DESIGNING ADDITIVE EQUIPMENT PARKS AT FOOD INDUSTRY ENTERPRISES

При проектировании парка аддитивного оборудования необходимо обеспечить высокую эффективность, для пищевой промышленности это особенно важно, так как производство идет потоковое и остановка производства влечет за собой большие убытки. Таким образом задачей проектирования является разработка проекта цеха или участка аддитивного оборудования для выпуска изделий определенной номенклатуры, требуемого качества и в заданном количестве при достижении минимальных приведенных затрат на годовой выпуск с учетом всех требований к охране труда. На пищевом предприятии производственный процесс довольно сложный ввиду широкой номенклатуры продукции, разнообразия применяемых технологических процессов, разнообразия оборудования и технологической оснастки.

Технологию аддитивного производства (3D-печать) можно назвать одним из основных нововведений цифровых технологий, которое может сделать революцию в производственном процессе. Принцип производства с нанесением слоев существует уже более трех десятилетий, но только в последние годы потенциал этой технологии по-настоящему стал раскрываться на промышленных предприятиях. Широта применения материалов и расширение практического применения привлекли внимание мировой индустрии. Пищевая промышленность также заинтересована в этом новом способе производства. Настоящая статья сосредоточена на проектировании вспомогательного производства, но зачастую аддитивные технологии используются также и в основном производстве пищевой промышленности. При помощи цеха аддитивного оборудования на предприятии пищевой промышленности могут быть решены проблемы с техническим обслуживанием и ремонтом (ТОиР) основного производственного оборудования за счет изготовления запасных частей. Также появляется возможность развития производства за счет использования новой оснастки, произведенной на аддитивном оборудовании.

Проектирование парка аддитивного оборудования для ТОиР на пищевом предприятии — это сложный и многогранный процесс, требующий учёта множества факторов. Аддитивное производство, или 3D-печать, позволяет создавать изделия послойно с использованием цифровых моделей. Это даёт возможность изготавливать сложные формы без традиционных инструментов литья и механообработки, что может быть полезно для быстрого изготовления запасных частей или уникальных компонентов в рамках ТОиР.

Проектирование парка оборудования невозможно без понимания принципов организации производственного процесса на предприятии. Основными принципами организации производственного процесса являются: непрерывность, прямоточность, параллельность, пропорциональность и ритмичность. Для организации непрерывности производственного процесса на предприятии пищевой промышленности необходимо поддержание в рабочем состоянии основного производственного оборудования. Для этого на предприятии проводится ТОиР оборудования. Но не всегда запчасти для ремонта есть в наличии и из-за сложностей в логистике появляются простои производства, влекущие за собой убытки.

Также при проектировании необходимо разделять методы организации производства: поточный в условиях массового и крупносерийного производства, партионный в условиях серийного производства, единичный в условиях мелкосерийного производства, единично-партионый в условиях гибкой производственной системы. Для пищевой промышленности присущ партионный метод в условиях серийного производства, так как готовая продукция имеет срок годности. Отсюда следует, что в производственном процессе должны быть предусмотрены естественные остановки производства для переналадки оборудования между партиями. Эти промежутки времени можно использовать для организации ТОиР. Поэтому на предприятии необходимо организовывать запас запчастей, который можно изготавливать на аддитивном оборудовании.

При проектировании парка аддитивного оборудования на пищевом предприятии необходимо одновременно решать технологические, экономические и организационные задачи, которые тесно связаны между собой.

Для решения технологических задач нужно: проработать вопросы технологичности пищевой продукции, которую планируется выпускать; спроектировать технологические процессы ТОиР с учётом возможностей аддитивного оборудования; выявить трудоёмкость и станкоёмкость операций с использованием аддитивных технологий; установить, какое аддитивное и вспомогательное оборудование потребуется, в каком количестве; определить необходимое количество сотрудников и их квалификацию; рассчитать нормы расхода материалов для аддитивного производства; определить площади и размеры участков и цеха; разработать компоновку цеха и планировку размещения аддитивного оборудования; подготовить задания для строительного и энергетического проектирования.

Для решения экономических задач необходимо: рассчитать себестоимость и рентабельность выпуска пищевой продукции с использованием аддитивного оборудования для ТОиР; определить удельные приведённые затраты, размеры основных и оборотных средств; составить калькуляции на основные виды продукции; решить вопросы финансирования проекта внедрения аддитивного оборудования.

Для решения организационных задач нужно:

– выбрать принципы формирования производственных подразделений с учётом использования аддитивных технологий для ТОиР;

– разработать структуру управления производством;

– внедрить научную организацию труда;

– организовать документооборот;

– выстроить работу производственных служб;

– создать систему контроля за ходом производства, включая контроль качества запасных частей, произведённых с помощью аддитивного оборудования.

Само проектирование необходимо разделять на этапы. Можно выделить шесть основных.

1. Определение профиля продукции и технологических требований. На первом этапе необходимо чётко определить, какие детали (запчасти) или компоненты будут изготавливаться с помощью аддитивного оборудования. Для пищевого предприятия это могут быть специфические запчасти, инструменты или элементы оборудования, используемые в производственных процессах. Также следует выбрать подходящий тип аддитивной технологии (например, FDM, SLM, SLS, SLA), исходя из требований к размерам, точности и условиям эксплуатации изделий. Важно учесть требования к качеству, скорости изготовления и необходимости постобработки изделий.

2. Анализ потока материалов и выбор расположения оборудования. Несмотря на компактность аддитивных комплексов, необходимо грамотно распределить зоны печати, подготовки и финишной обработки. Нужно продумать логистику материалов: от хранения порошков и филаментов до удаления отходов и технического обслуживания оборудования. Расположение оборудования должно учитывать специфику пищевого производства, включая требования к чистоте, безопасности и соблюдению санитарных норм.

3. Проектирование производственного пространства. Пространство должно обеспечивать безопасность персонала и соответствовать санитарным требованиям пищевого производства. Необходимо организовать эффективный воздухообмен и системы контроля качества. Следует учитывать особенности интеграции аддитивного оборудования в существующее производственное пространство.

4. Интеграция с ERP и MES-системами. Интеграция с системами ERP (Enterprise Resource Planning) и MES (Manufacturing Execution System) позволит отслеживать статус заказов и загрузку оборудования. Это обеспечит более эффективное планирование и управление производственными процессами, а также улучшит координацию между различными подразделениями предприятия.

5. Выбор и внедрение программного обеспечения. ПО играет центральную роль в аддитивном производстве. Оно начинается с CAD/CAE-средств, где создаётся 3D-модель изделия. Далее следуют этапы предобработки (анализ геометрии, проверка на ошибки, подготовка поддержек) и использования слайсеров — программ, разбивающих модель на набор команд для принтера. Современное ПО должно уметь считывать статусы печати в реальном времени, настраивать коррекцию траектории, адаптироваться к отклонениям по температуре или давлению в камере.

6. Подготовка персонала. Инженер, работающий с аддитивным производством, должен совмещать несколько компетенций: понимание материаловедения, навыков цифрового моделирования и управления производственными процессами. Критически важны знания о технологиях аддитивного производства, принципах цифровой трансформации и проектировании под печать (DfAM). Рекомендуется создание мультидисциплинарных команд, объединяющих проектировщиков, техников, ИТ-специалистов и производственников. Это позволит синхронизировать задумку, программное исполнение и физическую реализацию изделий.

Таким образом, проектирование парка аддитивного оборудования для ТОиР на пищевом предприятии требует комплексного подхода, учитывающего как общие принципы проектирования аддитивных комплексов, так и специфические требования пищевой промышленности.

Одним из градообразующих пищевых предприятий города Омска является ООО ТД «ЛЮБИНСКИЙ». Данное предприятие производит различные виды кондитерской продукции (зефир, мармелад, конфеты, печенье и многое другое). На производстве используется много оборудования, которое нуждается в постоянном обслуживании. В рамках данной статьи рассмотрим несколько аддитивных технологий, сравним их и выберем оптимальную для проведения ТОиР на ООО ТД «ЛЮБИНСКИЙ». Для сравнения используем четыре аддитивные технологии: FDM (Fused Deposition Modeling), SLA (Stereolithography) / DLP (Digital Light Processing), SLM (Selective Laser Melting) / DMLS (Direct Metal Laser Sintering), Binder Jetting (Струйная печать связующим). Выделим основные принципы данных технологий и их плюсы и минусы.

FDM (Fused Deposition Modeling)

Принцип: Послойное нанесение расплавленного термопластичного филамента.

Плюсы: Низкая стоимость оборудования и материалов (PLA, ABS, PETG), простота использования, крупные детали.

Минусы: Относительно низкая точность и качество поверхности, анизотропия свойств.

Применение в ТОиР: Прототипы, оснастка, некритичные запасные части, шаблоны, корпуса приборов.

SLA (Stereolithography) / DLP (Digital Light Processing)

Принцип: Полимеризация жидкой смолы под действием УФ-лазера/проектора.

Плюсы: Высокая детализация, гладкая поверхность, точность.

Минусы: Хрупкость (для стандартных смол), стоимость материалов.

Применение в ТОиР: Детали с точными размерами, мелкие компоненты, формы для литья, прототипы.

SLM (Selective Laser Melting) / DMLS (Direct Metal Laser Sintering)

Принцип: Плавление/спекание металлического порошка лазерным лучом.

Плюсы: Изготовление прочных металлических деталей из титана, стали, алюминия с любой геометрией.

Минусы: Высокая стоимость оборудования, порошков, сложная постобработка.

Применение в ТОиР: Критичные детали в авиации, энергетике (лопатки турбин, корпуса), ремонт сложно изношенных узлов.

Binder Jetting (Струйная печать связующим)

Принцип: Нанесение связующего вещества на слой порошка (металл, керамика).

Плюсы: Скорость, работа с разными материалами (в т.ч. металлами с последующим спеканием).

Минусы: Постобработка (спекание) для придания прочности.

Применение в ТОиР: Сложные формы, большие объемы, быстрое производство металлических частей.

Для удобства сформируем сравнительную таблицу приведенных аддитивных технологий.

Данная таблица позволяет произвести выбор подходящей аддитивной технологии для ООО ТД «ЛЮБИНСКИЙ». Учитывая все плюсы и минусы, а так же стоимость, целесообразно на пищевом предприятии ООО ТД «ЛЮБИНСКИЙ» использовать Binder Jetting как наиболее оптимальную аддитивную технологию для ТОиР. Руководству предприятия можно рекомендовать покупку аддитивного оборудования на основе технологии Binder Jetting.

Проектирование парка аддитивного оборудования на предприятиях пищевой промышленности открывает новые горизонты для оптимизации технического обслуживания и ремонта за счет сокращения сроков изготовления необходимых компонентов (запчастей), а следовательно и повышения гибкости производства. Однако этот процесс требует комплексного подхода, учёта специфических требований отрасли — от соблюдения санитарных норм и стандартов безопасности до организации эффективного производственного пространства и подготовки квалифицированного персонала.