CC BY
168
2
Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
В. В. Лучинин
Инжиниринговый центр «Микрофабрики на столе» для социально ориентированных технологий
Введение
Современные стратегические вызовы, наряду с технологической модернизацией, требуют технологической революции. В рамках реализации этого процесса на начальном этапе в условиях дефицита научных и инженерных кадров, отвечающих современным требованиям инновационной политики, а также финансовых ограничений одним из эффективных структурных элементов генерации, трансфера знаний и технологий являются инжиниринговые центры.
Инжиниринговый центр — эффективная динамичная организационная форма создаваемой национальной инновационной системы, обеспечева-ющей экспресс-прототипирование разработок и трансфера технологий, организацию мелкосерийного выпуска продукции и оперативной профессионально-ориентированной инженерной подготовки кадров.
Инжиниринговый центр, действующий на базе вуза, должен обеспечить решение комплекса взаимосвязанных задач, включая:
• кооперацию идей и технологий в целях их коммерциализации;
• инженерную адаптацию научных исследований и трансфер технологий;
• экспресс-прототипирование изделий для оценки технико-экономических показателей и потенциала рынка;
• создание рабочих мест для высококвалифицированных кадров в инновационном секторе экономики;
• формирование новых инфраструктурных элементов образовательной системы, обеспечивающих гибкую оперативную профессионально-ориентированную подготовку и переподготовку кадров.
Цель работы — изложить концепцию создания на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» инжинирингового центра, ориентированного на технологии, реализуемые в рамках микропроизводств «фабрики на столе».
Анализ рынков наукоемких микропроизводств
Ярко выраженной тенденцией последних лет стало сокращение сроков выхода новой продукции на рынок как массовой, так и специализированной микротехники. При этом потребности заказчиков могут быть удовлетворены двумя путями:
• контрактное производство (аутсорсинг);
• собственное производство.
Как правило, организация собственного производства в качестве основных сдерживающих факторов имеет значительные финансовые затраты на создание инфраструктуры и длительные сроки постановки технологических маршрутов в условиях крупносерийного производства, а также риски, связанные с неустойчивостью рынка и конкуренцией со стороны возможных производителей аналогичной продукции.
При обращении к контрактным производствам заказчик сталкивается со следующими проблемами:
• резкое возрастание стоимости разработки;
• часто неприемлемые сроки разработки и производства;
• высокая стоимость производства партий изделия;
• сложность выполнения модификации изделия.
К тому же при заказе у контрактных производителей заказчик вынужден раскрывать свои ноу-хау, что в ряде случаев неприемлемо.
Альтернативным вариантом для разработчика микротехники, обладающего ноу-хау, является организация собственного микропроизводства, к достоинствам которого относятся:
• снижение стоимости разработки;
• сокращение сроков разработки;
• возможность создания и тестирования различных модификаций прототипов;
• возможность оперативной экспертной оценки емкости рынка;
• сохранение ноу-хау.
При этом частично уменьшается значение известных недостатков, типичных для организации собственного полномасштабного производства:
• дороговизна специального оборудования, входящего в состав крупносерийного производства;
• наличие достаточного количества высококвалифицированных кадров для организации и последующего сопровождения собственного производства;
• временной интервал для обеспечения экономически эффективного выпуска продукции.
Возможной эффективной формой организации собственного производства высокотехнологичной продукции является обращение к услугам инжиниринговой компании для развертывания технологической линии экспресс-прототипирования продукции в рамках кластерных модульных мульти-функциональных производств.
Одновременно идеология создания микропроизводств подразумевает реализацию инжиниринговой деятельности, направленной на оптимизацию затрат на оборудование создаваемого мультифунк-ционального производства как наиболее капиталоемкой составляющей инвестиций. Это накладывает особенно жесткие требования на методологию проектирования, которое должно обеспечить оптимальность и гибкость комплектации, а также минимум технологических итераций при освоении производства.
Анализ рынка инжиниринговых услуг показал, что в России нет инжиниринговых компаний, предоставляющих услуги по разработке и запуску гибких микропроизводств микротехники («фабрик на столе») для инновационно-активных промышленных предприятий. За рубежом этот сектор рынка инжиниринговых услуг получил развитие в связи с бурным внедрением 2D- и 3D-печатных технологий.
Предполагаемый к созданию инжиниринговый центр «микрофабрики на столе» должен занять именно эту востребованную нишу услуг. Такой инновационный проект направлен на создание в России гибких кластерных мультифункциональных малобюджетных технологических линий гибкой печатной электроники и фотоники нового поколения для экспресс-производства микротехники различного функционального назначения. Объектом рынка инжиниринговых услуг выступает инновационная технология, охватывающая все этапы инновационного цикла: предпроектное обследование, бизнес-планирование, разработку производственной линии, поставку оборудования, технологий и программного обеспечения, подготовку специалистов, пусконаладочные работы и последующее сервисное обслуживание.
Инжиниринговый центр кластерно-гибридных микропроизводств
Цель создания инжинирингового центра гибкой печатной электроники и фотоники на базе Санкт-Петербургского государственного электротехниче-
ского университета — эффективное использование научно-технологического и кадрового потенциала вуза в рамках реализации востребованных наукоемких инновационных инженерных разработок как формы динамичной коммерциализации идей и технологий.
В рамках анализа возможных направлений инновационного развития были выделены основные предпосылки к реализации на базе СПбГЭТУ «ЛЭТИ» центра инжиниринга с вышеуказанной профессиональной ориентацией:
• низкий уровень коммерциализации продукции при наличии рынка идей;
• ужесточение требований промышленных предприятий к уровню трансфера технологий (завершенности разработок);
• острая потребность предприятий в стадии про-тотипирования до начала организации массового промышленного производства продукции;
• динамичное развитие рынка мелкосерийной продукции;
• открытость вузов для международной кооперации и сотрудничества с компаниями — мировыми лидерами для трансфера идей и технологий.
Направление предметно-профессиональной деятельности инжинирингового центра может быть определено как создание кластерно-гибридных микропроизводств — «микрофабрик на столе», представляющих собой гибкие роботизированные технологические линии, формируемые по мультфунк-циональному модульному принципу под заказчика. При этом должна быть обеспечена минимизация массогабаритных параметров, энергетических затрат и расхода материалов, а также доступность в размещении оборудования, безопасность и надежность эксплуатации. Особенностью таких микропроизводств является унифицированность аппаратного базиса при вариабельности реализуемой на них продукции в виде широкой номенклатуры миниатюрных интегрированных систем, объединяющих механические, электронные, оптические и химические компоненты, при полной автоматизации пооперационных процессов.
В основу работы технологических модулей кластерного производства положены прогрессивные прецизионные аддитивные, капельно-струйные, корпускулярные и импринт-технологии, что обеспечивает реализацию 2D- и 3D-изделий, в том числе на основе органонеорганической гибридизации.
Базисом для развития работ в рамках инжинирингового центра является комплекс исследований и разработок, выполненных электротехническим университетом по заказу ряда ведомств в области специальной микротехники, включая создание специализированного роботизированного технологического кластера 2D- и 3D-гибкой печатной электроники для ее мелкосерийного производства (рис. 1, 2).
В рамках сформировавшихся компетенций при создании кластерных микропроизводств основной
Рис. 1 \ Проект кластерного микропроизводства микротехники, разработанный и реализуемый СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Рис. 2
Техническая реализация кластерного микропроизводства микротехники, осуществленная сотрудниками СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
рынок реализуемой на их базе продукции (с высоким уровнем интеллектуально добавленной стоимости) направлен на импортозамещение и может быть определен как социально-ориентированная микротехника для пищевой и фармацевтической промышленности, агропромышленного комплекса, медицины и биотехнологии.
Целесообразность государственной поддержки проекта определяется в первую очередь тем, что инжиниринговый центр как объект инновационной структуры государства должен взять на себя решение национально-значимой задачи по снижению импортозависимости от зарубежных производителей и занять определенную нишу в создании оборудования нового поколения для социально-ориентированных производств и технологий.
Количество компаний, специализирующихся на реальном инновационном технологическом инжиниринге, на российском рынке крайне ограничено, и среди них отсутствуют те, которые занимаются разработкой и реализацией самостоятельных технологических решений в области комплексных микропроизводств. Создаваемый инжиниринговый центр должен взять на себя в формируемой нише инжиниринговых услуг функцию профессиональной фирмы-интегратора, не ограничиваясь поставкой оборудования, а реализуя весь инфраструктур-но-технологический цикл, где оборудование является лишь составной частью.
Инжиниринговый центр на базе ЛЭТИ «Гибкая печатная электроника и фотоника»
Предметно-профессиональная деятельность инжинирингового центра «Гибкая электроника и фотоника» определена как создание производственных кластеров нового поколения на базе мульти-функционального модульного принципа организации гибкой роботизированной технологической линии, позволяющей в условиях минимизации мас-согабаритных параметров оборудования, энергетических затрат и расхода материалов изготавливать широкую номенклатуру миниатюрных интегрированных систем, объединяющих электронные, оптические, механические и химические компоненты.
Основанием к реализации проекта на базе Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» следует считать превосходство, достигнутое рядом научно-образовательных коллективов, функционирующих на базе вуза, по приоритетным критическим направлениям, включая нано- и метаматериалы, аддитивные 2D- и 3D-технологии и корпускулярно-лучевые технологии, интеллектуальную одежду и лаборатории-на-чипе.
Особенности новой производственно-технологической ниши кластерно-гибридных мультифунк-циональных микропроизводств следующие:
• широкое использование при изготовлении изделий в условиях «микрофабрик на столе» преци-онных аддитивных, капельно-струйных, корпускулярных и инпринт-технологий;
• реализацию процессов в условиях 2D- и 3D-субстратов различной физико-химической природы;
• развитие конвергентных технологий на основе органонеорганической и бионеорганической гибридизации.
Основные направления научно-практической деятельности инжинирингового центра непосредственно соответствуют ряду критических технологий Российской Федерации:
• технологиям наноустройств и микросистемной техники;
• нано-, био-, информационным и когнитивным технологиям.
Совокупность ранее указанных конструктивно-технологических решений, используемых при создании «микрофабрики на столе», определяет эффективные направления отраслевой предметной ориентации рынка продукции инжинирингового центра — это создание оборудования нового поколения для социально ориентированных производств и технологий, включая медицинскую, пищевую, фармацевтическую промышленность, сельское хозяйство и биотехнологии.
Примеры изделий микротехники на основе гибкой печатной электроники и фотоники, для производства которых целесообразно и эффективно создание «микрофабрик на столе», востребованных для социально значимых отраслей экономики:
• микроаналитические системы типа лабора-торий-на-чипе для высокочувствительного биомедицинского экспресс-контроля, определения безопасности пищевых продуктов и мониторинга биотехносферы;
• сверхминиатюрные информационно-коммуникационные модули, легко интегрируемые в упаковку продовольственных товаров для сбора и передачи информации об условиях хранения, транспортировки, продажи;
• мультифункциональные сенсорно-исполнительные элементы, интегрируемые в одежду и размещаемые на теле человека для биомониторинга и коррекции состояния организма;
• малобюджетные распределенные сенсорные поля для контроля агропараметров в индивидуальных и промышленных секторах сельского хозяйства;
• сенсорно-исполнительные сверхминиатюрные модули для бионических робототехнических комплексов и систем замещения функциональных элементов в организме человека.
Продукция инжинирингового центра, ориентированного на создание кластерно-гибридных микропроизводств («фабрики на столе») должна обладать следующими достоинствами:
• новизна;
• наукоемкость;
• конкурентоспособность;
• тиражируемость;
• инвестируемость.
СПбГЭТУ, формирующий инжиниринговый центр по созданию микропроизводств микротехники («фабрик на столе») и открывающий новый в России сегмент инжиниринговых услуг, обладает следующими конкурентными преимуществами:
• отсутствие на рынке российских конкурентов с необходимым уровнем компетенций;
• ограниченность отечественного доступа к этому сегменту международного рынка при его динамичном развитии;
• наличие у сотрудников университета реальных компетенций по созданию микропроизводств на заказ;
• уникальность кадровых, интеллектуальных и материально-технических ресурсов для организации инжинирингового центра и предоставления инжиниринговых услуг.
В качестве основных видов деятельности инжинирингового центра определены:
• проектирование и техническая реализация наукоемкого оборудования и производственных систем;
• разработка и адаптация новых технологических операций и процессов;
• монтажные и пусконаладочные работы, гарантийное и постгарантийное обслуживание оборудования и технических систем производственного назначения, являющихся предметом инженерной деятельности;
• разработка аппаратно-программных средств для кластерных технологических линий микропроизводств и их техническая реализация;
• сборка, наладка и запуск технологических линий микропроизводств;
• разработка технологических маршрутов изделий микротехники для реализации в условиях микропроизводств;
• разработка, трансфер технологий и их адаптация в условиях микропроизводств;
• оказание инжинирингово-консультативных услуг по проектированию изделий для реализации на базе микропроизводств и информационно-технологическому обеспечению работы базовых технологических модулей;
• разработка метрологического обеспечения для базовых операций и производственной линии в целом;
• гарантийное и постгарантийное обслуживание микропроизводств, являющихся предметом деятельности;
• кадровое обеспечение эффективной эксплуатации наукоемкого оборудования.
Инжиниринговый центр формируется как открытый сетевой вузовско-инженерный кластер на основе селекции и системной интеграции инфра-
структурного, информационно-аналитического, методического и кадрового потенциалов функционирующих в вузе научно-образовательных платформ, профессионально ориентированных центров и базовых кафедр.
В основе структурной организации центра лежит модель мобильной мотивационной сетевой интеграции с привлечением в рамках создаваемого центра научных, педагогических работников, инженеров вуза, а также других организаций с признанными компетенциями в области электронного машиностроения и микротехники.
Конъюнктура рынка
в области социально ориентированной
микротехники
Сложившаяся конъюнктура рынка в области микропроизводств является уникальной в новейшей истории России и предоставляет реальный шанс для экономического возрождения отечественного производства инновационной наукоемкой конкурентоспособной востребованной продукции.
В 2015 г. в ряде директивных документов Минэкономразвития, Минпромторга и ГК «Ростехно-логии» в качестве общих приоритетов развития отраслей, наряду с импортозамещением, определено увеличение доли социально ориентированной продукции с выходом к 2020 г. на 60 % в оборонно-промышленном секторе экономики, на 40 % — в социально ориентированном. Планируемая динамика потребует от предприятий оперативных решений в отношении поиска востребованных рыночных ниш и динамичного их заполнения. Гибкие кластерные быстроперестраиваемые микропроизводства могут стать «оперативной» основой формирования отечественных инновационных технологических ниш.
В 2015 г. Минэкономразвития определило 18 приоритетных отраслей для импортозамещения, среди которых социально значимыми являются пищевая, сельскохозяйственная, медицинская и легкая отрасли промышленности. На рис. 3 представлена средняя доля импорта продуктов (технологий) по социально значимым отраслям промышленности, а также по радиоэлектронной промышленности, которая наиболее хорошо адаптирована к восприятию микропроизводств — «фабрик на столе».
Рисунок демонстрирует необходимость существенного снижения доли импорта в рассматриваемых отраслях. В результате среди социально значимых отраслей в наибольшей степени планируется произвести замену импортной продукции (технологий) в сельскохозяйственной, пищевой и медицинской отраслях промышленности, в связи с чем эти отрасли могут рассматриваться в качестве приоритетных отраслевых групп потенциальных заказчиков.
Рис. 3 Планируемая динамика изменения доли, %, импорта продуктов (технологий) по отраслям промышленности (по материалам Минэкономразвития)
В частности, в пищевой отрасли значительный объем продуктов (технологий), подлежащих им-портозамещению, — это создание и организация производственных комплексов, технологических линий и оборудования для нужд отрасли.
В планы импортозамещения в медицинской промышленности включены конкретные продукты (технологии), создание которых возможно посредством микропроизводства «фабрика на столе». Средняя стоимость изделий медицинского назначения мобильного типа (например, лаборатории-на-чипе различного функционального назначения для так называемой персонализированной медицины) с учетом покупательной способности населения страны не должна превышать 2—5 тыс. рублей. Общий объем рынка изделий микротехники этого типа прогнозируется в 2020 г. на уровне 5 млн единиц в год. Таким образом, общий объем рынка специализированной электронной компонентной базы для такой медицинской техники мобильного типа может превысить 15 млрд рублей в год. С учетом разнообразия функционального назначения систем, в которых используются электронные, оптические, механические и биохимические компоненты, требующие для их реализации и интеграции диверсификации технологической базы, их производство экономически эффективно лишь в условиях технологических линий кластерных микропроизводств, отличающихся высокими гибкостью и степенью роботизации, а также выполнением требований по чистоте технологий. Эти обстоятельства определяют перспективу «микрофабрик на столе» в данном сегменте рынка высокоточных наукоемких производств.
В области сельского хозяйства микротехника может быть эффективно использована для создания беспроводных сенсорных сетей на основе интеллектуальных датчиков, контролирующих состояние
почв и растительных культур, а также перемещение скота.
В продовольственной сфере такие технологии могут быть использованы для обеспечения продовольственной безопасности на этапах закупки сырья, производства, хранения и транспортировки продукции, в том числе путем ее оснащения сенсорными КГГО-метками (рис. 4). Этот рынок, оцениваемый в настоящее время в 16—20 млрд рублей, является динамично развивающимся в отношении обеспечения импортозамещения и повышения требований к пищевой безопасности.
Таким образом, создание инжинирингового центра по разработке и внедрению гибких малобюджетных технологических линий для производства микро- и нанотехники откроет новый сегмент рын-
Рис. 4
Пример реализации пилотного проекта по созданию сенсорной системы (температура, газовыделение) на гибком носителе для экспресс-контроля пищевых продуктов с RFID-меткой
ка инжиниринговых услуг в России и позволит сделать шаг к обеспечению конкурентоспособности государства на международном рынке современных роботизированных микропроизводств.
Заключение
Создаваемый в рамках проекта на базе СПбГЭТУ «ЛЭТИ» инжиниринговый центр должен занять нишу технологического инжиниринга в области наукоемкого высокотехнологичного машиностроения для роботизированных экспресс-микропроизводств микротехники на основе технологий гибкой печатной электроники и фотоники.
Экономически эффективной, востребованной конечной продукцией, реализуемой на основе ресурсосберегающих производств нового поколения — «микрофабрик на столе» — могут являться: миниатюрные аналитические системы типа лабораторий-на-чипе; мультифункциональные сенсорные, исполнительные и инфотелекоммуникаци-онные модули, интегрируемые в «умную одежду» или выполняющие функцию бионических аналогов в робототехнических системах; компоненты для сенсорных систем агропромышленных и продовольственных комплексов.
Планируемые виды работ и услуг, выполняемых инжиниринговым центром:
• дизайн микропроизводств, включая проектирование на заказ;
• техническая реализация наукоемкого оборудования и технических систем микропроизводств;
• трансфер технологий и постановка технологических процессов в рамках формирования технологического маршрута;
• разработка программных средств для кон-структорско-технологического обеспечения функционирования микропроизводств;
• введение в эксплуатацию, гарантийное и постгарантийное обслуживание микропроизводств;
• кадровое обеспечение микропроизводств.
Значение и вклад инжинирингового центра, создаваемого на базе вуза, могут быть определены как:
• обеспечение динамической сетевой концентрации знаний, человеческих и инфраструктурных ресурсов для реализации востребованных проектов в области роботизированных кластерных микропроизводств и формирования инновационных импортозамещающих технологических ниш в производстве высокоинтеллектуальной микротехники для продовольственного, сельскохозяйственного и медицинского секторов экономики;
• интеграция в формирующуюся национальную инновационную систему для обеспечения эффективного взаимодействия с реальным сектором экономики и коммерциализации инновационной продукции с доминирующей интеллектуальной составляющей;
• обеспечение селективной поддержки наиболее перспективных научных и педагогических школ, конкурентоспособных на международном рынке наукоемкой продукции и образовательных услуг в целях развития и функционирования экономики, основанной на знаниях.
Инжиниринговый центр по созданию микропроизводств будет способствовать развитию в России отечественной микро- и нанотехники, динамичному, учитывающему рыночную конъюктуру, перевооружению производственных мощностей гибкими технологическими линиями, обеспечивающими переход российской экономики от сырьевой к наукоемкой высокотехнологичной, основанной на знаниях.
Автор выражает благодарность сотрудникам СПбГЭТУ: декану факультета экономики и менеджмента, кандидату экономических наук А. В. Звонцову, заместителю декана по научной работе факультета экономики и менеджмента кандидату экономических наук О. А. Швецовой, декану кафедры инновационного менеджмента кандидату экономических наук М. А. Косухиной за помощь в подготовке экономической части проекта создания инжинирингового центра, а также заведующим лабораториями НОЦ ЦМИД и НОЦ НТ кандидату технических наук П. В. Афанасьеву и кандидату технических наук О. С. Бохову за непосредственное участие в развитии технологий печатной электроники и фотоники в СПбГЭТУ «ЛЭТИ».
