В статье автор исследует применение методического инструментария системного инжиниринга к формированию требований к системе и выбору оптимального технологического процесса в условиях изменений внешней среды, а также при поиске технических решений.
Ключевые слова: системный инжиниринг, выбор оптимальной технологии, поиск технических решений, приоритезация функций, функциональный анализ, многопараметрическая оптимизация
Введение
В современном мире медицина активно развивается, и одним из ключевых направлений является использование металлических имплантатов. Титановые сплавы, в частности сплав ВТ6 (аналог Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4VELI), являются одними из самых востребованных материалов благодаря своей биосовместимости и прочности. В данной статье рассматриваются преимущества системного подхода к разработке технологического процесса изготовления малоприпусковых штамповок из титановых сплавов для применения в медицине.
Основными требованиями к медицинским имплантатам являются:
— надёжность, которая характеризуется способностью выполнять функцию замещения костной ткани в течение длительного срока службы;
— точность изготовления, которая характеризуется отклонением геометрических параметров, а также стабильностью их получения;
— биосовместимость: материал имплантата должен быть совместим с тканями организма и не вызывать иммунного ответа;
— прочность: имплантат должен выдерживать механические нагрузки, возникающие во время функционирования;
— коррозионная стойкость: материал имплантата должен быть устойчив к воздействию биологических жидкостей и окружающей среды;
— стоимость готового изделия.
Разные участники жизненного цикла изделий больше ценят разные характеристики. Например, пациенту больше важны долговечность и стоимость, хирургу важны биосовместимость и точность, а изготовителю — технологичность производства и низкие затраты. Для определения наилучшего способа изготовить изделие, максимально удовлетворяющее всех участников жизненного цикла, рекомендуется применять элементы методического инструментария системного инжиниринга.
Процесс выбора технических решений состоит из нескольких этапов:
— сбор и формулирование требований заказчика («голос потребителя);
— систематизация и уточнение требований («голос заказчика»);
— функциональный анализ и приоритезация функций;
— выбор оптимальных решений.
-
Определение функциональных требований
- «Голос потребителя»
Следует начать с изучения «голоса потребителя», т. е. конечного пользователя изделия, изготовителя изделий и хирургов. Необходимо тщательно изучить все требования к изделию, системе (технологии), даже те, которые описаны на качественном уровне. Например, это могут быть:
— необходимо получить изделия с требуемой геометрией;
— необходимо получить изделия с требуемыми механическими свойствами;
— необходимо получить изделия с высокой надежностью;
— необходимо получить изделия с хорошей поверхностью;
— система должна управлять техпроцессом;
— система не должна оказывать значительного влияния на окружающую среду и персонал.
1.2. «Голос заказчика»
Следует заметить, что такие достаточно «размытые» требования не позволяют сформировать качественные требования к системе. Поэтому после сбора и группировки всех требований необходимо «оцифровать» данные требования, превратив их в «голос заказчика».
Например, для требования «необходимо получить изделия с требуемой геометрией» это могут быть:
— отклонение от поверхности изделия должны находиться в пределах ±0,2 мм;
— остаток облоя должен быть не более 1 мм.
Для требования «необходимо получить изделия с требуемыми механическими свойствами»:
— условный предел текучести не менее 780 МПа;
— предел прочности не менее 860 МПа;
— относительное удлинение не менее 10 %.
Для требования «необходимо получить изделия с высокой надежностью»:
— срок службы изделий не менее 15 лет.
Для требования «необходимо получить изделия с хорошей поверхностью»:
— шероховатость поверхности не более Ra 6,3 мкм;
— отсутствие дефектов, видимых невооруженным глазом;
— отсутствие инородных тел на поверхности.
Для требования «система должна управлять техпроцессом»:
— частота контроля параметров 1 раз в 5 сек;
— допуск на температуру нагрева ±10⁰С;
— допуск на скорость деформации ±5мм/с;
— срок хранения параметров не менее 5 лет.
Для требования «система не должна оказывать значительного влияния на окружающую среду и персонал»:
— количество вредных выбросов не должно превышать ПДК;
— отсутствие работников в опасных зонах.
1.3. Функциональный анализ
После «оцифровки» требований рекомендуется перейти к описанию функциональных требований подсистем и расстановки приоритетов. Для этого необходимо для функциональных требований к элементам системы и подсистем определить функции, которые должны выполняться элементами системы.
Укрупненно существует 4 основные подсистемы технологического процесса, которые будут выполнять выбранные функции:
1. подсистема дозирования заготовки должна обеспечить дозирование заготовки с заданной точностью;
2. формообразующая подсистема должна обеспечивать переработку исходной заготовки в поковку штампованную, повторяющую форму гравюры штампов;
3. подсистема термической обработки должна обеспечить получение изделий со свойствами в соответствии с требованиями спецификации;
4. подсистема отделки/подготовки поверхности должна обеспечить точность изделий (геометрические размеры, шероховатость) в соответствии с требованиями чертежа.
После определения функций можно достаточно легко подобрать элементы технических решений (устройства, датчики, технические решения и др.) для каждой функции или группы функций. Достаточно удобно и наглядно это можно представить в виде таблицы. Пример такого анализа представлен в табл. 1.
Таблица 1
Функциональные требования
|
Функциональные требования |
Функции |
Элементы технического решения |
|
Получить изделия с требуемой геометрией |
F1 обеспечить отклонение от поверхности изделия должны находиться в пределах ±0,2 мм |
Е1 Автоматизированный раскрой заготовок E2 Входной контроль на производстве Е3 Уменьшение припусков на промежуточных операциях |
|
F2 обеспечить остаток облоя должен быть не более 1 мм |
Е4 Автоматическая укладка в обрезной штамп Е5 Контроль параметров кромки обрезного штампа |
|
|
Получить изделия с требуемыми механическими свойствами |
F3 обеспечить условный предел текучести не менее 780 МПа |
Е6 Входной контроль качества заготовки Е7 Контроль режимов горячей деформации Е8 Контроль режимов термообработки Е9 Применение защитных покрытий при нагреве |
|
F4 обеспечить предел прочности не менее 860 МПа |
||
|
F5 обеспечить относительное удлинение не менее 10 % |
||
|
Получить изделия с высокой надежностью |
F6 обеспечить срок службы изделий не менее 15 лет |
|
|
Получить изделия с хорошей поверхностью |
F7 обеспечить шероховатость поверхности не более Ra 6,3 мкм |
Е10 Применение защитных покрытий при штамповке Е11 Автоматический контроль за температурой штампа |
|
F8 обеспечить поверхность без дефектов, видимых невооруженным глазом |
||
|
F9 обеспечить поверхность без инородных тел |
Е12 Автоматическая продувка и смазка штампов |
|
|
Система должна управлять техпроцессом |
F10 обеспечить частоту контроля параметров 1 раз в 5 сек |
Е13 Сервер для хранения и обработки параметров техпроцессов |
|
Е14 Датчики контроля |
||
|
F11 допуск на температуру нагрева ±10⁰С |
Е15 Термопара |
|
|
Е16 Устройство аварийной сигнализации |
||
|
Е17 Устройство автоматического отключения |
||
|
F12 допуск на скорость деформации ±5мм/с |
Е18 Датчик скорости Е19 Устройство регулировки скорости |
|
|
F13 cрок хранения параметров не менее 5 лет |
Е20 Дублирующий сервер для хранения параметров техпроцессов |
|
|
Система не должна оказывать значительного влияния на окружающую среду и персонал |
F14 количество вредных выбросов не должно превышать ПДК |
Е21 Газоанализатор |
|
Е22 Устройство аварийной сигнализации |
||
|
F15 отсутствие работников в опасных зонах |
Е23 Датчики присутствия |
|
|
Е24 Устройство блокировки |
1.4. Оценка значимости функций системы
Для сравнения функций проведем относительную оценку значимости этих функций (см. табл. 2) и интегральную оценку значимости функций (см. табл. 3).
Таблица 2
Относительная оценка значимости функций
* правило для оценок: «1» значимость функции в строке меньше, чем в столбце; «2» значимость функций равнозначна; «3» значимость функции в строке больше, чем в столбце
Таблица 3
Интегральная оценка значимости функций
|
Функции |
Приоритет |
Рейтинг |
|
F1 обеспечить отклонение от поверхности изделия должны находиться в пределах ±0,2 мм |
841 |
0,060 |
|
F2 обеспечить остаток облоя не более 1 мм |
441 |
0,031 |
|
F3 обеспечить условный предел текучести не менее 780 МПа |
1600 |
0,114 |
|
F4 обеспечить предел прочности не менее 860 МПа |
1600 |
0,114 |
|
F5 обеспечить относительное удлинение не менее 10 % |
1600 |
0,114 |
|
F6 обеспечить срок службы изделий не менее 15 лет |
1296 |
0,092 |
|
F7 обеспечить шероховатость поверхности не более Ra 6,3 мкм |
400 |
0,028 |
|
F8 обеспечить поверхность без дефектов, видимых невооруженным глазом |
676 |
0,048 |
|
F9 обеспечить поверхность без инородных тел |
576 |
0,041 |
|
F10 обеспечить частоту контроля параметров 1 раз в 5 сек |
529 |
0,038 |
|
F11 допуск на температуру нагрева ±10⁰С |
900 |
0,064 |
|
F12 допуск на скорость деформации ±5м/с |
961 |
0,068 |
|
F13 cрок хранения параметров не менее 5 лет |
484 |
0,034 |
|
F14 количество вредных выбросов не должно превышать ПДК |
1089 |
0,077 |
|
F15 отсутствие работников в опасных зонах |
1089 |
0,077 |
Приоритет рассчитывается по формуле Пр=
где Пр — приоритет, X — относительная оценка значимости функции (табл. 3).
Рейтинг — это нормированный показатель значимости функции.
На диаграмме (рис. 1) представлен результат произведенного анализа интегральной значимости функций, который дает оценку каждой функции с учетом всех взаимодействий, внесенных в матрицу.
Рис. 1. Интегральная значимость функций
- Выбор оптимальных решений
Далее с учетом приоритетов функций, а также с учетом накопленного опыта, анализа рынка оборудования и мнения экспертов можно выбрать необходимые устройства или оборудование. Возьмем для примера систему формообразования.
Подсистема формообразования:
— получение фасонной заготовки: радиально-ковочная машина (РКМ), трехплунжерный пресс (ТП), горизонтально-ковочная машина (ГКМ);
— штамповка: гидравлический пресс (ГП), механический пресс (МП), электровинтовой пресс (ЭВП), паровоздушный молот (ПМ).
Рассмотрим альтернативы с помощью интегрального параметра Гермейера (всего 12 вариантов в различных сочетаниях).
В таблице 4 приведен анализ альтернативных решений (в таблице приведены экспертные оценки, где «1» — лучшее значение, остальные значения установлены в долях от лучшего значения).
Таблица 4
Анализ альтернативных решений
Оценка оптимальности приведена в таблице 5. Интегральные критерии Гермейера выведены из таблицы на слайде 8 путем пересчета по формуле X=(Xbest-Xi)/(Xbest*Ki), где Х — интегральный критерий Гермейера, Xbest — наилучшее значение параметра, Xi — текущее значение параметра, Ki — рейтинг функции.
Чем меньше интегральный критерий, тем лучше решение.
Таблица 5
Оценка оптимальности альтернативных вариантов
Из рассмотренных альтернатив есть 2 способа, лидирующих по интегральному показателю Гермейера — фасонирование на 3-х плунжерном прессе + штамповка на гидравлическом прессе и фасонирование на 3-х плунжерном прессе + штамповка на электровинтовом прессе.
При изменении приоритетов функций вследствие внешних или внутренних факторов (изменение требований потребителя, законодательства, доступности оборудования, условий на рынках и т. д.) данная методика позволяет достаточно быстро и точно выбрать наиболее оптимальный вариант системы в новых условиях.
Заключение
Системный подход к разработке технологического процесса позволяет достаточно быстро выбрать наилучший технологический процесс для удовлетворения требований разных заказчиков с учетом минимизации затрат и исключения (или уменьшения) избыточных требований.
Литература:
1. Бородкин А. А., Ефименко Г. А. «Системный инжиниринг для поиска технических решений. Введение». Сборник лекций. Дайджест. 6 издание, 2019
2. Романов А. А. 2012–2023 Курс лекций «Основы системного инжиниринга»
3. Романов А. А. Прикладной системный инжиниринг. М.: Физматлит, 2015. — 555 с
4. Гермейер Ю. Б. Введение в теорию исследования операций. — М.: Наука, 1971. — 384 с. — (Оптимизация и исследование операций).
