Тенденция удешевления технических систем и продуктов (часть 2)

Лев Певзнер

Тенденция удешевления технических систем и продуктов (часть 2)

     2.1.1. Микростандарты для поиска альтернативных технологий

     Удалось выявить группу микростандартов, в том числе:

     а. Переход от штучной листовой технологии материала к полосовой.

     МКС:  В процессе развития происходит переход от листовой технологии производства к полосовой. Это обеспечивает сокращение потерь на кромках, повысить производительность процесса и его стабильность.

     Примерами таких технологий являются, полосовая прокатка стали, производство стекла, бумаги, пластиковой пленки и многое другое (см. Приложение 3).

     Такая технология вполне будет оправданной при производстве графенов, солнечных батарей и многих других листовых материалов и продуктов.

      б.  Переход от полосовой технологии к непрерывной

       МКС: Если при раскрое полосового материала есть большое количество отходом на концах заготовок (отсутствие мерности), то рекомендуется перейти к изготовлению «непрерывной заготовки» с раскроем на заданные длины. Это не только сократит потери, но и повысит производительность процесса.

       Примерами таких технологий является производство сращиваемой древесины, непрерывная разливка стали и многие другие (см. Приложение 4).

        в. Зонтичные структуры и зонтичные технологии

       МКС: Если работа с крупными партиями вызывает противоречие – большую партию выгодно обрабатывать, но это вызывает затруднения при работе в конечном применении, то противоречие разрешается зонтичным применением в технологии, когда часть работы выполняется по технологии, обрабатывающей крупные партии, а затем партия разделяется на части, для конечной обработки.

      Переход  системам с зонтичными конструкциями или технологиями иллюстрируют такие системы как расположение двигателей космического корабля типа «Восток», или доставка топливной солярки в американские дома. Это позволяет, преодолевая  противоречие создавать новые системы и технологии. (см. Приложение 5).

      г.  Линия укрупнения блоков и их свертывания

      МКС: С развитием автоматизированных сборочных линий и удешевлением материалов, а также миниатюризацией технических систем (особенно управления) осуществляется переход к  крупноблочной структуре систем с заменой сломавшихся блоков, или просто к одноразовым системам.

      Замечание: блоки изготавливаются неразборными с универсальными соединениями.

      Этот переход иллюстрирует развитие компьютерной  (телевизионной) и простой бытовой техники. Современные компьютеры представляют из себя блоки, соединенные шнурами из проводов (см. Приложение 6). При выходе из строя блока заменяется весь блок. Простая бытовая техника – вентиляторы, электроплиты, фены и т.п. просто не подлежат ремонту. Недавно были разработаны особые шины, которые при проколе позволяют проехать еще до 100 километров, но…, несмотря на высокую цену, они одноразовые и восстановлению не подлежат. Обратим внимание, что такой подход приводит к полному изменению и конструкции, и технологии. 

       д. Переход к обработке блока  изделий

      МКС: если обработка одного изделия вызывает нежелательные эффекты (вредное действие на объект, недостаточная точность измерения и т.п.), то решением может быть переход к полисистеме.

       Примерами таких решений могут быть измерение температуры долгоносиков, измерение размеров,  обработка комплекса изделий и многое другое (см. Приложение 7).

        е. Переход к центрам высоких технологий

        Техника становится не только более качественной, но и все более сложной и дорогостоящей. В то же время, коммуникации развиваются достаточно быстро. Это и быстрый Интернет, и срочная почта и другие виды коммуникаций. В связи с этим противоречие между высокой стоимостью оборудования и его доступностью широкому кругу лиц решается путем создания центров высоких технологий, в которых качественное, но дорогостоящее оборудование используется в режиме 24 часа в сутки, а данные для него доставляются через быстрые средства коммуникации.

       МКС: Если в процессе есть дорогостоящее оборудование или технология, которая используется крайне ограниченное (незначительное) время, то удешевление процесса может быть получена за счет того, что этот элемент технологии будет выделен в отдельный подпроцесс, который будет выполняться удаленно в специализированном центре для многих предприятий.

       Дополнение к МКС: процесс будет существенно улучшен, если данные для выполнения процесса могут быть преобразованы в цифровую модель и передаваться в специализированный центр   по Интернету.

        Примерами таких центров могут служить центры по изготовлению зубных протезов в США,  центры по обработке рентгенограмм и тамограмм (см. Приложение 8).  В перспективе, для центров по обработке рентгенограмм, можно прогнозировать развитие новых систем (новых S-кривых) на базе искусственного интеллекта. Ведь база данных, собираемая на этих центрах – прекрасный материал для работы нейронных сетей способных в будущем описывать рентгенограммы и тамограммы без участия человека. Это будет следующая S-кривая.

       Замечание: В перспективе такие центры могут обслуживать управление хирургическими операциями, выполняемыми роботами или управление автоматизированными перевозками.

       Комментарий к п.2.1.1.: Это только некоторые из микростандартов по созданию альтернативной технологии.  Но каждый из рассмотренных микростандартов дает подсказку для созданию принципиально новой системы, которая будут началом развития новой S-кривой. Создание комплекса  МКС подобного типа – интересные перспективы для поиска альтернативных S-кривых.

        2.1.2. Микроалгоритмы по поиску альтернативных технологий.

       Прогноз поиска альтернативных технологий часто связан с неопределенностью по срокам реализации.  Что-то мы сможем найти с помощью микростандартов, но для чего-то понадобятся новые знания о природе вещества и мира. То есть, иногда мы можем сказать, что будет, но не можем сказать когда. Это основная проблема! Однако мы можем предложить алгоритм действия по поиску альтернативных технологий.

       Шаг 1. Сформулировать «техническое задание»  для  поиска альтернативной технологии. За основу берется формулировка ИКР или результата, обеспечивающего существенное продвижение

       Шаг 2.Поиск научных или технических открытий (новых технических разработок), которые могут быть применены для реализации задач, выявленных на шаге 1 (даже если пока результаты скромные, но есть перспективы развития). То есть поиск схожих по возможным физическим проявлениям. Оценить теоретические пределы развития системы, эффективности процесса (отметим, что во время оценки появляются новые идеи). За основу разработки может быть использована технология функционально-ориентированного поиска (1).

      Замечание: В работе часто помогает исторический анализ. Он позволяет вернуться к старым решениям на новом уровне, что часто помогает найти и реализовать новые технологии, которые не могли быть реализованы на старой элементной базе (при недостаточном уровне знаний).

        Шаг 3. Формулирование плана действий, включающего:

- анализ и оценка достаточности развития уровня техники, для создания новой технологии, нового продукта;

если «да» – приступить к созданию нового продукта;

если «нет» – определение научных и технических  задач, которые надо решить, чтобы реализовать технологию. После этого совершить новую итерацию, но уже для этих задач.

- при достаточном уровне развития техники:

- разработать технологический план и конструкцию для реализации проекта альтернативной технологии;

- разработать бизнес-план (оценить рынки, затраты на внедрение, административной структуры и т.п.); 

- создать команду для реализации проекта.

     Приложение 3. Переход от листовой технологии к полосовой

      Наблюдается переход от листовой технологии изготовления продукта к полосовой.

     Пример  1

Переход от фотопластинки к фотопленке.

           

                                   

                                    Рис. 9 . От фотопластинок к фотопленке

     Пример  2

    Переход от листовой прокатки к полосовой.

                      

                                      Рис.10 Листовая и полосовая прокатка           

 

Пример  3

  Переход от листового изготовления стекла к полосовому.

 

Рис.11. штучное производство стекла ("лунники"), листовое производство стекла из труб и полосовое производство стекла.

        Пример 4

     Переход от панелей железобетона к полосовому изготовлению железобетона.

 

Рис.12 Производство железобетонных панелей в формах и полосовое производство железобетонных панелей.

Пример 5

Переход от листового роизводства бумаги к рулонной технологии.

 

Рис. 13. Листвое производство бумаги и рулонное производство     

 

Пример 6

      Переход к ленточным пилам для резки металла, мяса и т.п.

     МКС:  В процессе развития происходит переход от листовой технологии производства к полосовой. Это обеспечивает сокращение потерь на кромках, повысить производительность процесса и его стабильность.

Приложение 4. Переход от полосовой технологии к непрерывной

      Эта технология является следующим шаге по сравнению с технологией перехода от листового производства к полосовому

     Пример 1. Процесс непрерывной прокатки

     При прокатке полосового металла прокатный стан разгоняется в начале прокатки рулона и замедляется в конце прокатки. При этом концы полосы прокатываются без натяжения, что приводит к значительным потерям производительности и металла. На многих станах используется процесс непрерывной прокатки, когда конец одного рулона приваривается к началу другого. Во время процесса сварки работает полоса, накопленного специальном устройстве – накопителе. Таким образом, процесс становится непрерывным, что позволяет снизить потери материала на концах и повышает производительность.

                                       

                                      Рис.14. Стан непрерывной прокатки

 

Пример 14. Процесс непрерывной разливки

                                           

                                  Рис. 15. Схема процесса непрерывной разливки

       Традиционный процесс получения слябов или блюмов (заготовок для прокатки листа или сортового  проката), включала в себя разливку стали из ковша в слитки, их остывание, нагрев и прокатки их в слябы или блюмы на слябинге или блюминге. При этом были большие потери металла на концах, и из-за появления окалины, а также потери энергии на повторный нагрев металла.

      Установки непрерывной разливки стали решают сразу все эти задачи. Периодический процесс переходит в непрерывный, что позволяет получать сразу заготовку нужного сечения без потерь энергии и металла.

    Пример 3. Процесс сращивания древесины

                                           \

                                                        Рис.16. Клееная  доска

Доска режется в размер по сечению, а потом склеивается по длине и ширине так, чтобы получился материал нужной длины и ширины.  Такой процесс позволяет получать пиломатериал заданных размеров, без дефектов, большой длины, при незначительных потерях. Почти все исходное сырье используется.

МКС: Если при раскрое полосового материала есть большое количество отходом на концах заготовок (отсутствие мерности), то рекомендуется перейти к изготовлению «непрерывной заготовки» с раскроем на заданные длины. Это не только сократит потери, но и повысит производительность процесса.

Приложение 5. «Зонтичные структуры»

        В природе этот микростандарт демонстрируют растения семейства зонтичных, например укроп.

                                     

     Зонтичные структуры представляет собой объединение в  полисистему нескольких групп полисистем, каждая из которых состоит в свою очередь  из полисистемы.

      Преимуществом такой схемы, как и любой полисистемы, является умножение мощности без усложнения системы при ее единичном росте (уход от противоречий (вредных факторов) связанных с пропорциональным ростом размеров системы), а также удешевление ее за счет тиражирования более простых подсистем.

         За счет чего достигается эффект?

      1. Эффективность развертывания в полисистему обеспечивается за счет:

   - повышения серийности производства элементов

   - снижения вредных факторов, возникающих при росте единичной мощности системы.

 

      2. Эффективность группового свертывания связана с:

- устранением лишних элементов на каждом (оптимальность по объему свертывания определяется ростом вредных факторов, возникающих при объединении).

 

      Зонтичное построение реализует в полной степени закон развертывания-свертывания, когда эффективность системы через структурирование  одновременно повышается за счет:

- развертывания системы в полисистему, с однородными элементами на самом нижнем уровне;

- групповых свертываниях, на каждом уровне структуры.  

      МКС:  Если необходимое количество однородных систем, объединяемых в полисистему слишком большое, что вызывает нежелательные эффекты, вследствие усложнения управления и обслуживания полисистемой, то переход к зонтичной структуре позволяет снизить этот нежелательный эффект. Зонтичная структура разрешает противоречие, за счет управления более мелкими группами черед одинаковые системы управления и частичного свертывания в каждой группе. 

      На каждом уровне переход к группе позволяет в несколько раз снизить количество управляемых (или обслуживаемых) объектов, что позволяет разрешить основное противоречие, мешающее системе.

  Пример 1

Самолетное шасси – полисистема из групп полисистем колес.

           

     Рис. 17. Самолет АН-124, с группами колес на шасси

       Пример 2

    У самолета Б-52 четыре пары реактивных двигателей - полисистема из 4-х –би-систем.

                                                     

                                                Рис.18. Б-52

       Пример 3

      Ракетоноситель (первая ступень) корабля «Восток» – полисистема 5-ти групп двигателей из полисистем по 4 двигателя в каждой группе.

                                

               Рис.19.  Космический корабль "Восток" 

     В обществе любая организация, например армия, является зонтичной структурой.

      Армия состоит из нескольких дивизий, каждая дивизия – из нескольких полков, полки – из батальонов, батальоны – из рот, роты – из взводов, взводы – из отделений…..

      Пример 4

      В цехах рафинирования меди технологический процесс построен на основе переноса атомов меди с анода на катод в ванне с электролитом.

 

      При этом процесс реализован в нескольких сотнях ванн, в каждой из которых находится по полтора-два десятка пар катод-анод. Налицо зонтичная структура из двух уровней.

                                                    

                                        Рис. 20. Ванные с анодами в цехе рафинирования меди

       Замечание: Рост размеров анодов вызывает сложности в электрохимическом процессе из-за отсутствия равномерности передачи металла, увеличение количества пар в ванне усложняет процессы электролиза. Это и определяет степень дробления по группам.

      Кроме этого, разбивка по ваннам позволяет сделать процесс непрерывно-дискретным. Дискретность позволяет перезагружать ванны, в то время как сам по себе процесс непрерывный. Такая схема позволяет оптимизировать процесс по производительности.

Пример 5

Зонтичные структуры в солнечной энергетике

                                

                                      Рис. 21. Солнечные батареи.

     Пример 6

     Пистолет с зонтичным барабаном известен только как экспериментальный. Серийно такой револьвер не выпускался.

                       

       Рис. 22. Револьвер с зонтичной схемой расположения барабанов и патронов.

      Зонтичной может быть не только техническая система, но и технология.

     Пример 1

     Центры дистрибьюции, которые получая большие партии товаров с предприятия, распределяют их в мелкий опт или доводят до частника.

     Пример 2

     С нефтеперерабатывающих терминалов и комбинатов на заправки для поставок в дома топливного дизтоплива осуществляется большими автоцистернами грузоподъемностью 50 тонн. Но такие цистерны не могу доставлять топливо в дома (просто развернуться не смогут). Поэтому в дома доставляет топливо достаточно маневренными специальными цистернами грузоподъемностью 10-15 тонн, оснащенные считывающими устройствами.

     Пример

     Предварительная обработка крупными партиями, и финишная более мелкими партиями.

     Противоречие – обработка крупной партии дешевле, но не обеспечивает высокого качества, обработка мелкой партии менее выгодна, но обеспечивает высокую точность.

     Объединение конкурентов (альтернативных технологий).

     МКС: Если работа с крупными партиями вызывает противоречие – большую партию выгодно обрабатывать, но это вызывает затруднения при работе в конечном применении, то противоречие разрешается зонтичным применением в технологии, когда часть работы выполняется по технологии, обрабатывающей крупные партии, а затем партия разделяется на части, для конечной обработки.

Приложение 6.  Линия укрупнения блоков

Введение

  1. Ранее телевизоры, радиоприемники и другие радиоприборы собирались из отдельных ламп, транзисторов, сопротивлений и других радиодеталей, из которых составлялись основные блоки прибора. При выходе из строя одного из них, дефектная деталь  определялась. Постепенно с переходом к микросхемам целые блоки стали монолитными и при выходе из строя блок заменяется целиком.
  2. В США многие приборы (фены, утюги и др.), хотя потенциально и могу быть отремонтированы, однако на практике сразу выбрасываются после любой поломки.   

      Экономические основы

      С развитием техники и технологий:

- возрастает стоимость оплаты специалиста, ремонтирующего приборы, по сравнению со стоимостью деталей и материалов.

- возрастает надежность каждой отдельной детали в узле, и как следствие узла в целом

- падает стоимость узлов и изделий с ростом серийности и использовании автоматизированных комплексов.

  1.  С развитием техники:
    1. уменьшается относительная себестоимость производства сырья;
    2. стоимость обработки сырья на единицу изделия;
    3. себестоимость производства элементов системы.
  1. Развитие автоматики приводит вытеснению человека из системы и повышения ее производительности, и как следствие, снижению себестоимости  единицы производимой продукции.
  1. Рост сложности изделий вызывает рост квалификации специалистов по обслуживанию техники, и, как следствие, стоимости зарплаты специалиста в общей стоимости ремонта системы. Как следствие, становится выгодным линия конструирования системы, при котором доля затрат.

       Последствия реализации линии развития

  1. Расширение  рынков со снижением стоимости  и ростом потребностей (наряду с ростом платёжеспособного спроса).
  2. Изменение конструкции и концепции производства (переход к неремонтопригодным конструкциям) с учетом одноразовости, что дает старт новым S-кривым для технических систем. Основные подходы для этого – применение элементов свертывания – разработаны  в ТРИЗ достаточно глубоко, но для конкретного применения могут быть дополнительно разработаны.

Приложение 7. Переход к обработке блока    

      МКС: Если обработка одного изделия вызывает нежелательные эффекты (вредное действие на объект, недостаточная точность измерения и т.п.), то решением может быть переход к полисистеме.

      Пример 1

      Измерение температуры долгоносика была сложной темой для исследования. Но решилась проблема просто – в колбу насыпали полстакана долгоносиков и замерили температуру обычным термометром.

      Пример 2

      Чтобы измерить диаметр тонкой проволоки  достаточно просто намотать два-три десятка витков на круглый стержень плотно один к другому и замерив общую длину разделить на общее количество витков.

      Пример 3

      Вырезать сложную фигуру из тонкого листового стекла очень трудно, но если надо сделать множество таких фигур, то можно объединить множество листов в блок и обрабатывать сразу весь блок. Обработка станет намного проще.

      Пример 4

      Оптоволоконный провод трудно прокладывать, если прокладывать только один  провод, но прокладка пакета таких проводов не вызывает больших затруднений.

Приложение 8.  Концентрация высоких технологий

     Пример 1

      Все зубные протезы в США отливаются по слепкам, сделанным зубными врачами в одном центре (пересылка слепков и протезов осуществляется DHL, что занимает пару дней в одну сторону). Зато работа выполняется с высокой точностью на очень дорогостоящем оборудовании. При этом в силу большой загрузки дорогого, но высокопроизводительного оборудования удельные затраты на одного пациента оказываются существенно ниже, чем аналоги.

       Замечание: в России в значительной степени протезы изготавливаются либо прямо в зубных кабинетах на компактном малопроизводительном и не очень качественном оборудовании, либо в небольших мастерских (которых насчитывается до 5-10 в крупных городах).

      Дополнительным изобретением стало сканирование челюстей в стоматологической клинике,  с последующим моделированием коронки. Скан передается по Интернету в центр изготовления коронок, а после изготовления коронки она высылается в стоматологическую клинику для установки.

      Пример 2 

       Сейчас в США разрабатывается новая технология работы в госпиталях по рентгеновским исследованиям. В настоящее время в крупных госпиталях в ночное время и воскресные дни всегда есть врач-рентгенолог. Большую часть времени он проводит в режиме ожидания, и работает лишь в экстренных случаях, когда привозят больного. Но оплачивается все время его работы. Предлагается методика, когда в госпиталях дежурят только техники (помощники врача). Которые делают снимки. Затем снимки переводятся в цифровой режим и по интернету отправляются дежурному врачу (врач может дежурить или дома, или в своем офисе). Врач анализирует снимки и высылает результаты назад в госпиталь по интернету. При использовании такой технологии, один высококвалифицированный врач может обслуживать до 10 госпиталей, что существенно экономит средства, то есть снижает удельные затраты на одного пациента.

      Схема задачи-аналога:

  1. В процессе есть высокотехнологичная составляющая, требующая дорогостоящего оборудования или участие высококвалифицированного специалиста.
  2. В рамках одного производства участие этих специалистов занимает очень короткое время, но при этом без этого оборудования или специалиста процесс невозможен, а все остальное время оборудование или специалист простаивают, что вызывает большие затраты на поддержание оборудование или специалиста в пересчете эффективное участие в процессе.
  3. Возможно вынесение высокотехнологичной составляющей за рамки процесса путем выделение процесса в центры обработки, на которые замыкает значительное количество аналогичных производств, что позволяет пропорционально увеличивать загрузку высокотехнологичной составляющей процесса повышая ее эффективность и снижая пропорционально затраты на единицу продукции.

      МКС «концентрация высоких технологий»: Если в процессе есть дорогостоящее оборудование или технология, которая используется крайне ограниченное (незначительное) время, то удешевление процесса может быть получена за счет того, что этот элемент технологии будет выделен в отдельный подпроцесс, который будет выполняться удаленно в специализированном центре для многих предприятий.

     Дополнение к МКС: процесс будет существенно улучшен, если данные для выполнения процесса могут быть преобразованы в цифровую модель и передаваться в специализированный центр   по Интернету.

      Замечание: данный стандарт стал возможен и эффективен с развитием телекоммуникаций при использовании информационных технологий и систем быстрой транспортировки (DHL, FedEx и др.). В дальнейшем, роль таких технологий будет возрастать.

     Прогнозы использования микростандарта

 

  1. С развитием информационных технологий будет возрастать значение обрабатывающих информационных центров, в которых работают мощные компьютеры и качественные софтвера. Такая обработка данных позволит сосредоточить центры обработки в одном месте, в то время как сбор исходной информации и ее использование может выполняться в разных местах. Использование таких технологий позволит удешевить оборудование, которое будет использоваться на местах (только для сбора информации), и быстро обновлять софтвера, используемые в работе.
  2. Перспективным будет использование такого приема для сложных экспертиз материалов  (например, генетический анализ; сложный химический и структурный анализы); такие анализы будут все в большей степени требоваться, по мере падения относительной стоимости таких анализов (то есть стоимости одного анализа) и времени их проведения; когда  анализ выполняется на дорогостоящем оборудовании с использованием мощной вычислительной техники и качественных софтверов.
  3. Перспективным видится организация на таких центрах  мелкосерийный изделий из  материалов, требующий использование дорогостоящих материалов и технологий (например,  изделия из высокопрочных и жаростойких интерметаллидов, которые не поддаются механической обработке, или графены, или углепластики, или твердосплавы); судя по всему, по мере падения стоимости, такие изделия будут получать все большее распространение.
  4. Протезы для медицинских целей, которые требуют кастомизации. Расчеты по протезированию и изготовление протезов.
  5.  К аналогам изделий по п.3 подходят различные штамповочные формы, фильеры для формирования профилей под давлением и другие инструменты для механической обработки, фильеры для выдавливания профилей из хрупких металлов под высоким давлением (эффект сверхпластичности под высоким давлением).

     Замечание: данной линии развития оппонирует другая линия развития – при массовом производстве идет быстрое снижение стоимости дорогостоящего оборудования, что приводит к целесообразности создания нескольких или многих центров, а иногда даже использовании оборудования в рамках потребителя.

     Если раньше расчеты выполнялись специализированными вычислительными центрами, то теперь такие расчеты можно выполнять на обычном персональном компьютере, на каждом рабочем месте. С другой стороны, для хранения больших объемов информации необходимы мощные центры. Например, вся информация по кредитной истории граждан США обрабатывается и хранится в двух крупных центрах.

Литература

Химюк А.Я. Функционально-ориентированный информационный поиск, https://www.metodolog.ru/00832/00832.html

Subscribe to Comments for "Тенденция удешевления технических систем и продуктов (часть 2)"