В серии ранее опубликованных статей по тестированию технологических возможностей волоконных лазеров были продемонстрированы наиболее эффективные технологические применения — резка, сварка, перфорация, закалка и очистка поверхности.
Но технологам и менеджерам промышленных предприятий важно понимать также и экономические аспекты внедрения новых лазерных технологий. Целью настоящей статьи стала попытка обсудить экономические вопросы, закономерно возникающие при оценке проектов технического перевооружения на основе мощных волоконных лазеров.
Сразу нужно отметить: отличия чрезвычайно важны, у новых лазеров имеется целый ряд технических особенностей и свойств, из-за которых переносить опыт применения классических лазеров на новую технику не совсем корректно. Поэтому целесообразно начать с изложения этих отличий и особенностей.
- Уникальный ресурс новых излучателей (более 100 тысяч часов с возможностью продления ресурса при сравнительно небольших затратах) и почти нулевые эксплуатационные затраты. С учетом фактического изъятия части амортизации через НДС и ЕСН в существующей налоговой системе это может быть весьма важным экономическим фактором (часть амортизации не используется и остается в вашем распоряжении).
- Минимальные время и затраты на подготовку помещений и пусконаладку. Производитель волоконных лазеров даже называет процесс пусконаладки термином «инсталляция», поскольку процесс запуска оборудования с момента распаковки транспортной тары занимает всего несколько часов.
- Универсальность лазерного источника. Волоконный лазер является образцом источника «чистой лучевой» энергии, и в нем самом почти нет технологической специфики — т. е. он может быть переориентирован с выполнения одного технологического процесса на другой при диверсификации или иной перестройке производства. С оговорками можно даже назвать такой источник ликвидным, в том смысле, что он сам по себе сохраняет стоимость и ценность. Отсюда начинают развиваться сервисы лизинга и обмена лазеров (по этим вопросам лучше контактировать прямо с производителем).
- Возможность наращивания мощности. Вы можете приобрести лазер с конструктивным запасом, скажем, на мощность 700 Вт при поставке и потом просто докупить блоки накачки и увеличить мощность до 2400 Вт, практически ничего не меняя в вашей производственной системе (операция установки дополнительных блоков длится не более 2–3 часов). Это позволяет существенно уменьшить начальные капитальные вложения и нарастить производительность точно в тот момент, когда это нужно вашему производству.
- Транспортировка излучения по оптическому кабелю длиной от 10 до 100 м существенно упрощает проектирование и компоновку технологических систем. Можно использовать огромный ассортимент серийной промышленной робототехники. Для некоторых задач требуется только три компонента: лазер, технологическая головка и промышленный робот. Естественно, при отсутствии опыта услуги фирмы-интегратора все равно потребуются, но суммарные затраты на создание специфической производственной системы будут существенно меньше.
- Возможность организации на базе волоконных лазеров многоцелевых и многофункциональных технологических участков для максимизации загрузки лазерного источника. Это не совсем просто, но вполне реально, и ввиду важности этой возможности мы ее специально обсудим далее.
- И наконец вопрос кадров и специалистов. Волоконные лазеры избавляют вас от необходимости содержать штат специалистов с довольно специальными знаниями в области оптики, электрических разрядов и вакуумных систем. Ничего этого не требуется для эксплуатации, обучение специалиста оператора занимает время не более недели. Естественно, это не избавит вас от необходимости иметь грамотных технологов, но это уже иной вопрос, не имеющий отношения к самому лазеру. Вполне можно задействовать имеющийся персонал и заодно получить другой, более качественный уровень производительности.
Эти семь пунктов уже сами по себе могут вызвать значительный интерес к новой технике. Для усиления эффекта стоит перечислить базовые технологии, о которых мы ранее рассказывали в статьях:
- лазерная резка металлов. Это не только классический раскрой листа, но и объемная резка, например, с использованием промышленных роботов [РИТМ №26, март, с. 42–45],
- лазерная перфорация (сетки, фильтрующие элементы) [РИТМ №35, август, с. 44–46],
- лазерная сварка. В первую очередь это шовная стыковая высокопроизводительная сварка без применения присадочных материалов и разделок кромок. Но в настоящее время технологи активно развивают гибридные процессы — комбинированные схемы сварки сочетанием лазерного пучка и электрической дуги [РИТМ №31, февраль, с. 39–41],
- лазерная закалка (термообработка) — процесс, обеспечивающий локальную закалку отдельных фрагментов детали без серьезного термического воздействия на деталь в целом [РИТМ № 29, октябрь, с. 52–53],
- лазерная наплавка — аналог процесса дуговой наплавки, отличающийся большей точностью и локальностью,
- лазерная очистка от загрязнений и покрытий. Это самый экологически чистый бесконтактный метод очистки, который потенциально может конкурировать с такими массовыми технологиями, как пескоструйная очистка [РИТМ №33, май, с. 64–66].
Переходя к экономическим аспектам, заметим, что волоконные лазеры сейчас несколько дороже классических СО2 лазеров и поэтому стоимость самого лазера составляет, как правило, существенную часть технологической системы. Ориентировочная цена лазера за 1000 Вт мощности — 3500 тыс. руб. с НДС; есть вариации в зависимости от параметров и исполнения, но это для наших оценок несущественно.
В минимальный «рабочий» набор оборудования для выполнения лазерной технологической операции входят (рис. 1):
- волоконный лазер с указанной выше базовой стоимостью 3,5 млн. руб./кВт;
- лазерная технологическая головка — 0,4–0,8 млн. руб. Она непосредственно формирует поток излучения и потоки других веществ в зоне обработки;
- роботизированный манипулятор для перемещения лазерной головки или изделия, а также для общего управления процессом. Если применить готовый универсальный промышленный робот, то затраты составят 1–2 млн. руб. в зависимости от бренда и комплектации.
Рис. 1. Минимальный набор оборудования лазерной технологической системы: 1 — лазер, 2 — оптический кабель, 3 —технологическая головка, 4 — манипулятор
Следовательно, базовая сумма капитальных затрат на технологическую систему мощностью 1000 Вт составит около 6 млн. руб. На самом деле еще будут необходимы затраты на интеграцию, программное обеспечение, подготовку помещений и производства. Поэтому будет разумным для простоты расчетов предположить, что стоимость вложений составит примерно две цены волоконного лазера. В частности такая пропорция наблюдается по лазерным станкам для раскроя металла –: цены на станки с волоконным лазером мощностью 2000 Вт находятся в интервале 12–14 млн. руб. При этом лазерные раскройные системы представляют собой довольно большой комплекс оборудования и имеют большие габариты, но цена снижается благодаря серийности и типовой, хорошо обкатанной технологии. В других технологических процессах (сварка, закалка) комплекс оборудования может быть проще, но зато на данном этапе эти технологии не пакетированы в серийные комплексы, т. е. здесь возникнут существенные затраты на инжиниринг и технологию. Поэтому коэффициент х2 может быть оправданным для широкого класса применений при среднем уровне автоматизации (процесс обработки автоматический, загрузка-выгрузка ручная или полуавтоматическая).
Попробуем посмотреть экономику лазерных технологий путем рассмотрения двух тестовых производственных задач.
В качестве первой тестовой задачи рассмотрим массовое производство изделий цилиндрической геометрии, в которых нужно выполнить сварку двух полукорпусов в единый герметичный корпус. Это типовая задача изготовления разного вида фильтров. Толщина стали — 0,5–1 мм, средний диаметр изделия — 60 мм. Целевая задача — максимальный объем производства при минимальной стоимости изделия.
Производственная система под эту задачу синтезируется почти автоматически. Для скоростной лазерной сварки такого изделия необходим волоконный лазер мощностью около 700 Вт (линейная скорость сварки будет порядка 50 мм/сек.), нужна довольно простая сварочная головка, автоматизированный вращатель изделия и система загрузки-выгрузки заготовок. Для системы загрузки можно применить простейший лотковый питатель (рис.2). Предполагается, что изделия под сварку уже предварительно собраны рабочими. В зависимости от качества заготовок (калибровка размеров) может потребоваться система коррекции положения сварочной головки по стыку изделий. В целом затраты на разработку и изготовление такой довольно несложной системы укладываются в нашу оценку и составят около 5 млн. руб. В таблице 1 приведены основные расчетные показатели такой системы. Предполагается двухсменный режим работы, пятидневная рабочая неделя, фонд рабочего времени составит около 250 тыс. минут.
Для сравнения в таблице 2 приведены расчетные параметры для альтернативного автоматического комплекса на основе аргонодуговой сварки. Для простоты принято, что стоимость источника сварочной дуги вообще равна нулю, а цена робототехники сопоставима. Скорость дуговой сварки для малых толщин в среднем составит 20 мм/сек. (порядка 80 м/ч).
Рис.2. Технологическая система для тестовой задачи №1: 1 — лазер, 2 — оптический кабель, 3 — сварочная головка, 4 — вращатель, 5 — лотковый питатель, 6 — система управления
Таблица 1. Экономические параметры лазерной сварки изделия
75 коп за
1 кВт/ч
0,05
0,4
Газы для технологии
10 л/мин.
1,5
Заработная плата основная
17
Число изделий в год
2 027 000
Таблица 2. Экономические параметры аргонодуговой сварки изделия
Эксплуатационные затраты
0,8
Время сварки изделия
10 сек.
Самые общие выводы, которые мы можем сделать из такого рода расчетов, следующие.
- Вклад в себестоимость изделия цены сварочного источника не является определяющим. Основной вклад составляют расходы на труд, и они не могут быть уменьшены путем дальнейшей автоматизации (из-за роста стоимости оборудования).
- Экономические параметры системы существенно ухудшаются при уменьшении степени загрузки оборудования и персонала; при выпуске 10 % изделий от предельной цифры производства себестоимость просто вырастет в 10 раз: в обоих случаях недогружено дорогое оборудование и коллектив сидит без работы.
- Отказ от автоматизации также ничего не дает в плане себестоимости: переход к неавтоматизированным процессам тоже резко увеличит себестоимость изделий из-за общего падения производительности труда.
- Применение лазерной технологии дает выигрыш только при близкой к максимальной загрузке производственной системы и выгодно для условий крупносерийного производства. Важным для таких производств будет также высокое качество лазерного процесса (стабильность и воспроизводимость).
Понятно, что для таких крупносерийных задач окупаемость лазерной сварки может быть весьма быстрой именно за счет резкого роста общей производительности. Проект может окупиться за год.
Для многих реальных производств характерна значительно меньшая серийность, и поэтому будет возникать проблема загрузки лазерного источника. В связи с этим рассмотрим вторую тестовую задачу. Пусть некое производство изготавливает комплексное изделие, состоящее из цилиндрического корпуса (рис. 3), к которому нужно приварить крышку с массивным элементом крепления, а к крышке приварить еще два элемента. Внутри изделия имеется также шток, работающий в режиме истирания и потому требующий упрочнения, и фильтр для жидкости, выполненный в виде кольца с припаянной металлической сеткой. Предполагаемая серийность изделий — 100 тыс. в год.
При базовой технологии изготовления изделия используются следующие технологические процессы:
- изготовление поковок для головки с проушиной,
- сложная механическая обработка поковки,
- вырезка нескольких отверстий в корпусе механическим способом,
- вварка в отверстия деталей,
- приварка головки к корпусу — ручная дуговая, имеется большой процент брака, в том числе из-за нарушения геометрии (смещение оси цилиндра и оси головки,
- объемная закалка штока, шлифовка и хромирование,
- вырезка кольцевой сетки,
- припайка сетки по внутреннему и внешнему контуру (сложно автоматизируемый процесс с большим количеством брака).
Рис.3. Изделие из тестовой задачи №2: 1 — корпус, 2 — крышка , 3 — привариваемая деталь, 4 — кольцо с отверстиями, 5 — фильтрующая сетка
Можно ли использовать один лазерный волоконный источник для выполнения или упрощения технологического процесса изготовления такого изделия? Идея состоит в том, чтобы использовать лазерный источник в режиме разделения времени и тем самым загрузить его ресурс разнородными операциями. Технически такая возможность существует, но технические аспекты мы кратко обсудим в конце статьи.
Из базы данных по параметрам лазерных технологий мы оцениваем, что нам потребуется лазерный источник мощностью 1500 Вт. Это минимальная мощность, требуемая для надежной сварки имеющихся элементов. В таблице 3 представлены полезные эффекты, которые мы надеемся получить. Поскольку планируется многофункциональное использование лазера, то стоимость робототехнического оборудования должна быть выше, поэтому мы используем коэффициент х2,5 к стоимости лазера (в итоге около 13 млн. руб.). Также для многофункциональной системы придется примерно вдвое увеличить производственный персонал. В результате пересчитанная себестоимость минуты работы комплекса будет составлять 57 руб./мин.
Таблица 3. Список полезных эффектов по тестовой задаче №2
Нужно упомянуть также важное интегральное преимущество: повышение качества изделия является важным конкурентным фактором на рынке и позволяет занять большую его долю.
Следует подчеркнуть, что практическая осуществимость всех этих планируемых технологических процессов с использованием волоконных лазеров уже тестировалась (см. выше ссылки на статьи в журнале РИТМ) и имеются предварительные экспериментальные данные по этим процессам. На фотографиях (рис. 4–8) приведены дополнительные иллюстрации.
Рис.4. Лазерная сварка. Макет титанового теплообменника
Рис. 5. Лазерная вырезка профильных отверстий в заготовках труб
Рис. 6. Лазерная сварка крышки с корпусом
Рис. 7. Лазерная закалка штока
Рис. 8. Изготовление фильтра методом лазерной перфорации
В таблице 4 приведены экономические данные по тестовой задаче №2. Объем статьи не позволяет привести тут сами расчеты; укажем только, что они выполнены по обычным методикам на основе полученных в технологических тестах параметров процессов и с типичными на настоящий момент параметрами трудоемкости и стоимости нормо-часа (700–1000 руб./н.-ч.). При этом мы принимали достаточно большие межоперационные промежутки времени, характерные для ограниченной автоматизации: сам технологический процесс выполняется полностью автоматически, но загрузка-выгрузка изделий осуществляется оператором вручную или с использованием малой автоматизации.
Таблица 4. Экономические данные по тестовой задаче №2
Механическая обработка поковки — 650 руб.
крышки — 259 руб.
Приварка кольца лазером:
Время операции — 16 сек.,
время загрузки — 44 сек.;
57 руб.
на 514 руб.
Фонд времени = 100 тыс. мин.
60 руб.
вварка в отверстия деталей — 60 руб.
время операции — 10 сек., установка — 20 сек.;
29 руб.
Лазерная вварка деталей:
время операции — 10 сек., установка — 30 сек.;
34 руб.
на 57 руб
Фонд времени =90 тыс. мин
время операции — 20 сек., время установки — 20 сек.;
38 руб.
на 152 руб.
Фонд времени = 67 тыс. мин.
Цена объемной закалки — 114 руб.
время закалки штока —
1,7 мин.;
97 руб.
Возможно улучшение качества покрытия и его стойкости,
а также удешевление процесса хромирования
Фонд времени — 170 тыс. мин.
Исключается
на 15 руб.
Припайка сетки по внутреннему и внешнему контуру —
40 руб.
Изготовление фильтра методом лазерной перфорации:
время операции — 30 сек.,
время установки — 10 сек.;
34 руб.
на 66 руб.
Фонд времени = 67 тыс. мин.
Итого
Фонд времени — 494 тыс.мин.
Требуется 2 установки
Общее снижение себестоимости — 82,1 млн руб. в год
Итак, расчеты показывают, что комплексное применение набора лазерных технологий может дать весьма большой суммарный эффект при условии полной загрузки оборудования. Тестовая задача таким условиям полностью удовлетворяет — более того, для реализации производства 100 тыс. единиц продукции необходимо два многоцелевых комплекса (расчетные затраты — 494 тыс. мин — примерно вдвое больше фонда рабочего времени — 250 тыс. мин.). Суммарные капитальные затраты на два комплекса порядка 26 млн руб.
Экономисты могут указать, что себестоимость лазерного варианта рассчитана при заниженном значении накладных расходов промышленного предприятия, но мы честно привели расчет стоимости минуты и теперь видим, что запас рентабельности проекта настолько велик, что он выгоден и при более высоких нормативах накладных расходов.
Отметим, что проектант лазерной системы после изучения таблицы 4 может предложить разделить технологическую функциональность на два лазерных комплекса не поровну, а ассиметрично — первый лазерный комплекс выполняет только сварочные работы и вырезку отверстий, а второй — остальные операции по закалке штоков и изготовлению фильтров. Или вообще может оставить только первый комплекс, выполняющий операции по первым двум строкам в таблице, ввиду того, что они вносят основной вклад в прибыльность проекта.
Эти решения будут во многом определяться также и техническими моментами, которые мы пока не рассматривали, а именно вопросами: «А как именно осуществляется многофункциональность? Реально ли это технически и к каким проблемам приводит?» Рассмотрим возможности и варианты.
Использование универсальных промышленных роботов
Для нашей тестовой задачи — использование робота с размещенной на его манипуляторе лазерной головкой — решение вполне удачное (рис. 9). Во-первых, робот способен автоматически с минимизацией времени на переходы выполнить приварку кольца к крышке со всех четырех сторон, а при изготовлении простейшего роторного позиционера изделий с ручной установкой и съемом будут минимизированы и потери времени на загрузку-выгрузку. Это же справедливо и для всех остальных операций сварки и резки.
Применение универсальных роботов имеет то преимущество, что почти исключаются затраты на проектирование и изготовление нестандартного технологического оборудования и оснастки: основная тяжесть подготовки производства ложится на подготовку программ обработки для робота.
Рис.9. Внешний вид промышленного робота с установленной на его руке лазерной головкой (резка)
Использование многопостовых участков
Это решение требует разработки для каждой технологической операции отдельного технологического поста, снабженного узкофункциональным манипулятором. После завершения определенной операции на партии изделий лазерная головка, соединенная с лазером оптическим кабелем, переустанавливается на другой технологический пост, переналаживается на другую операцию, которая выполняется на этой же или иной партии изделий. После завершения определенной операции на партии изделий лазерная головка, соединенная с лазером оптическим кабелем, перестанавливается на другой технологический пост, переналаживается на выполнение другой операции и производится обработка другой операции на этой же или иной партии изделий. К сожалению, иметь на разных постах индивидуальные лазерные технологические головки пока не представляется возможным: отстыковка оптического кабеля от головки в цеховых условиях запрещена из-за запыленности, так как малейшая пылинка, попадающая на оптический выход из оптического волокна, приводит к его разрушению. Возможно, в ближайшем будущем решение этой проблемы будет найдено.
Использование оптических мультиплексоров
Это новая возможность, пока еще редко используемая. Суть ее в том, что можно приобрести специальный коммутатор лазерного пучка, который своим входом соединен с лазером, а несколькими выходами — с технологическими головками на отдельных постах (рис.10). Переключение излучения между постами происходит достаточно быстро, и такая система может вообще свести к минимуму потери времени на технологические переходы и смену изделий. Для этого некоторая система верхнего уровня должна обеспечивать диспетчерские функции и распределять ресурс лазерного источника по запросам технологических постов. Поскольку в выполненных для формирования таблицы 4 расчетах мы всегда полагали, что время загрузки-выгрузки как минимум равно времени операции, то при применении такого мультиплексора для выполнения тестовой программы производства 100 тыс. изделий будет достаточно одного лазера. Стоимость такого мультиплексора - от 1 до 2 млн. руб. Более того, можно заказать волоконный лазер со встроенным мультиплексором на несколько выходов.
Единственный недостаток состоит в том, что мультиплексор несколько ухудшает качество излучения (на выходе приходится использовать волокно большего сечения), но это критично только для процессов лазерной резки. Для нашей тестовой задачи такая система является оптимальной. Дополнительные капитальные затраты на мультиплексор многократно компенсируются повешением уровня загрузки лазера.
Рис.10. Принцип организации лазерного участка с разделением ресурса лазера: 1 — лазер, 2 — оптический коммутатор, 3 — технологические головки, 4 — технологические посты, 5 — центральная система управления
Еще один вопрос связан с универсальностью лазерных головок. Если мы планируем использовать промышленный робот или многопостовой участок, то лазерная головка должна иметь свойство универсальности, т. е. уметь осуществлять разные технологические процессы. В настоящее время западные производители таких головок не выпускают. Но такая техника уже есть: к серийному производству подготовлена универсальная перестраиваемая российская технологическая головка VF001M (именно она изображена на рис.11), которая пригодна для выполнения всего базового спектра технологических операций с использованием излучения волоконных лазеров (резка, сварка, перфорация, закалка). Адаптация головки к конкретной операции осуществляется как за счет автоматической перестройки оптической системы, так и за счет замены сменной технологической насадки, крепящейся по принципу магнитного подвеса.
В заключении статьи приведем сводную таблицу по производительности различных технологических процессов с использованием волоконных лазеров (на основании исследований, ранее публиковавшихся в журнале «РИТМ»)
Таблица 5. Сводные данные по производительности различных технологических процессов
Очистка поверхности
Краска, слой 0,5 мм — 15–20 м2/ч
ВЫВОДЫ
- Оценки показывают, что технологии на основе волоконных лазеров имеют значительный экономический потенциал.
- Высокая рентабельность проектов на основе новых лазеров обеспечивается при максимальной загрузке, что технически возможно за счет высокой надежности и уникального ресурса новых лазеров.
- Значительную перспективу могут иметь многоф"