Снова привет, Хабр! Я главный инженер производства, отвечаю за подбор, установку, настройку, обслуживание и ремонт технического оборудования. Часто разгребаю факапы технологов, операторов, производителей, поставщиков и прочих причастных. У нас то оператор оборудования накосячит, то производитель оборудования привезёт сюрприз, то просто звёзды сойдутся неправильно, и оборудование начинает выдавать необъяснимые ошибки. С этими вещами мириться нельзя, поэтому нужны мы, инженеры.


Цилиндры автоматической фасовочной линии. Эта машина используется для розлива больших партий продукции.

Сейчас покажу пару особенных решений. Ну, тех самых, которые то ли предельно безумные, то ли гениальные. То ли и то и то сразу.

Допроизводственный этап

Чтобы начать производить что-то большое, сначала надо это смоделировать в миниатюре.

Сразу из лаборатории масштабировать не получится, потому что лаборанты, условно говоря, изготовляют тестовые образцы продукции в маленьких ёмкостях, напоминающих обычный миксер.


На этом 10-литровом китайском «малыше» мы отрабатываем технологию производства

У нас есть купленный недавно в Китае химический реактор на 10 литров. Реактор — это такой агрегат для смешивания компонентов и проведения химических реакций и физических процессов (приготовление растворов, эмульсий, дисперсий и т. д.). Реакторы состоят из следующих элементов:

• Основной ёмкости, которая поддерживает определённые условия (температуру, давление) для протекания химических реакций и физических процессов.
• Перемешивающего устройства, главная задача которого — создать однородную смесь для максимально полного взаимодействия компонентов друг с другом.
• Обвязки — входных и выходных патрубков, датчиков, органов управления, запорной арматуры и т. д.
• Подготовительной ёмкости для реакторов большого объёма — она присоединяется к входному патрубку реактора, служит для загрузки и первоначального смешивания компонентов, а также других подготовительных процессов.
• Дополнительного функционального оборудования.

Если вы когда-нибудь готовили тесто для блинов, то наверняка замечали, что в нём образуются комки муки. Чтобы они исчезли, нужно весьма долго и усердно мешать, а особо упрямые комки вообще давить ложкой. Аналогично — при изготовлении косметики и фармы: не все компоненты легко растворяются в воде, масса будет неоднородной. Поэтому между подготовительной ёмкостью и самим реактором устанавливается диспергатор (гомогенизатор).

Он имеет такую конструкцию:

• Сначала идёт втягивающий винт — напоминает лодочный, он втягивает полупродукт внутрь рабочей камеры гомогенизатора.
• За винтом расположена система из двух «корон» — концентрических колец с несколькими рядами зубцов. Причём ряды одной «короны» (вращающейся) расположены между рядами другой (неподвижной).

Когда в гомогенизатор начинают поступать компоненты, они проходят между этими «коронами». Одна из них вращается со скоростью до 5 000 оборотов в минуту и разбивает крупные комки в мелкую фракцию. В сам реактор компоненты попадают уже измельчёнными и там смешиваются с остальными компонентами.


Свои диспергаторы вскрывать ради фото мы не стали, но выглядит это примерно так

В 10-литровом реакторе такой диспергатор установлен внутри основной ёмкости для большего контроля в процессе разработок и меньшей потери продукта в трубопроводах.

Так вот, на этом китайском 10-литровом мини-реакторе мы производим MVP — небольшую тестовую партию продукта, которая имеет все или почти все потребительские свойства. И заодно отрабатываем технологию производства: какие ингредиенты, в каких пропорциях, в каком порядке нужно вводить, сколько перемешивать и т. д.

Приготовление продукта

Полноценные цеховые агрегаты в целом имеют те же конструкцию и принцип действия. То есть это те же ёмкости с перемешивающими устройствами и обвязкой. Но для разных продуктов и в зависимости от размера производства мы используем различные модели таких агрегатов.

Стеклянные реакторы на 50–100 литров. Они оснащены насосом хитрой конструкции, который перемешивает содержимое посредством забора жидкости снизу ёмкости и выдачи его сверху. Это «стекляшки» чешского производства, очень старые, ещё 80-х годов выпуска, хотя всё ещё не сдаются и продолжают работать. Но мы их постепенно выводим из эксплуатации:

• Во-первых, потому что достать для них запчасти практически невозможно.
• Во-вторых, стараемся уходить от мелких заказов. А 50 литров — это мало, когда можно производить 200 и более литров.

В основном сейчас они у нас используются для выполнения контрактных заказов, которые бывают очень малых объёмов (30–40 литров). В этом случае выгоднее использовать их, чем большие реакторы на 200 и более литров. Но если у нас ломается такой «стеклянный старичок», то мы его не выбрасываем, а «каннибализируем» на запчасти для тех, которые ещё работают.

Стальные. Более практичные реакторы: все детали, контактирующие с продуктом, изготовлены из пищевой нержавеющей стали. Используются на производстве косметики. Они тоже различаются по объёму и конструкции:

• Открытые на 200 литров. Применяются чаще всего для приготовления лосьонов, компоненты которых легко растворяются в воде, поэтому гомогенизатор на таких реакторах не стоит. По сути, это просто баки с механическими мешалками. Открытыми называются потому, что негерметичные и невакуумные, а соответственно и требования к конструкции минимальные.
• Закрытые (вакуумные) на 400 литров. Используются для приготовления более широкого списка продуктов как более технологичные, поэтому оснащаются гомогенизатором.

На производстве фармы мы тоже используем стальные реакторы:

• Один на 350 литров открытого типа без гомогенизатора.
• Четыре 700-литровых вакуумного типа с гомогенизатором и подготовительной ёмкостью. В случае если нужно ускорить процессы, используем подкатные мешалки.
• Два по 1,5 тонны вакуумного типа с гомогенизатором и подготовительной ёмкостью со стационарно установленной мешалкой на 400 литров.

Пример вакуумного реактора на 1-1,5 т

С каждым годом мы сталкиваемся с теми или иными проблемами, в том числе и с конкурентами. Для того чтобы быть более привлекательными на рынке, нужно контролировать себестоимость, а это значит, что нужно использовать более выгодное сырьё и под него совершенствовать оборудование.

Реакторы на 700 литров имеют подготовительную ёмкость на 250 литров, но без мешалки. И для работы с новым сырьём мы заказали специальную подкатную мешалку: подкатили к любой из ёмкостей, размешали, убрали в дальний угол.

Реакторы на 1,5 тонны имеют подготовительную ёмкость, но уже на 400 литров. Из-за их больших размеров дополнительную мешалку использовать уже крайне затруднительно. Поэтому в подготовительных ёмкостях таких реакторов уже есть свои стационарные мешалки, которые предварительно разводят полимер в некотором объёме воды. Получается быстрее и технологичнее.

Все стальные реакторы, которые мы используем уже в цеху, — российского производства: из Москвы, Ногинска или Электростали. Импортные у нас только чешские «стекляшки» да китайский тестовый агрегат на 10 литров. Но мы частично будем переходить на китайские «большие» реакторы, но об этом — чуть позже.

Фасовка

Фасовка — это розлив готового продукта из реактора в небольшие флаконы. И здесь в зависимости от объёма производства конкретного продукта есть два варианта этого процесса.

Ручной розлив. Применяется для небольших партий продуктов. Процесс выглядит следующим образом:

• Из реактора продукт поступает в накопительную ёмкость объёмом 20 литров.
• Из накопительной ёмкости продукт поступает в цилиндры фасовочной машины. Из них через фасовочные носики он попадает во флаконы, которые оператор подносит вручную, а после их заполнения меняет на пустые.
• Как только смесь в накопительной ёмкости заканчивается, оператор активирует насос, который перекачивает в неё новую порцию из реактора, и цикл повторяется снова.

С точки зрения оператора в этом процессе можно выделить такт наполнения цилиндров фасовочной машины и такт выдачи продукта во флаконы. Он может заранее отрегулировать их длительность, а потом просто успевать менять флаконы. Каждый раз нажимать на кнопку ему не нужно: это автоматический процесс.


Та самая фасовочная машина для ручной фасовки: оператор наполняет флаконы из двух носиков-дозаторов

Предчувствую возражения вроде: «Да как же так, живой думающий человек должен целый день просто механически менять флаконы?» Да, это максимально примитивный, но вместе с тем безотказный способ фасовки. У него есть два больших преимущества:

• Минимальные потери продукта. Фасовка происходит до полного опустошения накопителя, но когда продукт опускается ниже допустимого минимума, вес уже не выдерживается, и она прекращается. В 20-литровом накопителе (на его стенках и дне), двух соединительных трубках и двух дозаторах при ручной фасовке потери составляют примерно полтора–три килограмма. На линии розлива с её большим накопителем, длинным трубопроводом и множеством цилиндров эти потери достигают 12–15 кг. Поэтому для производства небольших партий гораздо выгоднее использовать ручную фасовку.
• Быстрая очистка. Перед сменой продукта на другой остатки старого надо вымыть из системы. Естественно, сделать это с небольшими накопителями и фасовочными машинами гораздо проще.

К тому же оператор только меняет флаконы по мере их заполнения. Это монотонный, но физически лёгкий процесс.

Автоматический розлив. При производстве больших партий мы используем полностью автоматизированную линию. Схема у неё примерно такая же, как у фасовочной машины: реактор — накопитель — фасовочный механизм с цилиндрами. Отличие только в размерах накопителей (вместо 20 литров — 100–150), большем количестве цилиндров (от четырёх до шести вместо двух) и степени автоматизации. Такая линия управляется программируемыми контроллерами. Оператору нужно только ставить пустые флаконы в начале линии, а второму оператору потом снять с неё уже заполненные, укупоренные, с наклеенной этикеткой и нанесённой маркировкой.


Фасовочная головка автоматической линии с шестью дозаторами

Укупорка

Работа укупорочной машины: видны стопоры и закручивающие крышку ролики

Здесь тоже есть два варианта.

Ручной. Тут всё понятно: оператор накручивает крышку на флакон своими руками. Ручная укупорка используется при производстве малых партий, обычно в комплексе с такой же фасовкой.

Автоматизированный. Если партия большая, от нескольких десятков единиц, то заполненные флаконы подаются на укупорочную машину. У неё есть конвейер, по которому двигаются заполненные флаконы, закручивающий механизм в виде нескольких роликов и делитель. Схема работы такая:

• Партия флаконов двигается по ленте в сторону роликов, попутно оператор надевает на них крышки.
• Как только первый в очереди флакон оказывается в поле работы оптического датчика, выдвигается делитель, отсекающий его от остальной партии и удерживающий на месте.
• Вращающиеся ролики зажимают крышку и закручивают её с необходимым усилием.
• Делитель отодвигается, пропуская укупоренный флакон дальше и поджидая следующую «жертву».

Есть вариант и полностью автоматизированной укупорки. На фото — специальный податчик крышек надевает их на флаконы перед закручиванием.

Полуавтоматизированный. Он получается, если из полностью автоматизированной линии исключить ленту и стопоры. То есть просто поставить флакон с крышкой под укупоривающий механизм, нажать кнопку, дождаться полной закрутки крышки и убрать готовый флакон. Этот вариант обычно используется при производстве небольших партий после ручной фасовки.

Есть разновидности укупорочной машины в зависимости от того, какие флаконы используются. Выше описан процесс для обычной тары с завинчивающимся колпачком. А есть вакуумная упаковка, у которой крышка не навинчивается, а вдавливается и защёлкивается специальным пневматическим прессом. Такая машина у нас тоже используется.

Помимо флаконов, косметика и фарма фасуются в ламинатные или пластиковые тубы на тубной машине. Схема работы у них такая:

• Туба (с припаянным горлышком и навинченным колпачком) помещается в тубодержатель (тубы приходят чистые в закрытом пакете).
• Стакан с тубой перемещается по кругу сначала под позиционирующий узел, по фотометке выставляет тубу так, чтобы принт был правильно отцентрован, а потом — под дозатор, который заполняет её продуктом.
• Далее в зависимости от типа машины и используемого материала применяем ультразвуковую или термическую запайку торца тубы.
• После этого туба поступает на маркировку и обрезку хвостика.
• Запаянные тубы с содержимым выталкиваются из стакана и направляются на накопительный стол.

В тубной машине наполнение, укупорка и маркировка производятся по так называемой «карусельной» схеме, и используется одна машина. В случае с флаконами они раздельные, выполняются на нескольких разных машинах.

Всё оборудование каждый раз настраиваются под характеристики конкретного контейнера: объём, высоту, силу затяжки или сжатия и т. д. Все этапы автоматизированной упаковки управляются компьютером по заранее заданной операторами программе.

Наклеивание этикеток

Сейчас для наклеивания этикеток на флаконы у нас используется полностью автоматическая машина. Участие оператора сводится к первоначальной настройке параметров наклеек, загрузке и выгрузке тары. Устройство и принцип работы такой машины сводятся к следующему:

• Заполненная и укупоренная тара подаётся по ленте с роликовым механизмом, который вращает флаконы вокруг своей оси.
• Сбоку от конвейерной ленты располагается аппликатор с бобиной этикеток — сплошной лентой из подложки и наклеенных на неё этикеток. На машине установлено два вала, на одном располагается лента с этикетками, а на второй наматывается уже пустая подложка. Между этими бобинами располагается металлическая пластина (нож), которая натягивает ленту и разворачивает её почти на 180°. При таком переломе подложки сама этикетка за счёт своей толщины не поворачивает за лентой, а отклеивается от неё и подаётся в сторону флакона.
• Когда вращающийся флакон подходит к точке наклеивания, одновременно происходят зажатие флакона между тремя роликами и вращение валов бобины, при этом отклеенный край этикетки прилипает к флакону. За счёт вращения тара «заворачивается» в этикетку и перемещается дальше, а пустая подложка наматывается на вторую бобину.

Система бобин с этикетками и конвейерный податчик флаконов с вращающимися роликами

Во всём этом процессе самое сложное — правильно настроить машину при смене бобины с этикетками на другой тип, а именно — момент касания этикеткой флакона. Наклейки на подложке имеют определённую жёсткость и клейкость, в зависимости от этого они по-разному «встречают» тару. Если неправильно настроить геометрию машины, то этикетка может либо загнуться, либо наклеиться на флакон с пузырями воздуха, либо закрутиться на нём спиралью, когда один конец выше другого. Чаще всего именно на этапе наклейки нужна помощь инженера с настройкой или устранением неисправностей. Оператор же может выполнить только какую-то базовую настройку, например, отрегулировать высоту наклеивания и установить необходимые параметры печати маркиратора. Хотя со временем, подсматривая за работой инженеров, и операторы для экономии времени начинают выполнять некоторые наладки самостоятельно.

Предварительная наладка машины всегда происходит только на тестовом флаконе, который специально помечен, чтобы его не пустили в продажу и который в своей жизни повидал многое. Готовая продукция не может быть в 10 слоях клея, на котором обязательно образуется пыль и останутся отпечатки. Этот тестовый флакон мы ставим на машину и смотрим, как она клеит. Если всё ОК, то запускается рабочий процесс, если нет — мы срываем наклейку с тестовой тары, корректируем работу машины и начинаем всё заново. Как правило, при наладке в утиль уходит не менее 20–30 этикеток.

Маркировка

Этот на первый взгляд простой этап на деле вызывал у меня наибольшую боль и страдания. У нас была большая проблема: наносимая чернилами маркировка (партия, дата изготовления, срок годности) стирается с этикетки из-за трения флаконов друг о друга, о коробку и т. д.

Мы пробовали разные марки и виды чернил, растворителей. Какие-то были лучше, какие-то — хуже, но проблема всё равно оставалась. Потом в определённый момент я присмотрелся к лазерным принтерам. Первый купили в России — не во всём он нас устроил, но маркировка теперь стираться перестала, потому что чернила больше не используются.

В итоге разобрались, как с ним работать, изучили меню, сумели «подвязать» к этикетировочной машине. Учитывая успешный опыт заказов оборудования из Китая напрямую, приняли нелёгкое, но в итоге максимально успешное решение — купить следующий принтер именно у них. Как минимум сильно подкупала цена, которая в полтора-два раза меньше. И все последующие брали там же.


Лазерный принтер

Что может пойти не так?

Мы своё производство организовали так, чтобы свести человеческий фактор — основную причину поломок — к минимуму. Проще говоря, закупили автоматизированное оборудование, оснастили «защитой от дурака».


На этом фото видны установленные костыли как «защита от дурака» на случай, если оператор нальёт больше воды, чем записано в техкартах. При наборе вакуума капельки воды начнут засасываться в трубопровод: через прозрачный шланг это сразу будет заметно, и у оператора есть несколько минут на реагирование и устранение ошибки. Такой момент очень критичен, поскольку мы используем вакуумные насосы с масляной ванной. Но если и это не помогло — здравствуйте, весёлые рабочие выходные, полная разборка и чистка вакуумного насоса. Автолюбители отлично поймут, что попадание воды в масло ничем хорошим не заканчивается.

В итоге — потраченные время и материалы.

В принципе на моей памяти такой случай был только один. Но инженеров не всегда привлекают для исправления косяков, так что могло быть и больше.

Был ещё случай, когда запустили тубную машину без подключённого воздуха, и у неё не было той самой «защиты от дурака». В итоге — несколько погнутых деталей, поскольку пневмоцилиндры вовремя не отработали. В целом из больших косяков это всё. К тому же у нас внедрена система двойных проверок, так что шансов совершить ошибку у операторов практически нет.

Конечно, бывают поломки, и не зависящие от человека, например, ломаются редукторы и двигатели, разрушаются муфты, уплотнители, манжеты и т. д. Чисто из-за естественного износа. Тогда мы просто заменяем неисправную деталь на исправную у производителя или ищем аналогичную у другого поставщика.

Лично для меня самое большое опасение — это контроллеры. Исходный код является интеллектуальной собственностью компании-изготовителя, и доступа к нему нет. Допустим, заглючила винда на компе — просто ставишь новую. С контроллерами так не работает. Решений подобной проблемы есть несколько. Тут либо просить специалиста, который может написать весь код с нуля по описанным по памяти алгоритмам работы машины, либо обращаться на завод-изготовитель, выпустивший этот контроллер, и просить заменить вышедший из строя на аналогичный. Но, слава Богу, за время моей семилетней работы в компании таких проблем пока не возникало.

Сколько это всё стоит и где покупается

На данный момент происхождение нашего оборудования следующее:

• Тестовый мини-реактор на 10 литров, линии розлива, укупорки, этикирования и маркировки — из Китая.
• Большие стальные реакторы на 200 и более литров — из России (Москва, Ногинск, Электросталь).
• Старые 50-литровые стеклянные реакторы — из Чехии (сейчас почти не используются).

Одна из моих задач как инженера — это подбор оборудования. К нему предъявляются определённые требования по цене, качеству/функциональности, доставке и обслуживанию/ремонту. Очевидно, что порой эти требования вступают во взаимное противоречие, и вот тут начинается настоящее искусство.

Начнём с цены. Может показаться, что оборудование из России должно быть самым дешёвым из-за отсутствия дорогой доставки из-за границы. На практике я столкнулся с тем, что так называемое «российское производство» очень часто заключается в закупке оборудования в Китае, смене шильда, ну, может, ещё русификации меню. И за это ушлые российские поставщики накидывают цену в два-три раза больше закупочной. Например, мне в России предложили купить полуавтоматическую укупорочную машину за 190 тысяч, в то время как в Китае за ту же цену можно найти полностью автоматическую модель. При этом в стоимость уже будут включены доставка и растаможка. С Европой в плане цен всё плохо. Даже до всем известных событий стоимость на аналогичную технику была в два-три раза больше, чем в России, а по сравнению с Китаем соответственно — в шесть–восемь раз. При этом в плане гарантий китайцы не уступают русским ни в чём. Так зачем платить больше?

Да, есть у китайцев определённые проблемы с качеством производства. Не слишком большие, но встречаются. Зато у меня есть свой собственный опыт работы конструктором, плюс я знаю людей, которые очень хороши в плане доработки оборудования. Поэтому лично я в последнее время склоняюсь к такой стратегии: купить в Китае оборудование-полуфабрикат, доработать его и получить конфетку за малые деньги.

Поясню на примере. Мы блок розлива с укупором и пневматическим прессом для 30-миллилитровых флаконов купили в Китае за 1,6-1,8 миллиона рублей. У него были некоторые проблемы: не очень качественные сварные швы, микроцарапины на внутренней поверхности накопительного бака. Это потенциально ржавчина, большие потери продукта и проблемы с микробиологией. Но есть у нас один подрядчик, очень хороший спец по работе с нержавейкой, который способен устранить любые проблемы подобного характера. Познакомились мы с ним достаточно давно при заказе небольшой и относительно простой работы, но он выполнил её настолько хорошо и красиво, что при последующих работах уже не стоял вопрос, к кому нам обратиться. С его помощью на всю доработку китайского блока розлива мы потратили примерно 200–250 тысяч. В итоге у нас полностью подстроенное под наши потребности оборудование за 1,8-2 миллиона.

А в России нам аналогичный блок розлива предлагали за пять-шесть миллионов — и это без доработки! А допиливать напильником однозначно пришлось бы, то есть плюс ещё те же самые 200–250 тысяч.

Что самое обидное, у нас есть такие исключительные специалисты в стране, а российское машиностроение сейчас переживает не самые лучшие времена. Ведь куда проще купить готовое и перепродать дороже.

Функционал. В целом он у российского, европейского, американского и китайского оборудования примерно одинаковый, потому что технологические процессы схожи. Некоторая разница может быть в уровне автоматизации и работе контроллеров. Тут больше подбор идёт под особенности технологического процесса, объём производства, тип продукции, упаковки и т. д.

Доставка. В этом плане, конечно, российское и китайское оборудование — вне конкуренции. Европейцы, американцы из-за санкций либо сильно ограничили, либо полностью прекратили поставки в Россию. Китай же поставляет без проблем, причём, как я уже говорил, даже с учётом расходов на перевозку и растаможку закупать оттуда гораздо дешевле, а по времени — почти так же, как у российских производителей (которые сами часто в Китае и закупаются).

Обслуживание. В этом плане что российские, что китайские производители оборудования идут навстречу. Но есть нюансы по времени. Часто производителям из России нужно больше времени на поиск детали и её замену, чем их коллегам из Китая. Подозреваю, что наши эти запчасти в том же Китае сами и закупают.

Ещё один момент. Предприятия, которые производят сами машины, комплектующие для них (сервоприводы, цилиндры, уплотнители и т. д.) закупают у других компаний. То есть если мы по какой-то причине прекратили отношения с производителем, например, линии розлива, то для замены неисправной запчасти обращаемся не к нему, а напрямую в компанию, выпускающую эту деталь.

Реально от производителя зависят только контроллеры.

В целом по совокупности всех этих требований я на данный момент — за закупку оборудования в Китае. Это дёшево, доступно, без проблем в плане логистики и обслуживания. А качество так и так приходится допиливать напильником. Конечно, это в первую очередь касается дорогого и сложного оборудования. То, что попроще и подешевле, вполне можно закупать и у нас.

А если вам интересно, как мы разрабатываем новые средства, или вы хотите с нами пообщаться, то заглядывайте в телеграм-канал с хрониками нашей уютной лаборатории.