Промышленность
Прогрессивное хозяйство. Какие новые технологии появляются в ЛПК
Леса имеют важное значение как с точки зрения экологии, так и с точки зрения экономики: для управления ими существует отдельная отрасль хозяйства — лесопромышленный комплекс. Не будем забывать и об их социальной функции. Карты, отражающие соседство людей и лесов, показывают, что на сегодняшний день не менее 1,6 млрд человек проживают в радиусе 5 километров от леса, и большинство из них являются «лесозависимыми» (forest-dependent people), то есть обеспечивают своё существование (жильё, пищу, доход) за счёт лесных ресурсов. Сохранение, управление и восстановление лесов — это глобальные приоритеты ЛПК, в реализации которых отрасли помогают современные технологии. СБЕР Про представляет обзор последних достижений инженерной мысли, способствующих цифровизации лесного хозяйства.
Tsugite: ПО для создания деревянных соединений
Деревянное домостроение — сфера с огромным накопленным потенциалом: объёмы строительства домов из дерева в России растут, при этом подобные конструкции занимают 10—15% отечественного рынка жилищного строительства, тогда как в некоторых западных странах доля деревянных домов в общем объёме строящегося жилья достигает 60%.
10—15%
отечественного рынка жилищного строительства занимают конструкции из дерева
Древесина считается эстетически привлекательным строительным материалом, дополнительное преимущество которого заключается в его экологичности. Возведение деревянных объектов требует сложных проектировочных решений и особых способов соединения компонентов. Исследователи из Токийского университета создали приложение для 3D-моделирования, которое значительно упрощает этот процесс, отправляя датасеты на фрезерный станок для эффективного производства проектируемых компонентов. Проектирование ведётся без использования гвоздей или клея, это означает, что изделия, изготовленные с помощью японского софта, могут быть легко собраны, разобраны, отремонтированы или переработаны.
«Мы хотели сделать столярное искусство доступным для людей без релевантного опыта. Когда мы проводили UI-исследование, пользователи без навыков 3D-моделирования проектировали весьма сложные структуры. Tsugite [название программы] проста в использовании, так как она проводит пользователей по всем ступеням проектировочного процесса шаг за шагом, начиная с галереи существующих конструкций, которые можно модифицировать под свои задачи. А более продвинутые пользователи могут сразу перейти к ручному режиму редактирования», — говорят разработчики.
Уникальность Tsugite заключается в том, что программа учитывает производственные лимиты ещё на стадии моделирования. То есть фрезерные станки, которые имеют физические ограничения (подвижность, диаметр фрезы и т. д.), получают только выполнимые инструкции. Из этого следует, что базовые алгоритмы Tsugite быстрее просчитывают все возможные комбинации: те сочетания, которые физически нереализуемы, просто не предлагаются в качестве опций. Исследователи уверены, что благодаря дальнейшим усовершенствованиям в скором времени программу можно будет использовать не только для проектирования мебели и небольших деревянных конструкций, но и целых зданий.
Отходы лесопроизводства помогут улучшить свойства композитов
Полимеры, армированные сверхтонкими нитями углеродных волокон, становятся лёгкими и прочными композитными материалами. Это делает их универсальным сырьём для различных отраслей промышленности. Добавление материалов, называемых углеродными нанотрубками, может ещё больше повысить функциональность композитов. Но химические процессы, используемые для интеграции углеродных нанотрубок, не позволяют равномерно распределить их по композитам, ограничивая прочность и другие полезные свойства конечного продукта.
Сотрудники Техасского университета A&M использовали натуральный растительный продукт — нанокристаллы целлюлозы — для равномерного прикрепления углеродных нанотрубок на композитные материалы. Новый метод позволяет проектировать композиты из углеродного волокна в нанодиапазоне.
Нанокристаллы целлюлозы — соединение, получаемое из переработанной древесной массы. При добавлении в композитные материалы их гидрофобная часть связывается с углеродными волокнами и удерживает их на полимерной матрице. В то же время гидрофильная часть помогает равномерно диспергировать углеродные волокна, подобно тому как сахар растворяется в воде (равномерно, не комкаясь и не оседая на дно чашки).
Для своих экспериментов исследователи приобрели находившуюся в свободной продаже ткань из углеродного волокна. На ткань они нанесли водный раствор нанокристаллов целлюлозы и углеродных нанотрубок, а затем подвергли всю эту массу сильной вибрации, чтобы компоненты смешались. Наконец, учёные дали материалу высохнуть и нанесли на него смолу, чтобы постепенно сформировать полимерный композит с углеродным нанотрубчатым покрытием.
Исследовав образец композита с помощью электронного микроскопа, научная группа заметила, что нанокристаллы целлюлозы прикрепляются к кончикам углеродных нанотрубок, ориентируя нанотрубки в одном и том же направлении. Специалисты также обнаружили, что нанокристаллы целлюлозы повысили устойчивость композита к изгибу на 33%, а межламинарную прочность — на 40%.
«Мы считаем, что наше открытие — это серьёзный шаг в расширении масштабов производства гибридных композитов. Технология будет полезна для различных отраслей промышленности, включая авиа- и автомобилестроение», — резюмируют исследователи.
Роботы на страже производственной безопасности
Каждый год тысячи работников ЛПК получают увечья на производстве. Чтобы свести к минимуму травмы и позволить специалистам сосредоточиться на управлении и других масштабных задачах, команда лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) создала AutoSaw — систему, которая при помощи роботов позволяет кастомизировать различные предметы, чтобы в дальнейшем собрать из получившихся деталей объёмную конструкцию. Пользователям доступен широкий ассортимент плотницких шаблонов: стульев, столов и других видов мебели. Также AutoSaw можно задействовать при обустройстве веранды и укладке настила.
Иван Маржановский, ведущий исследователь компании VisionLabs:
«На производственных предприятиях, стройках, нефтегазовых объектах нарушение регламентов не только может привести к серьёзным травмам сотрудников, но и грозит работодателю экономическими и юридическими последствиями. Однако для соблюдения требований промышленной безопасности недостаточно проводить обучение персонала, периодический или ежедневный инструктаж перед началом работ. Важно обеспечить непрерывный контроль за их выполнением. Один из наиболее важных факторов, влияющих на безопасность сотрудников, — это постоянное наличие средств индивидуальной защиты (СИЗ).
Применение продуктов и алгоритмов VisionLabs на основе свёрточных нейронных сетей позволяет автоматически отслеживать ношение СИЗ в режиме реального времени и при их отсутствии отправлять оповещение в ситуационный центр или другие ответственные службы. Сейчас на многих предприятиях подобный контроль до сих пор осуществляется вручную: либо личной проверкой специалиста по охране труда, либо просмотром видеозаписей диспетчером. Однако это очень трудозатратно и низкоэффективно. Использование видеоаналитики VisionLabs на основе компьютерного зрения позволяет полностью автоматизировать процесс и исключить влияние человеческого фактора.
В настоящее время система может отслеживать наличие или отсутствие таких атрибутов, как каска, капюшон, жилет и перчатки. Также есть возможность использования смежного функционала распознавания по лицу, что обеспечивает фиксацию нарушения по каждому сотруднику предприятия. Это помогает исключить нарушения правил безопасности и существенно снизить уровень производственного травматизма».
В ходе проектирования комплекс обращается к базе знаний, построенной на основе искусственного интеллекта, а при пилении задействуется робототехника. Используя CAD-систему OnShape, пользователи могут настраивать параметры объекта. Для безопасной резки инженеры интегрировали софт, отслеживающий движения, с небольшими мобильными роботами: в частности, команда оснастила устройство Roomba лобзиком, это дало возможность работать с пиломатериалами любой формы. «Мускульную силу» обеспечивают два робота Kuka youBot: они поднимают доски и помещают их на рабочую поверхность. После того как роботы заканчивают резку, пользователь собирает свой новый предмет мебели, используя пошаговые инструкции, данные системой.
В ходе тестирования инженерам удалось изготовить стол, который не уступал по качеству продукции мебельной фабрики. При этом весь риск травматической ампутации достался роборукам. «Системы, которые могут работать в неструктурированных физических средах, создать очень трудно. Это действительно большой шаг вперёд. Мы хотим демократизировать процесс кастомизации мебели и открыть потребителям окно возможностей. Теперь им не придётся ограничивать себя ассортиментом IKEA, отныне они могут делать то, что лучше всего соответствует их потребностям», — подчёркивают авторы проекта.
Не всякая переработка полезна
Научные работники из Университетского колледжа Лондона смоделировали различные сценарии увеличения объёмов переработки макулатуры к 2050 году. Выяснилось, что если прогнозируемые объёмы переработки будут выполнены, то выбросы парниковых газов могут увеличиться на 10%. Но есть нюанс: если бы производство и утилизация бумаги осуществлялись с использованием возобновляемых источников энергии, то углеродный след удалось бы существенно сократить.
В наши дни на целлюлозно-бумажное производство приходится, по разным оценкам, от 0,6 до 2% глобальных выбросов парниковых газов. Около трети этих выбросов происходит в результате захоронения бумаги на свалках, говорится в исследовании. Его авторы считают, что в ближайшие годы использование бумаги будет расти: отказ от пластика приведёт к увеличению спроса на бумажную упаковку. А как использование возобновляемых источников энергии, различные уровни переработки отходов и более экологически безопасные методы их захоронения могут помочь в борьбе с изменением климата?
От 0,6 до 2%
глобальных выбросов парниковых газов приходится на целлюлозно-бумажное производство
При сохранении текущих тенденций к 2050 году выбросы увеличатся с 721 метрической тонны в эквиваленте диоксида углерода в год до 736 метрических тонн. В данном сценарии повышенный спрос на бумагу нивелирует усилия по сокращению выбросов. Радикальная программа по переработке макулатуры при неизменных объёмах захоронения увеличит показатель по выбросам ещё на 10% (до 808 метрических тонн): при переработке используется электроэнергия, генерация которой — очень высокоуглеродный процесс. С другой стороны, модернизация практики захоронения бумажных отходов снизит выбросы до 591 метрической тонны, а переход на возобновляемые источники энергии при сохранении действующих стандартов утилизации и захоронения снизит выбросы на 96% до 28 тонн.