировало на HERMES AWARD 2020 три компании (в алфавитном порядке): Friedhelm Loh Group, Schneider Electric и Trumpf Werkzeugmaschinen. МИРОВОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ОСКАР У КОМПАНИИ TRUMPF Обладателем самой престижной награды в мире технологий 2020 года стала компания TRUMPF Werkzeugmaschinen, а лучшей инновацией был назван omlox — созданный компанией TRUMPF международный стандарт технологий геопозиционирования в промышленном секторе, который упрощает логистику и обеспечивает повышение эффективности цифрового производства. До omlox в мире не существовало единого языка для технологий определения местоположения. Не было языка, на котором устройства и программные решения от разных производителей могли бы обмениваться друг с другом информацией. Компания TRUMPF не только создала этот язык, но и сделала его доступным на рынке. Разработчик убежден, что только с помощью общего стандарта можно продвинуть мир к возможностям повсеместного определения местоположения в реальном времени. Это убеждение разделяют более 60 компанийпартнеров по всему миру. С помощью omlox можно объединить различные технологии локализации, такие как сверхширокополосный доступ, RFID, 5G или GPS, что обеспечивает быстрое и недорогое сетевое объединение решений от различных поставщиков. Инициаторами и промышленными партнерами omlox из Европы, США и Азии являются поставщики программного обеспечения и провайдеры информационных услуг, такие как GFT, T-Systems и AWS, поставщики решений, базирующихся на сенсорной технике, среди них SICK AG и Pepperl + Fuchs AG, научно-исследовательский инсти-

С помощью omlox можно определять местонахождение деталей. Это позволяет производителям отслеживать компоненты по всей цепочке поставки. Фото: Trumpf

4

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

Omlox дает возможность обнаруживать автоматические транспортные системы, вилочные погрузчики и дронк с помощью единой инфраструктуры и управлять ими. Фото: Trumpf

тут CEA Leti, поставщик услуг внутренней навигации Heidelberg Mobil и поставщик услуг локализации BeSpoon. Как сказал управляющий директор по развитию компании TRUMPF Werkzeugmaschinen в Дитцингене Др. Томас Шнайдер (Dr.Thomas Schneider), «разработка TRUMPF экономит предприятиям промышленных отраслей силы и средства», поскольку упрощает использование аппаратного и программного обеспечения различных производителей. Благодаря «omlox» все данные о местоположении могут отображаться в единой системе координат. Промышленные клиенты могут легко интегрировать устройства от различных поставщиков. Г-н Шнайдер подчеркнул, что «omlox уделяет особое внимание созданию рабочих сетей внутри производств. Потому что на заводе, в самом сердце цепочки поставок, решения по определению местоположения должны корректно работать и с металлом. Этот металл, с которым они сталкиваются на каждом производственном этапе, отклоняет и искажает большинство сигналов. Только сверхширокополосные радиоволны могут работать в окружении металла. С их помощью можно распознавать местонахождение беспилотных транспортных систем или дронов, а также ориентироваться под крышей цеха с точностью до сантиметра. А поскольку omlox также совместим со сверхширокополосной связью, ничто не препятствует бесперебойной работе логистических решений. Перед цехом, в цеху, за цехом». Важно, что интерфейс omlox можно адаптировать к некоторым старым системам, иными словами, совсем не обязательно покупать новое оборудование. Около 60 компаний уже сегодня поддерживают omlox, и 19 уже спонсируют его выход на рынок. Стандарт omlox передан организации пользователей PROFIBUS (PNO), которая продолжит разработку стандарта в будущем и возьмет на себя его международное распространение. В ЦЕЛЯХ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ Компания Friedhelm Loh Group (Гессен, Германия) представила на конкурс комплексное решение ONCITE, которое обеспечивает быстрый, безопасный и простой www.ritm-magazine.ru

НОВОСТИ доступ к данным на сетевых предприятиях. Благодаря технологии Edge ONCITE собирает, хранит и обрабатывает данные локально, но при этом совместим с облачными решениями. Новым является постоянное использование цифровых данных в режиме реального времени и безопасная среда для цифрового создания стоимости. Это позволяет компаниям согласовывать свои производственные данные и проводить анализ на основе искусственного интеллекта. ONCITE — это «зародышевая ячейка» Gaia-X, проекта по созданию мощной, конкурентоспособной, безопасной и надежной инфраструктуры данных для Европы. ЗА ЧИСТЫЙ ВОЗДУХ Компания Schneider Electric (Рюэй-Мальмезон, Франция), лидер в области цифрового преобразования, управления и автоматизации энергопотребления, номинировалась за свое новое распределительное устройство напряжения SM AirSeT, которое использует чистый воздух в комбинации с новой технологией вакуумного выключателя (SVI, шунтирующее вакуумное прерывание). В устройстве не используется гексафторид серы (SF6) — один из наиболее интенсивных парниковых газов, обычно присутствующий в электрических сетях и промышленных электрических установках. Это позволяет предлагать экологически чистые технологии, сохраняя при этом преимущества экономичности и надежности работы обычного оборудования, использующего SF6. ПОБЕДИТЕЛЬ В КАТЕГОРИИ СТАРТАПОВ HERMES Startup AWARD присуждается компаниям не старше пяти лет и при условии, что их продукт отличается высоким уровнем технологической инновационности. Обладателем HERMES Startup AWARD 2020 стала молодая индонезийская компания Mitra Sejahtera Membangun Bangsa из Индонезии. Жюри выбрало победителя для своего проекта Smart Farming 4.0. Решение-победитель состоит из сенсорной сети, базы данных и приложения, которые позволяют фермерам удобрять и орошать свои поля в зависимости от погодных и почвенных условий. Кроме того, фермерам в режиме реального времени он предоставляет информацию об ожидаемом состоянии почвы и погодных условиях. Искусственный интеллект постоянно улучшает прогнозы и последующие рекомендации. Использование этой технологии ведет к повышению урожайности и качества сельскохозяйственной продукции, а также сокращению использования удобрений и воды. По словам профессора д-ра Реймунда Нойгебауэра, «стартапы являются настоящими катализаторами инноваций: будучи связующим звеном между исследованиями и промышленностью, они быстро превращают новые разработки и технологии в приложения и выводят их на рынок. Я рад признать Mitra Sejahtera Membangun Bangsa как компанию, которая использовала решение ИИ для решения сразу нескольких текущих задач, включая качество продуктов питания и эффективное использование удобрений и ресурсов». Из-за пандемии коронавируса ежегодная выставка Hannover Messe, на открытии которой традиционно объявляется победитель, перенесена на 2021 год. На открытии выставки 2021 года победители получат заветные награды. Зинаида Сацкая

www.ritm-magazine.ru

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

5

НОВОСТИ

ЭФФЕКТИВНАЯ ОЧИСТКА На Международном военно-техническом форуме «Армия–2020» компания из Санкт-Петербурга ООО «Лазерный центр» впервые продемонстрировала новую компактную мобильную систему лазерной очистки поверхностей «ТурбоКлин». Система обеспечивает высокопроизводительную очистку изделий сложной формы без повреждения поверхности, в частности: сварных швов, штампов и пресс-форм, сложных деталей, металлических оград и памятников от ржавчины, от оксидной пленки, от краски, от нагара, от слоя изоляционного материала и т. д.

В основе системы иттербиевый импульсный волоконный IPG Photonics (производства компании НТО «ИРЭПолюс», Россия). Скорость обработки зависит от мощности лазера: при 50 Вт — 3 см2/c, при 100 Вт — 5 см2/с. Ресурс — более 100 000 часов. «ТурбоКлин» полностью соответствует требованиям действующих нормативных документов РФ, регламентирующих производство соответствующей продукции.

ВОЛОКОННЫЕ ЛАЗЕРЫ С ТЕХНОЛОГИЕЙ ADJUSTABLE BEAM Новая серия волоконных лазеров YLS-AMB компании IPG Photonics дает возможность регулировать профиль и диаметр выходного пучка в автоматическом режиме, без использования дополнительной ZOOM-оптики. Выходное волокно состоит из центральной и кольцевой жил, излучением в которых можно управлять независимо друг от друга. Центральная жила волокна обеспечивает выходную мощность до 9 кВт при диаметре жилы 50 мкм и выходную мощность до 12 кВт при диаметре 100 мкм. Внешний диаметр кольцевого пучка составляет 300 или 600 мкм. Возможность независимой программируемой подстройки интенсивности центрального и кольцевого выходных пучков позволяет обрабатывать Кольцевой Центральный + широкий диапазон Центральный пучок пучок кольцевой пучки материалов и толщин, улучшает скорость врезки и качество раскроя, предоставляет возможность оптимизации технологии сварки без необходимости использования дорогих элементов внешней оптики, ранее необходимых для поддержки необходимого уровня гибкости. Благодаря рекордной в отрасли выходной мощности волоконные лазеры серии YLS-AMB обеспечивают оптимальную обработку как толстых, так и тонких материалов одним и тем же источником излучения.

www.newlaser.ru

www.jpgphotonics.com

В РАМКАХ ДИВЕРСИФИКАЦИИ На форуме «Армия–2020» Группой компаний «Калашников» был представлен новый гибридный станок IZH H600. Сочетая технологии лазерной наплавки металлического порошка и 5-осевой фрезерной обработки, станок позволяет изготавливать детали и сборочные единицы сложной геометрической формы массой до 300 кг и габаритами 600x500x500 мм. Благодаря новому станку появляется возможность быстро получать новинки или прототипы без необходимости оснащения производства специнструментом и спецоснасткой, сократить время постановки изделий на производство до 10 раз и кратно увеличить производительность предприятия, что крайне востребовано как в военных, так и гражданских сферах. Работы по IZH H600 созданию АО «Концерн «Калашников» вел при поддержке Министерства промышленности и торговли РФ и Фонда развития промышленности. https://kalashnikov.media

6

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

www.ritm-magazine.ru

НОВОСТИ

УНИКАЛЬНЫЙ ПОДХОД

ТРИ В ОДНОМ Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК) Госкорпорации «Ростех» разработала 5-координатный гибридный комплекс для производства опытных деталей газотурбинных двигателей. Обрабатывающий центр с числовым программным управлением совмещает в себе 3D-печать методом прямого лазерного выращивания, механическую обработку и лазерную сварку. Комплекс позволяет выпускать и с высокой точностью обрабатывать сложнопрофильные крупногабаритные детали с размерами до 1100×600×600 мм и массой до 450 кг, а также может быть использован для восстановления поврежденных деталей. Благодаря высокой мощности волоконного лазера (3 кВт) возможна сварка металла толщиной до 6 мм. Проект реализован в филиале АО «ОДК» «НИИД» (г. Москва) по заказу АО «ОДК» в сотрудничестве с Санкт-Петербургским политехническим университетом и ООО СКБ «Станкостроение» (г. Стерлитамак). www.rostec.ru

www.ritm-magazine.ru

Изделия специального назначения работают в условиях повышенных нагрузок. Чтобы продлить срок службы деталей, нужно обеспечивать постоянное наличие смазки на их поверхностях. Для этого на них наносят «микроборозды» — специальный текстурированный рельеф. Так смазывающее вещество не вымывается в процессе работы. Сложность состоит в том, что детали часто делают небольших размеров и из тех материалов, которые сложно обработать. Поэтому с помощью обычных лезвий нанести борозды не получится. Чтобы решить эту проблему, ученые из ПНИПУ использовали технологию электроэрозионной обработки. Уникальность пермской технологии состоит в том, что в качестве инструмента разработчики впервые применили сложнопрофильные электроды, которые вырастили на 3D-принтерах. Технологию уже применяют при изготовлении изделий специального назначения на пермских предприятиях.

www.popmech.ru

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

7

НОВОСТИ

О ЛАЗЕРНОЙ МИКРООБРАБОТКЕ В ПРЯМОМ ЭФИРЕ В период пандемии многие выставочные и технологические компании стали использовать онлайн-формат для обсуждения важных вопросов оснащения, модернизации, автоматизации промышленных производств, особенностей оборудования и инструмента при решении определенных задач, позволяющих производимой продукции соответствовать высоким запросам современного рынка. Группа компаний «Лазеры и аппаратура» из Зеленограда, хорошо известная читателям журнала «РИТМ Машиностроения», организовала онлайн-экскурсию по лаборатории микрообработки. Заместитель директора Анна Цыганцова и ее коллеги не просто продемонстрировали промышленные лазерные машины компании, но и сделали акцент на вопросах выбора, который в случае высокотехнологичного оборудования определяется не только ценой, но поставленными задачами. Вопрос особенно актуален в связи с тем, что с меняющейся экономической ситуацией и развитием современной промышленности все больше производителей и фирм-дилеров начали предлагать оборудование для лазерной микрообработки, хотя раньше в силу его сложности количество поставщиков было ограничено. В ГК «Лазеры и аппаратура» выпускают такое оборудование с 1998 года и хорошо понимают, что качество для пользователя обеспечивается большими усилиями производителя.

Что такое лазерная микрообработка? У всех разное представление: скрайбирование, микроструктурирование, сверление отверстий и т. д. Когда про нее говорят профессионалы, как правило, имеют в виду класс оборудования, который решает задачи по обработке изделия размерами не больше 100–200 мм с точностью единицы микрон. Чаще речь идет о тонких и хрупких материалах, заготовки из которых после обработки лазером будут подвергнуты десяткам и сотням операций, прежде чем станут конечными изделиями. Отсюда возникают многочисленные и очень серьезные требования: качество обработки, отсутствие микротрещин и остаточных напряжений, минимальное или полное отсутствие зоны теплового воздействия, ограничения по конусности, по остаточным выплескам. Это все диктует высокие требования к оборудованию. Рассматривая пример платформы «Микро МЛП1» с СО2- лазером с зоной обработки 200×200, Анна сформулировала требования к комплектации установки для микрообработки, которая обеспечивает решение необходимых технологических задач: • Хорошее основание: жесткое, устойчивое, позволяющее выдерживать и нивелировать вибрации, которые в промышленных цехах неизбежны. Чаще всего для ста8

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

нины используют либо литье, либо гранитное основание. И здесь надо быть осторожным, ведь сейчас на рынке в качестве оборудования для микрообработки вам могут предложить и настольный вариант, который не предполагает станину, когда даже проходящий мимо человек может внести погрешность в процесс. Стоит усомниться и в том случае, если вам говорят про алюминиевую станину, которая обеспечивает точность 2 мкм.

• Конструкция и узлы должны обеспечивать устойчивость к температурным воздействиям. Например, если зимой температура утром в цехе 12 градусов, а днем, когда обогрели, уже 25, этот разброс может быть критичен для процесса микрообработки.

• Как правило, в оборудовании для микрообработки используются линейные двигатели. В компании «Лазеры и аппаратура» они собственной оригинальной конструкции с обязательными линейками обратной связи. Наличие линейки обратной связи обеспечивает точность позиционирования. Если ее нет (такое бывает!), наблюдается низкая стабильность и повторяемость процесса. Если ставить оптическую линейку обратной связи, то можно выходить на точности порядка 1–3 мкм, если магнитную — 15–30 мкм, при отсутствии — 50–100 мкм.

• Лазерный источник и оптика, которая доставляет излучение к месту обработки, должны иметь определенные характеристики. Излучение должно быть с длиной волны, наилучшим образом поглощаемой обрабатываемым материалом. Выбирается особая форма и размер пятна луча. Пространственно-временные характеристики излучения, которые могут быть некритичны в других процессах лазерной обработки, в микрообработке играют существенную роль. Вариантов выбора лазера в результате множество. Это могут быть СО2- и волоконные лазеры самых разных мощностей; по длительности импульса — фемтосекундные, пикосекундные и наносекундные лазеры; по длине волны — ИК и ультрафиолетовые; вторая, третья гармоника излучения… Все зависит от того, какая задача решается. Кроме того, например, использование оптической схемы на основе гальваносканера позволяет обеспечивать скорости в разы выше, чем любые координатные столы, а именно — на уровне 1–3 м/сек.

• Система управления в лазерной машине — это не только видимые снаружи компьютер, клавиатура, мышь, но и вся электроника, размещенная внутри, включая системы контроля. К системам контроля относятся видеокамера и видеоканал, которые выведены на отдельный монитор, а также интеллектуальные системы: например, система слежения за поверхностью, система позиционирования и слежения по реперным точкам, системы обратной связи.

• Периферическое оборудование: продувка, поддув, устройства крепления деталей (специальная оснастка, тисочки, накладки) также важны при работе с мелкими деталями из хрупких материалов. В качестве примера на установке MicroLab MLP1 специалисты компании продемонстрировали прошивку отверстий в одном из наиболее распространенных материалов поликоре (фигурную резку и сверление отверстий). На самом деле поликор можно обрабатывать разными типами лазеров: импульсными волоконными, квазинепрерывными волоконным, СО2, но в каждом случае будет своя специфика. Результат будет отличаться, и это надо понимать, когда вы выбираете установку или делаете детали www.ritm-magazine.ru

НОВОСТИ на заказ. Если используется маломощный импульсный волоконный лазер 50 Вт, то на толщинах 0,3–0,4 мм необходим многопроходный режим, а это означает невысокое качество и невысокую производительность (хотя, возможно, они будут устраивать в конкретном случае). Для повышения качества и производительности требуется большая мощность, которую могут обеспечить квазинепрерывные волоконные лазеры 150 Вт. При еще более высоких требованиях вы можете использовать СО2-лазеры мощностью 200 Вт (как в продемонстрированном случае). На представленной установке может быть также выполнено скрайбирование поликора. При этом достигается скорость порядка 10–15 м/мин. Пластинки на 0,5, 1, 1,5 мм отлично ломаются и довольно быстро обрабатываются. Можно обрабатывать и другие керамики, в т. ч. ситалл, красную керамику, кварцевое стекло, обеспечивая край без трещин, сколов с высокой чистотой поверхности. Множество возможностей при микрообработке появляется с применением ультракоротких импульсных лазеров. На базе лабораторно-исследовательского стенда с двумя лазерами (фемтосекундным российским и CO2немецким) в видео была показана прошивка отверстий лазером с длительностью 250 фс. Образец кремния фиксировался с помощью вакуумной оснастки, обеспечивая устойчивое, выровненное по плоскости, точное крепление. Скорость обработки благодаря использованию гальваносканера составила 40 000 мм в мин, или 0,67 м/сек. В результате была получена периодическая система отверстий с высокой повторяемостью. Какие еще задачи может решить фемтосекундный лазер? Например, для заказчика решалась задача испарения текстолита для оголения медных контактов. Другими лазерами это было сложно сделать, поскольку все сгорало, а при фемтосекундном лазере наблюдалось мгновенное испарение. Возможно обрабатывать различные биодеградируемые материалы и материалы, которые оптически прозрачны для других типов лазеров (это обеспечивается за счет возникновения ультрафотонного поглощения). Возможно обрабатывать даже те материалы, которые невозможно обработать никакими другими способами, инструментами. Так, при обработке с помощью ультракоротких импульсов стеклотекстолита, из которого состоит печатная плата, не образуется токопроводящий слой, который образуется при обработке другими лазерами или другими тепловыми способами. Из ограничений ультракоротких импульсных лазеров стоит указать невысокую предельную толщину обработки. Так, для лазера 50 Вт ограничение по толщине порядка 250 мкм. Но и в этом случае могут быть предложены решения. Глубина обработки может быть увеличена за счет поляризации излучения, технологии многопроходности, изменения длины волны источника и др. Из всего выше сказанного становится понятно, что лазерная микрообработка не терпит легкомысленного подхода. Перед приобретением оборудования будет полезным не только провести вдумчивый маркетинг оборудования, но и обсудить поставленные перед вами задачи со специалистами, а также при наличии у производителя или в инновационных центрах подобных установок провести эксперименты и выполнить небольшие предсерийные партии. Приложенные усилия в этом случае непременно окупятся новыми возможностями. Татьяна Карпова

Видео размещено: https://www.youtube.com/watch?time_continue=543&v=JHuNVJVG974&feature=emb_logo www.ritm-magazine.ru

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

9

НОВОСТИ

ПОДДЕРЖАТЬ ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ РЫНОК СТАНКОСТРОЕНИЯ 1 АВГУСТА СОСТОЯЛОСЬ ОТКРЫТИЕ ОНЛАЙН-ВЫСТАВКИ «СТАНКИ-ЭКСПО». ГЕНЕРАЛЬНЫЙ ДИРЕКТОР ВЫСТАВКИ АЛЕКСЕЙ ПЕСКОВ ДАЛ ЭКСКЛЮЗИВНОЕ ИНТЕРВЬЮ ОБОЗРЕВАТЕЛЮ ЖУРНАЛА «РИТМ МАШИНОСТРОЕНИЯ».

Алексей Максимович, обычно, выводя на рынок новый продукт, просчитывают спрос на него. Вы просчитывали спрос на онлайн-выставку «Станки-Экспо»? Из чего вы исходили? У нас есть бизнесплан, который должен быть у каждого предпринимателя, принимающегося за какой-то проект. Мы исходили из того, что ограничения из-за пандемии продолжаются и неизвестно, сколько еще продлятся. По этой причине практика онлайн-коммуникаций, видеоконференций будет востребована. Какие-то интернет-проекты по разным направлениям возникают, а мы создаем выставочную онлайн-площадку, на которой будет аккумулирована станкоинструментальная продукция. После консультации с предприятиями станкоинструментальной отрасли, с которыми у нас давние отработанные контакты, мы поняли, что эта услуга востребована. Правда, есть пятерка предприятий, которые считают, что им достаточно собственного, как они говорят, крутого сайта. К тому же, по их мнению, лучше самим управлять своим сайтом, чем выпускать управление из своих рук. Тем не менее мы инвестировали значительные средства в этот проект и намерены его развивать. У нас накопилось достаточно важной и интересной информации, и мы хотим поделиться ею с другими. И делать это мы будем онлайн через нашу деловую программу, которая сведет производителя и потребителя. Это одна из важнейших задач проекта. Выставка открыта. Появилась ли уже обратная связь? Конечно. Мы фиксировали более 900 посещений в день. Каждому экспоненту мы индивидуально будем сообщать число посещений его стенда и какие страницы привлекли наибольшее внимание. Это прописано в наших договорах. Сегодня у нас 67 компаний, и мы ожидаем ежемесячный прирост по 10—15 компаний. Важно, что к нам пошли маленькие фирмы, у которых нет больших собственных ресурсов. Как долго выставка будет продолжаться? Мы планируем этот проект постоянно действующим. Мы будем расширяться, совершенствоваться. И самое 10

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

главное, те помпезные выставки, когда одна компания могла арендовать целый выставочный зал и выставить сотню станков, такого не будет. Настало время считать деньги, экономить. Пандемия заставила владельцев компаний посмотреть на многие составляющие бизнеса, в том числе участие в выставках, по-другому, снижать издержки, поскольку все понимают, что проблемы, связанные с пандемией, — это надолго. Еще не факт, что люди поспешат на выставки, которые сейчас практически все перенесены на следующий год. Как заметил знаменитый Ларри Кинг, «для человека выскочивший на шее чирей значит больше, чем сорок землетрясений в Африке». Это к тому, что не все захотят рисковать своим здоровьем. Часть деловой программы вы уже анонсировали. Какие темы вы считаете сегодня самыми животрепещущими и почему? Это темы, которые помогли бы российским станкостроителям встать на ноги, чтобы они наращивали производительность, объемы производства и больше зарабатывали. Мы их прорабатываем вместе с экспертным сообществом. На мой взгляд, важнейшая тема — это комплектующие, которые мы в значительных количествах покупаем за границей, поскольку сами мало что делаем. Мы к этим дискуссиям привлекаем и зарубежные компании, которые готовы с нами технологиями поделиться. Я связался с Агентством по технологическому развитию АТР, которое призвано заниматься трансфером зарубежных технологий. И что вы думаете? У них минимальный вклад в развитие 300 млн рублей, а максимальный — 1 млрд. Я станкостроитель и знаю, что задач, которые требовали бы таких сумм, у нас мало. Причем эти, скажем, 300 млн руб. от АТР — это 49% требуемого для реализации проекта, а остальные 51% должен вложить тот, кто хочет с ними заниматься внедрением новейших технологий. Эти условия благоприятны для крупного бизнеса, а в условиях, когда нам надо поднимать малый бизнес, эти суммы нереальны. Нужно выходить на стартапы по 5–10 млн с реализацией выпуска каких-то конкретных комплектующих. Мы ведь более 100 позиций не умеем делать, и их надо осваивать. Некоторые предприятия этим занимаются. Например, фирма KEBРУС из Владимира занялась организацией производства мотор-шпинделей по чертежам, купленным у Fraunhofer. Тема интересная. У нас никто мотор-шпинделей не делает. Поэтому производство комплектующих в России — для нас тема номер один, реализация которой сегодня чрезвычайно трудна. Большим компаниям это пока невыгодно, потому что спрос невелик, а такие вещи, как технологическая независимость страны, мало кого интересуют. Пандемия выявила сильнейшую зависимость многих стран от сторонних поставщиков, в первую очередь Китая, и идея иметь свое овладела умами во многих странах. Станкостроение стране необходимо, и нам необхоwww.ritm-magazine.ru

НОВОСТИ димо научиться многое делать у себя. Например, сейчас нашим экспонентом стал Вологодский подшипниковый завод, который выставил на своем стенде подшипник второго класса точности, чего раньше делать не умели. Усилиями ассоциации «Станкоинструмент» и Фонда развития промышленности, который дал деньги, процесс пошел. Теперь наши шпиндельные узлы можно оснащать нашими подшипниками, о чем не все знают. Один из сентябрьских семинаров будет посвящен вологодским подшипникам. Если бы в каждый квартал или полугодие мы решали по одной-две проблемы с компонентами, то лет через пять мы обрели бы в станкостроении технологическую независимость. И деловую программу выставки мы будем делать предельно конкретной. В августе будет два вебинара: «Опции систем ЧПУ «Балт-Систем» для реализации гибридных технологий на металлорежущих станках» и «Вопросы трансфера технологий для организации производства комплектующих в России. Системная интеграция в поставке комплектующих». Я получила на днях из итальянской ассоциации станкостроения UCIMU информацию о том, что во втором квартале заказы на продукцию станкостроения снизились на 44,7% от зарубежных потребителей и на 37,8% от итальянских потребителей. Мы можем так же открыто обрисовать нашу ситуацию? У нас пока нет полных цифр за второй квартал. Все говорят, что в апреле и мае было резкое падение. Особенно в апреле. Я на нескольких заводах был. Например, в Твери на «Станкомашкомплексе» мне сказали, что в апреле они упали в продажах в пять раз. Как сегодня оценивается емкость российского станкостроительного рынка? Емкость российского станкостроительного рынка по разным оценкам составляет от 110 до 140 млрд рублей. Почему цифры с таким разбросом? Я этим занимался. Когда берешь статистику, то видишь, что в России для станкостроения производится процентов 30 общей потребности, а процентов 70 привозится из-за рубежа. Наше производство подсчитать несложно, хотя, возможно, с небольшой погрешностью, а импортное посчитать трудно. Причина в таможне. Например, в декларации указан шлифовальный станок, а под шлифовальным станком они могут иметь в виду и бытовую шлифовальную машинку по цене, скажем, 100 евро, которая пойдет как станок. Поэтому для станкостроительной продукции должны устанавливаться ценовые фильтры. Скажем, шлифовальный станок, который идет в Россию из-за рубежа, должен стоить, условно говоря, не менее миллиона рублей. Что стоит меньше, то не станок. Вот тогда можно просчитать емкость рынка. По поводу емкости российского рынка станкостроения у каждого своя правда, емкость российского рынка станкостроения, по данным Минпромторга, составила в 2019 году 133,5 млрд рублей. Из них российской станкоинструментальной продукции 33 млрд рублей, включая производство станков, КПО и инструмента. Скажите, пожалуйста, падение связано с коронакризисом или пандемия усилила существовавшую тенденцию? Какова у нас в принципе была динамика www.ritm-magazine.ru

выпуска станкостроительной продукции до коронакризиса? В 2019 году относительно 2018 года объемы производства заводов ассоциации снизились. По данным Минпромторга, в 2019 году был прирост на 5% по отношению к 2018 г. Почему так? Раньше мы в ассоциации «Станкоинструмент» разбирали заявки предприятий оборонно-промышленного комплекса, смотрели, какие станки у нас в России производят. Бывало, что мы рекомендовали проводить тендер по какому-то виду станков только для российских предприятий, потому что эти предприятия выпускают соответствующие станки. В этой работе мы опирались на постановление правительства № 9 от 14 января 2017 года «Об установлении запрета на допуск товаров, происходящих из иностранных государств, работ (услуг), выполняемых (оказываемых) иностранными лицами, для целей осуществления закупок товаров, работ (услуг) для нужд обороны страны и безопасности государства». Мы располагали информацией, какое оборудование требуется предприятиям, исходя из чего предприятия могли строить свои планы по НИОКР. Когда мы начинали эту работу, то могли силами российских предприятий покрыть потребность в станках только на 18%, но уже в 2018 году российское оборудование могло удовлетворить нужды ОПК на 30%. А в 2019 году Минпромторг заявляет, что потребность в станкостроительной продукции закрыта на 38%, что у многих вызывает сомнение. Нам сказали, что есть ГИСП — государственная информационная система промышленности, и все должно работать в автоматизированном режиме, а рассматривать заявки в ассоциации силами специалистов-станкостроителей нецелесообразно. В итоге в ГИСП произошло некоторое количество сбоев, и если раньше мы рассматривали заявки ОПК за 2–3 месяца, то в ГИСП они зависали по полгода и даже по году. Длинный цикл согласования изготовления станков привел к тому, что многие снова обратили взоры на Запад. Вы же понимаете, что в станкостроении есть опциональные вещи, которые в формализованном виде не решить. В результате заказы от нас ушли, и мы опять по удовлетворению нужд оборонки скатились, по нашему мнению, вниз, но насколько трудно сказать! То, что мы процент за процентом отвоевывали рынок станкостроения для отечественных станкостроителей, кануло в никуда. У Минпромторга цифры другие, но происхождение этих цифр понять невозможно. Думаю, наша интернет-выставка создается в том числе и для того, чтобы доля отечественных компаний на рынке станкостроения в России каждый год росла и была прозрачной и понятной для всего станкостроительного сообщества. Зинаида Сацкая

https://stanki-expo.ru/ № 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

11

ОБОРУДОВАНИЕ

Используя в работе инновационные продукты, а также ориентированные на клиентов финансовые решения и предложения по сервисному обслуживанию, компания DMG MORI расширила свою программу по стимулированию экономики с тем, чтобы оказать целенаправленную поддержку индустрии производства в долгосрочной перспективе в непростых экономических условиях современности.

НАДЕЖНОЕ ПАРТНЁРСТВО В НЕПРОСТЫХ ЭКОНОМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ DMG MORI ПРЕДЛАГАЕТ СВОИМ ЗАКАЗЧИКАМ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПРОГРАММЫ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ ПО КЛЮЧЕВЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ: АВТОМАТИЗАЦИЯ, ЦИФРОВИЗАЦИЯ, ФИНАНСИРОВАНИЕ И СЕРВИС.

В наши дни множество компаний сталкиваются с экономическим кризисом. Используя в работе инновационные продукты, а также ориентированные на клиентов финансовые решения и предложения по сервисному обслуживанию, компания DMG MORI расширила свою программу по стимулированию экономики, чтобы оказать целенаправленную поддержку производственным компаниям в долгосрочной перспективе в непростых экономи-

ческих условиях современности. Первостепенное внимание уделяется вопросам автоматизации и цифровизации производства. Повышение автоматизации производства и комплексное внедрение цифровизации на всех этапах производства: от получения заказа, обработки детали на станке с ЧПУ до сборки и логистики — способствуют созданию долгосрочных конкурентных преимуществ. Кроме того, DMG MORI поддерживает заказчиков своими

DMG MORI может предложить широкий ассортимент решений для автоматизации производства: 52 продукта, включая интерфейс, — таким образом, практически каждый станок может работать автономно.

12

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ выгодными финансовыми решениями и предложениями по сервису, обеспечивающими ликвидность и эффективность производства. ПЕРСПЕКТИВНОЕ ПРОИЗВОДСТВО С РЕШЕНИЯМИ ПО АВТОМАТИЗАЦИИ НАПРЯМУЮ ОТ ПРОИЗВОДИТЕЛЯ

DMG MORI может предложить широкий ассортимент решений для автоматизации производства: 52 продукта, включая интерфейс, — таким образом, практически каждый станок может работать автономно. «Мы следуем четкой тенденции к полной автоматизации производственных процессов», — говорит Маркус Рем, генеральный директор DECKEL MAHO Seebach GmbH и DMG MORI HEITEC GmbH. Компания DMG MORI разработала несколько видов портальных погрузчиков и роботизированных решений для загрузки и выгрузки заготовок. Множество токарных станков, например, станки серий CLX и CTX, а также станки серий NLX, NTX и NZX, могут быть дооснащены гибкой модульной системой автоматизации Robo2Go, которая была разработана для манипулирования заготовками различных размеров и требует менее 15 минут на создание процесса на основе предварительно определенных программных блоков. Что касается манипуляторов палет, то в зависимости от модели обрабатывающего центра доступны линейные и круговые системы накопления палет. PH 150, круговая система накопления палет, подходит для таких станков локального производства, как DMU 50 и DMU 50 ecoline. PH 150 — интегрированное решение с простой настройкой и небольшой занимаемой площадью для автоматической смены палет массой до 150 кг (опционально 250 кг) за 68 с. PH 150 способствует сокраще-

нию времени простоя, обеспечивает высокую повторяемую точность зажима палет. Один манипулятор для палет разных размеров: 10 палет 320×320 мм, 6 палет 400×400 мм, 4 палеты 500×500 мм.

WERKBLiQ: ПЛАТФОРМА ДЛЯ СЕРВИСА И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Комплексное решение для цифрового цеха — WERKBLiQ, платформа технического и сервисного обслуживания, подходит и для оборудования сторонних производителей. «С помощью WERKBLiQ операторы станков могут представлять в цифровом виде все структуры и процессы организации технического обслуживания вне зависимости от производителей оборудования», — говорит д-р Тим Буссе, генеральный директор WERKBLiQ. WERKBLiQ целиком оптимизирует процесс обслуживания для всех станков и устройств, позволяет интегрировать станки и управлять ими с помощью мобильных устройств. Интеграция в существующие ИВС в цехе осуществляется быстро и без значительных усилий (в среднем интеграция занимает 48 часов). Преимущества для заказчиков: удобный мониторинг — возможность отслеживания актуального статуса вашего сервисного запроса, все необходимые документы доступны в цифровом формате, прямое подключение к сервисной службе технической поддержки. МАКСИМАЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ С ПАКЕТОМ DIGITAL MANUFACTURING

Комплект для цифрового производства — DIGITAL MANUFACTURING — способствует значительному увеличению эффективности вашего производства. В осно-

Комплексное решение для цифрового цеха – WERKBLiQ, платформа технического и сервисного обслуживания. www.ritm-magazine.ru

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

13

ОБОРУДОВАНИЕ

Основа комплекта для цифрового производства — пакета DIGITAL MANUFACTURING — подключение оборудования DMG MORI и станков сторонних производителей в сеть с помощью комплекта для модернизации IoTconnector и последней версии интерфейса CELOS, работающего на базе приложений.

ве этого пакета подключение оборудования DMG MORI и станков сторонних производителей в сеть с помощью комплекта для модернизации IoTconnector и последней версии интерфейса CELOS, работающего на базе приложений. Система MESSENGER отображает текущее состояние всех подключенных в сеть станков и увеличивает время использования станка на 30 минут в неделю. Служба NETservice — прямая дистанционная связь с сервисной службой DMG MORI — способствует сокращению времени простоя, т. к. 30% ваших незапланированных сервисных обращений могут быть решены дистанционно через NETservice. Пакет DIGITAL MANUFACTURING предоставляет службу NETservice, обновления NETservice и CELOS до V6, MESSENGER, APPLICATION CONNECTOR. СОЗДАЙТЕ СОБСТВЕННОЕ ПРИЛОЖЕНИЕ С TULIP БЕЗ НАВЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

TULIP — следующий шаг к цифровизации производственных процессов, не требующий навыков программирования. TULIP предоставляет креативные, простые цифровые инструменты, позволяющие заказчикам создавать полнофункциональные приложения, не обладая знаниями в области программирования. TULIP помогает описать и визуализировать каждую отдельную ступень производственного процесса с помощью шаблонов приложений. Кроме того, при необходимости определенные сценарии можно связать с помощью функции «drag & drop» с ключевыми показателями цифровых датчиков, измерительных приборов и станков. Постепенно это создает интерактивную «дорожную карту», которая ведет сотрудника в процессе работы и направляет его в соответствующие контрольные точки для проведения измерения или теста. Визуализация отображается на отдельном экране рабочей станции или напрямую (через приложе-

14

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

ние APPLICATION CONNECTOR от CELOS) на экране управления. ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ С ЦЕНОВЫМ ПРЕИМУЩЕСТВОМ

Программа DMG MORI Maintenance Plus — соглашение по техническому обслуживанию по специальной цене. Клиентам программы предоставляется скидка на рекомендуемые ремонтные работы по итогам технического обслуживания. Кроме того, клиенты имеют возможность повысить производительность и эксплуатационную готовность существующих у них станков. ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ БЛАГОДАРЯ МОДЕРНИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО ОБОРУДОВАНИЯ

DMG MORI предлагает услуги по модернизации оборудования, эксплуатируемого на вашем производстве. Реновация старых моделей станков особенно актуальна при наличии свободных производственных мощностей. Обладая исключительным опытом производителя и предлагая привлекательные цены, DMG MORI берет на себя обязательства по выполнению работ на всех этапах модернизации оборудования: от приемки станка и диагностики его текущего состояния, демонтажа, поузловой разборки и чистки, замены узлов до приемки, упаковки и отправки заказчику. После того как станок был восстановлен до 100% уровня производительности, очищен и перекрашен, производятся тестовые испытания и далее финальная приемка заказчиком. Программа позволяет клиентам значительно повысить уровень производительности и техническое состояние эксплуатируемых станков.

DMG MORI также предоставляет гарантию 12 месяцев на новые запчасти и 6-месячную гарантию — на восстановленные.

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

Программа DMG MORI Maintenance Plus — соглашение по техническому обслуживанию по специальной цене, включающее в себя скидки на ремонтные работы по итогам технического обслуживания.

АКАДЕМИЯ DMG MORI: ОБУЧАЮЩИЕ ОНЛАЙН-КУРСЫ И ЛИЦЕНЗИЯ НА ОКАЗАНИЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ УСЛУГ Академия DMG MORI Россия в сложный экономический период подготовила ряд специальных учебных программ. Уже сегодня некоторые учебные курсы доступны в онлайн-формате. Преимущество таких курсов — удобная среда для обучения: за своим персональным компьютером в цифровой интерактивной форме в реальном времени. Благодаря удаленному формату обучения экономятся время на проезд и финансовые ресурсы, обычно затрачиваемые на оформление командировки. Небольшие группы и качественная связь обеспечивают высокий уровень взаимодействия с высококвалифицированными техническими тренерами.

Начало 2020 года было ознаменовано важнейшим событием: Академия DMG MORI Россия получила лицензию на право оказывать образовательные услуги и выдавать документ установленного образца. Мы предлагаем пройти повышение квалификации и профессиональную переподготовку по рабочим профессиям, входящим в перечень ТОП-50 ФГОС, по специальным ценам; для промышленных предприятий доступна разработка индивидуальных программ повышения квалификации персонала в зависимости от задач производства и уровня имеющихся знаний сотрудников. Лицензия Академии DMG MORI распространяется как на профессиональное обучение, так и на дополнительное профессиональное образование, а само обучение проходит в современном учебном центре Академии DMG MORI Россия в Москве. СПЕЦИАЛЬНОЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ: ИНВЕСТИРУЙТЕ В НУЖНОЕ ВРЕМЯ

Множество компаний успешно преодолевают кризис благодаря своевременным инвестициям в производство. В рамках кампании стимуляции экономики DMG MORI предлагает привлекательные цены на ряд позиций своего продуктового портфеля. Около 750 новых станков, демонстрационных станков и станков, бывших в употреблении, доступно через портал CNC-Scout. Гарантия на станки составляет 18, 12 и 6 месяцев соответственно.

Академия DMG MORI Россия получила лицензию на право оказывать образовательные услуги и выдавать документ установленного образца.

www.ritm-magazine.ru

ООО «ДМГ МОРИ Рус» 125130, г. Москва, Старопетровский проезд, д. 1А. Тел.: +7 (495) 139-74-11. Факс: +7 (495) 139-74-12. info@dmgmori.com, ru.dmgmori.com

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

15

ОБОРУДОВАНИЕ

ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА В АБРАЗИВНЫХ СРЕДАХ В ИЗДЕЛИЯХ МАШИНОСТРОЕНИЯ ИМЕЕТСЯ МНОЖЕСТВО ДЕТАЛЕЙ, ФИНИШНАЯ ОБРАБОТКА КОТОРЫХ ВСЛЕДСТВИЕ СЛОЖНОСТИ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ЯВЛЯЕТСЯ ВЕСЬМА ТРУДОЕМКОЙ. В ПОДОБНЫХ СЛУЧАЯХ ИСПОЛЬЗУЮТ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ПОТОКАМИ АБРАЗИВНЫХ ЧАСТИЦ И СПЕЦИАЛЬНЫМИ СРЕДАМИ, СОДЕРЖАЩИМИ АБРАЗИВНЫЕ ЧАСТИЦЫ.

Методы обработки в абразивных средах можно разделить на несколько основных групп: — Струйная абразивная обработка (САО). Выполняется за счет ударного воздействия абразивных частиц, переносимых высокоскоростной струей жидкости или газа (воздуха).

— Объемная абразивная обработка (ОАО), т. е. обработка в среде хаотично перемещающихся абразивных частиц. Она основана на взаимодействии абразивных частиц с поверхностями детали при их относительном перемещении. Движение абразивных частиц создается потоком воздуха или жидкости, наложением вибраций, центробежными силами и др.

— Экструзионная абразивная обработка (ЭАО). Обработка производится в потоке вязкой абразивной суспензии, прокачиваемой через внутренние полости деталей (экструзионное хонингование) или вспомогательную полость, в которой размещены обрабатываемые детали (экструзионное полирование). СТРУЙНАЯ АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА Для струйной абразивной обработки используется оборудование открытого и камерного типа, с различной степенью автоматизации рабочего процесса. При открытой обработке требуется спецодежда и устройства защиты глаз и дыхательных путей оператора, за исключением автоматической обработки роботами-манипуляторами и устройствами для безпылевой обработки, где требования индивидуальной защиты сводятся к минимуму. Достоинством камерных установок является экологическая чистота, а недостатком ограниченные размеры деталей. Типовая схема камерной установки приведена на рис. 1. Обрабатываемое изделие

Вентилятор

Окно наблюдения

Загрузочное окно Промывочный струйный аппарат

Рукава Рабочий струйный аппарат Вода Насосная станция Слив

Воздух под давлением

Рабочая среда

Рис. 1. Схема камерной установки для струйной абразивной обработки

16

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

Абразивная суспензия подается в рабочий струйный аппарат насосом. Одновременно в него подается сжатый воздух. Образующаяся абразивная струя воздействует на поверхности обрабатываемых деталей. Перемещение детали относительно абразивной струи может выполняться вручную или с использованием специальных приспособлений, обеспечивающих равномерность обработки. Для выполнения ручной обработки или смены детали в приспособлении используются специальные рукава и перчатки. После завершения абразивной обработки может быть выполнена промывка деталей, осуществляемая промывочным струйным аппаратом. Для САО используются следующие виды абразивов и частиц: — Корунд (электрокорунд) используется при подготовке поверхностей к нанесению покрытий, очистке поверхностей от окалины после термической обработки, для финишной обработки с целью снижения шероховатости, очистки заготовок после литья от частиц формовочной смеси, удаления заусенцев, скругления острых кромок, удаления старых металлопокрытий. Обработку производят абразивными частицами размером 12…325 мкм при давлении воздуха 0,1…0,6 МПа. Широко используется при обработке сталей средней и высокой твердости.

— Карбид кремния используется для тех же целей что и электрокорунд. Частицы SiC имеют более выраженные и острые грани. Его целесообразно использовать при обработке деталей из вязких сплавов и титановых сплавов.

— Стальные угловатые частицы твердостью 40…60 HRC размером 10…325 мкм. Используются для очистки от нагара, снятия заусенцев, старой краски, подготовки поверхностей к нанесению покрытий.

— Стальная дробь твердостью 20…60 HRC размерами 8…200 мкм. Применяется для упрочнения поверхностного слоя, удаления окалины, формирования остаточных напряжений сжатия, снижения пористости.

— Угловатые частицы из закаленного стекла размерами 30…400 мкм.

— Стеклянная дробь используется как для процессов очистки, так и поверхностного упрочнения, матирования поверхностей в декоративных целях, снижения пористости.

— Пластиковые гранулы.

— Фруктовые косточки.

— Сухой лед. Струйная обработка сухим льдом позволяет осуществлять очистку деталей от нагара и загрязнений без риска повреждения металлических поверхностей. Обработка производится частицами льда, подаваемыми в высокоскоростную струю воздуха. Такая обработка не требует последующей промывки деталей от частиц абразива, как это имеет место при струйно-абразивной обработке. Очевидно, что производительность и состояние поверхностного слоя после обработки зависят от размеров

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ Таблица 1 Размер зерна абразива, мкм Ra, мкм

10

20

40

63

100

120

160

0,12…0,2

0,16…0,32

0,4…0,7

0,9…1,1

1,3…1,6

2,8…4,

2,8…4,0

(табл. 1) и типа абразивных частиц, их концентрации в суспензии, давления сжатого воздуха, расстояния от среза сопла до обрабатываемой поверхности, времени обработки единицы поверхности и некоторых других факторов, например, поверхностно-активных веществ, добавляемых в суспензию. С увеличением угла атаки до 45° шероховатость поверхности возрастает, а затем практически не изменяется. САО позволяет: — очищать поверхности от окалины, ржавчины, старой краски, покрытий и т. д.; — снизить шероховатость поверхности и придать ей высокие декоративные свойства; — подготовить поверхность к нанесению защитных и лакокрасочных покрытий; — упрочнить поверхностный слой; — удалить заусенцы и скруглить острые кромки деталей. Одним из важных достоинств САО является отсутствие существенного нагрева деталей при обработке. В производстве ГТД процессы САО, в частности, используются: — для подготовки поверхностей пера лопаток компрессора и турбины к нанесению эрозионно-стойких и коррозионно-стойких и жаростойких покрытий; — удаления нагара, алитированного слоя и старых жаростойких покрытий при ремонте лопаток турбины; — полирования лопаток турбины, диффузора и крыльчатки турбостартера, полотна диска компрессора; — скругления радиусов в соединениях типа «Хирт»; — подготовки поверхности пера заготовок лопаток компрессора под вальцевание. ОБЪЕМНАЯ АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА Объемная абразивная обработка в зависимости от характера применяемой рабочей среды представляет собой механический или химико-механический процесс удаления тонких слоев материала и сглаживания микронеровностей частицами рабочей среды, оказывающими ударное воздействие на обрабатываемые поверхности. При ОАО стремятся обеспечить условия, когда частицы контактируют с поверхностью под разными углами в различных направлениях. Желательно также, чтобы интенсивность воздействия и съем металла были равномерными по всем обрабатываемым поверхностям.

В качестве рабочих сред при ОАО используются частицы различной формы и размеров, материал и свойства которых выбираются в зависимости от цели обработки. Считается, что частицы конической формы наиболее благоприятны для обработки деталей с отверстиями, а треугольные — для сглаживания острых кромок. Для сложных деталей, содержащих различные конструктивные элементы, рекомендуется одновременное использование частиц различной формы. Тяжелые и крупные частицы обеспечивают большую производительность, чем легкие и мелкие. При использовании мелких частиц достигается более низкая шероховатость поверхностей. Следует отметить, что низкая шероховатость обрабатываемых поверхностей может быть достигнута и использованием крупных частиц, содержащих или шаржированных мелким абразивом. Керамические частицы (рис. 2) рекомендуется использовать для операций полирования и удаления заусенцев. В наибольшей степени они подходят для обработки деталей из труднообрабатываемых и твердых материалов. Частицы изготавливают из окиси кремния SiO2 и других минералов (в качестве связки) и абразивов. Их формуют и спекают при высоких температурах, получая пористые структуры с высокой твердостью. Некоторые керамические частицы сложной формы (треугольник, звездочка, цилиндр, эллипс и др.) получают экструзией и отрезкой в требуемый размер. Плотность, твердость и структура керамических частиц выбираются в зависимости от конкретных условий обработки. В настоящее время для ОАО широко используют искусственные частицы на основе пластиков, наполненных абразивами, обеспечивающие высокую производительность и качество обработки. Среды из пластиков отличаются широким разнообразием по применяемым материалам и формам частиц, типу, концентрации и размерам абразивных зерен. Эти среды обеспечивают меньший съем материала при более высоком качестве поверхностного слоя. Пластиковые среды рекомендуется использовать для подготовки поверхностей к нанесению покрытий, полирования и скругления острых кромок. Их в основном используют для обработки деталей из сравнительно мягких материалов и материалов средней твердости. При их применении получают гладкие матовые поверхности. Как и в случае с керамическими средами, в закладках обычно используют частицы различной формы. Синтетические среды

Рис. 2. Керамические и пластиковые частицы различной формы www.ritm-magazine.ru

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

17

ОБОРУДОВАНИЕ

Рис. 3. Стальные частицы, используемые для поверхностного упрочнения

обеспечивают высокую скорость удаления материала и обладают высоким сопротивлением износу. Для поверхностного упрочнения используют стальную дробь (рис. 3). При упрочнении мягких материалов, например алюминиевых сплавов, нашли применение среды из пластиковых шариков. Обработка может выполняться сухими средами или средами, содержащими воду или масло. Добавки жидко-

стей способствуют снижению температуры и вымыванию продуктов разрушения, кроме того, они могут обеспечить повышение производительности обработки за счет снижения или устранения засаливания частиц среды. При использовании воды в нее добавляют ингибиторы коррозии. Для объемной абразивной обработки наиболее широко применяются следующие методы: — центробежная абразивная обработка; — дисковая абразивная обработка; — вибрационная абразивная обработка; — ротационная и планетарно-ротационная обработка — турбоабразивная обработка (в псевдокипящей среде). Эти методы отличаются способом обеспечения движения частиц рабочей среды. Особенности и сфера применения ОАО приведены в табл. 2. При центробежной абразивной обработке перемещение частиц среды достигается действием центробежных сил. Принцип работы барабанной центрифуги показан Таблица 2

Метод

Принцип работы

Преимущества

Недостатки

Сфера применения

Дисковая центрифуга

Вращающийся диск закручивает рабочую среду в специальной камере; частицы среды бомбардируют поверхности деталей.

Простота автоматизации, широкая номенклатура используемых сред, высокая производительность.

Потенциальная опасность столкновения деталей друг с другом, некоторые ограничения в применяемых рабочих средах, не могут обрабатываться тонкостенные детали, толщиной менее 0,3 мм, нельзя обрабатывать большие, тяжелые детали.

Мелкие детали, для которых столкновения в процессе обработки маловероятны или допускаются техническими требованиями, мелкие штамповки и отливки.

Барабанная центрифуга

Закрытые барабаны с загруженными деталями и рабочей средой вращаются вокруг своих осей и относительно центрального вала с одинаковыми частотами.

Высокая гибкость, возможность использования как для грубых операций удаления заусенцев, так и чистовой отделочной обработки. Использование специальных приспособлений позволяет устранить контакты обрабатываемых деталей.

Трудоемкая загрузка и выгрузка деталей, сложность контроля процесса, затруднена автоматизация. Нельзя обрабатывать большие, тяжелые детали.

Мелкие и средние по размерам детали, на которых требуется удалить заусенцы, отливки, штамповки, требующие равномерного удаления материала с поверхностей с относительно низкими требованиями к шероховатости.

Вибрационная абразивная обработка

Детали находятся в вибрирующем контейнере с абразивной средой.

Упрощена загрузка и выгрузка деталей, широкая сфера применения от удаления заусенцев до полирования.

Нельзя обрабатывать большие, тяжелые детали.

Мелкие и средние по размерам детали, отливки, штамповки.

Ротационный метод

Детали, размещенные на шпинделях, вращаются в рабочей среде.

Отсутствует контакт деталей Необходимы специальные между собой и стенками приспособления для креплекорпуса, достигается чрезвы- ния деталей. чайно низкая шероховатость поверхности, можно выборочно обрабатывать отдельные поверхности сложных по форме деталей.

Детали средних размеров и сложной формы, требующие отделочной или упрочняющей обработки, отливки, штамповки.

Планетарный ротационный метод

Детали, размещенные на шпинделях, вращаются в рабочей среде, находящейся во вращающейся кювете.

Отсутствует контакт деталей между собой и стенками корпуса, достигается низкая шероховатость поверхности, можно выборочно обрабатывать отдельные поверхности сложных по форме деталей.

Необходимы специальные приспособления для крепления деталей.

Средние и крупные детали, требующие отделочной или упрочняющей обработки.

Турбоабразивный метод

Вращающиеся детали подвергаются воздействию абразивной псевдоожиженной среды.

Достигается низкая шероховатость, наводятся остаточные напряжения сжатия, возможна обработка деталей с труднодоступными поверхностями.

Необходимы специальные приспособления для крепления деталей.

Средние и крупные детали, требующие отделочной упрочняющей обработки (диски компрессоров, моноколеса и др.).

18

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

Барабан Крестовина Рабочая среда

Обрабатываемые детали

Рис. 4. Схема центробежной абразивной обработки и установка для центробежной абразивной обработки

Рис. 6. Установка для виброабразивной обработки

а)

а)

б)

в) Рис. 5. Схема установки для дисковой абразивной обработки (а), установка дискового типа компании Otec (б) и эффект торнадо (в)

Рис. 7. Схема установки для планетарно-ротационной гидроабразивной обработки: 1 — обрабатываемая деталь; 2 — гидроцилиндр; 3 — шток; 4 — шпиндельный узел; 5 — подача воды с химическими компонентами; 6 — абразивная среда; 7 — кювета; 8 — пульт управления; 9 — привод вращения кюветы

www.ritm-magazine.ru

на рис. 4. На вращающейся крестовине устанавливаются барабаны, заполняемые абразивной средой и обрабатываемыми деталями. При вращении крестовины одновременно с той же частотой, но в противоположном направлении вращаются барабаны. Иногда используется реверсирование направления вращения. В последнее десятилетие этот метод получил широкое применение для удаления заусенцев и полирования широкой номенклатуры деталей. Управление процессом осуществляется регулированием частоты вращения, изменением состава абразивной среды и степенью заполнения барабанов абразивной средой и деталями. Соотношение объемов среды и деталей выбирается исходя из соображений уменьшения вероятности контактирования соседних деталей при обработке, что может привести к их царапанию. При малых значениях этого соотношения, например 1:1, вероятность контактов деталей выше, кроме того, ухудшаются условия перемещения частиц среды, особенно крупных. Оптимальной величиной соотношения объемов среды и деталей является 3:1…4:1. Работа дисковой центрифуги (рис. 5) основана на перемешивании абразивной среды вращающимся диском относительно неподвижного корпуса. Во избежание царапания деталей поверхности стенок диска и корпуса покрывают полиуретаном. При вращении диска абразивная среда закручивается. Возникает так называемый эффект торнадо, увеличивающий проникающую способность абразивной среды, что обеспечивает возможность обработки труднодоступных участков поверхностей де талей. Одной из перспективных схем является вибрационная абразивная обработка (рис. 6). В процессе обработки рабочая камера совершает гармонические (или близкие к ним) колебания, а ее точки движутся по траекториям в виде окружности или эллипса. Частота колебаний составляет 15…50 Гц при амплитудах 0,5…9 мм. Вибрация рабочей камеры по круговой или эллиптической траектории при соответствующей форме днища рабочей камеры вызывает циркуляционное движение рабочей среды и колебания отдельных ее частиц. Детали в процессе вибраций вместе со средой перемещаются по спирали от загрузочной до разгрузочной позиции. Детали запускают на обработку по очереди, что устраняет их контактирование друг с другом. Некоторые установки для виброабразивной обработки имеют несколько спиральных каналов, что позволяет одновременно выполнять обработку в различных рабочих средах. Под действием вибраций возникают переменные ускорения частиц, которые оказывают динамическое воздействие на поверхность в № 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

19

ОБОРУДОВАНИЕ Рис. 9. Детали ГТД, полированные планетарно-ротационной обработкой

Рис. 8. Установки для планетарно-ротационной обработки

виде множества микроударов. Действие вибрации, передаваемое рабочей среде и обрабатываемым деталям, в наибольшей мере проявляется у стенок рабочей камеры и гасится по мере удаления от них. Планетарный ротационный метод. Детали, размещенные на шпинделях, вращаются в рабочей среде, находящейся во вращающейся кювете (рис. 7, 8). Его главным достоинством является возможность обработки сравнительно крупных деталей. На рис. 9 показаны детали, полированные этим методом. Турбоабразивная обработка (ТАО) изобретена в России. Обработка производится сухими рабочими средами. Используются частицы среды одного размера или веса. Размеры и вид частиц выбираются в зависимости от требуемой шероховатости поверхности. Базовая схема ТАО приведена на рис. 10. ТАО основана на использовании псевдоожиженной рабочей среды, в которой вращается обрабатываемое изделие. Псевдоожижение — операция, при которой твердые частицы приходят в состояние, подобное жидкому, вследствие контакта с газом или жидкостью. При ТАО псевдоожижение производится воздушным потоком в специальной камере. Размер абразивных частиц обычно составляет 300…600 мкм. Критическое значение скорости воздушного потока υвп кр, необходимое для взвешивания частиц сферической формы, может быть оценено по следующей формуле: Reкр vв υвп кр = , d где Reкр — критическое значение критерия Рейнольдса, необходимое для суспензирования среды; vв — кинематическая вязкость воздуха; d — средний размер частиц. Критическое значение критерия Рейнольдса рассчитывается по формуле: Ar

Reкр =

1400 + 5,22 Ar где Ar — критерий Архимеда Аr =

g d3 ρaч ρв vв

ρв

,

Поток воздуха увеличивает объем, занимаемый абразивными частицами, которые начинают импульсивно двигаться главным образом в вертикальном направлении. Приподнятые потоком воздуха частицы вращаются и, как следствие, перемещаются в направлении, перпендикулярном потоку воздуха, под действием так называемых трансверсионных сил Магнуса Fm: Fm = ρв d3ωV, где ω — угловая скорость абразивной частицы;

Рис. 10. Базовая схема ТАО, установка TF-522 для турбоабразивной обработки и диск турбины после ТАО: 1 — обрабатываемая деталь; 2 — поток воздуха; 3 — абразивная среда

;

здесь g — ускорение свободного падения; ρaч, ρв — плотность абразивных частиц и воздуха соответственно.

20

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ V=

Vв ε

Таблица 3

;

ε — величина объема между абразивными частицами, которая является одной из основных характеристик псевдоожиженной среды. ε = 1 – , где  — объемная концентрация твердых частиц в псевдоожиженной среде. Для псевдоожиженной среды 0,35 <  < 0,6; 0,4 < ε < 0,7. Трансверсионные силы и столкновение частиц являются источником их хаотического движения в псевдоожиженной среде. Взвешенные абразивные частицы проникают к труднодоступным участкам деталей, что улучшает процесс финишной обработки. Скорость вращения детали в псевдоожиженной среде составляет 20…30 м/мин. Число ударов абразивных частиц, приходящихся на 1 квадратный миллиметр поверхности в секунду, достигает 200…500. ТАО имеет одну из наиболее высоких скоростей удаления материала среди применяемого для финишной обработки оборудования. При обработке сталей и титановых сплавов она составляет 2…5 мкм/мин. В зависимости от материала, размеров детали, технологических режимов и зернистости абразивной среды время обработки составляет 3…20 мин. Шероховатость поверхности после турбоабразивной обработки зависит от зернистости (табл. 3) и вида абразива. При обработке никелевых и титановых сплавов она снижается на 30…50% Эта технология имеет несколько значительных преимуществ по сравнению с другими способами абразивной финишной обработки. Основными из них являются: — низкие затраты энергии; — малое время обработки; — простота и минимальные требования к процессу; — сочетание высокой скорости удаления материала с улучшением физико-механических свойств поверхностного слоя (формирование остаточных напряжений сжатия, низкая шероховатость). ТАО используют для финишной обработки таких деталей, как диски турбины и компрессора, турбинные и компрессорные лопатки, зубчатые колеса, моноколеса и крыльчатки. ЭКСТРУЗИОННАЯ АБРАЗИВНАЯ ОБРАБОТКА Экструзионная абразивная обработка производится средой вязко-эластичного полимера с особыми реологическими свойствами, наполненного абразивными частицами. Одновременно достигается удаление заусенцев, скругление острых кромок и полирование ответственных поверхностей деталей. Можно выделить следующие методы экструзионной абразивной обработки: — экструзионное хонингование; — экструзионная обработка наружных поверхностей; — орбитальная экструзионная абразивная обработка. Экструзионная абразивная обработка была запатентована в 1960 г. Первоначально она использовалась для удаления заусенцев в труднодоступных местах деталей (кромки отверстий, выходящих во внутренние полости и др.), однако уже через несколько лет получила применение для многих других целей, в частности: — снижение шероховатости и удаление дефектного слоя с рабочих поверхностей лопаток компрессора и тур-

www.ritm-magazine.ru

Размер абразивных частиц, мкм

Шероховатость поверхности, Ra, мкм

500

0,6…1,0

400

0,4…0,6

300

0,2…0,3

бины после литья, фрезерования, электрохимической и электроэрозионной обработки; — отделочная обработка отверстий малого диаметра, пазов, щелей, поверхностей внутренней полости охлаждаемых лопаток турбины; — скругление кромок у отверстий. Обычно обработка деталей производится реверсируемым потоком среды по схеме, приведенной на рис. 11. Два вертикально расположенных цилиндра обеспечивают перемещение абразивной смеси вверх и вниз через полость детали, причем наибольшему абразивному воздействию подвергаются ее выступающие элементы. В некоторых случаях целесообразно использовать обработку однонаправленным потоком абразива (рис. 12). Схема с однонаправленным потоком абразивной среды является более гибкой. Упрощаются действия по замене абразивной среды, снятию и установке детали, что увеличивает производительность и снижает трудоемкость процесса. На качество ЭАО оказывают влияние следующие основные факторы и параметры: — давление экструзии; — скорость и характер перемещения рабочей среды относительно обрабатываемой поверхности; — тип и размеры абразивных частиц; — состав, консистенция и свойства рабочей среды; — механические свойства обрабатываемого материала; — конструктивные особенности и форма обрабатываемой детали и рабочей полости. Прокачка абразивной смеси выполняется под давлением 3…12 МПа. Скорость перемещения частиц рабочей среды может быть определена по формуле:

Рис. 11. Схема экструзионного хонингования: 1 — обрабатываемая заготовка; 2 — вязкоэластичная абразивная среда; 3 — нижний цилиндр; 4 — масло от гидросистемы; 5 — подача абразивной среды; 6 — устройство подъема верхнего цилиндра; 7 — верхний цилиндр

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

21

ОБОРУДОВАНИЕ Рис. 13. Схема орбитальной экструзионной обработки: 1 — заготовка; 2 — вязко-эластичная абразивная среда; 3 — приспособление, определяющее величину зазора; 4 — орбитальное движение заготовки

Рис. 12. Схема экструзионной абразивной обработки внутренней полости охлаждаемой лопатки турбины: 1 — лопатка турбины; 2 — вязко-эластичная абразивная среда; 3 — обратный клапан; 4 — выход абразивной среды в бак

Таблица 4

v=

 D 2L n 2000 S

Твердость среды

Особо мягкая

Весьма мягкая

Мягкая

Средней твердости

Твердая

Особо твердая

Диаметр отверстия, (зазор)

0,4…3,0

0,8…6,0

2…12

3…25

6…60

20…70

,

где D — диаметр цилиндра, нагнетающего рабочую среду; L — величина хода поршней; n — частота циклов (двойных ходов поршня). При обработке отверстия диаметром d величина скорости определяется формулой: v=

2 D 2L n 1000 d 2

,

Эффективность процесса определяется также вязкостью абразивной среды. От последней зависит жесткость контакта абразивных частиц с обрабатываемой поверхностью. В качестве основы среды часто используют синтетический каучук, наполненный в различных пропорциях абразивными частицами (электрокорунд, карбид кремния, карбид бора или алмаз). Вязкость среды выбирается исходя из конкретных условий обработки. При экструзионном хонинговании отверстий малого диаметра используют среды с малой вязкостью, а для деталей с большим проходным сечением — большой. По вязкости (твердости) среды подразделяют на 6 групп. Твердость среды назначается в зависимости от диаметра обрабатываемого отверстия или величины зазора, через который прокачивается среда (таблица 4). Стойкость рабочей среды составляет несколько десятков часов непрерывной работы. Она не должна шаржировать обрабатываемые поверхности. Обрабатываемую деталь устанавливают в приспособление, которое может быть оснащено специальными вставками, обеспечивающими заданный зазор для прохождения пасты с необходимой скоростью и по заданной траектории.

22

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

Количество двойных ходов поршней при обработке одной детали составляет от 4 до 30, а время обработки — 0,2…5 мин. В многоместных приспособлениях могут одновременно обрабатываться несколько деталей. Поскольку при непрерывной работе абразивная паста может нагреваться и терять технологические свойства, промышленные установки оснащают системами охлаждения. При орбитальной экструзионной абразивной обработке деталям задается орбитальное движение в потоке абразивной среды (рис. 13). Орбитальное полирование используется для финишной обработки разнообразных по форме и размерам деталей после литья, штамповки, механической, электроэрозионной и электрохимической обработки. Характер и величину съема можно изменять применением специальных приспособлений, изменяющих величину проходного сечения. Для выбора оптимальных режимов обработки в частности используется метод акустоэмиссии, основанный на существовании корреляционной связи уровня сигнала акустоэмиссии Iаэ с величиной удаляемого при обработке материала и частотными характеристиками сигнала, позволяющими судить о процессах протекающих в зоне обработки: Iаэ = (C S v) 1/2, где С — константа, зависящая от условий обработки, обрабатываемого материала и абразивной среды; v — скорость частиц среды (м/сек); S — площадь сечения, через которое экструдируется среда (см2). В частности, отношение высоких и низких частот акустоэмиссии fв / fн является малым в начале процесса (при высокой шероховатости обрабатываемых поверхностей) и увеличивается по мере снижения шероховатости.

Рис. 14. Установки для экструзионной абразивной обработки

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

а)

Рис. 16. Детали после экструзионной абразивной обработки

б)

в)

Рис. 17. Экструзионная обработка сложных каналов

Рис. 15. Иллюстрация эффективности экструзионной абразивной обработки: а) удаление заусенца на выходе отверстия; б) удаление заусенцев и отделка зубчатого венца; в) поверхности лопаток моноколеса

Установки для экструзионной обработки показаны на рис. 14. Экструзионная абразивная обработка может использоваться в качестве финишной операции для широкой номенклатуры деталей. Одновременно экономично и эффективно может обрабатываться несколько деталей или поверхностей, в том числе наружных и внутренних. Автоматизированнные системы экструзионной абразивной обработки позволяют обрабатывать несколько тысяч деталей за смену с высокой повторяемостью и предсказуемостью результата. Рис. 15, 16, 17 иллюстрируют эффективность экструзионной обработки деталей. Одним из недостатков экструзионной абразивной обработки является трудоемкость работы с вязко-эластичными абразивными средами, связанная с необходимостью их удаления из сложнопрофильных каналов после завершения обработки. Для его устранения разрабатываются схемы, основанные на применении магнитнореологических сред, теряющих высокую вязкость при снятии магнитного поля. Базовая схема такой обработки приведена на рис. 18. Экструзионная абразивная обработка начинает широко применяться для полирования пера лопаток, обработки проточной части моноколес компрессора, импеллеров (рис. 19), отверстий малого диаметра для снижения гидравлического сопротивления в форсунках и деталях командно-топливной аппаратуры. Процессы обработки воздействием абразивных сред развиваются в самых различных направлениях, имеющих целью повышение производительности и качества обработки, снижение трудоемкости и стоимости. Основными из них являются: создание и совершенствование технологического оборудования, применение новых абразивных сред, использование дополнительного воздействия (наложение ультразвуковых колебаний, химическое и электрохимическое воздействие на обрабатываемую поверхность, введение поверхностно-активных веществ и др.), отработка рациональных схем и режимов обработки. Алексей Георгиевич Бойцов

www.ritm-magazine.ru

Цепи CIP

Движение рабочей среды

Абразивные частицы

Северный полюс

Южный полюс

Обрабатываемая поверхность Электромагнит Рис. 18. Базовая схема экструзионной абразивной обработки с применением магнитно-реологических сред

Верхняя плата

Деталь

Профильная проставка

Стол

Нижняя Рис. 19. Схема обработки лопаток импеллера

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

23

ОБОРУДОВАНИЕ

НОВОСТИ РОБОТОТЕХНИКИ Внимание к роботизации постоянно растет, несмотря на некоторый спад на рынке робототехники, отмеченный в 2019 г., и трудности, которые наложило в этом году на всю мировую экономику распространение коронавирусной инфекции и введение карантинных мер. Многочисленные сообщения о новинках от производителей и интеграторов роботизированных решений, опубликованные результаты статистических опросов потенциальных пользователей, онлайн-конференции, организованные в России с участием Национальной ассоциации участников рынка робототехники НАУР, и даже новые условия господдержки на внедрение роботов — все это, несомненно, нацелено на развитие отрасли. Данной новостной подборкой хочется показать тенденции на рынке робототехники и подчеркнуть активную работу всех его участников, демонстрирующих разработки, сервисы и успешные проекты в различных отраслях. ВО ИМЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ И КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ Компании по всему миру расширяют использование промышленных роботов. По данным, приведенным на сайте Международной ассоциации робототехники IFR, за пять лет глобальные операционные запасы выросли примерно на 65% до 2,4 млн единиц (2013—2018 гг.). За тот же период времени Бюро статистики труда США сообщило о их положительном влиянии на рынок труда: занятость в автомобильной промышленности — крупнейшем рынке роботов — увеличилась на 22% с 824 400 до 1 005 000 рабочих мест (2013—2018). «Влияние автоматизации на занятость ничем не отличается от предыдущих волн технологических изменений, — считает Милтон Герри, президент Международной федерации робототехники. — Повышение производительности и конкурентные преимущества автоматизации не заменяют рабочие места — они автоматизируют задачи и создают новые рабочие места». Ожидается, что к 2022 году на заводах по всему миру будет работать почти 4 миллиона промышленных роботов. Эти роботы будут играть жизненно важную роль в автоматизации производства, чтобы ускорить экономику после последствий эпидемии. Исследования Организации экономического сотрудничества и развития OECD показывают, что компании, которые эффективно используют роботизированные технологии, в десять раз более продуктивны, чем те, которые этого не делают. Чтобы вооружить сотрудников навыками межличностного общения и техническими знаниями, необходимыми в экономике после COVID-19, требуется тесное сотрудничество между промышленностью, правительством и образовательными учреждениями. https://ifr.org

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ Международная федерация робототехники IFR выделяет следующие главные тенденции в роботизации. Роботы становятся умнее. Программирование и установка роботов стали намного проще. Цифровые датчики в сочетании с интеллектуальным программным обеспечением позволяют использовать прямые методы обучения, так называемое «демонстрационное программирование». В будущем инструменты машинного обучения 24

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

позволят роботам учиться методом проб и ошибок или с помощью видеодемонстрации и самостоятельно оптимизировать свои движения. Сотрудничество человека и робота — еще одно важное направление в робототехнике. Обладая способностью работать в тандеме с людьми, современные робототехнические системы способны адаптироваться к быстро меняющейся среде. В настоящее время наиболее распространены приложения с общим рабочим пространством. Робот и рабочий работают вместе, последовательно выполняя задания. Приложения, в которых человек и робот работают одновременно над одной и той же частью, еще более сложны. Исследования и разработки (НИОКР) сосредоточены на методах, позволяющих роботам реагировать в режиме реального времени. Эти решения включают голос, жест и распознавание намерения от человеческого движения. Благодаря современным технологиям сотрудничество человека и робота уже имеет огромный потенциал для компаний всех размеров и секторов. Роботы становятся цифровыми. Промышленные роботы — центральные компоненты цифрового и сетевого производства, используемого в Индустрии 4.0. Это делает для них еще более важным иметь возможность общаться друг с другом — независимо от производителя. Так называемая спецификация OPC Robotics Companion Specification, которая была разработана совместной рабочей группой VDMA и Open Platform Communications Foundation (OPC), определяет стандартный универсальный интерфейс для промышленных роботов и позволяет промышленным роботам подключаться к промышленному интернету вещей (IIoT). Цифровая связь роботов, например, с помощью облачной технологии, также способствует появлению новых бизнес-моделей: например, аренда роботов, называемая «Роботы как услуга», имеет преимущества, которые могут быть особенно привлекательными для малых и средних предприятий (МСП): нет обязательного капитала, постоянных затрат. Согласно публикации в журнале Innovation & Tech Today, к тенденциям развития робототехники помимо внедрения искусственного интеллекта в производстве и работы с облачными технологиями также относятся появление индивидуальных роботов (интегрированных с оборудованием и программным обеспечением конкретного заказчика), все большее применение роботов для оптимизации логистики, развитие технологий самовосстановления, которые позволят роботам ремонтировать себя, а также рост новых внедрений и компаний пользователей по мере увеличения ценовой доступности роботов. Если же говорить о развитии рынка робототехники, то по результатам опроса агентства TAdviser ряда зарубежных производителей промышленных роботов и отечественных интеграторов по итогам 2019 г. к ним относятся: движение в сторону комплексных проектов и решений, выход производителей промышленных роботов на смежные рынки (например, мобильной робототехники, сервисных роботов), увеличение числа проектов по модернизации действующих робототехнических комплексов, наращивание компетенций интеграторами, кастомизированное производство, образовательные инициативы производителей и интеграторов. https://ifr.org/, https://innotechtoday.com/, www.tadviser.ru

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ НОВОСТИ И НОВИНКИ Представленные новинки от ведущих производителей роботов и исследовательские работы в сфере робототехники ярко демонстрируют направления и тенденции развития.

В десять раз быстрее Новая роботизированная ячейка ABB для трехмерного контроля качества (3DQI) способна обнаружить дефекты тоньше человеческого волоса, незаметные невооруженным глазом. Ячейка значительно ускоряет производство, проводя быстрое и точное тестирование и делая метрологию проще и быстрее. Ключевые преимущества ячейки 3DQI — комбинированная скорость, точность до 100 микрометров и гибкость за счет модульной конструкции. Используя один трехмерный оптический датчик белого света для сканирования миллионов 3D-точек за кадр, можно создать подробную цифровую модель тестируемой детали и сравнить ее с исходным чертежом САПР. Это происходит в 10 раз быстрее, чем в случае применения традиционных координатно-измерительных машин.

он может работать в обычной химической лаборатории, при этом функционируя 21 час 30 минут в сутки (остальное время требуется на его зарядку) и проводя опыты в тысячу раз быстрее, чем человек. Кроме того, важно, что роботы могут проводить опыты с высокотоксичными веществами, опасными для человека. www.kommersant.ru/

Датчик может быть использован с любым роботом грузоподъемностью более 20 кг и совместим с рядом роботов и поворотных столов, поэтому ограничений по размерам проверяемых деталей не существует. Решение также обеспечивает комплексный анализ данных, обрабатываемых в режиме реального времени. https://new.abb.com/

Робот-химик Группа ученых из Ливерпульского университета создала робота, который может проводить опыты в химической лаборатории и анализировать данные во много раз быстрее человека. Исследование, посвященное этой разработке, было опубликовано в журнале Nature. Благодаря технологиям машинного обучения робот совершенствуется, проводя различные опыты. В общей сложности робот может проводить 98 млн разных опытов, самостоятельно выбирая, какой именно опыт нужно провести в том или ином случае. Как сообщают ученые, робот-химик уже совершил первое открытие — в течение восьми дней он провел 688 опытов и создал полимерный фотокатализатор, который действует в шесть раз быстрее, чем уже существующие. Так как робот оснащен конечностью, сходной по функциям с человеческой рукой,

Очень точные коботы Корпорация Mitsubishi Electric объявила о выпуске новой серии коллаборативных роботов MELFA ASSISTA (коботов), способных выполнять сложные и деликатные задачи по сборке и высокоточному захвату, циклические операции типа «взять и положить» с высочайшим уровнем согласованности и надежности. Коботы MELFA ASSISTA обладают исключительно высокой точностью повторения ± 0,03 мм (обычно точность составляет ± 0,1 мм) при номинальной грузоподъемности 5 кг и радиусе действия 910 мм. Это обеспечивает более высокие общие стандарты качества и ведет к уменьшению накладных расходов на контроль. Настройка возможна как при прямом обучении, когда пользователь перемещает руку кобота в требуемое положение и сохраняет его, так и при визуальном программировании — пакет RT Visualbox позволяет создавать программу, состоящую из блоков движения методом drag-and-drop, а также производить индивидуальные настройки для каждого движения. Еще одним преимуществом MELFA ASSISTA является возможность переключения между режимом совместной работы и режимом с более высокой скоростью для использования в промышленной среде. Это обеспечивает максимальную гибкость применения и наилучшую окупаемость инвестиций. Диагностика неисправностей и рабочее состояние отображаются посредством 6-цветного светодиодного кольцевого индикатора, расположенного вокруг предплечья робота, в зоне постоянной видимости. https://ru.mitsubishielectric.com/ru

www.ritm-magazine.ru

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

25

ОБОРУДОВАНИЕ Техническое зрение для роботов Ведущий производитель робототехники Fanuc America на выставке Modex 2020 представил новый датчик технического зрения 3DV/1600. С его помощью высокоскоростной 6-осевой робот M-710iC/45M с грузоподъемностью 45 килограмм и досягаемостью 2606 миллиметров смог быстро находить и захватывать упаковки разных размеров и формы в большом контейнере и перемещать их в другой контейнер. После опустошения первого контейнера он переходил к следующему, и цикл повторялся.

STANDROID — это отдельно стоящая роботизированная рука, предназначенная для взаимодействия со станками Okuma. Она хорошо подходит для операций с низкими/средними объемами выпускаемой продукции.

ARMROID — встроенный робот, упакованный в станке. Функциональность ARMROID включает в себя загрузку и разгрузку деталей, подавление вибрации, удаление стружки и чистку рабочего пространства, что обеспечивает постоянную работу станка с максимальной эффективностью. Робот и станок с обоих случаях управляются с единой панели управления. www.okuma.com/

Перспективное решение Компания Qualcomm Technologies, Inc., представила платформу Qualcomm® Robotics RB5 — свое самое передовое интегрированное комплексное решение, разработанное специально для робототехники. Объединяя достижения в области 5G и искусственного интеллекта (ИИ), разработка предоставляет производителям и разработчикам возможность создавать энергоэффективные роботы и дроны следующего поколения с большой вычислительной мощностью.

Фото: FANUC America Corporation

3DV/1600 имеет малый вес и работает как стационарная или монтируемая роботизированная 3D-камера. Он может быстро снимать 3D-изображения на расстоянии от 2 метров с максимальным полем зрения 2700 мм2, что идеально подходит для захвата упаковок или отслеживания траектории движения крупных деталей. http://robotforum.ru/

Роботы, к станку!

Okuma America Corporation объявила о выпуске новой линейки роботов в дополнение к обширному ассортименту металлорежущих станков с ЧПУ. Новая серия ROID (Robotic Intelligent Design) была разработана в ответ на потребность рынка в простых и надежных робототехнических изделиях для оптимизации операций обработки. Она включает в себя два совершенно новых продукта — ARMROID и STANDROID.

Полнофункциональный комплект разработки Qualcomm Robotics RB5 Development Kit легко адаптируется и прост в использовании. Разработчикам предоставлены гибкие возможности программирования: платформа поддерживает Linux, Ubuntu и Robot Operating System (ROS) 2.0, а также штатные драйверы для различных камер, сенсоров и 5G-связи. Предусмотрена поддержка OpenCL, OpenGLES и OpenCV. Для максимально эффективного определения глубины в комплект включена поддержка камер Intel® RealSense™ Depth Camera D435i и Panasonic TOF Camera. Ожидается, что коммерческие продукты на базе платформы Qualcomm Robotics RB5 появятся в 2020 г. www.robogeek.ru/

ARMROID

26

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

Новая линейка Компания KUKA пополнила ряд своих промышленных роботов новой линейкой KR Iontec грузоподъемностью от 30 до 70 килограммов и досягаемостью от 2100 до 2500 миллиметров. Это гибкие роботы, которые имеют компактный оптимизированный дизайн с самой большой рабочей зоной в своем классе. Модели оборудованы водонепроницаемыwww.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ дание, а затем принять другую форму для выполнения совершенно другой работы. Микроботы способны выполнять самые различные задачи: от очистки воды от бактерий до доставки лекарств и расчистки артерий в человеческом организме. Следующий шаг — это разработка версии устройств с бортовыми аккумуляторами и микроконтроллерами, чтобы избавиться от кабельного подключения. www.robogeek.ru

ми и пыленепроницаемыми запястьями и защищенными двигателями, что делает их подходящими практически для любой области применения. Роботы могут быть задействованы в литейном производстве и работать в очень жарких условиях с расширенным диапазоном температур от 0 до 55°C. Среди прочих преимуществ: • Экономичность, а именно: низкое энергопотребление, низкие эксплуатационные расходы и отсутствие необходимости частого технического обслуживания.

• Максимальная гибкость в плане положения при установке и изменяемой грузоподъемности. Манипуляторы можно размещать на полу, на стене или под наклоном.

• Максимальная готовность к эксплуатации: техническая готовность манипуляторов составляет 99,999%, а среднее время наработки на отказ составляет 400 000 часов.

Ford «нанял» роботов-собак Ford собирается использовать двух собакоподобных роботов Spot, арендованных у компании Boston Dynamics, для обновления плана одного из объектов по производству трансмиссий. С момента запуска в эксплуатацию заводы Ford претерпели множество изменений, и сейчас сложно понять, соответствуют ли первоначальные планы реальному положению дел.

http://robotforum.ru

Микроботы в стиле оригами Исследователи робототехники часто обращаются к искусству оригами в поисках вдохновения. Например, ученые из Мичиганского университета сейчас применяют этот подход для производства «первых в своем роде машин, которые могут для решения различных задач принимать разные формы при нагреве». Команда описывает свои новые творения как микроботов, т. к. размер устройств составляет не более сантиметра. Они включают в себя полимерную пластинку, сложенную в нескольких местах и покрытую слоем золота, выступающего в качестве актуатора. Робот с помощью кабеля подсоединяется к источнику питания и микроконтроллеру и при получении электрического тока принимает определенную форму в зависимости от температуры материала в конкретной складке пластинки. Этот метод управления позволяет микроботам сформировать определенную форму, выполнить соответствующее за-

www.ritm-magazine.ru

Робопсы оснащены пятью камерами и лазерными сканерами и могут работать до двух часов без подзарядки, перемещаясь со скоростью около 3 миль в час (4,8 км/ч). Собранные данные позволят создать высокодетализированные и точные карты, которые инженеры Ford смогут затем использовать для модернизации и переоснащения объекта. Как полагают в компании, роботы позволят значительно ускорить процесс составления планов завода, так как не надо будет тратить время на установку лазерных сканеров в его разных точках для замеров. К тому же благодаря небольшим размерам роботов с их помощью можно произвести съемку участков завода, которые недоступны для людей. https://3dnews.ru/

На основе здравого смысла Группой из Университета Карнеги — Меллона в США и отделом исследования искусственного интеллекта Facebook (FAIR) на конкурсе Habitat ObjectNav Challenge была представлена система навигации роботов SemExp, основанная на здравом смысле. Она использует машинное обучение, чтобы робот мог различать объекты и предполагать, в какой части помещения они, скорее всего, находятся. Это позволяет ему стратегически мыслить и выбирать наилучшие варианты. Например, робот, путешествующий из точки А в точку Б, более эффективен, если он понимает, что первая — это диван в гостиной, а вторая — холодильник, даже если он находится в № 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

27

ОБОРУДОВАНИЕ ферийные устройства. И что самое лучшее, маленький робот оснащен новейшей технологией управления KR C5 micro от KUKA с инновационным программным обеспечением KSS8.7, с помощью которого можно контролировать и решать задачи еще более эффективно. www.kuka.com

незнакомом месте, и оценивает, где точка Б может быть. Т.е., используя модульный подход, в процессе обучения машины можно сосредоточиться сначала на планировке помещения, ее связи с объектами, связи объектов друг с другом, а не на формировании маршрутов и составлении полной карты пространства, как это происходит в традиционных навигационных системах. Благодаря определенному типу мышления робот строит разные стратегии поиска нужного предмета и, выбирая лучшую, добирается до цели максимально быстро. https://naked-science.ru/

Компактная мощность Новый робот KR 4 AGILUS от компании KUKA метит в лидеры среди компактной робототехники. Его грузоподъемность — 4 кг, радиус действия — 600 мм (рабочая зона была расширена почти на 40%). Робот идеально вписывается в производственную среду с ограниченным пространством, может быть установлен в любом положении: на полу, стене или потолке, под любым углом. При максимальной погрешности 0,02 мм за одну рабочую операцию и длительности цикла менее 0,4 секунды (при коротком вспомогательном цикле) он по праву занимает ведущие позиции. Обладая степенью защиты IP40, модель выдерживает температуры от 0 до 55 градусов. Она защищена от неконтролируемого электростатического заряда и разряда. Требует минимальных затрат на техническое обслуживание. Благодаря разнообразию интерфейсов к KR 4 AGILUS можно подключать многочисленные пери-

28

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

НУЖНЫ ЛИ РОБОТЫ? Согласно исследованиям, все больше людей в мире начинает задумываться о робототехнике. В преддверии выставки автоматизации и робототехники Automatica, которая состоится в Мюнхене с 8 по 11 декабря, Институтом исследования рынка в Германии был проведен опрос среди 100 лидеров и 100 сотрудников в различных отраслях. Это машиностроение (37%), автомобильная промышленность (22%), электротехническая промышленность (14%), пищевая промышленность (9%) и другие (18%). Опрос показал следующее: 84% ожидают рост роботизации среди немецких компаний–представителей МСП (малое и среднее предпринимательство); 77% полагаются на мобильную робототехнику для быстрого преобразования производства; 76% сотрудников малых и средних предприятий хотят обучиться работе с технологическими решениями. Аргументами в пользу внедрения в производство робототехники послужили: возможность освободить сотрудников от выполнения опасных задач, быстро перенастроить производство на новые операции, а также снижение производственных затрат. По оценкам специалистов, лидеры различных отраслей промышленности рассматривают вопрос использования робототехники на своих предприятиях скорее в категории «когда», нежели «будет ли». Согласно другому исследованию от Honeywell Intelligrated, более половины американских компаний все больше открыты для инвестиций в технологические решения, чтобы выжить в меняющихся рыночных условиях, вызванных пандемией Covid-19. Среди секторов, которые чаще всего стремятся вкладывать средства в автоматизацию, можно отметить: электронную коммерцию (66%); бакалею, продукты питания и напитки (59%); логистику (55%). В настоящее время с наибольшей вероятностью инвестиции будут вкладываться в программное обеспечение для управления складом (48%), технологию подбора заказов (46%) и роботизированные решения (44%). В целом компании инвестируют в роботы в целях повышения безопасности сотрудников и клиентов, а также чтобы справиться с бременем сжатых сроков выполнения работ. Это выводы исследования, однако в реальности дело обстоит несколько иначе. Несмотря на то, что такие решения необходимы для успеха бизнеса, на сегодняшний день менее трети компаний сделали такие инвестиции. Крупнейшим препятствием к дальнейшей автоматизации стали затраты. Еще один опрос от Robotization SME’s Barometer, проведенный по заказу Universal Robots в Венгрии, Польше, Румынии и Чехии, показал, что почти 1/3 малых и средних производственных компаний в ближайшие три года планируют инвестиции в роботизацию. В исследовании использовались данные телефонного опроса, проводившегося в период с ноября 2019 по апрель 2020 г. В нем приняли участие: в Чехии 196 респондентов — представителей МСП, в Венгрии — 180, в Польше — 300, в Румынии — 186. Малыми предприятиями считаются производственные компании с числом работников до 50 человек, средними — с числом работников до 250 www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ человек. Важным фактором для опрошенных компаний, рассматривающих роботизацию в ближайшие три года, оказалось наличие у них уже действующих роботов. В Венгрии роботы есть у почти 1/4 респондентов, планирующих роботизацию, в Румынии ими владеют около 1/3 МСП, в Чехии — почти половина, в Польше —14,3%. Ключевыми факторами влияния при планировании роботизации СМП стали: снижение себестоимости производства и соответствующее повышение эффективности, повышение конкурентоспособности и улучшение качества продукции, сокращение сроков от заказа до доставки, улучшение качества продукции за счет исключения человеческих ошибок, минимизация проблем с удержанием и занятостью персонала, а также повышение конкурентоспособности. Другими важными факторами (более 50% ответов) стали трудности, связанные с управлением и занятостью персонала, стандартизация процессов, повышение безопасности труда и гибкости производства. В первую очередь респонденты во всех четырех странах намерены роботизировать сборку, упаковку и укладку. Компании, которые не планируют роботизацию, во всех четырех странах назвали следующие причины: структура производства не требует роботизации, производство не может быть роботизировано, масштаб производства слишком мал, компания не видит преимуществ роботизации. http://robotforum.ru/, www.robogeek.ru

РОБОТИЗАЦИЯ В РОССИИ Что касается роботизации в России, то, конечно, в нашей стране наблюдается значительное отставание от лидеров. Такой показательный фактор, как плотность роботизации (количество роботов на 10 000 рабочих), согласно исследованию World Robotics 2019 в России равен 5, в то время как для для Сингапура — 831, Южной Кореи — 774, Германии — 338, Японии — 327, США — 217, Китая —140. Интересный расчет проведен на сайте НАУР. В России в 2018 г. было установлено 1007 роботов, а общий объем эксплуатируемых роботов в российской промышленности около 5000. Приблизительно 1 человек обслуживает 5 роботов. Т.е. сейчас на отечественных предприятиях работают около 1 000 квалифицированных специалистов, которые занимаются контролем эксплуатации робототехнических комплексов в производстве. Сколько их должно быть для достижения среднемировых показателей? По данным Международной федерации робототехники, среднемировой показатель плотности роботизации составил 99 роботов на 10 000 сотрудников (округленно 100). Учитывая, что общая занятость в российской промышленности около 10 000 000 человек, получается, что для достижения среднемирового показателя в России должно быть установлено 100 000 роботов, которых обслуживает 20 000 специалистов. А с учетом роста среднемировой плотности роботизации (CAGR,%), в 2020 году общая потребность в квалифицированных специалистах составит 24 200 сотрудников. Как считают в НАУР, развитие программ переподготовки кадров в области промышленной робототехники приведет к росту спроса на робототехнические решения, в том числе отечественных производств, а также поможет предприятиям повышать эффективность и www.ritm-magazine.ru

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

29

ОБОРУДОВАНИЕ конкурентоспособность, сокращать издержки и улучшать условия труда на производстве. Во время онлайн-конференции «Роботы — это ваш шанс», организованной в рамках проекта «Иннопром-онлайн», был проведен опрос участников о готовности внедрять роботов у себя на предприятии. Положительно ответило 55% участников, 9% — не считают возможным внедрение роботов у себя на производстве, 8% — думают, что это слишком дорого. Данные результаты прокомментировали ведущие специалисты в области робототехники из НАУРР, KUKA Russia, FANUC Russia; АВВ Russia; «ДС-Роботикс»; Grinik Robotics; Prof-It Group; ПАО «КАМАЗ». Их можно сформулировать следующим образом: 1. Пока действительно робототехнические решения дорогие, но не в такой степени, как это часто представляется. Существуют госпрограммы по субсидированию проектов для модернизации производственных мощностей. И, конечно, стоит говорить не столько о цене проекта, сколько о его окупаемости.

2. Большинство компаний в рамках существующих технологий не может самостоятельно оценить рабочий процесс для внедрения роботов. Существует низкая осведомленность о возможностях робототехники. Поэтому полезно воспользоваться услугами специалистов, которые предоставят необходимую информацию и предложат решения. Например, роботов научили шить маски в тот момент, когда на них появился массовый спрос.

3. Для внедрения роботов нужна цель: повышение производительности, повышение качества и т. д. Или, например, на каких-то позициях есть текучка кадров — можно вспомнить, что роботы не уходят и очень редко ломаются. Если целей не ставить, эффективность с большой вероятностью не будет достигнута.

4. Чтобы понять эффективность, не обязательно сразу покупать робота. Можно сначала смоделировать процесс (создать цифровой двойник). Компании–производители и интеграторы роботов будут готовы помочь в этом.

5. Хороший эффект достигается только тогда, когда деталь проектируется под процесс. Первые лица предприятия должны понимать цели и быть готовыми к плотной работе по проектированию технологий под роботов. В рамках этой же конференции исполнительный директор НАУР Алиса Конюховская обозначила обширные сферы для применения роботов: промышленность и обрабатывающее производство, сельское хозяйство, горнодобывающая промышленность, логистика, роботы для работы в общественных местах, клининг, контроль и обслуживание, аварийно-спасательные и охранные системы, строительство и демонтаж, экзоскелеты, киноиндустрия, медицина. По данным НАУР, наиболее крупным потребителем промышленных роботов остается автомобильная промышленность. В 2018 году 40% промышленных роботов в России были установлены для нужд автопрома, 16% — на предприятия машиностроения, 4% — для пищевой промышленности. В 2019 году эта тенденция сохраняется. Оценивая итоги 2019 года, специалисты говорят о небольшом замедлении роста рынка, что связано с тем, что крупные проекты в автомобильной промышленности имеют свойство цикличности. Тем не менее оценка специалистов оптимистична и предсказывает общую положительную динамику. Кстати, Алиса опровергла мнение о том, что не существует отечественной робототехники. Причем спрос 30

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

на отечественные решения растет. Производство промышленных роботов в России и странах СНГ в 2019 г. увеличилось в 2 раза. Ориентировочно в 2019 году было произведено 87 роботов и роботехнических систем на сумму 145 млн руб. Среди российских производителей: Aripix Robotics, «Аркодим Про», «БитРоботикс», Grinik Robotics, «Норма ИС», НПО «Андроидная техника», Rozum Robotics, «Эйдос Робототехника». Кто-то пока выпускает пилотные проекты, кто-то переходит на объем в десятки единиц. Например, НАУР совместно с Министерством цифрового развития, связи и массовых коммуникаций Российской Федерации был подготовлен обзор робототехнических решений, направленных на борьбу с распространением новой коронавирусной инфекции COVID-19. В нем описаны разработки и продукты российских и зарубежных компаний, работающих в России, по таким направлениям, как дезинфекция, профилактика и диагностика заболеваний, помощь медицинскому персоналу, а также кейсы применения робототехники для задач логистики и расширения производства для медицинских целей. Среди компаний-участников: Promobot, ЦНИИ РТК, «Лаборатория робототехники Сбербанка», «Аврора Роботикс», Л«аборатория робототехники Skolthech», UltraBot, Top 3D Group, НПО «Андроидная техника», «Университет Иннополис», Z-Robotics, «ДС-Роботикс», «Фруктонад Групп», Grinik Robotics, COEX, «Яндекс» и др. Более 20 из них отечественные. https://robotunion.ru/ www.youtube.com/watch?v=dbDSKPjMZJs&t=2670s

ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ И ПРЕИМУЩЕСТВА Генеральный директор ООО «Вектор Групп» Дмитрий Ипанов в своей презентации во время онлайн-сессия «Роботы — ожидания и реальность. Об использовании роботов в России», проходившей в рамках Фестиваля науки и инноваций Science Fest, привел диаграмму 4D, демонстрирующую целесообразность применения роботов: DANGEROUS — опасно, DIRTY — грязно, DULL — монотонно, DIFFICULT — сложно. То есть робот нужен там, где человек подвергается риску. Также он обозначил 7 преимуществ внедрения роботизации: 1. Снижение затрат за счет высвобождения рабочих.

2. Повышение качества за счет снижения количества ошибок, вызванных человеческим фактором и снижения переработок при пиковых нагрузках; 3. Высокая скорость внедерения — срок внедрения роботизированного решения от 2 недель; 4. Простота интеграции роботов; 5. Удовлетворенность клиентов за счет оптимизации скорости и качества; 6. Увеличение эффектов внедрения других цифровых технологий за счет применения роботов: машинного обучения и нейронных сетей, использования чат-ботов и т. д.; 7. Масштабируемость и гибкость настройки. Быстрое реагирование на рост бизнеса, на изменения в процессах без каких–либо изменений в корпоративных системах за счет изменения настроек робота; 8. Безопасность. Безопасные механизмы работы робота с конфиденциальыми данными и контролем доступа к данным и учетными записям. При этом Дмитрий поддерживает мнение от том, что рост роботизации в стране увеличит уровень высокооплачиваемых квалифицированных мест в стране. www.youtube.com/watch?v=mDEtUVpRkpU www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ ДРАЙВЕРЫ И БАРЬЕРЫ В обзоре на платформе Forbes Council приведены драйверы и барьеры для роботизации производств: Технологические драйверы • Увеличение разнообразия роботов, поэтому практически каждая производственная задача имеет робототехническое решение.

• Расширение технических возможностей, благодаря чему роботы могут стать эффективным решением не только на массовых и крупносерийных производствах, но даже на предприятиях, выпускающих небольшие партии товаров.

• Простота интеграции. Развитие сетевых технологий и методов разработки программного обеспечения сделали установку и обслуживание роботов более быстрой и дешевой, чем раньше. Разработчики создают роботов с интуитивно понятным интерфейсом, обучающихся с помощью демонстрации или голосовых команд — все это упрощает их внедрение и использование на предприятии.

• Обновление производств. В странах с высоким уровнем роботизации старых роботов (отработавших 12–15 лет) заменяют на новых, более современных. Финансовые и бизнес-драйверы • Снижение стоимости разработки и производства роботов более чем на 50% с 1990 года делает их доступнее по цене. Относительно невысокая стоимость роботов российского производства — они окупаются за год и надежны также как зарубежные — 1–2 млн рублей на внедрение робота может выделить практически любая производственная компания.

• Увеличение затрат на сотрудников и высокие затраты на человеческий фактор. Роботы же не ошибаются, не болеют, не прогуливают смену, они могут работать в

www.ritm-magazine.ru

неотапливаемых цехах, их продуктивность выше, поэтому замена людей роботами становится все более привлекательной возможностью для промышленников.

• Доступность специалистов. Хотя пока нельзя сказать, что рынок насыщен специалистами в сфере интеграции и обслуживания роботов, дефицит таких инженеров с каждым годом снижается.

• Рост конкуренции. На глобальном рынке без автоматизации производств конкуренцию выдержать сложно.

• Инвестиционная привлекательность. 88% экспертов уверены в том, что инвестиции в сферу промышленной робототехники будут расти. Социальные драйверы • Создание новых рабочих мест и рост квалификации сотрудников. В странах с высокой плотностью роботизации (Япония, США, Германия) внедрение роботов привело к созданию новых рабочих мест и росту квалификации сотрудников.

• Роботизация дает новое качество жизни людям. Благодаря автоматизации и роботизации производств люди могут работать из дома, улучшать свою жизнь и развивать локальные производства.

• Государственная поддержка. Правительства стран, лидирующих в сфере автоматизации производств, инвестируют в развитие робототехники. Однако существует ряд факторов, препятствующих роботизации производств, — компании и люди не готовы использовать новые возможности из-за ряда фундаментальных причин. Технологические барьеры • Нетехнологичность продукции. На большинстве предприятий процесс производства рассчитан на использование ручного труда. На них роботизировать можно

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

31

ОБОРУДОВАНИЕ только отдельные операции, а полная автоматизация потребует пересмотра параметров и различных свойств выпускаемой продукции, а также всего технологического цикла.

• Необходимость пересмотра всего процесса производства. Это логично — робот меняет не только скорость, но и ритмичность выполнения всех операций в производственной цепочке. Если оставить процесс без изменений, людям на смежных участках будет сложно успевать за машиной. Финансовые барьеры • Значительные инвестиции на этапе внедрения.

• Недостаток «дешевых длинных денег». Социальные барьеры • Сопротивление персонала. Большинство работников саботируют внедрение роботов из-за чувства дискомфорта. Не готовы опираться на статистику и руководители, нередко предпочитающие по старинке пройтись по цехам, поговорить с людьми и принять интуитивное решение.

• Страх сокращения рабочих мест.

• Дешевая рабочая сила. В некоторых регионах, в том числе и в России, промышленникам экономически выгоднее отложить модернизацию производств и по старинке использовать дешевую рабочую силу.

• Кадровый голод. В России критически мало квалифицированных инженеров, способных качественно спроектировать робототехническую систему и провести ее внедрение. Нет сомнений в том, что в перспективе на заводах будут трудиться роботы, однако открытым остается вопрос, в какой перспективе. https://blogs.forbes.ru/

СТАВКА СНИЖЕНА Одним из условий успешного проведения роботизации в любой стране является господдержка предприятий, автоматизирующих свои производства. Поэтому приятной стала новость о том, что Фонд развития промышленности (ФРП) снизил процентную ставку по займам на покупку робототехнических комплексов с 5% до 1% годовых в рамках программы «Цифровизация промышленности». Условием получения займа в размере от 50 до 500 млн рублей сроком до 5 лет под 1% годовых является приобретение отечественного софта на сумму более чем 50% от объема займа либо привлечение российского системного интегратора. Ранее в списке этих интеграторов были только крупнейшие российские ИТ-компании по версии рейтингов CNews, TAdviser и «Эксперт-РА». Теперь к ним добавлены интеграторы робототехнических комплексов, которые входят в рейтинг TAdviser «ТОП-30 интеграторов промышленных роботов РФ». Расширение перечня системных интеграторов позволяет промышленным предприятиям получать льготные займы ФРП, например, на приобретение автоматизированных, роботизированных, конвейерных линий, роботов, манипуляторов, контроллеров, датчиков и другого оборудования. Подать заявку на заем с учетом новых условий можно в электронном формате через личный кабинет на сайте ФРП. https://frprf.ru

32

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

ТОП 30+ Аналитический центр TAdviser совместно с НАУР подготовил список 30 крупнейших российских интеграторов промышленных роботов. Участники рынка оценивались по двум основным критериям — выручке и количеству установленных роботов. Для включения в число крупнейших, выручка компании от интеграции промышленных роботов за 2016—2018 гг. должна была превышать 100 млн руб., а количество установленных роботов за этот же период должно было быть больше 10. Также обязательным условием было наличие у интегратора сертификата производителя роботов. Данные приведены на 22.07.2020.

16 компаний из списка удовлетворяют двум условиям. Это «Альфа Инжиниринг», «Белфин», «Вебер Комеханикс», «Вектор Групп», ГК «Триз Роботикс», ГЕ Eurotechprom, «ДельтаСвар», «ДС-Роботик», «ИРС», «Квантум Систем», МДИ2Б, УРТЦ «Альфа-Интех», «Фруктонад групп», «Юкам-Груп», BFG Robotecs, DI RoboticS. А 14 компаний — лишь одному: «Артех», «Велдинг Групп» (Самара), «ВР Мастер», «Компания АНТ», «Машин Ритэйл Груп», НТЛТ, «Пластик Энерпрайз», ПО «Зарница», «Пролог Плюс», «Роксор Индастри», «Сигма», «Солан-Д», «Униматик», «Шторм». Их суммарная выручка от интеграции промышленных роботов за 2016– 2018 гг. составила более 5 млрд рублей. За указанный период ими было установлено без малого 600 роботов. Все без исключения интеграторы, вошедшие в топ-30, имеют производственную площадь для сборки робототехнических проектов. У компаний из топ-30 по состоянию на июнь–июль 2019 года суммарно насчитывалось более 380 технических специалистов. За трехлетний период 2016–2018 г г. ими установлены свыше 790 промышленных роботов. На этой деятельности они заработали 7,4 млрд руб. Лидером рынка интеграторов была обозначена компания «Вектор Групп», которая за три года установила 97 роботов на общую сумму 785 млн рублей. Существует также дополнительный список, где перечислены еще 25 действующих компаний, которые высокие критерии отбора оставили за чертой основного списка. www.tadviser.ru

ПЕРСПЕКТИВЫ «Высшая школа экономики» оценила новые возможности России встроиться в мировое производство. Как указано в докладе, представленном в июле на рабочей группе Ассоциации европейского бизнеса по модернизации и инновациям, постэпидемическое развитие глобальных цепочек добавленной стоимости (ГЦДС) в мире создаст в ближайшие годы новые риски для России, не слишком активно встраивавшейся в них с 2000 года. Но откроются и новые возможности для развития. Предлагаемые способы адаптации к этим изменениям, которые OECD уже обозначает как «великую фрагментацию» мировой торговли, — приоритетная поддержка мировых платформ e-commerce для экспорта РФ, поддержка роботизации производства и сложные меры поддержки малого и среднего предпринимательства (МСП), ориентированного на экспортные рынки. www.kommersant.ru Обзор подготовила Татьяна Карпова

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ

5 МИФОВ О 3D-СКАНИРОВАНИИ

Работая в сфере внедрения 3D-оборудования и программного обеспечения к нему, мы слышим от тысяч клиентов одни и те же вопросы по выбору сканеров. Опираясь на общие наблюдения, которые были сформулированы американской компанией EMS, предоставляющей услуги проектирования и 3D-сканирования, а также на собственный опыт, мы решили собрать вместе и основательно развеять самые популярные заблуждения и тем самым помочь людям лучше понять, что же такое 3D-сканирование. Итак, перед вами 5 основных мифов о 3D-сканировании. МИФ ПЕРВЫЙ: ЦЕНЫ НА 3D-СКАНЕРЫ СО ВРЕМЕНЕМ СНИЖАЮТСЯ Мы часто слышим от людей, что со временем стоимость 3D-сканеров все равно снизится, поэтому нужно просто немного подождать, а затем купить оборудование по меньшей цене. На самом же деле, если посмотреть на ценовую динамику всех проданных нами сканеров, с течением времени стоимость большинства из них только выросла, пусть и незначительно. Почему так происходит? Как правило, модернизированные модели сканеров выходят с обновленными функ-

Портативный 3D-сканер Creaform Go! SCAN SPARK — пример устройства метрологического класса нового поколения www.ritm-magazine.ru

циями, предполагающими более высокую точность и разрешение, что обеспечивает повышение качества данных. Также немаловажную роль в ценообразовании играет и стоимость сертификации сканера, поскольку более мощным моделям требуется сертификация уровня ISO, а в случае России — включение в состав измерительных средств Госреестра РФ. Разработка новых сканеров требует серьезных исследований и прочей трудоемкой работы. Более того, пользователи 3D-сканеров промышленного класса рассчитывают на качественное обслуживание и ремонт в случае поломки. Обычно на это оборудование распространяется годичная гарантия, которая покрывает все возможные расходы. В то же время не стоит забывать, что рынок 3D-сканеров достаточно ограничен. Если бы мы могли продавать тысячи единиц в год, это бы повлияло на снижение цены. Тем не менее объем продаж остается небольшим. Но главным образом на цену сканера влияет стоимость датчиков и компонентов, в частности пластиковых частей корпуса. Конечно, вы можете приобрести оборудование бюджетного класса, которое стоит значительно дешевле. Но если вас интересует конкретный сканер с широким набором функций, его цена точно не снизится в обозримом будущем. МИФ ВТОРОЙ: ПРЯМОЙ ЭКСПОРТ CAD-ДАННЫХ Следующее распространенное заблуждение — это возможность прямого экспорта CAD-данных. Многие полагают, что сразу после проведения 3D-сканирования у вас уже либо будет готовая CAD-модель, либо вы без труда сможете загрузить данные в систему и начать с ними работать. Но это далеко не так. Большинство 3D-сканеров выводят данные в виде облака точек, каждой из которых присвоены значения координат XYZ и, возможно, вектор нормали. Также данные могут быть представлены как полигональная сетка в триангулированном виде (формат STL) или, если вы проводите цветное сканирование, в формате OBJ с текстурной картой. Иными словами, полученные результаты еще не являются CAD-данными. Во-вторых, большинство CAD-систем не предназначены для работы с «сырыми» данными вышеперечисленных форматов. Конечно, вы сможете импортировать данные сканирования в систему, но сделать с ними ничего не получится. Система не позволит масштабировать

Реверс-инжиниринг отсканированного объекта в программном продукте Geomagic Design X № 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

33

ОБОРУДОВАНИЕ объект или разбить его на секции, не говоря уже о более сложных операциях. Сегодня некоторые CAD-системы оснащены программным обеспечением для обратного проектирования, однако большая часть систем, с которыми мы сталкивались, недостаточно эффективны. Даже самые продвинутые из них оставляют желать лучшего. Однако с подобными задачами прекрасно справляются специальные программы для обратного проектирования, например, Geomagic Design X. Часть из них создана самими производителями сканеров, однако существует и множество сторонних приложений. Таким образом, большинство встроенных функций просто не работает в CAD-системах. Не существует специальной кнопки, позволяющей сразу же создать CAD-модель из полученных результатов. Чтобы перейти от триангулированных данных к реальной CAD-модели, управляемой функциональностью или поверхностными характеристиками, требуются специальные навыки и программное обеспечение. МИФ ТРЕТИЙ: УНИВЕРСАЛЬНЫЙ 3D-СКАНЕР Третий распространенный миф заключается в том, что один и тот же сканер можно использовать для самых разных объектов. Увы, универсальных моделей для профессионального сканирования не существует в принципе. Для каждого класса объектов производятся специальные модели 3D-сканеров, при разработке которых учитывается ряд факторов. Первое, что нужно иметь в виду, — размер сканируемых деталей. 3D-сканеры используются как для миниатюрных деталей размером с монету, так и для огромных самолетов. Само собой, для каждого из примеров вам потребуются различные модели оборудования. Итак прежде, чем выбрать правильный сканер, определитесь, объекты какого размеры вы планируете сканировать. Дело в том, что в зависимости от назначения в сканерах используются различные технологии: одни идеально подходят для крупных деталей, другие — для мелких, третьи претендуют на хотя бы минимальную гибкость в применении. Другим важным параметром является точность сканирования, которая также зависит от того, с какими объектами вы планируете работать. Как правило, чем выше точность, тем дороже обходится оборудование. Также важно понимать, для каких целей вы хотите использовать 3D-сканер. Например, будет ли это только обратное проектирование, или контроль геометрии также входит в

Сканирование мелкой детали и производственного объекта: для каждой цели требуются разные 3D-сканеры

34

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

ваши планы. Для первого подойдет менее точный сканер нижнего ценового сегмента, в то время как второе применение требует более точного оборудования. Если вы планируете проводить измерение объектов (что, правда, довольно сильно отличается от 3D-сканирования), то для этого вам понадобится оборудование сродни переносной КИМ. Если измеряемый объект имеет большие габариты и вдобавок содержит много отверстий, то наряду с измерением вам потребуется и процедура совмещения, для чего лучше подойдет лазерный 3D-сканер (дальномер). Само собой разумеется, что для простой оцифровки документов и для создания цифровых моделей архитектурных сооружений потребуются разные модели сканеров. А может быть, вас устроит совсем недорогая модель для развлечения или занятий творчеством. Таким образом, при выборе модели необходимо учитывать размер измеряемых деталей, необходимый уровень точности и область применения. Поэтому перед покупкой следует точно определить, какая модель 3D-сканера вам нужна и для каких целей, а также отказаться от идеи универсальности оборудования для 3D-сканирования. МИФ ЧЕТВЕРТЫЙ: ТОЧНОСТЬ ВСЕГДА ОДИНАКОВА Еще одно популярное заблуждение о 3D-сканировании. Несмотря на то, что разные производители могут указывать одну и ту же номинальную точность своего оборудования, на практике все обстоит иначе. Проблема заключается в том, что единого стандарта точности попросту не существует. Конечно, в идеальных условиях испытательной лаборатории оба сканера могут действительно демонстрировать одинаковые показатели точности. Но если речь идет об измерениях вне помещения или в условиях шума или вибрации, данные могут существенно различаться. Важен и человеческий фактор: одни сканеры достаточно просты в использовании, и неправильные действия оператора не влияют на точность; напротив, управление другими моделями может быть очень сложным, и любые ошибки пользователя неминуемо приведут к тому, что пострадает точность измерения. Размер объекта также имеет значение. К примеру, вы пытаетесь измерить с помощью сканера, предназначенного для небольших деталей, объект длиной в полтора метра. В этом случае точность двух сканеров также может сильно различаться, несмотря на одинаковые заяв-

Работа со сложной поверхностью с помощью ручного 3D-сканера Creaform HandySCAN BLACK www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ ленные показатели. Важным параметром будет являться величина накапливаемой погрешности на каждый метр измерений. Если производитель не указывает этот параметр, скорее всего, его сканер не предназначен для сканирования объектов, превышающих его собственную рабочую зону сканирования. Ведь сшивка фрагментов 3D-модели не может осуществляться без заложенной в математические алгоритмы погрешности, влияющей на точность этой сшивки. На результаты измерения влияет и поверхность объекта: темные, блестящие или полупрозрачные детали могут по-разному влиять на работу сканера. Таким образом, если вы сканируете объекты со сложными поверхностями, вполне возможны отличающиеся один от другого результаты. Важным фактором является и техника выполнения сканирования, что напрямую связано с уже упомянутым выше человеческим фактором. Каждая модель сканера спроектирована для определенных целей, и использование оборудования не по назначению также влияет на фактическую точность. Поэтому прежде чем полагаться на номинальную мощность устройства, необходимо помнить, что данный результат был получен в сертифицированной по ISO лаборатории. Кроме того, существует несколько стандартов для определения точности, и производители не указывают, какой именно стандарт они использовали. Никогда нельзя сказать наверняка, какой именно будет точность вашего сканера в тех или иных рабочих условиях. Поэтому при выборе сканера важно знать, каким образом производитель получил заявленный уровень точности. Также не забывайте и про другие факторы, такие как размер сканируемых объектов, условия работы, а также целевое назначение оборудования. МИФ ПЯТЫЙ: 3D-СКАНИРОВАНИЕ — БЫСТРЫЙ ПРОЦЕСС Последний миф из нашего списка касается времени сканирования. Все знают, что 3D-сканирование получило такое распространение лишь потому, что занимает очень мало времени в сравнении с традиционными способами измерений. Да, с каждым годом скорость работы сканеров только увеличивается, однако весь процесс сканирования до сих пор занимает относительно много времени. Непосредственное сканирование объекта — это лишь первый этап длительного процесса сбора и обработки данных. В большинстве случаев за сканированием следует создание CAD-модели, для чего требуется специальная подготовка данных, их очистка и совмещение. Возможно, вам придется объединить результаты нескольких сессий сканирования. Иногда может потребоваться провести так называемую децимацию (кратное уменьшение количества полигонов на участках с однородной поверхностью), чтобы

Этапы реверс-инжиниринга

оптимизировать триангулированную модель объекта. Сильный разброс данных также требует достаточно длительного процесса очистки. А новейшие 3D-сканеры могут собирать настолько большое количество данных, что передача столь крупных файлов становится настоящей проблемой. Только после очистки данных вы можете приступать непосредственно к CAD-моделированию или реверсинжинирингу, создавать эскизы, делать выдавливания, перекрытия, объединения, обрезку и так далее. Иными словами, на работу с данными у вас уйдет немало времени и сил. Как было сказано выше, не существует программ для автоматической обработки данных 3D-сканирования, а непосредственный импорт CAD-данных невозможен. Даже для проверки геометрии объекта вам придется провести очистку и совмещение данных, а затем сгенерировать отчет о проверке, подробность которого также влияет на продолжительность процесса. Таким образом, полный цикл сбора и обработки данных может занимать часы, дни и даже недели (в случае с 3D-данными для BIM-проектирования). ИТОГИ Итак, мы рассмотрели пять самых распространенных мифов о 3D-сканировании. Теперь вам остается решить, на каком типе и модели сканера стоит остановиться. Несмотря на то, что в сфере 3D-сканирования до сих пор существует огромное количество предубеждений и мифов, мы надеемся, что полученная информация поможет вам отделить факты от вымысла и принять взвешенное решение. Илья Крупенников, компания iQB Technologies, https://iqb.ru/

Специально для читателей журнала «РИТМ машиностроения» компания iQB Technologies предлагает услугу бесплатного тестового 3D-сканирования. Мы бесплатно отсканируем любое изделие с использованием оборудования ведущих мировых производителей. Проверьте, решит ли 3D-сканирование вашу задачу на производстве. Оставить заявку можно по эл. адресу info@iqb.ru или по телефону: +7 (495) 269 62 22.

www.ritm-magazine.ru

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

35

ОБОРУДОВАНИЕ

ГРАФЕН — РЕАЛЬНОСТЬ И ПРОГНОЗЫ: ПРИМЕНЕНИЕ В ЭНЕРГЕТИКЕ И ЭЛЕКТРОНИКЕ (2 часть) БЛАГОДАРЯ РЕДКОМУ СОЧЕТАНИЮ УНИКАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГРАФЕН МОЖЕТ НАЙТИ ШИРОКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ВО МНОГИХ ОБЛАСТЯХ, УЛУЧШИВ ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ. РАССМОТРИМ ЭФФЕКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ, ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОННОЙ ОТРАСЛЕЙ. СОЛНЕЧНАЯ ЭНЕРГЕТИКА К перспективным направлениям применения графена можно отнести солнечные и топливные элементы, литийионные батареи, мембраны для очистки воды и воздуха, различные датчики и др. (рис. 1). Начнем с энергетики. Все большее число специалистов приходит к пониманию, что у традиционной энергетики на основе ископаемого топлива (нефть, газ, уголь и т. п.) нет будущего. Альтернативой является только возобновляемая, или чистая энергия: ветровая, солнечная, геотермальная, энергия морских приливов и отливов и т. д. И среди них важнейшей будет солнечная энергия в силу своей нескончаемости и того, что все остальные виды энергии являются производными солнечной. По разным оценкам, доля солнечной генерации в общей генерации энергии за счет всех источников будет составлять до 20% к 2050 г. и до 60% к 2100 г. При этом солнечная энергия может преобразовываться как непосредственно в электрическую за счет солнечных элементов, так и использоваться опосредованно в приборах фотовольтаики, фотоэлектрохимии, фотокаталитической обработки воды, фотохимической очистки воды и газов. Важно уметь не только производить энергию, но и хранить ее. Солнечные элементы, батареи, суперконденсаторы, водородные элементы, топливные элементы, нагрева-

тельные панели на гибкой подложке — все это области применения графена в энергетике. Увеличение коэффициента теплопередачи за счет конвекции охлаждающих жидкостей, например для ветровых преобразователей энергии, является важной задачей и решается путем добавки наночастиц в теплоноситель [1]. В этой работе представлены результаты влияния на увеличение теплопередачи различных добавок в охлаждающие жидкости: наночастиц металлов и их окислов, графена и его производных. В качестве охлаждающей жидкости была выбрана смесь этиленгликоля с водой (50/50) Havoline® XLC с различными добавками, в частности, с графеном (его теплопроводность 5000 Вт/м.К). Добавки графена (0,25%; 0,5%; 0,75% и 1% по весу) при турбулентном течении жидкости улучшают теплопередачу на 13–160%. Эффект обнаружен для частиц размерами менее 10 нм, пропорционален температуре и расходу и обратно пропорционален вязкости жидкости и потере давления. Графен благодаря большой площади поверхности, высокой электропроводности и устойчивости к воде и кислороду может стать основой для следующего поколения прозрачных электродов для приложений фотовольтаики [2]. Традиционные электроды из оксидов металлов типа оксидов индия и олова (ITO) или оксид олова и фтора (FTO) имеют ряд существенных недостатков, так,

Опреснение солоноватых вод

Поглощение и хранение СО2

Отделение и хранение H2 Применение в источниках электропитания Разделение газа

Разделение природного газа

Разделение воздуха

Опреснение морской воды

Датчики Сверхчистая вода

Очистка, опреснение воды

Производство продуктов питания/напитков

Другие технологии

Индустрия упаковки

Химическое разделение

Обработка сточных вод Энергетика на основе осмоса (мембранные технологии) Рис. 1. Возможные применения графена

36

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ 20

105

10

104

0

10

3

–10

102

0,5 1,0 Напряжение (V)

1,5

TiO2 /HNO3 –40 –0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

Рис. 3. Зависимость плотности тока (мА/см2) от напряжения (В) для трех типов кремниевых ячеек с графеном при одинаковом облучении: G-Si — прозрачный графеновый электрод без легирования; HNO3 doping — графеновый электрод, легированный HNO3; TiO2 /HNO3 — графеновый электрод, легированный HNO3 и покрытый антиотражающим слоем TiO2, с эффективность преобразования 14,5%.

106 105 104

–30

→

0,0

107

сглаживающая кривая

R ~ Ee–0,76

103

исходный

102 101

→

100

HNO3 doping

–20

101

R (A/W)

G-Si

→

R (A/W)

106

после теста на изгиб (1000 раз) V — напряжение 1,5 В

10

–5

10

–4

10–3

10–2 10–1 Ee(mW/cm2)

100

101

Рис. 2. Зависимость чувствительности фотопроводника R на основе PbS QD и графена на гибкой подложке (а) до и после 1000 сгибаний от напряжения V. b) Зависимость чувствительности фотопроводника R от освещенности E до и после серии тестов на изгиб.

например, индий менее распространен, он хрупок при использовании гибких подложек, проявляет слабую химическую стойкость к кислотам и щелочам и обладает слабой прозрачностью в ближней инфракрасной области. Графен сам не поглощает свет, но его добавка в электроды позволяет увеличить электропроводность и создает электрическое поле внутри поглотителя. К тому же он не токсичен, не относится к редкоземельным элементам и сохраняет высокие характеристики на гибких подложках (рис. 2). Так, например, солнечные элементы на основе графенового покрытия показали хорошие результаты: высокую электропроводность, прозрачность в 70% для излучения (1000–3000 нм), генерацию напряжения в 0,7 В и плотность тока 1,01 мА/см2 при КПД 0,26%. Низкий КПД объясняется некачественным покрытием из графена и малой площадью покрытия, то есть технологическими проблемами. Спрос на солнечные панели нового поколения стремительно увеличится, если будут предложены гибкие солнечные панели с более дешевыми графеновыми электродами. Перспективные планы оснащения жителей штата Нью-Йорк пятикиловаттными солнечными панелями на основе кремниевых ячеек, которые можно размещать на крышах домов, предполагали использование около 5 млн таких дорогих панелей к 2030 году. А полная потребность в мощности от солнечных панелей, включая государственные и коммерческие структуры, составит, по оценке, 116 гВт к 2030 г. Очевидно, что использование графена в солнечных панелях не только снизит стоимость панелей, но и повысит КПД преобразования световой энергии в www.ritm-magazine.ru

электричество и откроет огромнейший рынок для нового поколения солнечных панелей. В настоящее время компания First Solar (USA), крупнейший поставщик солнечных панелей на основе CdTe, работает над проектом постройки в Монголии солнечной фермы мощностью 2 гВт на площади в 25 кв. миль, которая будет частью производственной структуры, генерирующей энергию из возобновляемых источников общей мощностью в 11,9 гВт. При этом на долю солнечных преобразователей придется 3,9 гВт, солнечных нагревателей 0,72 гВт и ветровых преобразователей 6,95 гВт. В ряде публикаций описаны работы по использованию электродов с графеном в комбинации с различными поглотителями солнечного света. Так, в [3] авторы пытались более эффективно использовать красную область солнечного спектра, применяя специально приготовленный коллоидный материал TiO2 с пиком поглощения на длине волны 388 нм. Традиционный прозрачный электрод из TiO2 с покрытием на основе оксидов индия и олова (ITO) был заменен на графеновый прозрачный электрод, что показало почти трехкратное повышение напряжения при облучении и увеличение эффективности до 15,9%. Ячейки на основе кремния с графеном и дополнительно с антиотражающим покрытием TiO2 являются более эффективными по сравнению со стандартными решениями на основе аморфного кремния (рис. 3). ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Почти половина генерируемой энергии на планете теряется в виде ненужного тепла. Для его использования можно применять термопреобразователи (ТП), которые генерируют электричество за счет градиента температур, они же могут работать в связке с солнечными элементами-концентраторами для использования инфракрасного диапазона солнечного спектра. Термоэмиссия основана на явлении Зеебека (перераспределении зарядов за счет перепада температуры между двумя электродами разной проводимости и появлении напряжения между ними), возможен и обратный эффект — выделение тепла при подаче напряжения между такими электродами (эффект Пельтье), рис. 4. Для повышения эффективности ТП № 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

37

ОБОРУДОВАНИЕ Тепло

Источник тепла

Керамическая плата Проводник

Проводник

Сток тепла Керамическая плата Внешняя цепь Рис. 4. Схема термопреобразователя

необходимо использовать материалы с высоким рассеянием энергии на фононах и с низкой теплопроводностью (стекло) и с малым рассеянием на электронах с высокой электропроводностью (кристалл). Традиционными материалами для ТП были сплавы Bi-Te, Pb-Te, Se-Te, Bi-Sb. В настоящее время найдены комбинации графена, графеновых лент, легированных изотопом C13, которые имеют меньшую теплопроводность (на два порядка) и успешно используются в качестве электродов ТП. БАТАРЕИ До настоящего времени в популярных литий-ионных батареях в качестве анода используется графит, однако требования увеличения удельной плотности энергии и устойчивости системы привлекли внимание к графену. Это связано прежде всего с высокой стабильностью ма-

Пористый сепаратор

Электрод Ионы электролита

EDLC

Реакция Фарадея EDLC — электрический двухслойный конденсатор (образуется между электродом и электролитом) Рис. 5. Схема работы суперконденсатора

38

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

териала, его большой развитой поверхностью, более высокой электропроводностью в сравнении с графитом [4]. В дополнение к указанному графен в виде композитного анода (SnO2/графен) предотвращает разделение наночастиц, может увеличить электронную и ионную емкость, снижает количество активного вещества и улучшает механическую прочность при циклах заряда-разряда батареи. Наиболее интересным представляется использование композита на основе LiMn2O4 с графеном в качестве электрода, поскольку повышается энергоемкость батареи, улучшаются электрохимические свойства и стабильность батареи в широком диапазоне напряжений. Как результат реальная емкость батареи с использованием композитов с графеном в качестве электродов почти достигает теоретического предела: 170 мА.час/г для катода LiFePO4 с графеном и 900 mAh/g для анода Mn3O4 с графеном. Перспективные композиты на основе V2O5 с графеном сохраняют высокую устойчивую емкость после серии циклов разряд–заряд (230 мА.час/г после 200 циклов и 203 мА.час/г после 2000 циклов) [5]. СУПЕРКОНДЕНСАТОРЫ (SC), ИЛИ УЛЬТРАКОНДЕНСАТОРЫ SC рассматриваются как один из самых многообещающих электрохимических устройств для хранения энергии благодаря высокой скорости цикла разряд/заряд, длительному времени жизни и высокой плотности энергии [6]. Различают два типа SC: электрические двухслойные SC (EDLCs) и псевдоконденсаторы (используют реакции Фарадея в электродах — окислительно-восстановительные реакции), процессы интеркалирования и электросорбции. Производительность SC в значительной мере определяется емкостью электродов, способных запасать и отдавать энергию, а сама емкость — материалом электродов и их размерами, а также используемым электролитом. От концентрации ионов в электролите и потенциала зависит плотность энергии, а от электропроводности электролита — удельная мощность. Обычно рассматривают три типа электролитов: на водной основе (Na2SO4, KOH, H2SO4, KCl), органические (TEABF4) и жидкие ионные (bmimPF6). В первые два типа часто добавляют соли для увеличения концентрации ионов, а также для предотвращения замерзания или испарения электролита, при этом соль не выпадает в осадок. В ионные жидкости в качестве электролита добавляют растворитель для уменьшения вязкости и повышения электропроводности (например, 25% ацетонитрила). Электролиты на основе ионных жидкостей обладают высокой температурной стабильностью, хорошей электропроводностью, высоким электрическим потенциалом и устойчивостью к циклической работе. Кроме того, они препятствуют образованию конгломератов из листов графена. Типичный SC представляет собой систему из двух электродов, разделенных пористой перегородкой в среде электролита (рис. 5). При приложении внешнего напряжения к электродам происходит перераспределение зарядов и создается внутреннее электрическое поле, то есть происходит сохранение энергии. Количество запасенной энергии определяется как

E = 1/2 CV2, где С — емкость, которая определяется как C = a0 ar A/D, A — площадь электрода, D — расстояние между электродами, a0 ar — диэлектрические константы без изолирующей среды и для среды между электродами. www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ Рис. 6. Слои графена, которые агрегируются за счет сил Ван-дер-Ваальса (а); графеновые нанотрубки между слоями графена являются разделителями и связывают слои графена между собой (b).

Очевидно, что для увеличения запасенной энергии необходимо увеличивать площадь электрода и уменьшать расстояние между электродами. Графен в виде добавки в пористый композитный материал (размер пор <0,7 нм) идеально подходит для этой цели, поскольку имеет самую большую удельную поверхность и улучшает электропроводность материала электрода. При этом пористость является определяющим фактором в увеличении емкости SC. Для сохранения большой удельной поверхности необходимо предотвращать объединение в одно целое отдельных слоев графена, для этого используют графеновые нанотрубки (GNT) (рис. 6). Комбинация в электроде листов графена и графеновых нанотрубок приводит к появлению электроактивации — явлению, при котором листы графена имеют лучшие условия для размещения ионов электролита. В работе [7] предложен способ приготовления водной дисперсии гидрофобного активированного графена (a-rGO) (графен+углеродные нанотрубки в качестве связующего) с концентрацией до 20 мг/мл. Процедура состоит из трех этапов: 1. Углеродные гидрофобные нанотрубки (СNT) вместе с гидрофильным оксидом графена смешивают в воде.

2. Для стабилизации смеси и получения нужного реологического состава добавляют мелкодисперсный кремнезем и перемешивают.

3. В полученную дисперсию добавляют нужное количество оксида графена или активированного оксида графена и еще раз перемешивают. Таким образом, водную дисперсию a-rGO можно использовать как прекурсор в широком диапазоне концентраций, плотности, вязкости, адгезии, электропроводности и стабильности на гибких подложках, в частности, для получения электрода в виде гибкого тонкого слоя графена с удельной поверхностью 1700 м2/г. Суперконденсатор с таким электродом показывает более высокие характеристики в сравнении с вариантом на основе восстановленного оксида графена (rGO): удельная емкость 180 Ф/г при удельном токе 1 А/г; плотность энергии 35,6 Вт.ч/кг и удельная мощность 42,2 кВт/кг. При этом дисперсия a-rGO совместима с любыми способами нанесения покрытий на электрод: распылением, с помощью кисти или шпателя. Обычно рассматривают плотность энергии как запасенную энергию на единицу объема или на единицу веса. Интересный способ увеличения поверхности электрода без объединения листов графена показан в работе [8]. Графен получают термическим способом с последующим охлаждением в жидком азоте, что приводит к появлению гофрированных листов графена с большой удельной поверхностью (до 518 м2/г) и удельной емкостью в 349 Ф/г, данные получены для SC с электролитом KOH. Метод простой, эффективный и легко масштабируется на большие объемы. www.ritm-magazine.ru

Дополнительное увеличение емкости SC можно получить за счет легирования графена азотом в виде гидрогелевого электролита (NGH) при сохранении высокой скорости заряда–разряда (185 А/г). В качестве полимерной основы графен-композитного электрода лучшие результаты по увеличению емкости дает полианилин (polyaniline, PANI). При добавлении аминовых групп (NH2) к такому композиту примерно на 20% увеличивается емкость и стабильность характеристик при циклических процессах заряда–разряда SC. SC типа EDLC имеют хорошую электрохимическую циклическую стабильность, но при этом низкую емкость, в отличие от псевдоконденсаторов, имеющих высокую емкость при низкой циклической стабильности. Объединение двух типов SC в одном изделии позволит создать прибор для накопления большой удельной энергии с высокой циклической стабильностью, позволяющий быстро аккумулировать и так же быстро отдавать большой объем энергии. Комбинация графена и оксидов металлов (Mn, Co, Ni, Ti, Ru) в качестве электродов для SC позволяет использовать преимущества двух типов SC — EDLC и псевдоконденсаторов. Для RuO2 — лучшего из перечисленных металлов для использования в электродах SC — были получены значения удельной емкости в 154 Ф/г и плотности энергии в 11 Вт/кг. Проблема может быть в высокой стоимости RuO2 и его токсичности. Замена его на более дешевый и нетоксичный Mn3O4 позволила получить высокую емкость при 100% сохранности после 10000 циклов, что в 3–4 раза выше, чем для электродов с чистой Mn3O4. Это связано прежде всего с более высокой электропроводностью электрода за счет графена. Высокая дисперсность увеличивает доступность электролита, а оксид металла предотвращает агрегирование отдельных слоев графена. Еще больший эффект дает применение оксида MnO2 в сочетании с графеном: 310 Ф/г при 2 мВ/с, что примерно в 3 раза выше, чем при использовании каждого из компонентов по отдельности [9]. Серия исследований по использованию ферритов в качестве электродов показывает их перспективность для миниатюрных источников энергии: антенн, сердечников трансформаторов, записывающих головок и т. д. Это связано с невысокой стоимостью нанесения ферритовых пленок-электродов разной толщины на подложки сложной формы без вакуумирования. Для EDLC-устройств необходимо иметь материалы с высокой удельной поверхностью, развитой пористостью и высокой электропроводностью. Так, теоретическая удельная емкость графена может достигать 550 Ф/г, в реальности она составляет от 100 до 333 Ф/г при высокой стабильности после 1000 циклов разряд/заряд и при плотности энергии 85,6 Вт.час/кг при комнатной температуре, 136 Вт.ч/кг при 80°С и удельной мощности ~600 Вт/кг при токе 1A/г. При этом, в отличие от батарей, № 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

39

ОБОРУДОВАНИЕ время заряда/разряда конденсатора составляет секунды или минуты. При удельной пористости графеновых электродов (в виде нанотрубок) в 3100 м2/г плотность энергии может составить 75 кВт/кг. Графеновые прозрачные электроды успешно используются в диодах в качестве источников света (LED — light emitting diodes) вместо традиционных ITO (индий-олово-оксиды) или GaN. Новые LED источники света находят широкое применение в автомобилях и светофорах, в качестве подсветки в LCD-телевизорах, в плоских гибких дисплеях [10]. В том же обзоре рассмотрена возможность замены золотых электродов в транзисторах типа OFET (organic field-effect transistor) на графеновые, в результате недорогие транзисторы можно будет применять в гибких электронных устройствах, включая и прозрачные для света. Интересная тема — использование графена в виде конструкций из нескольких слоев для хранения водорода. Это связано с наибольшей удельной поверхностью графена среди любых известных подложек. Химическая связь водорода с углеродом графена позволяет устойчиво сохранять водород в количестве до 5% (по весу) и освобождать его начиная от нагрева до 200°С и полностью отдавать водород при 500°С. Такой тип накопителей водорода — топливные элементы — имеет огромный рынок применения. В частности, полученную энергию можно сохранять в графеновых водородных накопителях, получая водород за счет расщепления воды, и предлагать его как товар на рынке, например, водород можно преобразовывать в электричество за счет химических реакций окисления. Такой вид хранения водорода более безопасен, чем традиционные способы его хранения в сжатом виде при высоком давлении или в криогенном жидком состоянии в баллонах [11]. ЭЛЕКТРОНИКА В электронике графен рассматривают как возможную замену кремния. Наиболее вероятно применение графена в транзисторах в качестве электродов вместо существующих металлических, поскольку толщина контактного слоя в графене всего 0,34 нм (22 нм для металла). Поэтому для кремниевых транзисторов с графеном возможна более высокая плотность упаковки и как результат дальнейшая миниатюризация. Одна из проблем использования графена для логических приложений on/off — невозможность обеспечения состояния off из-за высокой проводимости графена. Ее можно преодолеть, используя графен в виде нанотрубок (CNT), а также в виде узкой ленты с дополнительным легированием. Графен может использоваться в качестве проводника внутри чипа (interconnector) вместо традиционных слоев металлизации на основе меди, поскольку только графен может обеспечить плотность тока для таких проводников на уровне 4х107, что для меди недоступно [12]. Еще одна возможность использования графена — в ячейках флеш-памяти для хранения информации, тем самым можно заменить существующую память на основе кремния. ДАТЧИКИ/СЕНСОРЫ Необходимость оперативного определения токсичных газов, паров органических материалов важна для окружающей среды, для контроля над выбросами в промышленности и для диагностики в медицине. Существующие 40

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

детекторы на основе оксидов металлов, нанотрубок, проводящих полимеров потребляют много энергии изза необходимости иметь высокие рабочие температуры (>100°C), зависят от условий окружающей среды (например, влажности) и теряют чувствительность со временем. Поэтому нужны новые сенсорные материалы, работающие при комнатной температуре в стандартных условиях и имеющие высокую избирательность и чувствительность [13]. Качество сенсоров определяется набором критериев: откликом, границами рабочей зоны, рабочей температурой, временем регистрирования и восстановления, избирательностью к определенному газу и стабильностью. Принцип действия сенсоров на основе графена и его производных (GO, rGO) основан на изменении электрического сопротивления покрытия при поглощении газа или биомолекул его поверхностью. Это связано с обменом носителей заряда между чувствительным материалом и поглощенными молекулами газа, которые выступают как доноры электронов или их акцепторы. Из-за большой поверхности покрытия чувствительность таких датчиков к различным газам очень высока и зависит от типа газа [14]. Особенно важно иметь такие датчики (GO) для эффективной регистрации окислов азота. Мировая потребность в таких датчиках составляет 177 млн шт. в год. Оптические сенсоры основаны на изменении оптических характеристик (поглощения, свечения, отражения и т. д.) и связанных с ними электрических параметров чувствительных материалов (оксида графена rGO, легированного наночастицами золота). Высокочувствительные сенсоры на основе графеновых тонких пленок на кварцевой пластине используют для определения таких газов, как бутанол, изопропанол, ацетон, этанол при комнатной температуре. При поглощении газа происходит изменение резонансной частоты колебаний кварца, по которому определяют наличие газа в пробе. Датчики отличаются хорошей воспроизводимостью и коротким временем определения и восстановления (не более 100 с). Сенсоры на основе оксидов графена (GO, rGO) используются более часто, чем сам графен. В частности, листы GO используют для быстрого определения изменения относительной влажности при комнатной температуре (до 30 мсек). Их можно печатать на RFID-метках для удаленного считывания без применения батареи питания. Сенсоры с использованием rGO могут наноситься на гибкие подложки с помощью 3D-печати, например, широко используются для приборов по определению NО2 с чувствительностью от 400 ppt. Для регистрации VOC (летучих органических материалов) было предложено использовать сенсоры с реакцией на изменение отражающей способности поверхности с гидрофильной GO и поверхности с гидрофобной rGO (рис. 7). В работе [13] представлены решения для регистрации различных газов с использованием GO/rGO в качестве чувствительных материалов при изготовлении сенсоров для работы при комнатной температуре. Рассмотрено влияние легирующих добавок в виде наночастиц Au, Pd, Ag. Резистивный сенсор для определения газов (в частности, NO2 и NH3) получен путем нанесения монослоя из графена или rGO на MoS2 между металлическими электродами с проводимостью p-типа. Сверхчувствительный сенсор NO2 на основе гетерогенной структуры rGO/MoS2 www.ritm-magazine.ru

ОБОРУДОВАНИЕ а)

Оптоволокно Покрытие GO Отраженный свет

Проходящий свет Падающий свет

Пар

Покрытие rGO б)

Писчая бумага

Удельный отклик детектора

с)

Рис. 7. Устройство сенсора: а) оптоволокно с покрытием GO и rGO; б) создание зон с покрытиями GO и rGO под действием солнечного света; с) зависимость избирательности датчика для THF (тетрагидрофуран), дихлорметана, этанола

(рис. 8) работает при 60°C и не зависит от влажности среды. Наилучшие результаты получены при соотношении C:Mo = 3:1 [15]. Аналогичные результаты были получены для сенсоров газов (например, NO2) на основе гетерогенных структур rGO и однослойного или многослойного слоя полупроводника WS2. Легирование наночастицами TiO2 нанолистов WS2 также дает хорошие результаты для детектирования га-

зов: O2, этанола, NH3, но при рабочих температурах выше 100°C, при увеличенном времени восстановления рабочего режима после измерения. Таким образом, существует целый ряд материалов (GO-, rGO-, MoS2-, W S2-, черный фосфор BP-), с использованием которых можно создавать сенсоры для различных газов и паров летучих органических материалов с чувствительностью в области ppm, ppb, ppt. Некоторые из них работают при комнатной температуре, другие требуют нагрева выше 100°C и специальных условий для уменьшения времени восстановления, как, например, применение УФ-облучения или нагрева сенсора для десорбции молекул газа с поверхности сенсора. Другой важной проблемой сенсоров является их избирательность по отношению к различным газам, которая частично решается с помощью легирования, например, Pt и Pd чувствительны к молекулам водорода. Влияние влажности среды можно уменьшить за счет использования фильтров для улавливания воды. Деградация сенсоров со временем за счет окисления в окружающей среде — это еще одна проблема, решить ее можно с помощью покрытий из оксидов металла и полимерных покрытий. Технология нанесения чувствительных пленок в вакууме, очистка от загрязнений при отжиге позволяют создавать чувствительные, избирательные и стабильные сенсоры газов. Графен в качестве биосенсора может быть использован в пищевой промышленности для контроля безопасности продуктов, а также в медицине для клинической диагностики. Так, электрохимические биосенсоры на основе наноматериалов с электродами из композиционных материалов с графеном/оксидом графена (GO) /восстановленным оксидом графена (rGO) могут применяться в качестве биодатчиков на основе энзимов, геносенсоров, иммуносенсоров (рис. 9), [16]. Графен в качестве электрода в иммуносенсоре применяется для регистрации острой почечной недостаточности совместно с другими способами диагностики [17], при этом способ работает более эффективно, быстрее и дешевле традиционных методов. Биосенсоры с графеновыми электродами используют электрохимический подход, в основе которого лежит избирательное взаимодействие электрода с биомолекулами, в результате чего изменяется электропроводность электрода, и соответствующее изменение напряжения фиксируется прибором. В отличие от химических методов определения биомолекул, биосенсоры работают бы6

Graphene MoS2

Рис. 8. Изображение гетерогенной структуры графенMoS2 на гибкой подложке (слева) и зависимость чувствительности сенсора для NO2 (5 ppm) и NH3 (100 ppm) до и после 5000 изгибаний

www.ritm-magazine.ru

Graphene

200 μm

Сенсор на гибкой подложке с графен-MoS2 структурой

Чувствительность (%)

5 μm

до изгибания подложки

4

после 5000 изгибаний

NH3 100 ppm

2 0

NO2 5 ppm

–2 –4 –6 –8

@ 150°C 0

10

20 Время (мин)

30

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

40

41

ОБОРУДОВАНИЕ Глюкоза Многослойные углеродные нанотрубки

Глюконолактон

Графен Наночастицы золота

Рис. 9. Пример обмена зарядами для биосенсоров с электродами на основе графена (более чувствительный вариант) или углеродных нанотрубок и энзима глюкозы для определения уровня глюкозы

стро и в соответствии с «зеленой» технологией, т. е. без загрязнений. Огромная удельная поверхность графена с двухсторонней активностью обеспечивает предельную загрузку образцами биоматериалов для лазерного спектрометра по определению и анализу ДНК. Высокие оптические характеристики графена можно использовать при включении его как сенсора в оптоволоконных рефракционных системах, датчиках давления [18], акустических сенсорах [19], датчиках тока [20]. СЕНСОРНЫЕ ЭКРАНЫ Сенсорные экраны нашли широкое применение в мобильных устройствах (телефоны, планшеты, кассовые аппараты в магазинах и т. д.), обзор приведен в работе [10]. В основном эти приборы используют в качестве сенсора оксиды индия и олова (ITO). Графен с успехом может заменить дорогостоящий материал на основе индия из-за уникальной гибкости и дешевизны. Так, четырехслойное графеновое покрытие на PET-подложке (толщиной 188 мкм) обеспечивает 90% передачу оптического сигнала с минимальным сопротивлением и устойчивостью работы электрода для экрана с диагональю в 760 мм и при снижении напряжения до 6% от номинала [21]. ПОКРЫТИЯ Добавка графена в покрытия (краски, лаки) значительно улучшает такие их свойства: стойкость к УФ-излучению, антикоррозионная устойчивость, стойкость к истиранию, более высокая и длительная устойчивость, защита от проникновения воды, солей, масел и вредных веществ, антиграффити, антибактериальные свойства. Графеновые краски также применимы в качестве эффективных антистатических, защитных и нагревательных покрытий. Большинство улучшений свойств покрытий объясняют гидрофобностью, или низкой смачиваемостью, которую графен придает покрытиям из-за высокого угла смачивания для воды. Однако, по мнению ряда авторов [22, 23], сам графен имеет краевой угол смачивания в диапазоне 60–80 градусов. То есть можно говорить скорее о гидрофильности графена, чем о гидрофобности. Вместе с тем взаимодействие графена с материалом подложки, на которую графен нанесен, и создает усиливающий эффект гидрофобности. Еще больший защитный результат дает совместное использование графена, оксида графена и восстановленного оксида графена.

42

РИТМ машиностроения • № 6 • 2020

В третьей части статьи будут рассмотрены применения графена и его производных для очистки воды, медицины, строительства, 3D-печати и др. Николай Михайлович Максимов e-mail: nikamax@gmail.com

Литература 1. E xperimental Convection Heat Transfer Analysis of a NanoEnhanced Industrial Coolant E. Álvarez-Regueiro, J. Vallejo, J. Fernández-Seara, J. Fernández, L. Lugo, Nanomaterials 2019, 9, 267. http://www.mdpi.com/journal/nanomaterials 2. P. Dong, et al., Graphene on metal grids as the transparent conductive material for dye sensitized solar cell, J. Phys. Chem.

C 118 (2014) 25863–25868.

3. Wang X, Zhi L, Mullen K (2008) Nano Lett 8:323 4. M.D. Bhatt, C. O'Dwyer, Recent progress in theoretical and computational in- vestigations of Li-ion battery materials and electrolytes, Phys. Chem. Chem. Phys. 17 (2015) 4799–4844.

5. J. Liu, et al., Three-dimensional Graphene-based nanocomposites for high energy density Li-ion batteries, J. Mater. (2017), http://dx.doi.org/10.1039/C7TA00448F. 6. G. Wu, et al., High-performance supercapacitors based on electrochemical-induced vertical-aligned carbon nanotubes and polyaniline nanocomposite electrodes, Sci. Rep. 7 (2017) 43676.

7. Aqueous Activated Graphene Dispersions for Deposition of HighSurface Area Supercapacitor Electrodes Vasyl Skrypnychuk, Nicolas Boulanger, Andreas Nordenström, and Alexandr Talyzin* J. Phys. Chem. Lett. 2020, 11, 3032–3038 8. J. Yan, J. Liu, Z. Fan, T. Wei and L. Zhang, High- performance supercapacitor electrodes based on highly corrugated graphene sheets, Carbon, 2012, 50, 2179–2188.

9. J. Yan, Z. Fan, T. Wei, W. Qian, M. Zhang and F. Wei, Fast and reversible surface redox reaction of graphene–MnO2 composites as supercapacitor electrodes, Carbon, 2010, 48, 3825–3833.

10. Jo G, Choe M, Lee S, Park W, Kahng Y-H, Lee T (2012) Nanotechnology 23:112001 11. Subrahmanyam K, Kumar P, Maitra U, Govidaraj A, Hembram K, Waghmare U, Rao C (2011) Proc Natl Acad Sci 108:2674 12. Lee K-J, Chandrakasan A, Kong J (2011) IEEE Electron Device Lett 32:557 13. 2D Materials for Gas Sensing Applications: A Review on Graphene Oxide, MoS2 WS2, M. Donarelli, L. Ottaviano, Sensors 2018, 18 (11), 3638. https://doi.org/10.3390/s18113638.

14. F. Schedin, et al., Detection of individual gas molecules adsorbed on Graphene, Nat. Mater. 6 (2007) 652–655.

15. Zhou, Y.; Liu, G.; Zhu, X.; Guo, Y. Ultrasensitive NO2 gas sensing based on rGO/MoS2 nanocomposite film at low temperature.

Sens. Actuators B- Chem. 2017, 251, 280–290.

16. Y. Song, et al., Recent advances in electrochemical biosensors based on Graphene two-dimensional nanomaterials, Biosens.

Bioelectron. 76 (2016) 195–212.

17. J. Yukird, et al., Label-free immunosensor based on Graphene/ polyaniline nano-composite for neutrophil gelatinase-associated lipocalin detection. Biosens. Bioelectron. 87 (2017) 249–255.

18. J. Ma, W. Jin, H. L. Ho, J. Y. Dai, High-sensitivity fiber-tip pressure sensor with Graphene diaphragm, Opt. Lett. 37 (2012) 2493– 2495.

19. Y. Tan, et al., Optical fiber photoacoustic gas sensor with Graphene nano-me-chanical resonator as the acoustic detector, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, (2016).

20. S.C. Yan, B. C. Zheng, J. H. Chen, F. Xu, Y. Q. Lu, Optical electrical current sensor utilizing a Graphene-microfiber-integrated coil resonator, Appl. Phys. Lett. 107 (2015) 053502–053504.

21. Bae S, Kim Y, Lee Y, Xu X, Park J-S, Zheng Y, Balakrishnan J, Lei T, Kim H, Song Y, Kim Y-LJ, Kim K, Ozyllmaz B, Ahn J-H, Hong B, Iijima S (2010) Nat Nanotechnol 5:574 Bai J, Zong X, Jiang S, Huang Y, Duan X (2010) Nat Nanotechnol 5:190 22. On the mechanism of hydrophilicity of graphene Guo Hong, Yang Han, Thomas M. Schutzius, Yuming Wang, Ying Pan, Ming Hu, Jiansheng Ji, Chander S. Sharma, Ulrich Müller, Dimos Poulikakos. https://arxiv.org/pdf/1608.06628.pdf 23. Supplementary Materials: Nanoscale Correlations of Ice Adhesion Strength and Water Contact Angle, Sigrid Rønneberg, Senbo Xiao, Jianying He, Zhiliang Zhang, Coatings 2020, 10, 379; doi:10.3390/coatings10040379 www.ritm-magazine.ru

ВЫСТАВКИ

www.ritm-magazine.ru

№ 6 • 2020 • РИТМ машиностроения

43