СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ СВОЙСТВ ПРОДУКЦИИ И ИЗДЕРЖЕК ПРОИЗВОДСТВА В ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРОЦЕССАХ
METHOD FOR OPTIMIZING PRODUCT PROPERTIES AND PRODUCTION COSTS IN INDUSTRIAL PROCESSES

Настоящее изобретение относится к способу оптимизации свойств продукции и издержек производства в промышленных процессах, когда продукцию изготавливают за несколько операций, входящих в технологическую цепочку.
Наилучшей продукцией, с коммерческой точки зрения, является продукция, удовлетворяющая требованиям потребителя при наименьших возможных затратах (издержках). Это обычно предполагает компромисс между несколькими факторами. Это не то же самое, что и оптимизация какого-то определенного процесса или промежуточного продукта в технологической цепочке, или даже оптимизация конечного продукта с точки зрения его свойств. Единственная возможность осуществления «истинной» оптимизации согласно приведенному выше определению состоит в учете полной производственной цепочки, включая все главные процессы, и в то же время всех возможных параметров, влияющих на стоимость. Это требует, однако, чтобы имелись все такие модели, что значительно ограничивает применение указанных принципов, поскольку только немногие компании владеют всей необходимой компетенцией, чтобы разработать подобные методики.
Наиболее распространенный подход к оптимизации промышленных производственных процессов или промышленной продукции, как это указано выше, состоит в усовершенствовании производственных процессов в ограниченных пределах или на отдельных этапах, либо во внесении модификаций в продукцию на основе изменений конструкции или нового выбора материалов, т.е. в решениях так называемой частичной оптимизации. Так, в Заявке WO 2012/048808 A1 предложен способ определения оптимального производственного графика на основе заданных целевых функций и заданных моделей производственного процесса, позволяющий определить переменную величину общих издержек и тем самым выбрать оптимальный производственный график, при котором переменная величина общих издержек является наименьшей. Этот известный способ учитывает стоимостные факторы, такие как стоимость энергии и материалов, в дополнение к моделям производственных процессов, но не учитывает другие параметры и модели, такие как физические свойства продукции и модели проектирования, относящиеся к этой продукции, и т.п.
Далее, Заявка на выдачу патента США US 2003/0050765 A1 относится к системе оптимизации, с использованием компьютера, конфигурации пресс-формы для изготовления заданных деталей из пластмассы. И снова, это процесс частичной оптимизации, поскольку он рассматривает усовершенствование конструкции или формы, как таковых, но не учитывает оптимизацию всех физических параметров или издержек.
Настоящее изобретение предлагает новый и оригинальный способ оптимизации свойств продукции и производственных издержек промышленных процессов изготовления продукции, когда продукцию изготавливают за несколько операций, составляющих полную «технологическую цепочку». Основные признаки настоящего изобретения могут быть суммированы следующим образом:
- Полная технологическая цепочка или часть технологической цепочки, которая считается наиболее значимой, представлена прогностическими моделями.
- Прогнозирование затрат на материалы и производственных издержек осуществляют специально разработанные модели.
- Для поиска наилучшего сочетания источников исходных материалов и параметров производственных процессов, для удовлетворения заданных пользователем приемочных уровней свойств в соответствии с требованиями заказчика при наименьших возможных издержках используют средства оптимизации.
Настоящее изобретение является универсальным и общеприменимым для различных процессов и продукции. Например, в производстве деталей из алюминия многие модели, равно как и алгоритмы их решения, будут одинаковыми для самых разных изделий, например деталей, изготавливаемых посредством экструзии, прокатки или фасонного литья. Здесь базовое программное обеспечение может быть одним и тем же для всех этих процессов, если заменять конкретные, зависящие от процесса, подпрограммы или модели по мере необходимости.
Ранее не было известно использование сочетания признаков, описываемого в настоящей Заявке, т.е. «Сквозное моделирование процесса» ("Through Process Modelling") вместе со стоимостными моделями и процедурой оптимизации, как указано выше. Следовательно, главной идеей, лежащей в основе предлагаемой концепции, является стремление избежать «частичной оптимизации», которая часто представляет собой результат попыток оптимизировать процесс или изделие без учета полной технологической цепочки и стоимости материалов и производственных издержек, включая логистику и материальные потоки.
Настоящее изобретение характеризуется признаком, определенным в независимом пункте 1 Формулы изобретения.
Предпочтительные варианты настоящего изобретения характеризуются признаками, определенными в зависимых пунктах 2 – 10 Формулы изобретения.
В последующем настоящее изобретение будет описано более подробно на примерах и со ссылками на чертежи, на которых:
фиг. 1 - представляет технологическую цепочку, иллюстрирующую интеграцию различных процессов и операций;
фиг. 2 - представляет логическую схему, показывающую этапы способа согласно настоящему изобретению;
фиг. 3 - представляет пример «моделей свойств», используемых при моделировании различных этапов процессов или операций при изготовлении алюминиевых профилей способом экструзии;
фиг. 4 - иллюстрирует пример стоимостных моделей для выбранного материала, например программной модели HalOpt™, разработанной заявителем;
фиг. 5 - представляет диаграмму, показывающую пример полной последовательности операций для изготовления изделий из алюминиевых сплавов марки 6xxx способом экструзии;
фиг. 6 - представляет части диаграммы, показанной на фиг. 5, для прослеживания элементов;
фиг. 7 - представляет диаграмму, показывающую другой пример полной и подробной последовательности операций для изготовления тонкостенных профилей из не подлежащих термообработке алюминиевых сплавов способом экструзии.
Стартовой точкой для настоящего изобретения является технологическая цепочка, иллюстрирующая интеграцию различных процессов и операций для изготовления определенной продукции, как показано на фиг. 1. Технологическая цепочка, показанная на этом чертеже, иллюстрирует общепринятую технологию изготовления изделий на основе алюминия.
Эта технологическая цепочка является основой для построения логической схемы, показанной на фиг. 2, где первым «этапом» согласно настоящему изобретению является представление процессов и производственных операций посредством моделей, как это указано надписями «Модель» ("Model") на чертеже (т.е. Model 1.1, 1.2,.. n.m).
Вторым «шагом» согласно настоящему изобретению является определение входных и выходных данных, как это показано в прямоугольниках, обозначенных, соответственно «Входные данные моделей» ("Model inputs") и «Выходные данные» ("Outputs") на чертеже.
Наконец, необходимо определить ограничения, ведущие к неприемлемому качеству продукции (т.е. к браку) или ограничивающие производительность. Они указаны под обозначениями «Ограничения» ("Limitations") в самом нижнем слева прямоугольнике на чертеже (т.е. «Ограничения» (Restrictions 1.1, 1.2 ... n,m)). Следует отметить, что термин «ограничения» ("limitations") может относиться и к процессам, и к продукции. К ограничениям, связанным с процессом, могут, например, относиться максимальная мощность или усилие, которое может развивать оборудование в некоторых процессах, таких как экструзия и прокатка, так что эти факторы ограничивают максимально возможную скорость экструзии или прокатки. Этот могут быть также ограничения нагревательного или холодильного оборудования, которые накладывают соответствующие ограничения на максимальные скорости нагрева или охлаждения продукции. К ограничениям может также относиться время, когда производственное оборудование по каким-либо причинам не может быть использовано, например на время планового технического обслуживания или ремонта, либо на время отпуска или выходных дней операторов. Если имеются статистические данные относительно типичных «простоев» оборудования, их тоже следует отнести к ограничениям. Ограничения, связанные с производственным процессом, могут быть также следствием логистических проблем, которые ведут к задержкам по всей технологической цепочке и которые также обязательно следует учитывать. К ограничениям, связанным с продукцией, относится все, что может привести к неприемлемому качеству продукции. Например, слишком высокая скорость литья в процессе литья с прямым охлаждением (Direct Chill (DC)) может привести к образованию горячих трещин в центре отливки, вследствие чего продукция не может быть принята. Другой пример относится к процессу экструзии, где, как хорошо известно, слишком высокая скорость экструзии может вызвать разрывы на поверхности, вследствие чего профиль или часть профиля может быть забракована.
Используются модели двух разных типов, которые можно классифицировать следующим образом:
1. «Модели свойств» ("Property models"), т.е. модели, связанные с вычислением некоторых свойств промежуточной (т.е. после некоторого числа операций технологической цепочки) или конечной продукции.
2. «Стоимостные модели» ("Cost models"), куда входят модели всех типов, используемые для оценки производственных издержек.
Некоторые из этих моделей являются общими и могут быть использованы для различных технологических цепочек, тогда как другие специально разработаны для конкретного процесса или группы продукции. В последующем будут кратко описаны различные типы моделей.
Группа (1), «Модели свойств»: Модели таких типов используются для вычисления некоторых свойств промежуточной или конечной продукции. Промежуточной продукцией является продукция, получаемая после выполнения некоторых операций в технологической цепочке. Согласно настоящему изобретению термин «свойства» необходимо интерпретировать в широком смысле, включая:
- Механические свойства, такие как прочность, пластичность, трещиностойкость, усталостные свойства и ползучесть.
- Микроструктурные свойства, такие как структура зерен, структура частиц с учетом стехиометрии, атомы в твердом растворе и текстура.
- Модели атомистического типа, включая модели, полученные на основе первых принципов.
- Внешний вид поверхности и оптические свойства, такие блеск, отражательная способность, цвет.
- Коррозионные свойства, и в том числе точечная коррозия, межкристаллитная коррозия, коррозионное растрескивание под напряжением и усталостная коррозия.
- Электро и теплопроводность.
- Стабильность микроструктуры и свойств при высокой температуре.
- Чувствительность к закалке.
- Способность поглощать энергию, включая характеристики при разрушении и ударные свойства.
- Широко определяемые термины, такие как свариваемость, паяемость, литейные качества, прессуемость, надежность, возможность механообработки и формуемость.
- Свойства, относящиеся к потокам тепла, массопереносу и механике жидкостей, включая возможность термической диффузии и вязкость.
В совокупность «моделей свойств» могут входить модели на основе физических принципов (например, модели на основе металлургических, микроструктурных или термодинамических принципов), эмпирические модели на основе измерений или данных о продукции и производстве, а также механические модели, такие как модели на основе метода конечных элементов (FE-code). На фиг. 3, который относится к производству алюминиевых изделий способом экструзии, показан пример «моделей свойств», рассматривающих такое производство, т.е. основанные на физических соображениях микроструктурные модели и модели согласно методу конечных элементов, используемые для моделирования различных этапов производственного процесса или операций при изготовлении алюминиевых профилей способом экструзии. Большинство этих моделей являются общими и могут быть применены к целому спектру различных процессов и продукции, тогда как небольшая часть моделей, такие как программные пакеты Alma™ и NaMo™, являются специализированными моделями, применение которых ограничено процессами экструзии и твердением алюминиевых сплавов при старении, соответственно. Модели, показанные на фиг. 3, можно кратко охарактеризовать следующим образом:
- (i) Alsim™, коммерческая модель на основе метода конечных элементов (Finite Element (FE)-code) для литья металлов.
- (ii) модель Alstruc™ представляет собой некоммерческую микроструктурную модель процессов затвердевания и гомогенизации алюминиевых сплавов и описана в работе: A. L. Dons, E. K. Jensen, Y. Langsrud, E. Tromborg, and S. Brusethaug, Metallurgical and Materials Transactions, 30A, (1999).
- (iii) Totsim™ представляет собой некоммерческую модель для расчетов реакций выделения и трансформации в алюминиевых сплавах и описана в работе: A.Hakonsen, D. Mortesen. S. Benum, T. Pettersen and T.Furu, TMS-Light Metals 2002, p. 793.
- (iv) Mg2Si представляет собой некоммерческую модель для алюминиевых сплавов группы 6xxx, вычисляющую выделение нетвердеющих компонентов в процессе охлаждения в функции цикла охлаждения и получающиеся в концентрации магния и кремния в твердых растворах.
- (v) Alma™ представляет собой некоммерческую компьютерную программу на основе метода конечных элементов для моделирования экструзии на основе двумерного эйлеровского описания, как в работе K.Holthe, S.Storen and L.Hanssen,Proc. NUMIFORM-92, (1992) p. 611.
- (vi) Altair's HyperXtrude™ пакет программ, представляющий собой программу на основе метода конечных элементов для моделирования комплексных проблем потоков жидкости и теплопереноса.
- (vii) Alflow™ представляет собой некоммерческую модель наклепа, рассчитывающую эволюцию структуры дислокаций и соответствующую характеристику предела текучести в процессе термомеханической обработки, как это описано в работах E.Nes, Prog.Materials Sci., 41 (1998) p. 129, и E.Nes and K. Marthinsen, Mater.Sci.Eng., A322 (2002), p.176.
- (viii) Alsoft™ представляет собой некоммерческую модель, прогнозирующую эволюцию структуры кристаллических зерен и текстуры в процессе восстановления и рекристаллизации деформированных горячим или холодным способом материалов после деформаций при повышенной температуре, равно как после холодной деформации, как это описано в работах: T.Furu, K.Marthinsen and E.Nes, Materials Science and Technology, 6, (1990), p. 1093, and H.E.Vatne, T.Furu, R. Ørsund and E.Nes, Acta Metall.44, (1996) p. 4463
- (ix) LS-DYNA™ представляет собой коммерческий алгоритм общего назначения на основе метода конечных элементов для анализа отклика неупругих твердых тел и структур на большие деформации.
- (x) NaMo™ представляет собой некоммерческую комбинированную модель выделения осадка, предела текучести и наклепа для алюминиевых сплавов группы 6xxx, описанную в работе: O. R. Myhr, Ш. Grong, and K. O. Pedersen: A Combined Precipitation, Yield Strength and Work Hardening Model for Al-Mg-Si Alloys. Met. Trans A, Vol. 41, No. 9, 2010, pp. 2276-2289.
Группа (2) моделей, как показано на фиг. 4, т.е. «стоимостные модели», охватывает спектр моделей от простых оценок издержек процесса, где эти издержки вычисляют непосредственно на основе производственных параметров (например, количество изделий/час, процент брака и частота ремонтов и т.п.), до комплексных моделей затрат на материалы, использующих информацию о ценах на сырье и другие исходные материалы и о наличии, например, источников брака, таких как разработанная самим заявителем (компания Norsk Hydro) модель HalOpt™. К моделям других типов относятся логистические модели, учитывающие доступность технологического оборудования, перевозки материалов и продукции между различными производственными объектами и т.п.
«Средства оптимизации» ("Optimizing tool"). Программное обеспечение для оптимизации связывает различные модели, являющиеся частью технологической цепочки, и организует итерации и потоки данных между моделями. Пользователь задает свойства, которые нужно оптимизировать, и свойства, которые не важны или которые нужно удерживать в заданных пределах, согласно «требованиям потребителя».
Имеются различные коммерчески доступные пакеты программ, подходящие для этой цели, например коммерческое средство оптимизации "modeFrontier" ™. Могут быть также применены разного рода поверхностные нейронные сети или другие числовые модели аналогичного типа.
Пример 1
Изготовление изделий из алюминиевых сплавов марки 6xxx способом экструзии.
Фиг. 5 представляет диаграмму, показывающую пример полной и подробной последовательности операций для изготовления изделий из алюминиевых сплавов марки 6xxx способом экструзии, так что на этой диаграмме идентифицированы индивидуальные модели. В последующем принципы, описанные на предыдущих страницах, будут пояснены более подробно, применительно к этой конкретной технологической цепочке.
Диаграмма, показанная на фиг. 5, содержит наиболее важные компоненты, необходимые для осуществления оптимизации технологической цепочки. Однако во избежание «перегрузки» диаграммы некоторые процедуры, которые могут быть нужны для выполнения надежной оптимизации, в диаграмму не включены, но будут рассмотрены ниже.
Износ оборудования: Для некоторых процессоров, таких как, например, экструзия, износ оборудования вносит значительный вклад в общие издержки. Применительно к экструзионной головке, обрабатываемый сплав и параметры экструзии влияют на срок службы головки, вследствие чего их необходимо учитывать при расчете издержек.
Это можно сделать с использованием, например, программной модели HyperXtrude™, разработанной компанией Altair и используемой в качестве средства для выполнения простых оценок на основе, например, распределений механических напряжений и концентраций.
Наличие оборудования и узкие места: Недостаток производственных мощностей для некоторых процессов может ограничить использование высокой производительности, обеспечиваемой остальной частью цепочки. В настоящем примере такими узкими местами могут быть гомогенизация, а также печи для старения. На практике, максимальные величины производственных мощностей для различных процессов следует задавать в разделе «Ограничения» логической схемы (т.е. в самом нижнем прямоугольнике на схеме), чтобы учесть процессы, ограничивающие общий «поток» или производительность.
В этой связи необходимо также учитывать логистику и складские возможности. Первый этап состоит, как указано выше, в задании требований потребителя, как это обозначено верхним прямоугольником в логической схеме на фиг. 5. Как описано ранее, задаваемый потребителем «профиль свойств» продукции может содержать большое число требований к продукции.
Геометрия: Конструкция профиля может быть фиксированной, если потребитель требует конкретную геометрию. В альтернативном варианте, конструкция может быть оптимизирована, для чего обычно требуется параметризация некоторых характеристических размеров поперечного сечения. Геометрия влияет на целый ряд свойств. К примерам таких свойств, непосредственно связанным с конструкцией профиля, относятся жесткость, которая зависит от момента инерции, равно как и несущая способность в направлении оси, пропорциональная площади.
Механические свойства: К примерам задаваемых потребителем механических свойств относятся свойства при растяжении, которые могут быть заданы следующим образом:
- Предел текучести>190 МПа
- Предел прочности при растяжении>215 МПа
- Относительное удлинение до разрушения>15%
«Свариваемость»: Это пример требования, «свободно» задаваемого потребителем. Это требование необходимо трансформировать в более конкретные требования, чтобы можно было осуществить оптимизацию. Когда потребитель требует, чтобы сплав был свариваемым, это вероятно означает, что этот потребитель ожидает получения бездефектных сварных швов достаточной прочности с использованием стандартных способов сварки, таких как дуговая сварка плавящимся электродом в среде инертного газа (MIG (Metal Inert Gas)), дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (TIG (Tungsten Inert Gas)), лазерная сварка или сварка трением (Friction Stir Welding (FSW)). Простым требованием может быть тогда требование предотвратить ликвационные растрескивания в зоне теплового воздействия (HAZ), что означает необходимость избежать некоторых легкоплавких фаз. Это может, в свою очередь, наложить ограничения на содержание некоторых элементов, таких как медь, которые имеют тенденцию к образованию подобных легкоплавких фаз. Для получения достаточной прочности сварного шва зона теплового воздействия (Heat Affected Zone (HAZ)) часто представляет слабую связь стыка в сплавах группы 6xxx и потому требует должного внимания. Для оптимизации свойств сварного шва могут быть использованы специально разработанные модели сварки, такие как коммерчески доступная модель Weldsim™, предпочтительно в сочетании с принадлежащей компании Hydro моделью NaMo. Это позволяет прогнозировать нагрузочную способность сварного соединения.
Далее будут обсуждаться некоторые признаки, относящиеся к расчетам издержек, связанных с выбором исходных материалов и состава сплава, как показано на фиг. 6. Требования потребителя относительно концентрации следовых элементов, как показано на чертеже, оказывают значительное влияние на стоимость исходных материалов. Концентрации следовых элементов зависят от качества источников оксида алюминия, кокса и смол. Разработанная заявителем модель HalOpt™, как показано на фиг. 6, способна учитывать влияние различных источников исходных материалов, включая уровни содержания следовых элементов, на полученную в результате стоимость сплава, который нужно изготовить. (В этой связи следует отметить, что фиг. 6 представляет собой всего лишь часть общей логической схемы, вследствие чего необходимы дополнительные составляющие, как это видно из общей логической схемы, показанной на фиг. 2).
Пример 2
Изготовление изделий из алюминиевых сплавов марки 3xxx способом экструзии.
3
В качестве примера универсальности предлагаемой концепции второй пример согласно настоящему изобретению представляет собой технологическую цепочку производства тонкостенных профилей из термически необрабатываемых сплавов способом экструзии. В этом случае программная модель NaMo™, показанная на фиг. 5, не подойдет, однако здесь использовано другое некоммерческое программное обеспечение, а именно – программная модель CoDe™, рассчитывающая восприимчивость профиля к коррозии, поскольку коррозия является главной, ключевой проблемой для такой продукции. Модель CoDe™ показана в самом верхнем прямоугольнике слева в составе цепочки моделей на прилагаемой фиг. 7. Для оптимизации коррозионных свойств следует избегать образования некоторых фаз, таких как AlFe, например. Объемную долю и распределение размеров таких частиц вычисляют с применением программной модели Alstruc™, показанной на логической схеме. На выходе модель Alstruc™ выдает концентрации твердых растворов различных элементов, после чего эти концентрации используются в качестве входных данных для модели CoDe™, которая вычисляет эволюцию этих профилей концентрации в ходе термообработки и пайки. Модель CoDe™ представляет собой всего лишь пример коррозионной модели, так что вместо этой модели может быть использована какая-либо другая подобная коммерческая или некоммерческая модель с характеристиками, аналогичными характеристикам модели CoDe™.
Другими требованиями потребителя являются прочность и относительное удлинение, которые оценивают на основе микроструктуры, рассчитанной имеющимися программными пакетами, такими как пакет Alstruc™, а также структура кристаллических зерен, где может быть задана полностью рекристаллизованная или не полностью рекристаллизованная структура. Все это прогнозирует программная модель Alsoft на основе входных данных, поступающих от других моделей, применявшихся на предшествующих операциях.
Если профиль является частью паяемого твердым припоем компонента, это может наложить ограничения на максимальную концентрацию магния в сплаве.
2
Даже хотя настоящее изобретение, описываемое выше, направлено на создание способа оптимизации свойств и производственных издержек промышленных процессов, это изобретение, как оно определено в Формуле изобретения, может быть также использовано для оптимизации промышленного предприятия с точки зрения производственного оборудования и логистики. Способ также позволяет оптимизировать другие выходные данные моделей, описанных выше, например энергопотребления на единицу продукции или количества вредных выбросов на единицу продукции. Здесь была предпринята попытка минимизации в предположении, что для каждого отдельного процесса в технологической цепочке имеется модель, позволяющая оценить связь между производственными параметрами и энергопотреблением или вредными выбросами. Здесь возможны также различия в энергопотреблении или выбросах, обусловленные различными источниками исходных материалов, которые могут быть введены в модель. При таком подходе предлагаемая методология может быть также использована для минимизации нежелательного воздействия производства на окружающую среду, например, выбросов углекислого газа (CO) на единицу продукции. Далее, важно отметить, что настоящее изобретение, как оно определено Формулой изобретения, может быть применено к изготовлению любой промышленной продукции, и в том числе химической и биологической продукции. Таким образом, предлагаемый способ может использовать химические и биологические модели, равно как соответствующие химические и биологические параметры.