Рассмотрим принципы модернизации литьевого производства (ЛП) изделий из термопластичных полимерных материалов (ТПМ), которые кратко сформулированы в табл. 1.
| No | Принцип |
| 1 | Технологическая подготовка производства перспективных изделий инициирует комплексную модернизацию литьевого производства |
| 2 | «Сценарий» модернизации литьевого производства «сегодня» определяет нашу конкурентоспособность «завтра» |
| 3 | «Модель» литьевого производства задает направление его модернизации |
| 4 | «Стратегия» проектирования и изготовления литьевых форм как ценообразующий фактор |
| 5 | «Сценарий» модернизации литьевого производства должен реализовываться точно и последовательно |
| 6 | «Виртуальная модель литьевого производства» на основе «цифрового макета изделия» необходима для компьютерного моделирования производственного процесса |
| 7 | Управление литьевым производством через «удаленный доступ» – «виртуальная реальность» в действии |
Принцип 1. Технологическая подготовка производства перспективных изделий инициирует комплексную модернизацию литьевого производства
Затраты времени и средств на успешный запуск в производство нового, перспективного изделия зависят от организации технологической подготовки его производства (ТПП). Часто освоение нового изделия совмещают с модернизацией производства. Но если «новое» по своим технико-экономическим параметрам принципиально не отличается от «старого», то ТПП может проводиться по предыдущему образцу. В результате оказывается, что максимум инноваций — это замена старого технологического оборудования на аналогичное новое, т. е. произойдет «клонирование реальности». Перспективные изделия, как правило, изготавливаются из новых материалов и (или) отличаются конструкцией и требуют освоения новых литьевых технологий. Еще лучше, если модернизацию литьевого производства (ЛП) провести совместно с инструментальным производством (ИП) и конструкторско-технологической службой (КТС) предприятия. Квалификация специалистов ИП и КТС, их оснащение оборудованием и программными средствами должны соответствовать технологическому потенциалу ЛП после модернизации, т. е. должно произойти «выравнивание возможностей». Например, приобретение скоростного прецизионного технологического оборудования для ЛП дает прогнозируемый эффект, если будет адекватным технико-экономический уровень литьевых форм, а именно: работа в автоматическом режиме, быстрое и равномерное охлаждение, автоматическое извлечение отливки, наличие горячеканальной литниковой системы, короткий цикл литья. Также необходимо предусмотреть ресурсы в ИП для модернизации старых литьевых форм под новое технологическое оборудование. Если КТС и (или) ИП нет на предприятии или их уровень не полностью реализует возможности ЛП, то необходимо подобрать соответствующих по уровню партнеров (аутсорсинг).
Принцип 2. «Сценарий» модернизации литьевого производства «сегодня» определяет нашу конкурентоспособность «завтра»
Модернизацию литьевого производства можно провести по одному из трех «сценариев», в зависимости от плановой ТПП:
- воспроизводство традиционной ТПП или «клонирование реальности», а фактически — сценарий «прогрессирующего отставания»;
- организация ТПП новых изделий, выпуск которых планируется в течение ближайших 5–10 лет, — сценарий ДиП («Догоним и Перегоним»);
- разработка ТПП перспективных изделий, что позволит сохранить конкурентоспособность предприятия и через 10–15 лет. Этот вариант справедливо назвать сценарием «опережения» или «прогнозирования будущего».
Таким образом, наиболее прогрессивный «сценарий» модернизации подразумевает возможности производства перспективных изделий через 10–15 лет и опережать технико-экономические показатели уже выпускаемой продукции, а инновационность «сценария» модернизации ЛП определяется степенью «революционности» перспективных изделий по сравнению с выпускаемой продукцией.
Принцип 3. «Модель» литьевого производства задает направление его модернизации
Выбранная «модель» ЛП будет влиять, в первую очередь, на параметры закупаемого технологического оборудования и требования к литьевым формам. Предлагаются к рассмотрению 3 модели литьевого производства (по аналогии с Принципом 2):
- модель «вчерашнего дня»;
- модель «завтрашнего дня»;
- модель «будущего».
Модель «вчерашнего дня» характеризуется: полуавтоматическим режимом работы комплекса «ТПА — литьевая форма» и многочисленным низкоквалифицированным персоналом. Поэтому производство отличается сильным негативным влиянием «человеческого фактора».
Модель «завтрашнего дня» стоит на более высокой ступени развития. Ее признаками служат автоматизированная работа комплекса «ТПА — литьевая форма», минимальное количество технического персонала, но высококвалифицированного и высокооплачиваемого.
Модель «будущего» подразумевает полную автоматизацию и роботизацию производства («цех-автомат»), функционирующего по принципу «безлюдной технологии».
Принцип 4. «Стратегия» проектирования и изготовления литьевых форм, как ценообразующий фактор
При желании можно выделить три экономические «стратегии» проектирования и изготовления литьевых форм:
- по минимальным первичным вложениям в литьевые формы в ИП;
- по минимальной трудоемкости изготовления литьевых форм в ИП;
- по заданной себестоимости изготовления изделий из ТПМ в ЛП.
Выбранная стратегия изготовления литьевых форм влияет на их стоимость, трудоемкость изготовления, ремонтопригодность и трудоемкость ремонта при эксплуатации, межремонтные интервалы и, в конечном счете, на себестоимость изготовления изделий из ТПМ. Рассмотрим эти стратегии по порядку.
1) Минимальные первичные вложения в литьевую форму
Типичными признаками данной стратегии являются минимальное количество покупных стандартных деталей для литьевых форм и максимальное количество деталей, изготавливаемых самостоятельно, по собственным чертежам. Формообразующие детали (ФОД) обычно изготавливаются из монолитной плиты из дешевых марок сталей в состоянии поставки (без термообработки), а форма имеет минимальное количество гнезд, обеспечивающее программу выпуска. Литниковая система у такой формы, как правило, холодноканальная (ХКС) или самодельная горячеканальная (ГКС), система охлаждения — упрощенная (можно сказать — условная).
Результатами такого подхода являются высокая вероятность выхода литьевой формы из строя, низкая ремонтопригодность формы, а также высокая трудоемкость как ее изготовления так и ремонта.
2) Минимальная трудоемкость изготовления литьевой формы
Данная стратегия характерна для реализации задачи «ИП как бизнес-проект», т. е. предприятие, помимо своей основной задачи — производства изделий из ТПМ, строит свой бизнес также на производстве литьевых форм.
Известно, что ФОД в структуре литьевой формы по цене составляют не менее 50 %, а стоимость стандартных покупных деталей составляет около 25 % от стоимости формы, а с учетом доработки их по чертежам — не более 45 %. Количество стандартных покупных деталей в конструкции литьевой формы может доходить до 95 %. Все стандартные покупные детали взаимозаменяемы. ФОД целесообразно изготавливать в виде вставок в обойму пуансона и (или) матрицы. В этом случае применяются заготовки из специальных сталей с требуемой твердостью рабочих поверхностей (проводится термообработка или выбирается предварительно закаленная сталь в состоянии поставки). В конечном счете, при таком подходе эффективность ИП оценивается по интегральному показателю — стоимости выпущенной продукции (руб.) с единицы площади (м2) в единицу времени (рабочая смена) на одного специалиста.
Типичными результатами такой стратегии являются:
- низкая трудоемкость изготовления литьевых форм, что ведет к увеличению производительности труда на одного работника, росту прибыли и, в конечном итоге, к развитию ИП;
- минимальное количество металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ;
- минимум персонала в ИП (персонал — только высокой квалификации);
- высокая ремонтопригодность литьевых форм;
- минимальная трудоемкость ремонта литьевых форм и увеличенные межремонтные интервалы.
3) Заданная себестоимость изделий из ТПМ
Данная стратегия характерна для реализации задачи «ЛП как бизнес-проект», т. е. предприятие строит свой основной бизнес на производстве изделий из ТПМ литьем под давлением, что, впрочем, не отрицает одновременной реализации предыдущей стратегии («минимальная трудоемкость изготовления литьевой формы»), но при наличии развитого ИП. Расчет себестоимости литьевых изделий приведен во вставке в статью.
Принцип 5. «Сценарий» модернизации ЛП должен реализовываться точно и последовательно
Типовой поэтапный порядок реализации любого «сценария» модернизации ЛП, выбранного из приведенных в разд. 2, представлен в табл. 2, а далее приведено более подробное описание этих этапов.
| No этапа | Содержание этапа |
| 1 | Оценка «исходных данных» и выбор «модели литьевого производства» |
| 2 | Разработка тз на литьевые формы и оборудование |
| 3 | Изготовление литьевых форм и приобретение технологического оборудования |
| 4 | Подготовка кадров |
| 5 | Внедрение технологического оборудования и литьевых форм. Эталонирование деталей и техпроцессов |
Этап 1. Оценка «исходных данных» и выбор «модели литьевого производства»
На первом этапе модернизации ЛП предполагается определиться с объектом производства на основе классификации литьевых изделий по «номенклатуре» и «программе производства» (табл. 3), выбрать «модель» литьевого производства (см. Принцип 3) и сформулировать «стратегию» создания литьевых форм (см. Принцип 4).
Марочный ассортимент перерабатываемых ПМ влияет, главным образом, на последующий выбор технологического оборудования, конструктивного исполнения литьевых форм и материалов для ФОД и ГКС (см. табл. 3).
| Критерий классификации | Вид изделия | Примечание |
| 1. Назначение | 1.1. Общетехнического назначения. 1.2. Инженерно-технического назначения. 1.3. Конструкционного назначения. 1.4. Специального назначения (оптического назначения, с высокой размерной точностью, с повышенной тепло-, термо-, износо-, химической стойкостью и др.). | Влияет на предварительный выбор типа ТПМ (крупнотоннажный, инженерно-технический, конструкционный, суперконструкционный, …) |
| 2. Тип ТПМ | 2.1. Из аморфного или частично кристаллического тпМ. 2.2. С наполнителем или без наполнителя. 2.3. С агрессивным и (или) абразивным воздействием на ФОД формы и шнековую пару ТПА или без него. 2.4. С низкой, средней или высокой температурой переработки. 2.5. Цветное или бесцветное. 2.6. Прозрачное или непрозрачное. … | Влияет на окончательный выбор конкретного ТПМ и, как следствие, на выбор технологических параметров процесса литья под давлением и материала ФОД литьевых форм |
| 2. Геометрия (длина, ширина, высота, толщина стенки – минимальная и максимальная) | 2.1. Крупногабаритное (размеры в плане более 400×600 мм). 2.2. Микроизделие (максимальный размер – до 5 мм, масса – менее 1 г); 2.3. тонкостенное (толщина стенки менее 1,0 мм). 2.4. толстостенное (толщина стенки более 5 мм). | Влияет на выбор типоразмеров основного и периферийного оборудования, габаритов литьевых форм, литниковой системы и системы охлаждения |
| 3. Особенности конструкции | 3.1. С поднутрениями. 3.2. С тиснениями на поверхности. 3.3. С закладными элементами. 3.4. С вертикальными стенками. … | Влияют на кинематику литьевой формы, количество плоскостей разъема, принцип извлечения отливки из формы (прямое или обратное) и др. |
| 4. Состав и структура ТПМ | 4.1. Многокомпонентное (в том, числе «твердое/мягкое», многоцветное). 4.2. Вспененное. 4.3. Прозрачное или непрозрачное. … | Влияет на технологию литья (литье с газом и MuCell-литье, со сборкой в форме, горячеканальное, тонкостенное, прецизионное литье, литье оптических изделий и (или) микролитье, IML/IMD-литье, MIM/CIM (PIM)-литье и др.) |
| 5. Серийность производства (программа выпуска) | 5.1. Единичного производства или «пилотной» партии (программа выпуска – 100±50 шт./год). 5.2. Опытной серии (500, 1000, 2000 шт./год). 5.3. Мелкосерийного производства (от 5000 до 100 000 шт./год). 5.4. среднесерийного производства (от 300 000 до 500 000 шт./год). 5.5. Крупносерийного производства (от 1 до 5 млн шт./год). 5.6. Массового производства (более 1 млн шт./мес). | Влияет на количество единиц технологического оборудования, на требуемый срок службы литьевых форм и, соответственно, на выбор материалов для изготовления ФОД форм и способа их обработки |
Затем на этапе 1 пошаговой реализации Принципа 5 выбирается «модель» ЛП — «вчерашнего дня», «завтрашнего дня» или «будущего» (см. Принцип 3), которая влияет на параметры закупаемого технологического оборудования и требования к литьевым формам (сам автор «голосует» за 3-й вариант модели), и наконец, определяется «стратегия» (критерий) создания литьевых форм — по минимальным первичным вложениям в литьевые формы, по минимальной трудоемкости их изготовления или по заданной себестоимости изготовления изделий (см. Принцип 4).
Этап 2. Разработка ТЗ на литьевые формы и оборудование
На 2-м этапе модернизации ЛП для составления ТЗ на литьевые формы определяются:
а) По себестоимости изделия (руб./изд.) и программе его выпуска (шт./мес. или шт./год):
- оптимальная гнездность литьевой формы;
- материалы для ФОД и метод их термообработки;
- тип литниковой системы (холодноканальная, ГКС, комбинированная);
- режим работы литьевой формы (полуавтоматический или автоматический);
б) По геометрии изделия и программе его выпуска:
- кинематика литьевой формы;
- способ извлечения отливки;
- трассировка каналов системы охлаждения;
- габариты ФОД;
- габариты литьевой формы.
Затем — с учетом типа ТПМ и конструкции ФОД — определяется расчетная усадка изделия по осям X, Y, Z, пересчитываются размеры формующей полости, выбираются материалы для ФОД и метод их термообработки, после чего проводится оптимизация системы термостатирования (охлаждения) и литниковой системы.
На основании выбранной технологии литья, программы выпуска и ТЗ на литьевые формы рассчитываются машинные параметры оборудования для литьевого и инструментального производства, а также требуемое количество единиц технологического оборудования.
В заключение этапа 2 составляются ТЗ:
- на технологическое оборудование, где указываются его типоразмер и количество;
- на закупку ТПА и периферийного оборудования;
- на закупку станков и инструмента для инструментального производства.
Этап 3. Изготовление литьевых форм и приобретение технологического оборудования
На данном этапе необходимо учесть, что графики изготовления литьевых форм и поставки технологического оборудования должны быть синхронизированы, поскольку литьевые формы проходят приемо-сдаточные испытания к моменту шеф-монтажа технологического оборудования.
Этап 4. Подготовка кадров
Ко времени основных инвестиций в ТПП при модернизации ЛП необходимо иметь налаженную систему подготовки кадров (конструкторов, технологов, операторов технологического оборудования) — как первичную (в высших и средних специальных учебных заведениях), так и систему послевузовского образования (факультеты повышения квалификации и переподготовки кадров). Многоуровневая система подготовки кадров минимизирует риски «отрицательной модернизации», т. е. превращения ЛП в «склад» дорогого металла и электроники.
Этап 5. Внедрение оборудования, оснастки и технологии. Эталонирование изделий и техпроцессов
На заключительном этапе модернизации ЛП проводятся:
- закупка, шеф-монтаж и запуск технологического оборудования;
- приемо-сдаточные испытания литьевых форм [1] и технологического оборудования, а также обучение специалистов непосредственно на производстве;
- выпуск опытной партии изделий, отработка системы контроля качества;
- эталонирование изделий и техпроцессов.
Принцип 6. «Виртуальная модель литьевого производства» на основе «цифрового макета изделия» необходима для компьютерного моделирования производственного процесса
Компьютерное моделирование производственных процессов проводится без привлечения ресурсов реального оборудования и основано на том, что отклонение параметров реального технологического процесса от его 3D-модели формирует управляющий корректирующий сигнал. При этом цифровой макет изделия (ЦМИ) должен определять не только 3D-модель изделия, но и внутреннюю структуру материала, а также учитывать процесс изготовления изделия. При разработке технологических процессов должны создаваться параметрические и ассоциативные связи для обеспечения автоматического изменения параметров при внесении изменения в ЦМИ. Более подробно эта тема описана в статье [2].
Принцип 7. Управление литьевым производством через «удаленный доступ» — «виртуальная реальность» в действии
Производство будущего должно в полной мере освоить следующие передовые технологии ТПП:
- аддитивные технологии (АТ) для «сжатия времени» в ТПП (см. также [3]);
- «робастные» (помехоустойчивые) технологические процессы производства деталей для минимизации брака;
- роботизацию техпроцессов для устранения «человеческого фактора» и перехода к «цифровому производству»;
- PLM-технологии (Product Lifecycle Management) управления ТПП и их производством для оптимизации себестоимости продукции;
- технологии, основанные на принципах 4-й промышленной революции Industry.4 (более подробно см. в [4]).
Заключение
Модернизация реального производства изделий из ТПМ литьем под давлением обычно проводится быстро, а зачастую и неожиданно. Внедрение «цифрового производства» в повседневную практику обеспечит выпуск новых изделий с оптимизацией сроков ТПП и затрат. Чтобы средства на модернизацию производства не были «выброшены на ветер» (из-за нехватки «фантазии» у менеджеров по развитию), в данной статье сформулированы принципы, которые помогут руководителям предприятий оценить план мероприятий до начала его реализации и успеть внести в него, при необходимости, изменения.
Автор понимает дискуссионность выдвинутых в статье тезисов и предложений и был бы рад продолжению этой актуальной темы на страницах журнала.
Литература
- Дувидзон В. Г. Приемосдаточные испытания литьевых форм и законы Мерфи // Полимерные материалы. 2013. No 10. С. 6–11.
- Яблочников Е. И., Смирнов П. В., Воробьев А. С. Применение систем виртуального моделирования для разработки технологических процессов корпусирования электронных компонентов // Известия вузов. Приборостроение. 2014. Т. 57. No 8. С. 33–36.
- Бояринцев А. В., Дувидзон В. Г., Подсобляев Д. С. Быстрое изготовление пилотных серий деталей из термопластичных полимерных материалов // Полимерные материалы. 2013. No 6. С. 4–9.
- Энгледер Ш., Диммлер Г. Что такое Industry 4.0 для производителя литьевых машин // Полимерные материалы. 2016. No 2. С. 28–31.
The Principles of Modernization of Injection Moulding Production of Plastic Parts
V. G. Duvidzon
The subject of a modernization of production is actual for the Russian enterprises for producing of plastic parts by injection moulding. The purpose of this article is the formulation of the basic principles of complex and effective modernization of production.
