Автор этой статьи – «крестный отец» отрасли промышленной очистки деталей, доктор Маркус Рохович. Немецкий журнал «Journal für Oberflächentechnik», посвященный технологиям обработки поверхностей, попросил господина Роховича рассказать, как будет развиваться очистка деталей в ближайшие 20 лет.
Мы не могли пройти мимо этой статьи и перевели ее, потому что сами занимаемся внедрением промышленных очистных систем и уже писали об этом на канале. Давайте читать вместе.
Восемь тезисов о будущем очистки деталей
Промышленная очистка деталей и все, что с этим связано, сопровождают меня в моей профессиональной деятельности вот уже около 20 лет. Когда празднуешь юбилей, аналогичного тому, который отмечает журнал JOT, всегда оглядываешься назад и с грустью всматриваешься в прошлое. Но все ли в прошлом действительно было лучше? Скучаем ли мы по тем временам, когда работа на открытых линиях с использованием галогенированных углеводородов производилась без защиты персонала и окружающей среды? При этом можно было курить, так как адское зелье не только превосходно удаляло жир, но даже не было горючим! Нет, я думаю, что никто не станет отказываться от успехов последних лет. Но как будет развиваться промышленная очистка деталей в будущем, какое место она будет занимать в процессе производства и как изменится ее технология? Для данной статьи я подобрал несколько идей, сформированных, признаться, исходя из моего субъективного опыта, и хотел бы преподнести их в виде восьми тезисов.
1. Чистота становится важнее и конкретнее
Численность населения нашей планеты увеличивается, а это означает, что увеличивается и количество разного рода загрязнений. Это относится ко всем сферам повседневной жизни – производству энергии, способам передвижения, производству продуктов питания или же проживанию в квартирах с отоплением и водопроводом. Поэтому все большее значение приобретает установление различий между предпочтительными и нежелательными веществами, между вторсырьем и отходами, а также их разделение друг от друга. И поэтому все важнее становятся технологии сепарации, к которым относится и очистка. Фильтры в электростанциях, катализаторы в автомобилях, очистные сооружения для бытовых и промышленных сточных вод – вот лишь несколько примеров.
С ростом численности населения с более высокой продолжительностью и более высоким качеством жизни увеличивается и потребность в высококачественной продукции промышленного производства. Рост числа промышленных изделий порождает и рост количества загрязнений, которые необходимо отделить с помощью технологии сепарации или очистки. Чем ценнее изделия, тем большее значение приобретает такое отделение.
В целях обеспечения качества, стабильности производственного процесса или безопасности продукции все большее значение будет приобретать доведение изделий или их компонентов до определенной степени чистоты. В связи с этим будет расти число показателей чистоты, увеличатся и их предельные значения, которые нужно будет достигать с помощью соответствующей технологии очистки. Это могут быть предельные значения содержания остатков пленочных/органических загрязнений, что важно для определения сцепления клея с поверхностью, или показатели ионных загрязнений, которые могут привести к электрохимической коррозии на электронной печатной плате, либо содержание мельчайших наночастиц, остающихся на чипах при их производстве, или же тончайшей стружки в гидравлических системах, а также биологических загрязнений на деталях, находящихся в контакте с человеческим телом. Во всех этих сферах уже сегодня и, разумеется, в будущем будет установлен определенный предел остаточных загрязнений.
Соблюдение этих предельных значений все чаще будет становиться требованием, соблюдение которого позволит, например, получить заказ на поставку комплектующих деталей. Это может также стать условием для допуска продукта к применению, как это происходит в отрасли медицинской техники, где нормативные документы, имеющие силу закона, требуют безопасности изделий, которая может напрямую зависеть от чистоты их компонентов. Для некоторых изделий может быть установлено даже несколько предельных значений. Например, для одного и того же компонента или изделия могут быть установлены требования, применяющиеся в космической отрасли или в медицинской технике относительно содержания остаточных химических веществ, частиц или биологических загрязнений. С повышением требований к предельным показателям чистоты непосредственно связан и следующий пункт.
2. Более строгий контроль чистоты
Требуемая чистота изделий должна быть не только определена в виде предельных показателей, но и контролироваться в рамках систем обеспечения качества, причем это должно происходить с наибольшей степенью сопоставимости внутри глобальных систем поставок. В автомобильной промышленности это уже на протяжении почти 20 лет является обычным правилом и предписано в стандарте VDA 19.1. Установленная в нем методика все шире применяется и в других отраслях, например, в производстве медицинской техники.
В ближайшие годы все большее внимание будет уделяться пленочным/химическим загрязнениям, так как применяемые в настоящее время резьбовые соединения будут в дальнейшем заменены клеевыми или сварными, а там, где используются ценные материалы, будут применять простые вещества с соответствующим поверхностным покрытием. Все это – процессы, требующие чистой и/или клейкой поверхности.
Соответствующее контрольное оборудование для проверки чистоты поверхности и наличия пленочных/химических загрязнений на уровне «заказчик/поставщик» в данный момент находится на этапе подготовки к серийному производству и в ближайшие годы получит такое же широкое распространение, как и оборудование для обнаружения частиц. В рамках промышленной очистки деталей это будет означать, что большее значение приобретет качество, то есть химическая чистота ванн для очистки и промывки, чтобы отделенные от поверхности вещества не могли снова осаждаться на деталях через используемые моющие средства. Для достижения этой цели будут обязательно использоваться надежные деэмульгирующие очистители, маслоотделители или – для соответствия высоким требованиям – ванны для промывки с высокой степенью химической чистоты.
Высокая степень чистоты моющих и чистящих средств, которая будет востребована для некоторых задач по очистке, уже не сможет быть обеспечена только с помощью выборочного анализа чистоты проб в лаборатории. Для этого в будущем понадобится больший объем сенсорной техники, которая контролирует качество ванн непосредственно в очистной установке, инициирует подачу дополнительных доз компонентов моющего средства или замену ванны и помогает установить параметры процесса очистки в точном соответствии с объемом подлежащих очистке деталей.
3. Технология очистки станет более интеллектуальной
Общая тенденция, преобладающая во всех отраслях производства и заключающаяся во всевозрастающей цифровизации, не остановится, разумеется, и в сфере промышленной очистки деталей. Там, где применяются утвержденные технологии очистки, например, в медицинской технике, уже сегодня широко распространено сохранение технологических параметров в электронной памяти. Однако в будущем можно будет использовать не только данные, полученные из самой очистной установки, но и информацию из предшествующих процессов. Так, например, станет возможным использовать данные об исходной загрязненности деталей, чтобы организовать процесс очистки действительно с учетом требований и оптимизировать продолжительность очистки, расход энергии и тем самым – затраты на очистку.
Что же касается комплектования партии из подлежащих промывке разнообразных деталей, последовательности их обработки или определения приоритетных заказов на очистку вплоть до распределения заказов по разным системам очистки, то внедрение цифровых технологий принесет огромную пользу для целей более эффективного использования этих систем в будущем.
Однако применение сенсорной техники в сочетании с (искусственным) интеллектом в системе очистки несет в себе еще больший потенциал: загрязнения на детали содержат очень много информации о предшествующих процессах, например, о состоянии старения машинных масел, содержании микроорганизмов в смазочно-охлаждающих жидкостях, количестве пыли в воздухе цеха, форме стружки от металлообрабатывающих станков, говорящей о степени износа металлорежущих инструментов – и это лишь несколько примеров. В конце технологической цепочки все эти загрязнения с большим объемом информации попадают в ванны системы очистки. Если установить в системе соответствующую сенсорную технику, позволяющую «считывать» эту информацию, то система очистки превратится в своего рода универсальный датчик, который можно будет использовать и для управления предшествующими процессами. Информация о предшествующих процессах приводит нас непосредственно к следующему пункту.
4. Понимание технологической цепочки будет приобретать все большее значение
Что касается чистоты детали, то в настоящее время технологическая цепочка рассматривается, как правило, только на этапе прохождения системы очистки. Задача системы очистки заключается в том, чтобы привести деталь в желаемое или требуемое состояние чистоты, которое должно затем сохраняться при дальнейшей обработке. Так, например, стандарт VDA 19.2 «Техническая чистота на этапе монтажа» приводит рекомендации относительно окружающей среды, логистики, персонала и монтажного оборудования. Но все это оказывается достаточным лишь в том случае, если соответствующая деталь может быть очищена до необходимой степени чистоты.
Однако в ходе широкомасштабного контроля технической чистоты в многочисленных лабораториях фирм и в сервисных лабораториях все чаще обнаруживается, что не каждую деталь можно очистить до необходимой степени чистоты, тем более экономически приемлемым способом. В будущем можно продвинуться в этом направлении только в том случае, если активно заняться самой деталью и ее изготовлением, то есть технологической цепочкой до этапа очистки. Уже сегодня есть детали, используемые в полупроводниковых литографических машинах, в составе которых не допускаются определенные химические элементы. Но в данном случае это касается не только материалов самой детали, но и всей технологической цепочки. Так, например, эти нежелательные элементы более не должны присутствовать в смазочно-охлаждающих жидкостях, используемых в обработке металла резанием, поскольку они могут быть внедрены в поверхность деталей. Используемые чистящие средства также не должны содержать этих элементов. Кроме того, существуют показатели чистоты в виде предельных размеров и предельного количества частиц, которые в решающей степени определяются самой деталью (материалом, свойствами поверхности, геометрией и т.д.) и не зависят только от процесса очистки. Прогресса в этом отношении можно достичь только в том случае, если разработчики деталей и проектировщики технологических процессов в будущем будут в большей степени разделять ответственность за чистоту деталей.
5. Развенчивание мифа об «удобной для очистки конструкции»
Тот, кто полагает, что достаточно преподнести разработчикам или конструкторам несколько принципов создания «удобной для очистки конструкции» или так называемой «гигиенической конструкции», как сразу же из системы очистки будут выходить «сверкающие чистотой» детали, тот скорее всего ошибается. В основе таких принципов лежат такие свойства, как простая геометрия, хорошая доступность моющих средств ко всем важным участкам детали и гладкая, устойчивая к различным воздействиям поверхность. Все это отлично реализуется, например, в отношении посуды, помещаемой в посудомоечную машину: плоские тарелки, чашки и кастрюли с большими отверстиями, глазированные керамические поверхности или полированные поверхности из нержавеющей стали – о таком можно только мечтать с точки зрения очистки.
Но как можно на основе этих принципов сконструировать головку блока цилиндров для двигателя внутреннего сгорания? И может ли гидравлический блок управления обойтись без внутренних каналов и пересекающихся друг с другом отверстий? Кто захочет иметь медицинский эндоскоп толщиной в несколько сантиметров, чтобы при его изготовлении можно было как следует очистить его внутреннее пространство? А кто оплатит корпус коробки передач из полированной нержавеющей стали, а не из алюминиевого литья (не говоря уже большом весе такой коробки)? Расчеты и конструирование деталей и в будущем будут выполняться в строгом соответствии с их функцией, а процесс очистки и далее будет обязательно подчиняться вытекающим из этого требованиям. Иными словами, в отношении подавляющего большинства деталей «удобная для очистки конструкция» и в будущем останется, пожалуй, лишь предметом мечтаний.
Но это не означает, что мы можем освободить конструкторов и проектировщиков от ответственности только потому, что технические детали нельзя, как правило, втиснуть в рамки «гигиенической конструкции». Совсем наоборот – зачастую именно небольшие аспекты конструирования или проектирования могут упростить или усложнить очистку детали: сквозное отверстие вместо глухого, позволяющее слить моющее средство, правильно сконструированная литьевая пресс-форма, снижающая образование заусенцев, или гладкая поверхность, достигаемая благодаря правильно подобранным параметрам процесса литья.
6. Моделирование процессов очистки
То, что во многих других сферах уже много лет является привычным инструментом, в технологии очистки представляет собой пока что нечто экзотическое: речь идет о технологии моделирования. Моделирование уже много лет подряд успешно используется как в расчетах прочности методом конечных элементов, в прогнозировании потоков с помощью программ моделирования потоков жидкости и процессов теплопередачи, так и при проектировании кухонь, включая способы освещения для мебельных магазинов.
Эта методика могла бы привнести очень много полезного именно в технологию очистки. Она позволила бы привести направляемые в процессе очистки потоки в соответствие с геометрией детали, идеально рассчитать конструкцию стеллажей или корзин в системе очистки. Даже чистая визуализация процессов очистки помогла бы заказчикам глубже понять эти процессы и упростила бы производителям систем очистки выявление подлежащих решению проблем: насколько плотно нужно укладывать детали, чтобы скорость потоков оставалось достаточной для обеспечения чистоты; где есть зоны, недоступные для опрыскивания; что произойдет, если изначальная загрязненность деталей изменит процесс очистки, например, если содержание масел в четыре раза превысит предусмотренное количество?
Однако в чем же причина того, что такие программы моделирования до сих пор не применяются или даже еще не разработаны? На мой взгляд, тому есть две причины: во-первых, моделирование требует точного знания краевых условий, которое, однако, в отношении очистки зачастую отсутствует. И лишь в редких случаях заказчик проекта системы очистки знает, какого рода загрязнения, в каком количестве и насколько прочно они удерживаются на деталях, чаще же всего на момент заказа проекта не предоставляется даже чертеж детали. В большинстве случаев система очистки используется для множества различных деталей. Какую же деталь тогда загрузить в систему моделирования? Во-вторых, производителями систем очистки являются в основном малые и средние предприятия, которые редко располагают кадрами, способными работать с программами моделирования или даже разработать их для своих систем очистки.
Но в будущем в этой сфере будет вестись определенная работа, и скоро этот «пробел в моделировании» будет закрыт. Через несколько лет станет стандартным правилом для проектирования систем очистки использовать программы моделирования в интерактивном режиме совместно с заказчиком. Это затронет, по меньшей мере, системы с использованием опрыскивания, промывки и погружения. Моделирование ультразвуковых систем очистки займет, вероятно, несколько больше времени, так как здесь взаимное влияние физических факторов несколько сложнее, что не позволит просто расширить существующие программы гидрогазодинамики.
7. Многое хорошо зарекомендовало себя и останется на вооружении
Классическим методом является промышленная очистка деталей с помощью жидких моющих средств – растворителей или воды с детергентами. Такая очистка и в будущем останется безальтернативным методом для большинства случаев. Там, где детали подвергаются обработке резанием с использованием масел или смазочно-охлаждающих жидкостей либо где поверхности обрабатывают абразивными или полировальными материалами либо хонингуют, использование для очистки жидкостей останется наилучшим, а часто даже единственным, вариантом. Также там, где требуется очень высокая степень чистоты – в оптике или в производстве полупроводниковых компонентов – только использование жидкостей обеспечивает и будет обеспечивать необходимый результат очистки и экономичность.
Концепции устройства систем очистки в зависимости от сферы применения, например, в виде систем обрызгивания со сквозной подачей, камерных установок с омыванием под давлением, систем с обрызгиванием и обработкой ультразвуком или многокамерных ультразвуковых погружных установок, продолжат свое существование и в будущем, поскольку они хорошо зарекомендовали себя на протяжении многих лет и десятилетий. Многие системы очистки могут быть дооснащены или расширены и таким образом приведены в соответствие будущим требованиям – например, в них могут быть встроены высокоэффективные фильтры или более современные, более интеллектуальные системы управления. Базовая конструкция производственных систем очистки устроена в большинстве случаев настолько основательно, что я убежден в том, что многие системы, приобретенные в 2020 году, будут эксплуатироваться еще и в 2040.
Большинство принципов энергоэффективной и экологичной организации и эксплуатации систем очистки в настоящее время известно и доступно для исполнения. В какой мере эти концепции будут реализовываться в будущем, зависит от цен на энергоносители или требований правовых норм. Но и здесь существуют пределы энергосбережения, обусловленные самим процессом очистки. Горячая ванна очищает лучше холодной, и даже если использовать для очистки холодные ванны и сэкономить при этом энергию, то в конце процесса понадобится дополнительная энергия для сушки деталей.
Несмотря на то, что очистка будет осуществляться на базе существующей техники, будут возникать некоторые задачи по очистке, отличающиеся крайней сложностью и требующие больших затрат, например, очистка в комплексе с соответствующим анализом чистоты, обеспечением достаточной чистоты окружающей среды и с упаковкой, отвечающей жестким требованиям к чистоте. В подобных случаях уже не каждая компания сможет позволить себе или захочет иметь соответствующую технику для очистки или чистую технику, поэтому в будущем станет больше компаний, специализирующихся на оказании услуг по очистке, с соответствующей, при необходимости мобильной инфраструктурой.
8. Очистка станет более сухой
Однако существуют задачи по очистке, которые нельзя решить с помощью жидкостей. Примером тому служит очистка смонтированных узлов, в которых детали объединены в единый компонент и несут на себе нежелательные частицы, попавшие на них в процессе сборки. В таких случаях очистка жидкостью чаще всего невозможна, так как просушить такие узлы было бы крайне сложно. Либо пришлось бы прибегать к локальной очистке отдельных функционально важных участков, например, мест склеивания или сварки. Но в этом случае невозможно локально ограничить жидкость, а очистка всей поверхности является нерентабельной.
В таких и аналогичных случаях в последние годы хорошо зарекомендовали себя различные методы локальной сухой очистки, например, очистка с помощью лазера, плазмы с атмосферным давлением или струи углекислотного снега. Даже обдувка частично ионизированным сжатым воздухом с использованием неподвижных или вращающихся сопел является отдельным сегментом технологии очистки, который активно развивался в последние годы и будет приобретать все большее значение и в будущем. Все более масштабная электрификация транспортных средств также увеличит потребность в сухих методах очистки. Производство аккумуляторных батарей в специальных сухих помещениях, электронные элементы систем управления и силовой техники, не подвергающиеся промывке в крупносерийном производстве, или высокочувствительные системы видео- и фотокамер, монтируемые в чистых помещениях – вот лишь несколько примеров потребности в сухих способах очистки при производстве изделий для электротранспорта.
Выводы
Потребность в чистых деталях, что бы это ни означало для конкретных сфер применения (стабильность последующих процессов в технологической цепочке, биологическая совместимость медицинских изделий, очищенная от всех частиц электроника или гидравлика), будет значительно возрастать и в будущем. Насколько многообразным является понятие чистоты, настолько же многообразной будет и технология очистки. Чем глубже будет понимание того, что именно не должно присутствовать в продукте, тем более целенаправленной станет очистка.
Такие общие тенденции развития, как автоматизация и цифровизация, будут все шире распространяться и на технологию очистки подобно тому, как они внедряются в остальные процессы производства. Подводя итог, можно утверждать – технология очистки будет приобретать все большее значение, станет более интеллектуальной, а ее методы и сферы применения будут более многообразными.
---
Автор – доктор технических наук Маркус Рохович, руководитель группы технологии очистки Института машиностроения и автоматики им. Фраунгофера.