Авиационные двигатели должны надежно обеспечивать высокую тягу даже в неблагоприятных условиях, поэтому точность изготовления современных авиационных турбин имеет первостепенное значение. В турбовентиляторных двигателях вентилятор, забирающий воздух в турбину, имеет множество лопаток со сложной, изогнутой геометрией. Эти металлические лопатки изготавливаются с помощью процесса прецизионного фрезерования, требующего тщательной стратегии обработки. Прецизионное фрезерование возможно только при строгом контроле относительного перемещения инструмента и заготовки. В противном случае режущий инструмент может начать вибрировать, вызывая неконтролируемое ударение поверхности лопатки о фрезерную головку и повреждение инструмента. Даже незначительное отклонение от технических характеристик, делающее компонент практически непригодным для использования, может обернуться очень дорогостоящей ошибкой. «Этот тип производственной ошибки может быть очень дорогостоящим для производителей высокоточных компонентов для авиационных двигателей», — объясняет Вольфганг Маасс, профессор бизнес-информатики Саарландского университета и руководитель направления исследований Smart Service Engineering в Немецком исследовательском центре искусственного интеллекта (DFKI).
Однако аналогичная ситуация наблюдается и во многих других компаниях, как крупных, так и малых, занимающихся производством металлических компонентов, в том числе и лазерной резкой. Экстремально высокая температура, выделяемая в процессе резки, может привести к расширению металла в тех местах, где этого не должно происходить. Или, при обычной резке, обрезки могут застревать в станке, вызывая его остановку. В результате увеличивается процент брака и происходят длительные простои оборудования, что обходится производственной компании в материальные, временные и финансовые потери. Металлообрабатывающая промышленность является крупным экономическим сектором в Германии и ЕС, и стандарты безопасности и качества здесь очень строгие. «В производственных процессах в металлообрабатывающей отрасли процент брака иногда достигает около 1%, что кажется незначительным, но в совокупности это может существенно повлиять на конкурентоспособность», — объясняет Вольфганг Маасс.
Снизить процент брака можно с помощью цифрового моделирования, использующего искусственный интеллект. Создав цифровой двойник заготовки, можно смоделировать в виртуальной среде все процессы, происходящие с реальным компонентом, от планирования и производства до контроля качества. Теоретически, каждый аспект производственной цепочки может быть точно оптимизирован, от идеальной скорости вращения шпинделя для фрезерования до оптимальной плотности мощности лазера. Но есть проблема. Огромный объем данных, необходимый для создания таких высокоточных моделей, просто не может быть обработан обычными компьютерными системами. Квантовые компьютеры, которые могли бы обеспечить необходимую вычислительную мощность, пока недоступны. В результате: «В настоящее время моделирование практически не используется в практических приложениях. Отчасти это связано с недостатком вычислительной мощности, а отчасти с необходимостью специализированных данных и информации, что, в свою очередь, требует детальной экспертизы в области вычислительного моделирования», — объясняет Ханна Штайн из исследовательской группы Maaß. В настоящее время металлургическим компаниям приходится довольствоваться цифровыми двойниками с более низким разрешением и в значительной степени полагаться на практические знания и опыт своих инженеров-технологов.
До того момента, когда квантовые компьютеры обеспечат необходимую для обработки огромных объемов данных скорость, еще далеко. Однако исследователи проекта Quasim твердо стоят на земле. Консорциум промышленных и академических партнеров работает над краткосрочными и долгосрочными решениями, которые используют возможности квантовых систем для создания улучшенных симуляций, применяемых в производственных сценариях. По словам координатора проекта Вольфганга Маасса: «Наши первоначальные исследования показали, что, используя принципы, лежащие в основе квантово-механических систем, и стратегии машинного обучения на основе квантовых технологий, мы можем решать алгоритмические задачи гораздо быстрее». Хотя современные квантовые компьютеры все еще находятся на начальной стадии развития, базовая технология уже может применяться в областях, где обычные компьютеры работают на пределе своих возможностей, требуя огромных временных затрат для выполнения вычислений.
Исследователи используют различные методы квантовых вычислений для поиска способов ускорения сложных симуляций и повышения их пригодности для практического применения. Работа включает в себя применение технологий квантовых вычислений к традиционным методам моделирования, основанным на математических моделях из физики и материаловедения. Команда также исследует методы машинного обучения на основе квантовых вычислений. Сравнивая эти новые подходы с традиционными методологиями и оценивая эффективность различных решений, команда разрабатывает инновационные решения, которые могут найти практическое применение в ближайшем будущем. Результаты уже интегрируются в существующие методы моделирования. «В настоящее время мы разрабатываем первые прототипы. Пока что наиболее многообещающие результаты были получены с использованием гибридных моделей, которые сочетают традиционные методы моделирования с квантовыми технологиями и машинным обучением», — объясняет докторант Ханна Штайн.
Благодаря использованию производственных данных с реальных производственных линий, производители авиационных двигателей вскоре смогут применять квантовые компьютерные симуляции для прогнозирования вибраций лопаток во время фрезерования. Работая с точным цифровым двойником, они смогут точно устанавливать параметры обработки, такие как скорость фрезерования, что позволит им исключить неточности обработки и значительно снизить процент брака. Усовершенствованные симуляции также означают, что лазерные резаки смогут подавать необходимое количество энергии во время оптимизированной последовательности обработки, что позволит получать неповрежденные металлические детали с идеальными размерами. На Ганноверской ярмарке в этом году специалисты по корпоративным вычислениям из Саарбрюккена представят прототипы лазерной фрезеровки и резки, демонстрирующие, как традиционное производство может быть улучшено с помощью симуляций на основе квантовых технологий, сокращая время обработки материалов и повышая качество продукции.
Проект Quasim («Экосистема услуг, улучшенная с помощью контроля качества, для моделирования в производстве») — это консорциум, в состав которого входят исследовательская группа Вольфганга Маасса из Саарландского университета и Немецкий исследовательский центр искусственного интеллекта (DFKI), группа профессора Франка-Вильгельма Мауха из Исследовательского центра Юлиха и Саарландского университета, Институт производственных технологий им. Фраунгофера (IPT), производитель станков TRUMPF, поставщик программных компонентов ModuleWorks, а также ассоциированные партнеры проекта — компания Ford и производитель авиационных двигателей MTU Aero Engines. Федеральное министерство экономики и климата (BMWK) и Немецкий аэрокосмический центр (DLR) предоставили в общей сложности более 5 миллионов евро финансирования проекта.
