Цікаві та дивовижні інновації в індустрії листового металу в XXI столітті

Індустрія листового металу пережила хвилю проривних досліджень та відкриттів з 2000 року. Від розумних нанопокриттів до дизайну, що керується ШІ, ці передові технології листового металу покращують якість, ефективність та сталий розвиток у всьому — від автомобілів і літаків до фасадів будівель і огорож. Мехбуд — український лідер у галузі оцинкованої та полімерно-покритої сталі — тісно пов’язаний з цими трендами. У цій статті ми висвітлюємо основні прориви 21 століття (як академічні, так і комерційні), які змінюють металургійне виробництво. Ми розглядаємо інновації, такі як наноструктуровані захисні покриття, лазерне бланкування, роботизовану формовку та екологічне цинкування, і пояснюємо, як кожна з них покращує продуктивність або сталий розвиток. Якщо це доречно, ми вказуємо на зв’язки з продуктами Мехбуд, такими як оцинковані/полімерно-покриті фасади та огорожі (див. сторінки Системи вентильованих фасадів та Профілі огорож для прикладів).

Наноструктуровані покриття для захисту від корозії

1. Нанокомпозитні та «розумні» покриття. Дослідники розробили наноадитиви (наприклад, наночастинки ZnO) та інкапсульовані інгібітори, які роблять захисні покриття набагато ефективнішими. Наприклад, наночастинки ZnO можуть зробити сталеві поверхні супергідрофобними, що підвищує стійкість до корозії навіть після тривалого впливу (Роль нанопокриттів у захисті від корозії – Інститут корозії). Маленькі нанокапсули, що вбудовані в покриття, можуть вивільняти хімічні речовини, що інгібують корозію, за вимогою (активуються зміною pH або пошкодженням) (Роль нанопокриттів у захисті від корозії – Інститут корозії). У порівнянні з традиційними фарбами, ці наноструктуровані покриття значно покращують бар’єрні властивості, механічну міцність і довговічність, одночасно знижуючи вагу (Роль нанопокриттів у захисті від корозії – Інститут корозії). Вони знаходять застосування в автомобільній промисловості, авіації, нафті та газі, а також в електроніці — в будь-яких галузях, де важливий довговічний та низькообслуговуваний захист металу. Для фасадних панелей або частин огорож такі покриття означають роки без іржі з мінімальним обслуговуванням.
2. Широка антикорозійна ефективність. Нанопокриття також вирішують проблему забруднення та покриття, стійкі до забруднення. Деякі комерційні продукти тепер використовують графен або керамічні наношари, що уповільнюють корозійні процеси в 5–20 разів порівняно з голим металом (Антикорозійні нанопокриття – Nanografi Advanced Materials). Ці покриття можуть бути застосовані до оцинкованої або полімерно-покритої сталі (як у панелях Мехбуд), що ще більше подовжує їх термін служби. У короткому викладі, передові дослідження покриттів призвели до створення «розумних» металевих покриттів, що значно подовжують термін служби — справжнє благо для будь-якого металевого продукту, який піддається впливу погодних умов або солі.
   

ШІ та робототехніка в індустрії листового металу

1. Автоматизація, керована ШІ. Інтеграція робототехніки та штучного інтелекту почала революціонізувати процеси формування листового металу. Аналітики зазначають, що світовий ринок листового металу становить близько $300 мільярдів, а сектор роботів для металургійного виробництва, за прогнозами, досягне $12 мільярдів до 2031 року (Робототехніка та ШІ в обробці листового металу). Сучасні роботи можуть виконувати різання, згинання, зварювання та переміщення частин листового металу з високою точністю. Насправді майбутні системи прагнуть до «майже відсутності людського втручання», повністю автоматизуючи штампування, складання та обробку (Робототехніка та ШІ в обробці листового металу). Це збільшує продуктивність та безпеку і робить дефіцит кваліфікованих працівників меншою проблемою.
2. Оптимізоване виробництво за допомогою ШІ. Окрім фізичної сили, алгоритми ШІ тепер тонко налаштовують виробництво листового металу. Машинне навчання використовується для планування шляху (оптимізація руху інструментів для мінімізації відходів і часу циклу) та прогнозного обслуговування (прогнозування, коли потрібно обслуговувати преси чи лазери) (Робототехніка та ШІ в обробці листового металу). Наприклад, ШІ може навчитися оптимальної послідовності згинання для складного кронштейна або виявити зношення інструмента до того, як це призведе до проблем з якістю. Результатом є вища ефективність і менше відходів. У дизайні ШІ також дозволяє генеративне проектування листових компонентів: наприклад, GM і Autodesk використали генеративний ШІ для перепроектування кронштейна сидіння, об’єднавши 8 частин в одну. Новий кронштейн на 40 % легший і на 20 % міцніший за оригінальний (General Motors | Генеративне проектування в автомобільному виробництві | Autodesk) – інновація, яку неможливо було б досягти без людського дизайнера. Такі дизайн і моделювання, керовані ШІ, можуть так само легко запропонувати нові форми для фасадних панелей чи профілів огорож, що максимізують співвідношення міцності до ваги.
3. Роботизоване згинання і зварювання. Сучасні роботизовані осередки можуть згинати частини листового металу з великою кількістю ступенів свободи, замінюючи повільні налаштування ручних пресів. Гнучкі роботизовані руки, поєднані з пресами або автоматизованими верстатами для згинання, можуть виконувати серії згинів без простоїв, швидко адаптуючись до нових програм для частин. Ця гнучкість означає коротші терміни виготовлення і можливість економічно обробляти спеціальні або низьковиконані серії. Наприклад, на заводі Мехбуд використовуються автоматизовані верстати для згинання та пробивання, що дозволяють виготовляти фасадні панелі та профілі огорож з високою точністю та постійною якістю. Коротше кажучи, робототехніка + ШІ = швидше виробництво, вища точність і необхідна гнучкість для сучасних різноманітних виробів з листового металу.
   

Лазерне бланкування та високо-швидкісне різання

1. Лазерне бланкування з подачею котушок. Традиційне штампування вимагає використання сталевих котушок, дорогих штампів та довгих термінів виконання. Нові лазерні лінії для бланкування змінюють правила гри. Ці системи подають листовий метал і використовують лазери з ЧПУ для різання плоских заготовок прямо, без використання штампа. Як зазначає один огляд галузі, “уявіть собі, що вам не потрібно створювати штамп, і просто програмуєте лазерний агрегат для різання бажаної форми” (Коли лазерне бланкування є найкращим вибором | Стаття MetalForming Magazine). Оскільки немає потреби в інструменті, частини можна виготовити з CAD до різання за години, що дозволяє швидко реагувати на зміни дизайну. Результатом є величезна гнучкість: виробники можуть розташовувати будь-які форми для максимального використання матеріалу, а зміна дизайну вимагає лише оновлення програмного забезпечення, а не нового інструментарію.
2. Заощадження часу та коштів. Лазерне бланкування дає чисті краї на будь-якому сталевому сплаві та значно знижує витрати на налаштування. На практиці це виявилось більш економічним, ніж традиційне бланкування для багатьох виробів (Коли лазерне бланкування є найкращим вибором | Стаття MetalForming Magazine) (Коли лазерне бланкування є найкращим вибором | Стаття MetalForming Magazine). Наприклад, компанія Worthington Specialty Processing (Мічиган, США) встановила лінію лазерного бланкування у 2014 році та зменшила час зміни штампів з 35 хвилин до всього 5–7 хвилин (Коли лазерне бланкування є найкращим вибором | Стаття MetalForming Magazine). Це означає, що одна машина може обробляти кілька матеріалів або товщин майже миттєво — ідеально для різноманітних замовлень або обробки металів змішаних типів.
3. Підтримка передових сталей. Високоякісні сталі (наприклад, AHSS) дуже важкі для штампувальних пресів і штампів. Лазерне різання легко обробляє надвисокоякісні сталі до 1200 МПа, дозволяючи створювати тонші, міцніші частини без необхідності в новому обладнанні. Насправді, оскільки автомобільна індустрія планує досягти приблизно 40% вмісту передової високоміцної сталі до 2025 року (Коли лазерне бланкування є найкращим вибором | Стаття MetalForming Magazine), лазерні системи стають необхідними для різання та бланкування цих сплавів. Коротше кажучи, лазери змінюють процес різання листового металу, надаючи виробникам швидкість, гнучкість та можливість використовувати легші передові матеріали, що знижує відходи та енергоспоживання.
   

Передові сталі та легкі матеріали

1. Ультрависокоміцні сталі (UHSS/AHSS). Нова металургія виробила сталеві сплави (двофазні, TRIP, мартенситні тощо), які набагато міцніші за традиційну м’яку сталь. Це дозволяє створювати легші, безпечніші кузови автомобілів та міцніші конструкції з меншою товщиною. Як зазначено, AHSS тепер очікується, що складе близько 40% листового металу для автомобілів до середини 2020-х років (Коли лазерне бланкування є найкращим вибором | Стаття MetalForming Magazine). Використання цих сталей знижує вагу транспортного засобу (і таким чином споживання пального або електроенергії), покращуючи при цьому показники безпеки при аваріях. Однак їхня висока міцність вимагає нових методів обробки (як зазначено вище) і часто лазерних або серво-привідних формувальних інструментів.
2. Алюмінієво-літієві сплави. Легкі сплави також розвиваються. В авіації використовують нові сплави Al-Li (наприклад, Alcoa 2099) та фібро-металеві ламінати (FML). Наприклад, GLARE – гібрид тонких алюмінієвих листів і скловолокнистої епоксидної смоли – використовувався на Airbus A380 для зменшення ваги фюзеляжу. Насправді, GLARE дозволив досягти 15–30% заощадження ваги порівняно з панелями лише з алюмінію (Критичний огляд фібро-металевих ламінатів (FML): від виробництва до сталого оброблення). Хоча GLARE є інновацією для авіації, схожі гібридні або композитні металеві панелі (наприклад, сендвіч-панелі для фасадів) досліджуються в будівництві та дизайні. Такі композитні ламінати поєднують жорсткість металу з корозійною стійкістю композитних матеріалів, що відкриває перспективи для створення фасадних або підлогових виробів, які будуть надзвичайно легкими, але міцними.
3. Гальвалюм та сталі з покриттям сплавами. У будівельних матеріалах однією з важливих інновацій є широке використання цинково-алюмінієвих (-магнієвих) покриттів. Продукти, як-от Galvalume (55% Al, 45% Zn) або Galfan (Zn-Al-Mg), забезпечують набагато кращий захист від корозії, ніж чистий цинк. Ці сплави покращують формуваність і довговічність листових панелей. Наприклад, покриття Zn-Al-Mg краще протистоїть корозії в прибережних районах і вимагає тоншої сталі. У поєднанні з полімерними верхніми покриттями ці сталі утворюють основу для сучасної полімерно-покритої, оцинкованої сталі – саме те, що є спеціалізацією фасадних і огороджувальних систем компанії Мехбуд.

Екологічно чисте оцинкування та покриття

1. Процеси оцинкування “зеленим” методом. Оцинкована сталь вже є стійким матеріалом (100% підлягає переробці), але останні досягнення зробили сам процес ще більш екологічним. Наприклад, нове оцинкування при високих температурах (ванни при 600°C) створює більш міцний металургійний зв’язок між цинком і сталлю (Досягнення в технології оцинкування: Що нового?). Окрім того, тонкошарове оцинкування наносить цинкові шари, товщина яких точно контролюється, що знижує використання сировини (Досягнення в технології оцинкування: Що нового?). Інша інновація — це оцинкування сплавами: комбінування цинку з малими кількостями Al, Ni або Mg під час покриття. Ці оцинковані сплави забезпечують вищу стійкість до іржі та кращу адгезію (Досягнення в технології оцинкування: Що нового?), що дозволяє панелям служити довше в жорстких умовах (заморожування, відтаювання, соляний туман тощо).
2. Перероблений цинк та контроль викидів. Зусилля промисловості також допомогли зменшити екологічний слід. Оцинковані заводи все більше використовують перероблений цинк, що суттєво знижує споживання енергії та викиди CO₂ порівняно з видобутком нового цинку (Досягнення в технології оцинкування: Що нового?). Покращена фільтрація та очистка стічних вод захоплюють майже всі стічні води з цинком. Всі ці заходи роблять сучасне оцинкування більш екологічно чистим вибором: дослідження показують, що оцинкована сталь гарячим методом часто перевершує фарбовану сталь за енергетичними та вуглецевими показниками протягом усього життєвого циклу.
3. Двошарові покриття. Помітною тенденцією є двошарові оцинковано-полімерні покриття. Тут тонкий цинковий шар (для захисту від корозії) покривається полімером, що стійкий до погодних умов (наприклад, PVDF або поліуретани). Це дає “найкраще з обох світів”: захист оцинкування плюс UV-стабільне кольорове покриття. Як зазначено в технічному огляді, оцинковано-полімерні листи забезпечують підвищену хімічну та UV стійкість, що робить їх ідеальними для використання на відкритому повітрі (Досягнення в технології оцинкування: Що нового?). На практиці це означає, що фасадні панелі та профілі для огорож, що використовують оцинковану сталь з декоративним полімерним покриттям, мають дуже довгий термін служби навіть під сонцем та дощем. Полімерний верхній шар також дозволяє архітектори використовувати сміливі кольори або текстури, не переживаючи про корозію під ним.
4. Застосування в будівництві та огорожах. Ці передові методи покриття ідеально підходять для продукції компанії Мехбуд. Наприклад, [Системи вентильованих фасадів] Мехбуд демонструють, як сучасні панелі з оцинкованої сталі з полімерним покриттям забезпечують як естетичну універсальність, так і надзвичайну довговічність на фасадах будівель. Також, [Профілі для огорож] Мехбуд використовують ці довговічні покриття, щоб забезпечити стійкість огорож до погодних умов на десятиліття. Підсумовуючи, інновації в технології оцинкування та покриття означають, що продукція Мехбуд є більш стійкою, вимагає менше обслуговування і має вищу якість, ніж будь-коли.

Композитні та гібридні листові метали

• Волокнисто-металеві ламінати (FML). Клас матеріалів, відомий як FML, поєднує тонкі металеві листи з композитними волокнами. GLARE (скло-епоксидна смола/алюміній) та CARALL (вуглецеве волокно-епоксидна смола/алюміній) — відомі приклади з авіакосмічної галузі. Їхня гібридна структура забезпечує дуже високе співвідношення міцності до ваги та відмінну стійкість до втоми матеріалу. У літаку A380 панелі GLARE дозволили зменшити вагу на 15–30% порівняно зі звичайною алюмінієвою обшивкою фюзеляжу (Критичний огляд волокнисто-металевих ламінатів: від виробництва до сталих процесів). Це не лише зменшує витрати пального, а й знижує вібрацію. Хоча FML поки що лишаються нішевими матеріалами, їхній успіх в авіації відкриває перспективи у високотехнологічній архітектурі (наприклад, легкі світлові ліхтарі або облицювання, стійке до землетрусів) і новітніх автомобільних кузовах.
• Інші металеві ламінати. Дослідження також охоплюють більш екзотичні гібриди — наприклад, додавання шару еластомеру або пластику (волокнисто-металево-еластомерні ламінати) для покращення ударостійкості чи гасіння вібрацій. Навіть без полімерів, просте ламінування сталі — як у двошарових листах з нержавіючої сталі та вуглецевої — може покращити стійкість до корозії й вогню. Основна ідея в тому, що поєднання шарів дозволяє досягти властивостей, яких жоден окремий матеріал не має. У міру розвитку технологій виготовлення ми можемо побачити індивідуально вигнуті композитні панелі на фасадах будівель або нові конструкції огорож з енергопоглинаючим ефектом.
• 4D-друк та метали-орігамі (на стадії досліджень). Дивлячись у майбутнє, дослідники вивчають програмовані листові структури (через складки або вбудовані приводи), які можуть змінювати форму. Хоча це ще експериментально, подібні “4D-друковані” металеві метаматеріали натякають на фасади, що самостійно підлаштовуються до сонячного світла, або панелі, які складаються для транспортування. Це вражаючі відгалуження досліджень у галузі листового металу — доказ того, що навіть матеріал з віковою історією здатен еволюціонувати у XXI столітті.

Підсумовуючи, за останні два десятиліття ми стали свідками вражаючих інновацій у сфері листового металу — від наноструктурованих поверхонь до виробництва з елементами штучного інтелекту. Ці досягнення зменшують вагу, заощаджують енергію, підвищують продуктивність і відкривають нові можливості дизайну. Важливо, що багато з цих трендів напряму пов’язані з орієнтацією компанії Мехбуд на високоякісні металеві вироби. Використовуючи оцинковану та полімер-покриту сталь, Мехбуд вже впроваджує прориви в покриттях і сплавах. Завдяки автоматизації та цифровому проєктуванню компанія може швидше та ефективніше виготовляти сучасні точні панелі вентильованих фасадів і систем огорож. Запрошуємо відвідувачів дізнатися більше про сучасне виробництво Мехбуд і наш підхід на сторінці Про нас, а також дослідити, як ці інновації реалізуються у наших [системах вентильованих фасадів] та [профілях для огорож].

Останні галузеві звіти та наукові огляди з тематики формування листового металу, нанопокриттів, робототехніки, адитивного дизайну та сталого цинкування
(Роль нанопокриттів у захисті від корозії – Institute of Corrosion)
(Робототехніка та ШІ у формуванні листового металу)
(Робототехніка та ШІ у формуванні листового металу)
(Переваги лазерного різання за контуром | MetalForming Magazine)
(Переваги лазерного різання за контуром | MetalForming Magazine)
(Переваги лазерного різання за контуром | MetalForming Magazine)
(Досягнення в технологіях цинкування: що нового?)
(Досягнення в технологіях цинкування: що нового?)
(Досягнення в технологіях цинкування: що нового?)
(Досягнення в технологіях цинкування: що нового?)
(Критичний огляд волокнисто-металевих ламінатів (FML): від виробництва до сталих технологій)
(General Motors | Генеративний дизайн у виробництві авто | Autodesk).