Бережливые инновации: Делать лучше с меньшими затратами - Джайдип Прабху

цикла. Например, экономичность и экологичность автомобиля определяются расходом топлива, расход топлива – массой автомобиля, а масса – материалами, из которых он произведен. В результате автомобилестроители все больше используют «легковесные», но при этом и более прочные современные кузовные материалы. В частности, немецкий автомобилестроительный концерн BMW отдал предпочтение алюминию и углепластику, заменив ими традиционные стальные элементы конструкции в новом гибридном автомобиле с электроприводом BMW i8. Использование алюминия в качестве основного материала элементов трансмиссии и шасси позволило снизить массу машины на 30% по сравнению с традиционной стальной, а кузов и салон практически полностью изготавливаются из композитного углепластика. Приборная панель монтируется в облегченную магниевую раму. В результате BMW i8 весит всего 1490 кг, то есть в пределах стандартного спорт-купе, несмотря на массивную аккумуляторную батарею. Автомобиль характеризуется пониженными уровнями загрязнения воздуха и расхода топлива при улучшенных характеристиках и удобстве для водителя. Композитные материалы из углеродных волокон весят в пять раз меньше, но при этом крепче стали примерно в 10 раз. Они находят все более широкое применение не только в автомобильной, но и в авиакосмической промышленности, тем более что позволяют отливать цельные крупногабаритные элементы конструкции без клепочных или сварных швов, что делает производимые из них корпуса предельно прочными и надежными. Алюминий также легче стали, но может перерабатываться снова и снова без потери качества (переработка алюминия требует на 95% меньше энергии, чем производство нового).

В США Ford и GM соперничают друг с другом в «дематериализации» своих автомобилей, то есть в максимальном снижении веса всех своих транспортных средств при сохранении – и даже повышении – безопасности и производительности. Их команды НИОКР систематически заменяют более тяжелые компоненты и подсистемы во всех своих существующих и новых автомобилях на более легкие материалы, такие как углеродное волокно и алюминий.

Например, GM полностью переработала свой легендарный Corvette Stingray, модернизировав структуру автомобиля и использовав более легкие материалы вроде алюминия и углеродного волокна. Компания работала со своим поставщиком из Огайо Shiloh Industries, ведущим производителем технологий облегчения, чтобы объединить некоторые структурные элементы в Corvette, увеличив тем самым прочность на 70% и снизив вес на 35% по сравнению с предыдущей моделью. Обновленный и более легкий Corvette получил награду Free Press Car of the Year Award 2020.

Китайским инженерам GM нет нужды завидовать американским коллегам: исследовательский центр GM в Шанхае разработал сталь третьего поколения с повышенной прочностью, снижающую вес автомобиля на 20%. Центр также разработал высокопроизводительный литейный алюминиевый сплав, который повышает пластичность и прочность на растяжение. Этот новый материал HuCrAlloy, названный в честь его изобретателя Ху Бина, на 40% легче по сравнению с обычным литейным алюминиевым сплавом, используемым GM. HuCrAlloy использовался в CT6 V-Sport, модели Cadillac, продававшейся в Северной Америке, а также в Corvette Stingray 2020 года.

В 2017 году гендиректор GM Мэри Барра заявила о новом ви́дении GM по созданию более безопасного, чистого, здорового и продуктивного мира, которое можно резюмировать следующим образом: «Ноль аварий, ноль выбросов, ноль заторов». С момента этого объявления GM убрала в среднем 158 кг из архитектуры каждого продукта при запуске каждого нового автомобиля, сократив выбросы углерода почти на 312 метрических тонн в год. Не успокоившись на этом, Барра решила «дематериализовать» автомобили GM еще больше. GM хотят «упростить простое», используя цифровые инструменты вроде ИИ, которые могут автоматизировать и ускорить открытие новых материалов и технологий для облегчения автомобилей.

Одним из таких инструментов является «генеративный дизайн» – прорывная технология, использующая алгоритмы на основе ИИ для одновременной генерации множества допустимых вариантов дизайна с учетом реальных производственных ограничений и требований к производительности продукта, таких как прочность, вес, материалы и так далее. Например, инженеры GM использовали программное обеспечение для генеративного дизайна Autodesk, чтобы объединить восемь различных компонентов в одну упрощенную деталь с оригинальной структурой, которую не смог бы спроектировать ни один человек. Затем они обратились к аддитивному производству[35] для 3D-печати этой новой детали, которая на 40% легче и на 20% прочнее оригинальной детали.

GM стремится применить уроки, полученные из облегчения своих тепловых автомобилей, для проектирования более легких электромобилей, поскольку они, как правило, тяжелы из-за своих батарей. Барра желает привести 117-летнюю GM в полностью электрическое будущее. В 2021 году она объявила, что к 2035 году GM будет продавать только электромобили. GM инвестировала $35 млрд в период с 2021-го по 2025 год для производства электрических и автономных автомобилей. Однако с тех пор, как Дональд Трамп вернулся к власти в качестве президента США в начале января 2025 года, GM умерила свои «полностью электрические» амбиции. Но компания продолжает инвестировать в заводы электромобилей, вроде Factory ZERO, который будет производить электрические модели Chevrolet Silverado и Hummer.

Хотя углеродное волокно и алюминий обеспечивают бо́льшую производительность и более устойчивы, чем сталь, они на самом деле не являются «новыми материалами»: они существуют уже десятилетия. Но что, если производители смогут создать совершенно новые материалы, которых мир прежде не видел и которые могут обеспечить гораздо бо́льшие экономические и экологические преимущества? Таково обещание метаматериалов.

Метаматериал – это «любой материал, созданный так, чтобы иметь свойство, которое не встречается в природных материалах. Метаматериалы состоят из комбинаций множества элементов, изготовленных из композитных материалов, таких как металлы и пластмассы»[36]. Природные материалы имеют «фиксированные» свойства, которые предопределяются их химическими компонентами и связями. Но, тонко настраивая внутреннюю физическую структуру метаматериалов на микро– и даже наноуровне, инженеры могут создавать мощные новые электромагнитные свойства, заметно превосходящие те, что встречаются в природных материалах (отсюда греческое название «мета», означающее «за пределами»). Искусственно спроектированные структуры метаматериалов позволяют им контролировать все виды энергетических волн и управлять ими – водной, звуковой и световой волнами.

Например, два исследователя из Бостонского университета, Реза Гаффаривардава и Синь Чжан, разработали «акустические метаматериалы», способные подавить 94% звука, даже в реактивном двигателе, сохраняя при этом поток воздуха. Этот революционный новый материал – 3D-печатное вещество из пластика, инновационный метаматериал, способный помочь звукоизолировать двигатели и другие громкие устройства, подавляя шум в самом источнике.

META – это канадский стартап, использующий метаматериалы для создания высокофункциональных продуктов, которые существенно меняют принципы использования света для нашего блага. Инновации META включают: Glucowise – неинвазивное, безболезненное устройство для мониторинга глюкозы, получившее патент США в 2022 году; устройства, которые используют радиоволновую визуализацию для доступного и комфортного раннего скрининга по поводу рака груди и обнаружения инсультов; и новую технологию, значительно повышающую производительность солнечных элементов за счет поглощения света со всех углов – это делает экономически эффективным питание бытовой электроники, солнечных ферм и даже солнечных автомобилей и солнечных самолетов. Исследователи по всему миру работают над метаматериалами, которые могут «укрывать» объект, обеспечивая его невидимость, что делает идею мантии-невидимки Гарри Поттера все более реалистичной.

Новые цифровые инструменты для индивидуального