ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МАКЕТНЫХ ОБРАЗЦОВ В ЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ ИЗДЕЛИЙ ВОЕННОЙ ТЕХНИКИ

В настоящее время для изделий военной техники жизненный цикл (ЖЦ) разбивается на отдельные стадии и этапы, причем каждая стадия имеет определенную цель и должна заканчиваться достижением конкретного результата [1]. Достижение целей и задач каждой стадии ЖЦ изделия осуществляется путем реализации необходимых процессов с использованием соответствующих технологий. Важным аспектом в достижении целей каждой стадии ЖЦ является его экономическая целесообразность. Кроме этого, на всех стадиях ЖЦ и их этапах следующим важным пунктом выступает сокращение времени начальных стадий ЖЦ: концепции, разработки и производства; и, вместе с тем, увеличение времени эксплуатации изделия. Формулировка общей концептуальной идеи, проработка требований и собственно проектирование образцов военной техники, как начальная стадия ЖЦ, подразумевают проведение комплекса мероприятий, включающих все стадии от предварительных исследований до финальной корректировки опытного образца. Создание образцов военной техники зачастую превращается в сложнейший исследовательский поиск оптимальных решения в совмещении требуемой функциональности, технико-экономических показателей и структурной целесообразности [5]. В результате такого подхода найденное оптимальное решение синтезирует в себе лучшие качества каждого из проработанных вариантов [6].

В современных версиях стандартов на разработку продукции военного назначения прямо указывается на необходимость проектирования изделий с опорой на программу опережающего научно-технического развития. Данная программа должна включать комплекс поисковых научно-исследовательских работ, научно-технологических и проблемно ориентированных проектов, с четко очерченным вектором развития, направленным на отбор и системную интеграцию взаимосвязанных технологий в целях дальнейшего использования при проектировании перспективных изделий для достижения и превосходства целевых характеристик. Программа вырабатывается на предприятии с опорой на Концепцию опережающего инновационного развития и глобального технологического превосходства ГК «Ростех» от 24 декабря 2021 г. В качестве цели, заявленной в Концепции определено «… формирование и развитие системы опережающего инновационного развития, обеспечивающей ускорение процессов разработки, производства и продвижения на рынки глобально превосходящих мировой уровень и глобально конкурентоспособных продуктов и технологий в кратчайшие сроки».  Одним из способов достижения данной цели является формирование механизма, обеспечивающего генерацию идей по созданию обликов новых продуктов и технологий в той отрасли, в которой работает компания [2]. 

Если говорить о целостной проработки концептуальной идеи будущего изделия на ранних стадиях ЖЦ, к основным инструментам, которыми располагает главный конструктор, можно отнести эскизные проработки и различные структурные схемы (схема деления Е1, согласно действующей ЕСКД). Процесс работы главного конструктора, как правило, строится по следующей системе: от структурной схемы к частному, затем от частного к общему; фактически не имею под рукой инструментов для создания целостного (интегрального) представления будущего изделия на ранних этапах своей работы. Между тем, проектируя конструкцию сложного изделия военной техники, желательно уже с самого начала «видеть» лучшие из вариантов конечной его организации, представлять себе компоновку во всех деталях. В процессе проектирования главному конструктору крайне необходимы эффективные наглядные средства не только для оперативного общения с коллегами и специалистами смежниками, но и для нахождения понимания с заказчиком, а также сторонними согласующими организациями, осуществляющими инспекционный или экспертный контроль различных аспектов работы.

В случае использования макета, созданного как сформированный образ предлагаемой концепции будущего изделия, проектирование идет не только от частного к общему, но и от общего к частному, позволяя главному конструктору с самого начала видеть искомую цель (пусть в достаточно приближенном представлении), или, другими словами, интегральный образ будущего изделия.  Предметность восприятия достигается сразу, без промежуточного преобразования и перекодирования информации, как в случае чертежа или даже 3-х мерной модели [7]. При таком подходе конструктору удается сразу увидеть конечный результат проектирования, предугадать крупные просчеты первоначальной идеи, а также внести улучшения в конструкцию. Чем больше таких отдельных усовершенствований будет внесено в процессе создания нового изделия на ранних стадиях ЖЦ, тем выше будет его качество и экономическая целесообразность на всем протяжении ЖЦ. При том, все улучшения не просто добавляют качества к некоему суммарному результату, а дают определенную прогрессию или синергетический эффект, что позволяет в конечном счете спроектировать изделие, в котором функциональные задачи решены на новом, более высоком уровне. Кроме того, при проектировании изделия большой сложности и высокой стоимости, как правило, желательна проработка одного или нескольких параллельных вариантов для нахождения окончательного решения в целесообразности компоновки отдельных агрегатов и их пространственно-функциональной взаимосвязи.  Отработка расположения отдельных узлов и блоков на макете, перекомпоновка элементов с сохранением основной функции может в итоге дать качественные изменения функций и положительно отразиться на эксплуатационных качествах изделия.

При современном развитие технологий прототипирования и моделирования, а также появления не дорогих материалов (включая различные полимеры для 3D принтера), появилась возможность получения в короткие сроки достаточно точного макета. Более того, современные технологии прототипирования, такие как вакуумное литье и пластмассовые выкройки, в сочетании с 3D-печатью обеспечивают гибкость в дизайне и производстве. Ниже кратко описаны преимущества и ограничения, которые дают различные методы изготовления макетов.

1. 3D-печать:

• Описание: Современная технология, позволяющая создавать объекты послойным "выращиванием" из различных материалов.
• Преимущества: Позволяет производить сложные геометрические формы, оптимизируя производственный процесс. Отличается высокой экономической эффективностью и сокращением сроков изготовления.
• Ограничения: Включают ограничения в выборе материалов и требования к послойному нанесению.

2. Склейка из пластика и создание основного корпуса:

• Описание: Быстрый и дешевый способ создания прототипа путем соединения выкроек из пластика для крупных частей и 3D-печати более мелких деталей.
• Процесс: Крупные части корпуса создаются из выкроек пластика, затем с помощью 3D-печати изготавливаются более мелкие детали, которые присоединяются к корпусу.
• Преимущества: обеспечивает быструю сборку и снижает затраты на прототипирование.

3. Вакуумное литье:

• Описание: Процесс изготовления серии изделий на основе мастер-модели, которая создается с помощью 3D-печати.
• Процесс: Мастер-модель изготавливается на 3D-принтере, затем служит эталоном для создания силиконовой формы, по которой производится выпуск будущей серии изделий.
• Преимущества: позволяет комбинировать технологии для сокращения времени и затрат при серийном производстве.

Как можно видеть, метод 3-х мерной печати в той или иной степени необходим во всех методах изготовления макетов изделий. На рисунке 1 представлены схемы различных методов 3D-печати, которые можно использовать для создания прототипов и макетов изделий. Каждая схема иллюстрирует принцип работы конкретной технологии. Разберем их по порядку:

 

Рисунок 1. Различные технологии 3D печати

1. Схема (a): Стереолитография (SLA)

• В этой схеме лазерный луч излучается на слой жидкой фотополимерной смолы, который затем затвердевает под воздействием света.
• Лазер контролируется системой сканирования, которая перемещает луч по осям X и Y, чтобы создать нужную форму слоя.
• Платформа постепенно поднимается по оси Z, создавая слой за слоем готовую деталь.

2. Схема (b): Цифровая световая обработка (DLP)

• В данной технологии применяется цифровое зеркало (DMD), которое регулирует точность и направление лазерного луча.
• Луч проецируется на фотополимерную смолу через линзу и слой стекла, затвердевая по заданной форме.
• Процесс формирования идет слоями с помощью поднимающейся платформы.

3. Схема (c): Струйная печать (Material Jetting)

• Принтер использует головки для струйной печати, чтобы наносить материал на подложку.
• Нанесенные слои материала и поддерживающей структуры затвердевают под воздействием ультрафиолетовой лампы.
• Лезвие выравнивает каждый слой, обеспечивая равномерную высоту.

4. Схема (d): Моделирование методом наплавления (FDM)

• Материал подается из двух катушек, одна с материалом для изделия, другая — с поддерживающим материалом.
• Экструзионная головка плавит материал и наносит его через сопла на платформу.
• Платформа постепенно опускается, а изделие формируется слоями.

Преимущества и недостатки приведенных выше технологий печати отражены в таблице 1. 

Таблица 1.

Особенности технологий 3D печати

Виды печати	Точность печати	Скорость печати	Стоимость печати
SLA	Высокая	Средняя	средняя
DLP	Высокая	Низкая	Высокая
Material Jetting	Высокая	средняя	Высокая
FDM	Низкая	Высокая	Низкая

 

Описание преимуществ использования макета при проектировании изделия приводит к необходимости предъявления требований к нему для успешного встраивания в процесс разработки. Четко сформулированные требования к макету будут являться основой для анализа и принятия решения главным конструктором о необходимости создания и использования макета.

Среди классических основных требований, предъявляемых к макету (или натурной модели) изделия можно выделить следующие:

• наглядность,
• упрощенность: модель отображает только существенные стороны изделия;
• адекватность: модель отражает достаточность всех целевых характеристик, для отображения которых она создана;
• информативность: модель содержит достаточную информацию об изделии в рамках выдвигаемой концепции.

Для того, чтобы макет и процесс создания макета смогли отвечать сегодняшним требованиям проектирования и действительно помогали сократить время на разработку новых образцов вооружения и военной техники помимо классических требований стоит добавить ряд следующих:

• унификация: применение ограниченной ограниченного перечня стандартных методов и технологий обработки для схожих деталей в макете;
• типизация: использование в макетировании ограниченной линейки масштабов, применение типовых технологических решения для изготовления определенных частей макетов,
• агрегатирование и блочно-модульное проектирование: рациональное разбиение макета изделия на различные агрегаты, каждый из которых имеет функционально законченный вид (например локатор, система крепления локатора, другие средства разведки, антенны и т.п.) и может применяться самостоятельно для создания различных модификаций и вариантов будущего изделия, отраженных в макетах.
• симплификация: рациональное ограничение номенклатуры используемых материалов для создания частей макета (например, определенные агрегаты целиком создаются методом 3Д печати с помощью FDM технологии);
• рациональная оптимизация: разумное соотношение оригинальных (вновь создаваемых макетных деталей с применением новых технологий) и унифицированных (с отработанной технологией изготовления);
• целесообразность: использование макета в случае, где он действительно помогает разработчику оценить правильность конструкторских решений.

На рисунке 2 дано общее представление о применимости макета на разных стадиях ЖЦ изделия в настоящее время.

Рисунок 2. Схема жизненного цикла изделия военной техники по стадиям и этапам

На схеме синим цветом приведены стадии типового ЖЦ изделий военной техники, справа перечислены этапы каждой стадии ЖЦ. Зеленым цветом выделены этапы, в которых предлагается использовать макеты в качестве варианта демонстрации интегрального образа будущего изделия. Необходимо отметить, что макет изменяется и детализируется на каждой последующей стадии и этапе ЖЦ при необходимости, кроме того, может быть создан дополнительный макет в большем масштабе с лучшей проработкой необходимых областей изделия.

При соблюдении описанных требований к макету есть все основания считать, что макетирование и сегодня может оказать неоценимую помощь главному конструктору в качестве вспомогательного средства при проектировании изделия военной техники.