Создание инженерного образца высокотехнологичного продукта

Ввиду стремительного развития технологий, средств разработки и переориентирования промышленности и производства па высокотехнологичные отрасли и инновационное развитие одной из главных задач становится создание инженерных образцов продукции для проведения теетирования, апробации и ее дальнейшей коммерциализации. Довольно часто из-за высокого уровня конкуренции разработки в высокотехнологичных отраслях базируются па достаточно повой модели — модели i2i (innovation to innovation) — когда на базе уже существующей инновационной технологии или продукта разрабатываются новая инновационная технология или продукт. Это требует от разработчиков оперативного изготовления прототипов будущего продукта и его дальнейшей апробации. Далее мы рассмотрим принципы работы модели i2i на практике, основные вопросы, с которыми сталкиваются разработчики при создании прототипа, современные технологии виртуальной разработки и анализа с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР), технологии ЗО-прототипирования и функционирование центров прототипирования — фаблабов.

Создание инженерного образца — зачем это нужно? Технологии прототипирования

Когда мы говорим о разработке новых решений, приложений и технологий, мы в любом случае говорим о том, что требуется показать самим себе и окружающим основные параметры и функции разработки, доказать и подтвердить ее преимущества, а также провести ее первоначальное тестирование. В целом нужно отталкиваться от принятых этапов НИОКР, результатом которых в основной своей массе и должны становиться новые инновационные продукты. Выделяют следующие типовые этапы НИОКР:

  • исследование:
    • а) проведение исследования, разработка технического предложения;
    • б) разработка технического задания на опытпо-копструктор- скис работы;
  • разработка:
    • а) разработка эскизного проекта;
    • б) разработка технического проекта;
    • в) разработка рабочей конструкторской документации на изготовление опытного образца;
    • г) изготовление опытного образца;
    • д) проведение испытаний опытного образца;
    • е) отработка документации;
    • ж) утверждение рабочей конструкторской документации для организации промышленного (серийного) производства изделий;
  • поставка продукции на производство и эксплуатация:
    • а) корректировка конструкторской документации по выявленным скрытым недостаткам;
  • б) разработка эксплуатационной документации;
  • ремонт (разработка рабочей конструкторской документации па проведение ремонтных работ);
  • снятие с производства (разработка рабочей конструкторской документации на утилизацию).

Одними из ключевых этапов разработки нового изделия являются этапы изготовления опытного образца и проведения его испытаний, которые влияют на дальнейшее развитие событий. На сегодняшний день «изготовление» и испытание могут выполняться виртуально. Системы виртуальной реальности позволяют увидеть будущий продукт, оценить его характеристики и провести апробацию его использования. Системы виртуальной реальности также позволяют значительно сэкономить требуемое пространство, предназначенное для работы с продуктом (если размеры разрабатываемого продукта значительны). Технологии виртуального прототипирования применительно к промышленному использованию начали формироваться на рубеже 1980— 1990-х гг. и с тех пор уже заняли определенные рыночные ниши. Их популярность была обусловлена возможностью существенного сокращения как расходов, так и сроков создания копкурепт- носпособной продукции.

Одной из первых, применивших технологию виртуального прототипирования в производстве и получившая при этом огромную экономию средств в процессе разработки новых автомобилей стала компания General Motors (1994). Сегодня многие автомобильные компании имеют центры виртуального прототипирования по всему миру.

Довольно часто данные технологии реализуются на программно-аппаратных платформах типа CAVE 3D (Computer Aided Virtual Environment) в сочетании технологий трехмерного моделирования. Наиболее продвинутые системы CAVE 3D могут иметь шесть экранов, которые замыкают виртуальное пространство в виде куба с высотой до 3,5 метров. Зачастую ввиду сложности и стоимости изготовления опытных образцов в некоторых отраслях проводят виртуальные испытания продукции с использованием средств автоматизированного проектирования (САПР) и анализа математических моделей продукции, которые позволяют отследить характеристики продукции. Концепция виртуального прототипирования дает возможность исследователям па ранних стадиях анализировать параметры создаваемого изделия (например, дизайн форм и частей в масштабе 1:1, эргономику, технологию изготовления и логистику производственного процесса). Возможности систем виртуального прототипирования существенно расширяются при использовании технологий дополненной реальности и гибридных моделей (с использованием реальных образцов продукции и дальнейшего анализа и доработки в виртуальной среде).

Однако планируемые показатели могут не совпадать с показателями продукции после ее выпуска, поскольку учесть влияние всех факторов внешней среды невозможно. Именно поэтому стоит говорить о необходимости изготовления того самого инженерного образца, который должен дать разработчику уверенность в правильности своих действий.

Раньше, когда речь шла о создании прототипов систем, их изготовление чаще всего осуществлялось вручную и, говоря о высокотехнологичных продуктах и отраслях, представляло собой собственноручно сделанные платы, напаянные электронные компоненты изделий и т.д. По большей части это было обусловлено тем, что промышленные предприятия не брались за изготовление штучной продукции, либо это соответствующие работы были неоправданно дорогими для разработчика.

Когда речь идет о выпуске электроники и электронной продукции, немаловажной составляющей является внешний вид устройства, а именно его корпус. Как и в прошлом, сегодня разработка узлов систем, электронных блоков и модулей зачастую ведется под конкретные уже имеющиеся корпусные изделия, что позволяет избежать затрат на индивидуальное изготовление корпусов, но при этом ограничивает разработчиков в пространстве и зачастую в реализации каких-то дополнительных функциональных или управляющих элементов разрабатываемых изделий.

В паши дни появилась возможность штучного изготовления собственных корпусных изделий, что позволяет разработчикам и специалистам по маркетингу индивидуализировать свои продукты и проводить маркетинговый анализ уже с использованием изготовленных опытных образцов продукции.

Тенденции к индивидуализации продуктов появились довольно давно, но представлялись непозволительной роскошью для основной массы потребителей на рынке. Сегодня ситуация меняется: каждый получает возможность выбрать собственный дизайн продукта и получить его за относительно короткий промежуток времени. Современные тренды развития информационных технологий дают все основания полагать, что с технологическим развитием производства в скором времени каждый сможет получить тот или иной продукт (мобильный телефон, компьютер и т.д.), соответствующий собственным индивидуальным предпочтениям. Уже сейчас компания Qualcomm выпустила собственный набор для разработки и сборки индивидуального мобильного телефона.

Пока ориентация идет скорее на разработчиков, нежели на конечных пользователей, но это один из многих показательных примеров индивидуализации разработок и производства высокотехнологичной продукции.

В условиях функционирования малого инновационного предприятия имеет смысл рассмотреть варианты создания опытных образцов (инженерных образцов) изделий на практике.

В современных условиях одним из ключевых конкурентных преимуществ в области высоких технологий является время. Стремительное развитие технологий, появление новых продуктов требует от разработчиков постоянного «обновления» и аналогичной скорости разработки новых продуктов. Довольно часто временным коридором для разработки прототипа изделия определяют один квартал (иногда несколько кварталов). Этого времени достаточно для того, чтобы убедиться в реализуемости предлагаемого решения и для первичного анализа рынка.

Мы знаем, что разрабатываемый продукт состоит из трех ключевых элементов — корпуса изделия, его внутренней части (печатных плат, электронных компонентов, микроконтроллера и т.д.) и программного обеспечения верхнего (для персональных компьютеров) и нижнего (для микроконтроллеров непосредственно внутри самого изделия) уровней, обеспечивающего работу продукта.

Разработка программного обеспечения нижнего и верхнего уровней может вестись параллельно с изготовлением внутренней части и корпуса изделия. Разработчики продукта на начальном этапе разработки должны определиться с центральной частью изделия — микроконтроллером, что сразу определит возможности и специфику разработки программного обеспечения нижнего уровня для программистов. На рынке существует множество решений, которые совместно с микроконтроллерами включают и специализированные студии разработчиков, что значительно ускоряет и упрощает процесс разработки программного обеспечения нижнего уровня.

Разработка внутренней части изделия имеет несколько стадий: согласно требованиям к изделию специалисты разрабатывают функциональную схему, а далее подбирают электронные компоненты, которые будут использоваться в нем, разрабатывают принципиальную электрическую схему. Дальнейшая работа заключается в подготовке основного плацдарма для электронных компонентов — печатной платы. Именно печатная плата и размеры электронных компонентов определяют габариты изделия, под которые впоследствии по технологии быстрого прототипирования разрабатывается корпус для изделия.

Быстрое прототипирование — это быстрое создание опытных образцов или работающей модели системы для демонстрации заказчику или проверки возможности реализации.

Примерно с начала 1980-х гг. начали интенсивно развиваться технологии формирования трехмерных объектов не путем удаления материала (точение, фрезерование) или изменения формы заготовки (ковка, штамповка, прессовка), а путем постепенного наращивания (добавления) материала или изменения состояния вещества в заданной области пространства. На данный момент значительного прогресса достигли технологии послойного формирования трехмерных объектов по их моделям, изготовленным с использованием специализированного программного обеспечения.

Объемное прототипирование изделий выполняется путем послойного наращивания материала, из которого состоит модель, до образования единого целого — готового изделия. Особенность технологии снимает все ограничения на внутреннюю структуру получаемой модели. В процессе создания модели все внутренние компоненты, в том числе и подвижные, оказываются размещенными согласно разработанной компьютерной модели.

Быстрое прототипирование как технология включает два этапа работы. Оно начинается с создания математической (графической) модели изделия с использованием доступного программного обеспечения трехмерного моделирования, которое позволяет сохранить модель в одном из распространенных форматов *.3ds, *.stl, *.wrl и др.

После создания модели происходит ее «печать» с использованием специализированного ЗО-принтера. Существуют следующие технологии изготовления прототипов: стереолитография (STL), отвердение на твердом основании, нанесение термопластов, распыление термопластов, лазерное спекание порошков, моделирование при помощи склейки, технология многосопельного моделирования. Основные отличия технологий заключаются в способе нанесения и типах используемых материалов.

Стереолитография является самым распространенным способом изготовления прототипа заданного изделия ввиду достаточно низкой стоимости готового изделия. Метод основан на послойном нанесении и затвердевании жидкого фотополимера, который является основой полученной модели. Готовое изделие обладает достаточной твердостью, жесткостью, устойчивостью к воздействию механических нагрузок. Полимерная основа прекрасно склеивается, легко окрашивается и поддается несложной механической обработке. Однако основным недостатком данного метода является высокая хрупкость изделий.

Селективное лазерное спекание в качестве рабочего инструмента использует лазерный луч, последовательно спекающий порошковый материал по контуру каждого слоя. Порошковой основой могут выступать полимеры, керамика или металлический порошок. Тонкий слой порошкового сырья укладывается на рабочую поверхность, а затем луч лазера спекает его в нужных местах. Быстрое прототипирование металлических изделий возможно только с использованием данного метода.

Нанесение термопластов позволяет получить модель путем послойного наложения па контур создаваемого изделия восковой или ноликарбонатной нити. Проходя через специальное устройство, нить нагревается до полурасплавленного состояния, что позволяет склеивать слои между собой и образовывать монолитную поверхность.

Нужно отметить, что приобретать дорогостоящую технику для изготовления прототипов не обязательно, поскольку уже сейчас существует множество предприятий, оказывающих услуги по изготовлению прототипов, а запущенные специализированные государственные программы позволяют сделать прототипирование доступным для каждого малого инновационного предприятия.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >