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张慧 俄罗斯数字化技术与航空发动机制造业发展

2019年10月10日,俄罗斯数字发展、通信与大众传媒部公布了“数字技术”计划七大领域的技术路线图,进一步落实了从2018年开始正式实施《联邦数字经济规划》。“数字化技术”国家计划是《联邦数字经济规划》的进一步落实,在计划框架下共包含了区块链系统、量子技术、新制造技术、神经技术与人工智能、机器人传感器组件、无线技术、虚拟和增强现实技术、大数据、工业物联网等九大数字化技术领域,此次公布的是前七大领域的2019-2024年技术路线图。路线图是“数字化技术”国家计划的关键文件,对航空工业产品研制开发与生产工艺改造有指导作用,可解决研制过程中存在的周期长、试验成本高等问题。联合发动机制造集团(UEC)是俄最先引入增材制造、物联网、数字孪生等数字化技术的航空工业集团之一,下属多家企业在近两年实施多个项目开展数字化转型工作。

一、数字化技术路线图指导航空发动机制造业发展方向

俄罗斯《联邦数字经济规划》的推出使数字化技术成为促进工业进步的重要抓手。在政府计划牵引和企业项目的推动下,俄航空工业在产品研发、测试、生产、交付、运营和维护过程中数字化技术已稳步应用。路线图对现有技术储备以及每种技术或子技术的优缺点进行了分析,确定了发展途径,力图保障俄在数字化领域的全球竞争力和技术独立性。其中新制造工艺、工业物联网、虚拟/增强现实、机器人技术等于等与航空发动机制造业密切相关。

新制造工艺领域下包含数字化设计、智能制造、机器人控制等三个子领域,纳入了数字孪生、虚拟试验、产品全生命周期管理(PLM)、生产过程管理系统等一系列新技术和软硬件系统,数字孪生技术是该领域最重要的技术,可极大地降低实物试验数量,提高生产效率;在技术路线图中还将“使用PLM系统的高科技企业数量”等作为考核指标,并匹配对应的预算资金,为航空发动机产品应用新型制造技术指明了方向;工业物联网、机器人和传感器组件技术可以在发动机零部件制造和总装过程中大幅度提高制造速度;虚拟现实技术可与数字孪生等技术结合,实现航空发动机设计、制造、维修过程的可视化,整体上提高发动机产品研制和运行效率。

二、数字孪生技术提升航空发动机研制和运维能力

数字孪生技术可应用于从产品建模、预测和优化设计到生产交付运营的生命周期所有阶段,利用数据分析和机器学习等能力模拟评估需求、使用场景、生产技术、环境条件以及许多其他变量对产品性能的影响。在航空发动机制造业引入数字孪生技术,能够在有限的时间内考虑更多的设计方案,用虚拟试验代替部分实物测试,减少产品设计的时间和成本;通过对发动机中制造过程进行准确的模拟和优化,提高产品质量和生产效率;通过在正确的时间和地点提供必要备件和维护人员,减少航空发动机的维修时间,提高响应速度和服务水平。

联合发动机制造集团(UEC)已将数字孪生技术用于SaM146、PD-14、TV7-117系列发动机,并计划将该技术用于未来的大推力发动机PD-35、配装第五代战斗机苏-57的发动机和海上燃气涡轮发动机的设计、制造和运营维护。

2017年7月,在莫斯科航展上展出的PD-14发动机及其短舱模型(中国航空工业发展研究中心,许佳摄影)

该集团已与研究所、大学、以及中小型企业的工程中心等建立了多个战略合作伙伴关系,用于创建和开发数字孪生技术,缩短研制周期,降低全生命周期成本,拓宽和提高产品的技术和使用性能。

一是与萨拉夫工程中心合作通过整合虚拟现实技术(VR)、基于物联网的传感器系统、云计算来改进数字孪生技术。VR技术与数字孪生技术结合能够解决可视化问题,使设计人员和操作人员能够更高效、更经济地使用信息数据。在设计阶段,VR技术能够快速识别和纠正零件的几何错误,优化和检验“数字孪生”中使用的数学模型,促进产品开发。

二是与巴拉诺夫中央航空发动机研究院(CIAM)联合研究数字孪生技术,将其应用于发动机产品的全生命周期。CIAM将向UEC提供其计算资源,验证“数字孪生”的数学模型和数值建模技术,形成虚拟试验结果验证知识库,并组织员工的培训,建立数值建模领域的专家能力档案。

三是与圣彼得堡工业大学签署名为“Technet NTI-ODK”的合作路线图,旨在合作研制和优化发动机的“数字孪生”技术。目的是在虚拟试验台上进行试验,数字模拟工艺过程,制定企业教育计划,开发数字设计能力和解决其他问题。

“数字孪生”技术应用示意图

三、增材制造技术逐步走向实用

增材制造技术是俄罗斯发展最快的数字化技术领域之一,代表了信息化与工业化的深度融合,能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具快速成形,减少零件数量和毛坯重量,降低材料和机加工成本,拓宽设计自由度,缩短研制周期,是应对飞机及航空发动机制造工艺挑战的最佳新技术途径。增材制造技术目前已经在UEC的所有企业中获得应用。

1.成立增材制造中心

UEC下属的土星公司目前已创建了一个增材制造技术中心(见下图),研究和验证采用选区激光熔融方法制造发动机零件的过程,从3D模型研制开始到功能零件结束。目前,土星公司采用钴、钛合金和不锈钢等材料通过选区激光熔融技术制造的数百种发动机试验部件已经成功通过了台架试验。

UEC的另一家企业莫斯科机械制造厂也在建立高科技的增材制造技术中心,俄罗斯航空工业另外几家大型垄断集团——俄罗斯直升机公司、无线电电子技术集团和技术发展集团也参与其中,中心能够为发动机行业及行业外组织提供从设计开发、批生产到产品认证的全方位服务,中心将建立包括设计局和金属研究实验室在内的一整套设计制造体系,并已经掌握了选区激光熔融和直接激光沉积两项基础工艺。

土星公司的增材制造技术中心

2.推动增材制造应用

UEC下属的乌法发动机制造企业已开始借助增材制造技术,采用直接激光沉积航空发动机大型部件毛坯。该企业与圣彼得堡国立海事技术大学合作研制的机器人设备系统安装在企业内部的铝和钛铸造技术专业中心并投入运行,此设备是目前圣彼得堡国立海事技术大学研制的规模最大、最完备的增材制造设备线,能够为发动机提供精密、大尺寸、高强度、耐热合金坯料,制造直径超过2米的飞机发动机部件毛坯。

2019年9月,圣彼得堡国立海事技术大学和俄罗斯国立科学大学合作利用直接激光沉积技术制造了直径约2米的PD-14发动机钛合金外环部件。俄媒称,这是世界上第一个应用增材制造技术获得的航空发动机大型结构件,制造时间从两周缩短到了130小时,未来该技术还可用于更大推力PD-35发动机。选区激光熔融技术更适于小尺寸部件的制备。2019年10月,两家机构又应用选区激光熔融技术制造了俄罗斯第一个直升机发动机VK-2500内环部件。针对更加微小的产品,“俄罗斯电子”集团下属的“钍”科研生产企业研制了粉末金属电子束打印设备,通过减少电子束移动系统中的机械零件实现了较高的工作速度和精度,对粉末质量的敏感度低,且不必在外部高温系统中预热和在工作舱中建立防护环境,能够制造形状复杂的小尺寸零件,包括尺寸在0.2~0.4毫米的产品,可用于导弹冲压发动机和飞机发动机叶片制备。

俄罗斯库兹涅佐夫公司的增材制造(3D打印)设备

四、数字化技术应用加速企业转型

为促进数字化技术在航空发动机制造业落地,积极推动人工智能、工业物联网、数字孪生和增材制造等技术在产品研制过程应用,需要克服许多障碍,特别是数据的传输、处理和存储等问题,工业企业有必要推动建立统一信息空间,开发数据管理系统,在各个部门与整个企业之间建立可靠的联系,减少设计时间和数据传输中的错误数量,发展超级计算能力,处理大量的结构化和非结构化数据。

1.土星公司推出“智慧工厂”战略

2019年4月,俄罗斯联合发动机制造集团(UEC)旗下的土星公司启动“智慧工厂”战略,计划建立统一的信息空间,完成设计制造和管理过程数字化,使企业具有更加高效的设计制造能力,降低运营成本,实现产品全寿命生命周期跟踪。这是俄罗斯航空发动机制造业引入数字化技术的又一重要举措,为研制有竞争力的航空产品夯实基础。2019年4月,UEC下属的土星公司推出“智慧工厂”战略。“智慧工厂”不是一个静态过程,而是一个持续的商业模式转型过程,以数字化技术为基础,涉及设计、制造、保障管理、基础设施和设备管理、人员培训、公司管理等内容。在战略框架下,设计、生产人员和设备被融入到统一的信息空间管理,并实现面向工位的信息交互。

“智慧工厂”具体内容包括:一是设计-生产工艺准备过程的数字化。利用3D模型、PDM/PLM系统和CAD/CAM/CAE软件确定设计和数字化工艺;利用直通式数据交换协议、数据接口、ISO标准等形成覆盖不同地理位置工程中心的协作环境、保障高水平的信息交互,通过共同的信息空间和专家知识积累,形成专业的实际整合。二是生产设备和基础设施管理的数字化。引入ERP/CRM/SCM等生产管理系统、MES和ICS等车间管理系统、用于工业设备的MRO工具,以及作为物联网元素的自动化监控系统;建立生产车间的数字孪生模型,开辟柔性生产单元和机器人系统的试验区域,在物联网中纳入测量系统等。三是过程管理数字化。包括实施项目管理系统和风险管理系统;引入信息处理系统,包括从生产和管理系统获得信息的快速建模、分析和动态发布;收集航空发动机产品和工业设备全寿命周期数据,利用人工智能和机器学习进行预测分析;采用内外部电子文件管理,包括具有法律意义的文件;通过数字平台服务与UEC、业务合作伙伴、政府和监管机构联系。四是人力资本管理数字化。针对每位员工技能、资格和能力数据引入“数字化”的机制,管理公司的人力资源;采用知识管理信息系统;开展管理人员能力培训和推广学习管理系统。

2.乌法发动机制造企业开启“数字工厂”计划

乌法发动机制造企业将生产30%以上的PD-14发动机零部件,2019年10月,该企业开启“数字工厂”计划,着手创建统一的信息空间,为PD-14发动机零部件的生产提供服务。该计划由俄罗斯工业发展基金支持,主要目标之一是将PD-14零部件的劳动生产率提高15%~20%。乌法发动机制造企业计划在所属的20个车间中实施数字解决方案,通过引入用于生产运营的计划和登记系统,使用条形码对PD-14的零件和装配单元的支持文件进行编码,并传输到ERP管理系统,确保生成高质量的资源计划,获取有关生产计划进度的最新信息,最终提高产品质量管理的有效性。目前,乌法发动机制造企业已经签订相关软硬件系统采购合同,进行ERP系统的开发工作,后续还将在企业的其他产品生产部门引入该系统。

五、结束语

总体来说,在国家规划引领、技术路线图跟进、政策和资金保障的背景下,俄罗斯航空发动机制造业正在扎实的推动数字化转型工作,通过在基础能力准备、软硬件建设工艺技术发展等方面的行业内外广泛合作,稳步实现数字化技术向产品全生命周期的渗透,以及企业项目管理、过程管理和人员培养的数字化进程。

本篇供稿:系统工程研究所

运 营:李沅栩

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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