Применение технологий искусственного интеллекта на мировом рынке никеля
07.12.2017
4-5 декабря в Москве, в Государственном университете управления прошла 1-я Международная научно-практическая конференция "Шаг в будущее: цифровая экономика и искусственный интеллект". В рамках конференции состоялись выступления ее участников, которые составили сборник трудов конференции. Вашему вниманию - статья М.Ю.Антропова, аспиранта ГУУ "Применение технологий искусственного интеллекта на мировом рынке никеля".
Применение технологий искусственного интеллекта на мировом рынке никеля
Аннотация. Целью исследования является анализ аддитивных технологий на основе порошковой металлургии. Рассматриваются технологии 3D-печати на основе металлопорошков при помощи АМ-машин с применением никеля. Результатом исследования является анализ основных перспективных направлений использования технологий искусственного интеллекта в металлургии. В заключении автор предлагает совершенствовать методы по стандартизации исходных материалов для аддитивных технологий в металлургии.
Ключевые слова: искусственный интеллект, аддитивные технологии, порошковая металлургия, 3d-принтеры, никель.
Широкое развитие технологий искусственного интеллекта в настоящее время связано с четвертой индустриальной революцией, которая оказывает влияние на мировое хозяйство в целом, в том числе и на металлургию. Металлургические компании активно внедряют информационные системы, направленные на повышение эффективности производства. С помощью новых технологий производства можно рассчитать, например, отклонения от нормы расходов материала или общее количество потребляемого сырья.
Распространение технологий 3D-печати находит свое применение в развитых странах мира, но на данное время не может полностью конкурировать с традиционными методами обработки металлов в силу высокой стоимости металлических порошков, требований к диаметру используемых частиц, ожидаемого качества готовой продукции. Аддитивные технологии стремительно развиваются, заставляя двигаться вперед порошковую металлургию. Поэтому она непрерывно эволюционирует наряду с другими отраслями промышленности. Появляются как крупные, так и малые заводы, связывающие свою деятельность с применением в производстве технологий искусственного интеллекта. Аддитивные технологии все больше внедряются в производство металлургических компаний, развивается порошковая металлургия при участии АМ-машин.
Аддитивный (англ. – Additive Fabrication или Additive Manufacturing (АF и АМ); в переводе – «добавочный») метод отличается от традиционного послойным построением модели. Для этого каждый слой материала изделия закрепляется после предыдущего и соединяется между собой путем спекания, полимеризации или плавления. Концепция существования и применения аддитивных технологий строится на цифровых технологиях, где основную роль играет построение компьютерной модели изготавливаемого изделия (CAD-модель). Все стадии получения изделия из необходимого материала находятся в единой технологической цепочке и реализуются последовательно от зарождения идеи до получения готовой продукции [1].
В настоящее время все больше внедряется использование технологии печатания изделий из металла при помощи 3D-принтеров на основе 3D-моделей. Особо ускоренными темпами развивается порошковая металлургия, где одним из основных используемых металлов является никель. Сами порошки представляют собой шаровидные сыпучие материалы из металла диаметром частиц до 1 мм. Строгих и общих требований к металлическим порошкам нет, однако компании-производители АМ-машин заранее заявляют перечень материалов, с которыми будут работать. Это связано с тем, что разные машины предназначены для порошков определенного состава. Величина диаметра частиц, предполагаемых для использования, также влияет на работу АМ-машин.
Никель является одним из основных компонентов, используемых в порошковой металлургии. С его помощью создаются порошки с применением других металлов (медь, титан и др.), необходимых для получения определенного эффекта. Компании стараются закупать порошок у одного производителя, поскольку никто не гарантирует что, приобретя материал одного производителя и добавив к этому количеству такой же материал другого производителя, в конечном итоге получится изделие одинакового качества. На наш взгляд, необходимо совершенствовать методы по стандартизации исходных материалов для аддитивных технологий в металлургии. К примеру, в США существует специальный институт NIST (National Institute of Standarts and Technology), контролирующий ключевые аспекты стандартизации использования материалов в аддитивных технологиях [3].
Выделяются общие требования к металлическим порошкам: шаровидная форма композитного материала, необходимого для использования при помощи аддитивных технологий. В таком случае частицы более плотно прилегают друг к другу, а в процессе сцепляются с минимальным сопротивлением. Также существует общее требование к машинам, используемым для работы с металлическими порошками: соблюдение техники безопасности, наличие противопожарной системы и системы предупреждения возгораний.
В основном, АМ-машины для порошковых металлов основаны на процессах лазерного синтеза. Лазер сплавляет частицы порошка друг с другом, формируя тело детали. Очевидно, что чем меньше размер диаметра используемых частиц, тем лучше произойдет сцепление. При работе лазера, однако, используется большой одномоментный объем энергии, металл плавится, кипит, частицы расплава разбрызгиваются, материал частично портится. Со стороны это выглядит как образование искр. Если используемый порошок слишком мелкий (например, диаметром <10 мкм) то при работе лазера некоторые частицы будут вылетать, что приведет к появлению шероховатости детали. Учитывается и тот момент, что при плавлении лазером некоторые частицы вылетают и могут сцепиться с уже сплавленными участками поверхности детали, внутри камеры, где происходит работа, создается направленный поток воздуха, похожий на «ветер». С его помощью, частицы, вылетающие при работе лазера, сдуваются в сторону.
Изделия из металлических порошков применяются в мировой энергетике, авиа- и судостроении, военной, космической технике. Например, что касается никелевых порошков, то его компоненты находят свое применение в производстве магнитов (Al-Ni-Co), режущих инструментов (Сu-Mn-Ni), сплавах для пайки (Ni-Ti-Si-B), структурных компонентах и покрытиях (Ni-алюмиды), катализаторах (Ni-Ce), порошках для плазменного напыления (Ni-Cr-Fe-Si-B), антикоррозионных покрытиях (Ni-Cr-Mo-B), топливных элементах (Ni-лантаноиды), MIM-технологиях (нержавеющая сталь 304/316).
На мировом рынке аддитивных технологий происходят существенные изменения. В частности, наблюдается процесс кооперации: происходит слияние и поглощение компаний-производителей АМ-машин. По всему миру образуется сеть оказания услуг на глобальном уровне, ввиду объединения центров оказания услуг в области аддитивных технологий. Изменения связаны также и с процессом специализации, когда компании развивают наиболее конкурентоспособные направления, сворачивая свой бизнес в малодоходных для них областях. Аналогичные процессы наблюдаются также в сфере разработки, производства и поставок модельных материалов. Отдельные компании-производители металлических порошков уже выделяют в отдельный сегмент производство металлопорошков для аддитивных технологий (например Sandwik Osprey, LPW Technology, Raymor Industries Inc.).
Говоря о производстве российских металлических порошков для аддитивных технологий, следует отметить, что лишь их малая часть производится в России, а большая закупается за рубежом, что наглядно подтверждает неразвитость отечественного рынка аддитивных технологий.
Автоматизация и роботизация производства расширяют свой спектр действий, но на современном этапе не обойтись и без участия человеческого труда. Представляется возможным заменить человека в работе с опасными операциями, которые будут делать роботы, так как требования к технике безопасности и здоровья персонала на металлургических предприятиях весьма высоки. Все также будут востребованы инженеры-металлурги, но со знанием не только теоретических основ процесса, но и четким пониманием бизнес-системы, а также инженеры-программисты – создатели того самого искусственного интеллекта, который будет управлять всеми процессами идеального завода.
Материаловедение как фундаментальное знание будет переходить на глобальную интернет-платформу, так же, как и трейдинг, управление поставками, финансами. Необходимо отметить, что службы персонала не только не потеряют своей значимости, но, напротив, будут одним из ключевых факторов успешного бизнеса в перспективе.
Уровень роботизации в мировой металлургии намного меньше, чем в других отраслях производства. В автомобилестроении, к примеру, использование роботов растет умеренными темпами. На сегодняшний день роботы применяются в черной металлургии для отбора проб жидкой стали, контроля ее уровня, замера температуры в плавильнях, а также при скачивании шлака и для нанесения и снятия огнеупорных покрытий. Небольшая доля робототехники используется в цветной металлургии и литейной промышленности. Например, компания «Уралэлектромедь», которая является одной из ведущих в Европе и единственной в России по производству медных электролитических порошков, планирует в ближайшее время установить в цехе электролиза новую машину, которая будет осуществлять промывку медных катодов, их сдирку, пакетирование с обвязкой стальной лентой. Ее производительность будет на 40% выше по сравнению с имеющимся оборудованием [2].
Новые технологии, основанные на порошковой металлургии (3D, 4D, MIM) и позволяющие «выращивать» и спекать порошки разных сплавов с добавлением композитных материалов, открывают новые области применения для таких материалов, изменяют собственно процесс производства, позволяют снижать затраты на производство и доставку. В обозримой перспективе – использование искусственного интеллекта в управлении технологией, установка датчиков и получение информации о состоянии процесса и оборудования, что даст повышение эффективности.
Еще одной интересной тенденцией в металлургии можно выделить создание установок, функционирующих на основе концепции бесслитковой (бесконечной) прокатки, предложенной в XIX веке английским инженером Г.Бессемером. В России данный процесс испытывался еще в 1938 г. на заводе «Серп и молот» в Москве. На сегодня установок бесслитковой прокатки в черной металлургии мира не так уж много: их количество, скорее всего, не превышает двух-трех десятков. В алюминиевой промышленности эта технология почти не распространена, но в 2015 г. компания Alcoa объявила о разработке и коммерциализации технологии Micromill (в данном случае речь идет о технологии бесслитковой прокатки).
В настоящее время металлургические компании внедряют ERP-системы, предназначенные для автоматизации управления производственными и финансовыми потоками, складскими запасами и получения информации об их динамике с различной степенью охвата и глубиной проникновения. Они позволяют значительно ускорить сбор и анализ данных, оценку потенциальных рисков, принятие решений, сократив одновременно количество персонала. Без проблем и сложностей не обходится, однако этот процесс неумолимо идет вперед.
В целом, применение аддитивных технологий в металлургии положительно влияет на процесс производства, а именно:
• производство деталей при помощи 3D-принтеров протекает намного быстрее, нежели производство традиционными методами;
• уменьшается разрыв между конструкторской идеей и созданием готовой продукции;
• изменяются также и концепции промышленного производства путем создания мини-заводов с аддитивной машиной, производящей
необходимые изделия по мере необходимости;
• хранение данных в цифровом виде, необходимых для запуска производства;
• возможность корректировки модели на любом этапе CAD-файла;
• в силу постоянных изменений и внедрения инноваций на мировом рынке металлов, аддитивные технологии имеют свойство быстрого
адаптирования к условиям.
Очевидно, что 3D-печать из металлов имеет большой потенциал для процесса производства, что существенно упрощает отношения производителей и потребителей. Тем не менее, трехмерная печать с помощью «неметаллов» может способствовать замене материалов из металлов и оказывать негативное влияние на металлургическую отрасль.
В настоящее время металлическая трехмерная печать демонстрирует серьезные перспективы для металлургических компаний и потребителей, но аддитивные технологии являются дорогостоящими и не охватывают такой масштаб, который необходим для массового производства. В результате металлическая трехмерная печать в основном ограничивается прототипированием для промышленного дизайна и высококачественным, ндивидуальным, мелкосерийным производством для таких отраслей, как здравоохранение и аэрокосмическая промышленность. Если аддитивные технологии станут более экономичными и эффективными, будут доступны новые возможности для горнодобывающих и металлургических компаний использовать эти технологии в производстве [4].
Компании с небольшим производством металлов могут использовать рынок 3D-печати для продажи новых продуктов, таких, как материалы для 3D-печати (например, из серебра, титана или стального порошка). По мере того, как технологии улучшаются и снижаются затраты, горнодобывающие и металлургические компании могут рассматривать возможность продажи сырья либо в качестве поставок в компании по производству 3D-принтеров, либо непосредственно для клиентов и потребителей. Таким образом, они могут стать интегрированными компаниями по производству металлов и 3D-печати.
В то же время, с совершенствованием 3D-печати, в горнодобывающей и металлургической промышленности будет ожидаться увеличение замещения материалов для 3D-принтеров, способных использовать другие материалы помимо металлов. В настоящее время пластмассы, полимеры, углеродное волокно и другие заменители металлов используются в проектировании и на ранних стадиях производства. Поскольку молекулярные характеристики делают их более легкими для работы при низких температурах, чем металлы, они представляют собой серьезную конкуренцию.
Литература
1. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. – М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. – 220 с.
2. Порошковая металлургия // АО Уралэлектромедь URL: (дата
обращения: 30.10.2017).
3. Никель: Металлические порошки для аддитивных технологий от российского производителя // Металлургический бюллетень URL:
(дата обращения: 30.10.2017).
4. Четвертая индустриальная революция и металлургия: мнение профессионалов // URL:
(дата обращения: 30.10.2017).
+ +
