Обратный инжиниринг: новая дорога
Подготовил Олег Иванов
1990-е годы не отличались стабильностью промышленности. Векторы развития были установлены вместе с укреплением роли государства в регулировании экономики лишь к концу 1990-х годов, когда в числе приоритетов политики России появляется импортозамещение.
Ее идея заключалось в ставке на силы отечественной промышленности при поддержке государства, заключавшейся в предоставлении различных льгот и преференций для налаживания выпуска продукции, не уступающей по параметрам зарубежной. В 2000-е годы импортозамещение только обсуждалось, в 2010-е был дан старт ее практической реализации, которая вернула к жизни обратный инжиниринг, почти забытый в 1990-е годы.
Он постепенно стал инструментом укрепления технологического cсуверенитета, одновременно изменился его масштаб: если раньше речь шла о создании аналогов машин и механизмов, то теперь о разработке комплектующих изделий.
Ее идея заключалось в ставке на силы отечественной промышленности при поддержке государства, заключавшейся в предоставлении различных льгот и преференций для налаживания выпуска продукции, не уступающей по параметрам зарубежной. В 2000-е годы импортозамещение только обсуждалось, в 2010-е был дан старт ее практической реализации, которая вернула к жизни обратный инжиниринг, почти забытый в 1990-е годы.
Он постепенно стал инструментом укрепления технологического cсуверенитета, одновременно изменился его масштаб: если раньше речь шла о создании аналогов машин и механизмов, то теперь о разработке комплектующих изделий.
Научная фантастика зубчатых передач
Зубчатые передачи хотя бы раз в жизни видел каждый из нас. Они есть в наручных часах и на курантах Кремля, в автомобилях и в станках. Зубчатые передачи настолько обыденны, что кажется, будто они за века нисколько не изменились и придумал здесь что-то новое невозможно.
Но инженерная мысль не стоит на месте. В 1954 году скромный американский инженер Оливер Саари изобрел спироидную передачу, довольно быстро ставшую популярной на Западе. Сам Саари был весьма неординарной личностью. Он родился в 1918 году в Финляндии, в 1927 году его семья эмигрировала в США. У него было необычное увлечение – Саари писал научную фантастику о полетах в космос и контактах с внеземными цивилизациями.
Но инженерная мысль не стоит на месте. В 1954 году скромный американский инженер Оливер Саари изобрел спироидную передачу, довольно быстро ставшую популярной на Западе. Сам Саари был весьма неординарной личностью. Он родился в 1918 году в Финляндии, в 1927 году его семья эмигрировала в США. У него было необычное увлечение – Саари писал научную фантастику о полетах в космос и контактах с внеземными цивилизациями.
После университета Саари устроился в Generals Motors, в 1945 году перешел в Illinois Tool Works, крупного производителя крепежа, автомобильных деталей, оборудования для пищевой индустрии, полимеров. Спустя девять лет на свет появилась спироидная передача, считающаяся самой успешной разработкой изобретателя.
"В конце 1950-х годов сведения о ней пришли в Ижевский механический институт (ныне – Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, ИЖГТУ) - в виде рассылок о зарубежных технических новшествах. Эту инновацию в нем достаточно быстро оценили как имеющую перспективу. Всерьёз за её реверс-инжиниринг взялись Николай Голубков и Анатолий Георгиев, защитившие по теме кандидатские диссертации. В течение последующих десяти лет в вузе сформировалась научная школа в области зубчатых передач, уделявшая пристальное внимание спироидным редукторам", - рассказал профессор Евгений Трубачев, сотрудник ИжГТУ.
Спироидная передача относится к передачам червячного типа, одно из звеньев которых является червяком - по сути, резьбой, имеющей один или несколько заходов-зубьев. Ключевыми отличиями спироидной передачи являются большое число зубьев, одновременно передающих нагрузку, и возможность применения закалённой стали для колеса передачи. Спироидная передача является альтернативой традиционной червячной передачи и может применяться во многих отраслях промышленности.
Спироидная передача относится к передачам червячного типа, одно из звеньев которых является червяком - по сути, резьбой, имеющей один или несколько заходов-зубьев. Ключевыми отличиями спироидной передачи являются большое число зубьев, одновременно передающих нагрузку, и возможность применения закалённой стали для колеса передачи. Спироидная передача является альтернативой традиционной червячной передачи и может применяться во многих отраслях промышленности.
Сборка редукторов
Фото: Фотохроника ТАСС
На рубеже 1980-1990-х годов научную школу зубчатых передач (ставшую в 1994 году Институтом механики) возглавил ученик Георгиева профессор Вениамин Гольдфарб, выступавший за массовое использование спироидной передачи в промышленности. Его идея стала в буквальном смысле слова спасением для научной школы в тяжелые 1990-е годы – вузы испытывали хроническое недофинансирование и им надо было изыскивать внебюджетные источники средств. ИЖГТУ исключением не был.
В 1994 году Институт механики ИжГТУ добился в Государственном комитете по высшему образованию России запуска научно-технической программы "Прогрессивные зубчатые передачи". Тогда же ИжГТУ выступил в числе учредителей малого инновационного предприятия "Механик", наладившего производство спироидных редукторов. Оно арендовало в вузе помещения и оборудования, привлекало к работам его сотрудников и благодаря поступавшим "Механику" заказам, ИжГТУ стал получать живые деньги, шедшие на исследования в области обратного инжиниринга спироидных передач и разработки отечественных образцов, ничем не уступающих иностранным аналогам (после обретения "Механиком" полной юридический автономности, он продолжил научное сотрудничество с ИжГТУ).
"Механик" позволил сохранить научную школу, став, по сути, основным местом работы для её сотрудников и ряда преподавателей вуза. Со временем он превратился в площадку для отработки и реализации новых идей, и давал материальные ресурсы для них. К 2000 году вырисовывалась перспектива широкого применения спироидных передач в редукторах трубопроводной арматуры, - говорит Евгений Трубачев. - Чтобы встать на ноги на этом рынке потребовалось создать методологию проектирования, новые конструкции и эффективные технологии производства, появились даже новые разновидности передач (неортогональная червячная передача, QN-передача, внешне похожая на нотный знак Quarter Note). Благодаря этому мы смогли заместить импорт практически всей линейки редукторов трубопроводной арматуры (более 20 типоразмеров массой от 4 до 500 кг)".
В результате клиентами "Механика" стали предприятия, выпускавшие трубопроводную арматуры для нефтегазового комплекса, химии, энергетики, а ИжГТУ продолжил исследования в области спироидной передачи. В последние годы пристальное внимание стало уделяться редукторам и приводам для автомобилей и сельскохозяйственной техники.
Недавно ИжГТУ в кооперации с "Механиком" выполнил проект по обратному инжинирингу по заказу "Ростсельмаша". Как оказалось, в его машинах используются импортные редукторы. В условиях санкций зависеть от чужих решений небезопасно, поэтому и была поставлена задача обратного инжиниринга.
"В рамках проекта специалисты "Механика" провели анализ технических решений для ряда образцов высококлассной импортной редукторной техники, занимающей доминирующее положение на отечественном рынке сельскохозяйственного оборудования, включивший в себя разборку, измерения, анализ материалов и обработки деталей изделий, восстановление геометрических, силовых, прочностных расчётов", - сообщил Сергей Колесников, руководитель Регионального центра инжиниринга Корпорации развития Удмуртской Республики.
По его словам, для части образцов произведён обратный инжиниринг с адаптацией решений под отечественную нормативную базу, комплектующие и технологии изготовления. Для другой части предложены новые технические и технологические решения, обеспечивающие конкурентоспособность отечественной техники в новых условиях (параллельного импорта и импорта из дружественных стран).
Проектная работа завершилась появлением конструкторской документации и продолжилась изготовлением опытных партий продукции, их заводскими и полевыми испытаниями. Для этого спроектированы и реализованы оригинальные испытательное оборудование и технологическая оснастка, программы и методики испытаний, технологическая документация.
Проектная работа завершилась появлением конструкторской документации и продолжилась изготовлением опытных партий продукции, их заводскими и полевыми испытаниями. Для этого спроектированы и реализованы оригинальные испытательное оборудование и технологическая оснастка, программы и методики испытаний, технологическая документация.
"Работа, хотя и была для нас во многом новой, во многом же была привычной, поэтому все её этапы - разборка изделий-прототипов, измерения деталей, трёхмерное моделирование, разнообразные расчёты, наконец, оформление чертежей и другой документации - были нам хорошо знакомы", - поделился Евгений Трубачев. - Насколько можем судить, заказчик остался доволен и теперь может более свободно выбирать поставщика продукции. Пока заказчику потребовалось практически точная копия, минимальные изменения внесены для "слабых мест" и замещаемых на отечественные компонентов (например, сталей и стандартных режущих инструментов). Тем не менее, достигнута предварительная договорённость о том, что работа будет продолжена, и у нас будет возможность реализовать и собственные задумки, которые снизят себестоимость сельскохозяйственной техники".
Космические технологии в медицине
В истории российской космонавтики находящееся в Екатеринбурге НПО автоматики занимает особое место – в нем разрабатываются системы управления для ракет-носителей. Оно носит имя выдающегося конструктора академика Николая Семихатова, внесшего огромный вклад в теорию и методологию проектирования и изготовления различных систем автоматизации движущихся объектов. При этом, к сожалению, малоизвестна его роль в развитии медицинской техники.
Между тем, она значительна. Будучи с 1976 года главным конструктором НПО автоматики, Семихатов в начале 1990-х годов задумался, как тогда модно было говорить, о его конверсии – переводу на гражданские рельсы. По его инициативе было создано структурное подразделение, занявшееся выпуском хирургических игл и скарификаторов для забора крови.
В 1992 года оно было преобразовано в самостоятельное предприятие и тогда же стало ясно, что иглы сами по себе не востребованы, вместо них в медицине пользуются спросом готовые шовные материалы – хирургические иглы с зафиксированными в их торцах нитями. Их применение обеспечивает минимальное травмирование тканей при наложении шва за счет плавного перехода тела иглы в нить практически без изменения диаметра. Тем самым значительно снижается риск воспаления шва и ускоряется его заживление.
"Пришлось осваивать производство по сборке хирургических шовных материалов. Сначала закупали готовые нити и соединяли их с иглой собственного производства, затем наладили выпуск нерассасывающихся плетеных и крученых нитей", - рассказал Василий Кузнецов, заместитель директора по науке и инновациям "Медин-Н".
"Медин-Н" не останавливался на достигнутом. В 2002 году было организовано производство рассасывающихся полимеров на основе гликолевой и молочной кислот с последующей переработкой в плетеные рассасывающиеся нити "Сабфил" со сроком разложения в организме 60-90 дней. Проект походил на авантюру, так как был большой риск потерпеть неудачу – ничего аналогичного в России вообще не было и приходилось действовать на ощупь. Он увенчался успехом благодаря грамотной работе химиков, конструкторов и технологов.
Затем был освоено изготовление и других видов рассасывающих нитей – сегодня "Медин-Н" производит широкую номенклатуру нитей короткого, среднего и длительного сроков разложения в организме. Потом сотрудники предприятия решились на разработку аналогов импортных рассасывающихся имплантатов и снова добились положительных результатов. Как раз в мае 2023 года "Медин-Н" получил от Росздравнадзора регистрационное удостоверение на выпуск рассасывающихся винтов для остеосинтеза – соединения обломков костей при ранениях и травмах.
Драйвером обратного инжиниринга медицинских материалов являются обращения в "Медин-Н" хирургов с предложениями освоить выпуск новой продукции. Реже поступают предложения от организаций.
"Речь идет не об ассоциациях, кластерах и подобных искусственных образованиях, а о вполне конкретных людях, энтузиастах, фанатах своего дела и патриотах, готовых тратить личное время и энергию на продвижение своей идеи, консультирование на всех этапах разработки, постановки производства и регистрации медицинского изделия", - отметил Василий Кузнецов.
"Речь идет не об ассоциациях, кластерах и подобных искусственных образованиях, а о вполне конкретных людях, энтузиастах, фанатах своего дела и патриотах, готовых тратить личное время и энергию на продвижение своей идеи, консультирование на всех этапах разработки, постановки производства и регистрации медицинского изделия", - отметил Василий Кузнецов.
По его словам, за основу создаваемых в рамках обратного инжиниринга медицинских изделий берется продукция, уже присутствующая на отечественном рынке и имеет действующие регистрационные удостоверения Росздравнадзора (это упрощает процедуру регистрации нового изделия). Для разработки хирургических шовных материалов были использованы образцы продукции американской Ethicon ("дочка" Johnson & Johnson), немецкой B.Braun, южнокорейской Samyang Holdings, рассасывающихся винтов для остеосинтеза – финской Bioretec.
При наличии нескольких однотипных медицинских изделий с близкими характеристиками от разных зарубежных производителей в качестве прототипа выбирается продукция, в наибольшей степени отвечающая требованиям хирургов. И ни одно изделие не берется в разработку без консультаций и детального обсуждения со специалистами, для которых оно предназначено.
"Специфика обратного инжиниринга применительно к медицинским шовным материалам заключается в комплексности решаемых при этом задач. С одной стороны, хирургический шовный материал представляет собой достаточно простую конструкцию – нить (плетеная, крученая или леска), закрепленная в торце иглы. Сделать чертеж и конструкторскую документацию на такую продукцию просто. Но с другой стороны, обратный инжиниринг – это не только процесс снятия параметров с какого-либо изделия, но и создание на их основе его опытного образца для последующего запуска в массовое производство. В связи с этим возникают вопросы технологии производства", - сообщил Василий Кузнецов.
Например, при изготовлении игл необходимо решить вопросы получения правильных углов заточки острия, углов гибки тела иглы, переменного профиля сечения по длине, переменной твердости по длине и способа крепления нити в торце. И это притом, что диаметр выпускаемых нами игл начинается от 0,15 мм.
Наиболее сложным является обратный инжиниринг синтетических рассасывающихся нитей. Работы по этому направлению "Медин-Н" проводит с Институтом органического синтеза имени Исаака Постовского Уральского отделения РАН, применяя сложные аналитические методы - спектроскопию ядерного магнитного резонанса и инфракрасную спектроскопию, дифференциальную сканирующую калориметрию, элементный анализ, газовую и жидкостную хроматографию.
Приходится решать комплекс задач – установление химического состава, определение физико-механических характеристик и термодинамических свойств материала импортного образца. Для создания собственного прототипа необходимо выполнить разработку методов синтеза исходных мономеров, каталитической системы и метода их полимеризации. В качестве исходного химического сырья "Медин-Н" использует крупнотоннажные химические реагенты отечественного производства и, как правило, приходится разрабатывать методы их дополнительной очистки.
Добавим еще и разработку специализированного реакторного оборудования, разработку режимов экструзии и текстильной обработки. Таким образом, создание каждого образца импортозамещающей продукции представляет собой полноценную научно-исследовательскую работу и в среднем на нее уходит один-два года.
Столь сложный труд оправдывает себя. В 2002 году, когда "Медин-Н" только-только приступила к организации выпуска рассасывающих полимеров, доля рассасывающихся шовных материалов из них на российском рынке составляла порядка 15%. В 2022 году она достигла уже 55%, доля же непосредственно "Медин-Н" - 10%. И она будет увеличиваться.
Столь сложный труд оправдывает себя. В 2002 году, когда "Медин-Н" только-только приступила к организации выпуска рассасывающих полимеров, доля рассасывающихся шовных материалов из них на российском рынке составляла порядка 15%. В 2022 году она достигла уже 55%, доля же непосредственно "Медин-Н" - 10%. И она будет увеличиваться.
От сеялок до автомобильных моторов
В феврале 2022 года обратный инжиниринг получил поддержку от государства: Правительство России приняло постановление № 208, предусматривающее старт программы предоставления грантов на разработку конструкторской документации на комплектующие изделия, имеющие критическое значение в силу того, что они нашей стране не производятся или выпускаются в недостаточных количествах.
В целом со дня запуска программы было поддержано 110 проектов по разработке конструкторской документации на комплектующие изделия на сумму более 4 млрд рублей.
В целом со дня запуска программы было поддержано 110 проектов по разработке конструкторской документации на комплектующие изделия на сумму более 4 млрд рублей.
Одним из проектов стал обратный инжиниринг крыльчатки. На первый взгляд, в ней нет ничего особенного – крыльчатка и только. На самом же деле, речь шла отнюдь не о детали вентилятора для охлаждения квартиры или офиса, а о крыльчатке вентилятора для пневматической сеялки, используемой в агропромышленном комплексе.
Несмотря на небольшие габариты, она является критически важным элементом: она нужна для правильного разбрасывания семян на полях во время ярового или озимого сева. К крыльчатке предъявляются высокие требования по прочностным характеристикам, призванным обеспечить бесперебойность функционирования в условиях колебания температур, влажности и запыленности. В случае аварии крыльчатки вентилятора из строя фактически выходит вся сеялка, стоимость которой может составлять несколько миллионов рублей.
Несмотря на небольшие габариты, она является критически важным элементом: она нужна для правильного разбрасывания семян на полях во время ярового или озимого сева. К крыльчатке предъявляются высокие требования по прочностным характеристикам, призванным обеспечить бесперебойность функционирования в условиях колебания температур, влажности и запыленности. В случае аварии крыльчатки вентилятора из строя фактически выходит вся сеялка, стоимость которой может составлять несколько миллионов рублей.
За создание ее отечественного аналога взялся Уральский федеральный университет (далее – УрФУ). Существующие в его структуре Инжиниринговый центр цифровых технологий машиностроения (далее – ИЦЦТМ УрФУ) и экспериментально-производственный комбинат выполнили полный комплекс необходимых работ – провели 3D-сканирование крыльчатки, сделали ее материаловедческий анализ, подготовили комплект конструкторской документации, создали опытный образец и организовали его испытания.
В результате изготовленная ими крыльчатка может крутится со скоростью 5 тыс. оборотов в минуту и выдержать бесперебойную работу в течение не менее 1 тыс. часов.
В результате изготовленная ими крыльчатка может крутится со скоростью 5 тыс. оборотов в минуту и выдержать бесперебойную работу в течение не менее 1 тыс. часов.
Стоимость же российского аналога оказалось сопоставимой с ценой немецкого образца за счет использования принципиальной иных технологий. Например, инженеры УрФУ применили лазерную сварку деталей, обеспечив тем самым требуемую геометрию и жесткость крыльчатки. Ротационная вытяжка помогла добиться нужных аэродинамических свойств. Большую роль сыграло тестирование различных материалов для крыльчатки – сотрудники центра протестировали 15 их видов.
"Главное - то, что мы разработали технологию создания крыльчатки. Теперь можем создавать крыльчатку не только для сеятельных машин, но и для двигателей автомобилей, вентиляторов разных назначений. По сути, нужно будет только изменить габариты под потребности заказчика", - рассказал Александр Волков, руководитель проектов экспериментально-производственного комбината УрФУ.
Опытный образец прошел необходимые натурные испытания в составе пневматической сеялки. Также он выдержал тестирование на повышенных оборотах, показав возможность работу в экстремальных условиях. В ближайшей перспективе ожидается внедрение крыльчатки в серийное производство.
Опытный образец прошел необходимые натурные испытания в составе пневматической сеялки. Также он выдержал тестирование на повышенных оборотах, показав возможность работу в экстремальных условиях. В ближайшей перспективе ожидается внедрение крыльчатки в серийное производство.
"Инжиниринговый центр цифровых технологий машиностроения УрФУ гордится тем, что реализовал данный проект. Во-первых, он - прекрасный пример объединения научных знаний и практических промышленных задач, что соответствует вектору развития инженерного образования в России. А улучшенные характеристики полученного изделия - доказательство того, что обратный инжиниринг является прежде всего точкой роста для дальнейшего развития технологий производства критически важных комплектующих, сообщил Максим Сапогов, директор ИЦЦТМ УрФУ. - Во-вторых, обратный инжиниринг - крайне эффективный способ разработать и вывести на рынок изделия для нужд машиностроения. Ведь программа его грантовой поддержки предполагает, что потребность уже есть, она сформирована и даже рассчитана. Более того, известны ценовые и технические диапазоны.
Но если, как в случае с крыльчаткой, технические характеристики существенно улучшены, то получается, что мы разрабатываем новое изделие, но минуем начальную стадию разработки требований, системной модели, базового дизайна, множественных итераций, проб и ошибок. То есть сам подход обратного инжиниринга комплектующих - это не только вызванный необходимостью шаг, но и эффективный и быстрый путь технологического развития промышленности".
Но если, как в случае с крыльчаткой, технические характеристики существенно улучшены, то получается, что мы разрабатываем новое изделие, но минуем начальную стадию разработки требований, системной модели, базового дизайна, множественных итераций, проб и ошибок. То есть сам подход обратного инжиниринга комплектующих - это не только вызванный необходимостью шаг, но и эффективный и быстрый путь технологического развития промышленности".
Государство усиливает внимание к обратному инжинирингу, рассматривая его в качестве мощного инструмента укрепления технологического суверенитета. В июне президент России Владимир Путин поручил правительству направлять добровольные взносы, получаемые при продаже иностранными компаниями предприятий в нашей стране, на финансирование программ обратного инжиниринг. В июле правительство решило выделить на него 2 млрд рублей из своего резервного фонда. Это значит, что историю обратного инжиниринга будут вписаны новые интересные страницы.
Предыдущий текст
Обратный инжиниринг: советская магистраль
© 1998-2023 ФГБУ "РЕДАКЦИЯ "РОССИЙСКОЙ ГАЗЕТЫ"