CHANGES IN THE STRUCTURE OF PRODUCTION COSTS AT AN INDUSTRIAL ENTERPRISE WHILE INTEGRATING ADDITIVE TECHNOLOGIES

Full Text

ВВЕДЕНИЕ Промышленность, прежде всего обрабатывающая, играет ключевую роль в развитии мировой экономики. В частности, промышленность, как правило, генерирует рабочие места с более высокой, чем в сельском хозяйстве, оплатой труда, что способствует структурным экономическим изменениям в странах с низкими доходами и их перемещению в категорию стран со средними, а иногда и высокими доходами. [1]. Если анализировать динамику мирового валового продукта по основным секторам (сельское хозяйство, промышленность, услуги) [2] то можно заметить, что с 1970 по 2000 гг. сектор услуг рос более быстрыми темпами, чем промышленность (до 4,5% в год), однако начиная с 2000 г. годовой рост всех трех секторов сравнялся и стабилизировался примерно на уровне 2,5%. В стоимости мировой промышленной продукции 9/10 приходится на обрабатывающую промышленность. Для развитых стран характерен еще более высокий ее удельный вес [3]. Можно выделить следующие мировые тенденции развития обрабатывающей промышленности: 1. Начиная с 60-х гг. 20 века мировая промышленность взяла курс на деиндустриализацию (снижение доли промышленности в мировом валовом продукте). В общемировом масштабе доля добавленной стоимости обрабатывающей промышленности в ВВП за период с 1962 по 2012 гг. упала с 20,9% до 12,3%. 2. Если смотреть статистику географического распределения добавленной стоимости обрабатывающей промышленности в мире за последние три десятилетия (автором используются данные за 1990 и 2014 гг. [4]), то можно увидеть, что доля стран Северной Америки упала с 23% до 20,9%, Западной Европы - с 40,7 до 27,5%, а стран Азиатско-Тихоокеанского региона возросла с 27,8% до 44,5%. 3. Наблюдается тенденция повышения эффективности обрабатывающей промышленности благодаря сокращению занятости и удельного энергопотребления, в основном, за счет промышленно развитых стран. Таким образом, мировая промышленность на сегодняшний день может характеризоваться высоким уровнем конкуренции, как на уровне стран, так и на уровне конкретных предприятий. При этом, существующие технологические системы достигают оптимизационного пика, что, в условиях конкурентной среды, порождает необходимость их качественного изменения. Процесс кардинальной модернизации подразумевает изменение одной из следующих элементов производственного процесса: - оборотных ресурсов, в частности интеграция новых материалов, с целью получения новых свойств конечного продукта, и/или получения принципиально нового продукта и/или снижение производственных издержек; - технологий производства, что, как правило, выражается в интеграции нового производственного оборудования. Одним из наиболее передовых направлений развития производственного процесса практически всех отраслей обрабатывающей промышленности является интеграция аддитивных технологий. Аддитивные технологии - это обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления материала [5]. Данные технологии способны в корне изменить производственный процесс. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ БАЗИС ИССЛЕДОВАНИЯ На сегодняшний день, проблема интеграции аддитивных технологий в реальный сектор экономики, ровно также, как и последствия данной интеграции является широко обсуждаемой проблемой. На рисунке 1 представлена мировая публикационная активность по данным ScienceDirect. Рассмотрены публикации по рубрикам «Economics, Econometrics and Finance», а также «Business, Management and Accounting», содержащие в своих названиях словосочетания «Additive technologies» или «3D printing». Дуглас Р. Гресса (Douglas R. Gressa) и Рональд В. Калафски (Ronald V. Kalafsky) в своей статье «География 3D производства: теоретические и науч-исследовательские последствия развития аддитивного производства» (Geographies of production in 3D: Theoretical and research implications stemming from additive manufacturing) утверждают, что аддитивные технологии могут изменить географию производства в целом. Авторы утверждают, что аддитивные технологии окажут значительное влияние на структуру спроса и потребления, а также на инновации и глобальные цепочки поставок [6]. Более глобально вопрос перспектив аддитивного производства раскрывается в статье Каталины Коцмеи (Cătălina Cozmei) и Флорентина Калояна (Florentin Caloian) «Мерцание аддитивного производства в начале своего существования» (Additive manufacturing flickering at the beginning of existence). Авторы рассматривают аддитивное производство как новый, революционный этап в мировом производстве. В качестве экономических преимуществ аддитивных технологий рассматриваются: снижение постоянных расходов; отсутствие расходов на дополнительное оборудование, а, следовательно, и амортизационных расходов, связанных с дополнительным оборудованием; снижение рисков и уменьшение управленческих расходов. Также, Авторы подробно рассматривают вопросы, связанные с фискальной нагрузкой на предприятия, применяющие аддитивные технологии, и приходят к выводу, что развитие аддитивных технологий неизменно приведёт к глобальной модернизации системы налогообложения, так как на данный момент она не в состоянии взымать налоги с данных предприятий в связи с инновационным характером деятельности [7]. Кристиан Веллер (Christian Weller), Робин Клир (Robin Kleer) и Фрэнк Т. Пилер (Frank T. Piller) в своей статье «Экономические последствия 3D-печати: модели рыночной структуры в свете развития аддитивных технологий» (Economic implications of 3D printing: Market structure models in light of additive manufacturing revisited) утверждают, что аддитивное производство в настоящее время позиционируется как источник новой промышленной революции. Данная технология дает возможность производить уникальные изделия без применения специализированных инструментов. Кроме того, аддитивное производство позволяет производить сложные конструкции в одну операцию, тем самым потенциально снижая потребность в монтажных работах. Авторы полагают, что в условиях монополии, применение аддитивных технологий позволит увеличить прибыль предприятия за счет использования потребительских излишков, благодаря построению гибкой производственной системы, подразумевающей производство индивидуальных заказов. В то же время будет стимулироваться конкуренция, так как аддитивные технологии снизят барьеры для выхода на рынок и дадут возможность функционировать на нескольких рынках одновременно. Результатом должно стать снижение цен для конечных потребителей [8]. Наиболее глубокое исследование в области экономики аддитивного производства осуществили Малте Геблер (Malte Gebler), Антон Дж.М. Шут Уитеркамп (Anton J.M. Schoot Uiterkamp) и Синди Виссер (Cindy Visser). В своей статье «Перспективы глобальной устойчивости технологий 3D-печати» (A global sustainability perspective on 3D printing technologies) Авторы утверждают, что наибольшее развитие аддитивных технологий будет в сфере мелкосерийного производства, производства уникальных товаров и в области производства дорогостоящего оборудования. В качестве наиболее перспективных отраслей выделяются аэрокосмическое и медицинское производство. Также Авторы первыми рассматривают изменение структуры затрат на производство изделия при применении 3D-печати. Расходы на оборудование при аддитивном производстве будут составлять 45-75% от себестоимости продукции. Затраты на сырье варьируются в зависимости от конкретных условий производства, однако в среднем составляют всего 12% от себестоимости производства. Цены на сырье для 3D-печати значительно выше, чем на сырье при классических способах производства, однако при этом КПД материала значительно выше. Себестоимость продукции может быть снижена, так как аддитивные технологии позволяют создавать более легкие конструкции со сложной геометрией. Авторы утверждают, что данный факт обеспечит экономию топлива, например, в авиации, где каждый лишний килограмм увеличивает расходы керосина на 3000$ [9, 10]. Стивен Меллор (Stephen Mellor), Лян Хао (Liang Hao) и Дэвид Чжан (David Zhang) в своей статье «Аддитивное производство: условия реализации» (Additive manufacturing: A framework for implementation) отмечают, что до недавнего времени аддитивные технологии использовались исключительно в области прототипирования. Однако в условиях современных реалий стало возможным создание полноценных производств, основанных на аддитивных технологиях. В качестве преимуществ данной технологии Авторами выделяются практически неограниченные возможности в области дизайна конечного изделия; отсутствие необходимости в специализированной оснастке и низкие издержки [11]. Существующие научные исследования в данной области сосредотачиваются либо на глобальном аспекте развития аддитивного производства, не рассматривая специфики изменения производственных процессов, либо на частных случаях интеграции аддитивных технологий в конкретные технологические процессы. В рамках данной статьи авторы детально исследуют вопрос изменения цепочек создания ценности и изменение структуры себестоимости производства при интеграции аддитивных технологий в производство. В качестве объекта исследования бередится машиностроение. Данный выбор обусловлен тем, что на данный момент подавляющее большинство коммерческих разработок в области аддитивных технологий в первую очередь ориентированы именно на машиностроение. На данный момент аддитивные технологии могут прийти на смену классическим способам формообразования, таким как механическая обработка посредствам ЧПУ оборудования. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЙ БАЗИС И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В первую очередь рассмотрим изменение процесса конструирования при переходе с CNC технологий к аддитивным (рисунок 2). Как мы можем видеть, из процесса конструирования полностью исключается этап отработки технологичности. Это обусловлено тем, что принцип формообразования аддитивных технологий предполагает получение практически любой формы послойно. Программно-аппаратные средства способны выстроить процесс получения формы без вмешательства человека [12]. Данный факт позволяет полностью отказаться от такой штатной единицы, как технолог, что во многом сократит себестоимость конечного изделия. Следующим после этапа конструирования значительным изменениям подвергнется этап производства. Так как процесс производства практически невозможно универсализировать со структурной точки зрения, изменения проще все будет представить через модель формирования производственной себестоимости. В укрупненном виде процесс формирования производственной себестоимости можно представить посредствам следующей аддитивной модели: , (1) где Pз - совокупная стоимость материалов; Pзп - затраты по оплате труда персонала; Pоб - затраты на эксплуатацию оборудования. Как можно видеть, каждый из представленных элементов модели подвергнется изменением, так как аддитивные технологии предполагают принципиально иный материал. Более того, данный материал обладает значительно большей возвратностью отходов производства, что также обусловлено принципом формообразования. В данном случае возвратность отходов практически идентично применению технологий литья. Сами аддитивные установки также имеют свою специфику, что безусловно сказывается на стоимости их эксплуатации. Структура затрат на оплату труда также изменится, так как процесс управления аддитивной установкой значительно менее трудоемкий, чем процесс управления CNC установкой. Более детально описанные структурные изменения можно увидеть в изменении расширенной аддитивной модели формирования производственной себестоимости: (2) где: Pм - совокупная цена всего приобретенного материала (включая затраты на транспортировку и т.д.); n - количество изделий изготавливаемых из данной партии материала; Тш-к - штучно-калькуляционное время (время, затрачиваемое на производство 1 детали); Рч - стоимость часа работы оператора станка или наладчика станка (в условном примере предположим, что это один человек); То - основное время (время, затрачиваемое станком на обработку детали); Тв - вспомогательное время, включающее в себя: время на установку и снятие детали, время на открепление и закрепление детали, время на приемы и управление, время на измерение; Тоб - время на обслуживание (процент от суммы основного и вспомогательного времени); Тот - время на отдых и личные надобности (процент от суммы основного и вспомогательного времени); Тп-з - время на подготовку и заключение; W - мощность станка; Км - коэффициент загрузки электродвигателя по мощности; Скв - цена киловатт/час; КПДэ.д.с. - КПД электродвигателя станка; Ри-к - цена приобретения каждого используемого в процессе изготовления детали инструмента; Траб - время работы каждого используемого инструмента; Тнорм - допустимое время эксплуатации инструмента до момента полной непригодности (может использоваться произведения времен до момента заточки и количества допустимых заточек); Ра-г - стоимость годовой амортизации станка; Тг-с - предполагаемое количество рабочего времени станка в год (в минутах); Ра-о - стоимость годовой амортизации оборудования; Тг-о - предполагаемое количество рабочего времени оборудования в год (в минутах); Рсож - цена необходимой СОЖ; Тг-сож - предполагаемое количество рабочего времени СОЖ до замены (в минутах); Рпом - расходы по аренде помещения; Sст. - площадь занимаемая станком; Рар - величина аренды цеха в месяц; Sцех - площадь арендуемого цеха; Тр-мес - время предполагаемой работы станка в месяц (в минутах). Рассмотрим отдельные элементы данной модели. Стоимость материала (Pм) складывается из стоимости его приобретения (Pм1), логистических расходов (Pм2), стоимости дополнительной обработки (Pм3) и невозвратность отходов и брака (Pм4). Промышленные аддитивные установки предполагают использование специализированных материалов порошкового типа, стоимость которых значительно превышает стоимость классических материалов. Данный факт обусловлен недостаточным объемом мирового производства. Ситуация с промышленными расходами при этом неоднозначная, так как с одной стороны процесс хранения и транспортировки значительно упрощается за счет большей вариативности транспортируемого объема, но с другой стороны производителей данных материалов в мире достаточно немного. При этом стоимость дополнительной обработки значительно ниже, так как отсутствует необходимость в предварительной подготовке материала и формировании заготовок. Невозвратность отходов и брака значительно ниже чем у классических способов формообразования. Фактически возвратность отходов и брака может достигать 100%. Таким образом мы получаем следующее соотношение показателей: При общих изменениях в соотношениях между элементами расходов на материал, состав данных расходов не изменился. Расходы на оплату труда изменились незначительно с точки зрения состава и структуры. Основное время является исключительно вариативным показателем, и непригодным для сравнения. Вспомогательное время в случае аддитивных технологий будет значительно ниже, так как процесс производства более автоматизирован. Время на обслуживание, время на отдых и личные надобности, а также время на подготовку и заключение остаются практически неизменными. Таким образом мы получаем следующее соотношение показателей: Способ расчета затрат на электроэнергию (Рэл) сохраняет основной механизм, однако коэффициент загрузки электродвигателя по мощности и КПД электродвигателя станка замещаются альтернативными показателями для аддитивной установки. Энергопотребление современных аддитивных установок сопоставимо с энергопотреблением CNC оборудования: Статьи затрат, связанные с расходом материала и плановой заменой СОЖ полностью исключаются, и заменяются на альтернативные показатели износа конструктивных элементов аддитивной установки (Рад) (к примеру экструдера). Так как данные элементы значительно более унифицированы и износостойки, следует предполагать меньшие затраты: . Стоимость годовой амортизации аддитивной установки (Ра-ад), на данный момент будет значительно выше, так как ее стоимость значительно превышает стоимость альтернативного CNC оборудования, даже несмотря на необходимость приобретения вспомогательного оборудования: . Иные элементы модели остаются неизменными. Видим, что изменение состава и структуры себестоимости производства является достаточно неоднозначным. Снижения расходов на материал предприятие может достигнуть только при условия значительного процента брака и производственных отходов [13]. Снижения расходов на оплату труда предприятие может достигнуть только при условии сокращения основного времени производства, что возможно только в случае геометрически сложных и невозможных для изготовления на CNC оборудовании изделий. Снижения расходов на оборудование предприятие может достигнуть исключительно при большем полезном сроке использования аддитивной установки. Таким образом, можно заключить, что принятие решения об интеграции аддитивных технологий на коммерческие промышленные предприятия является комплексным и неоднозначным. Данное решение зависит от множества факторов, а результат подвержен высокому уровню неопределенности. Следовательно, вопрос формирования инструмента оценки инвестиционной привлекательности подобного перехода является чрезвычайно актуальным. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В рамках данной статьи был подробно рассмотрен вопрос изменения состава и структуры себестоимости производства изделий на промышленном предприятии при интеграции аддитивных технологий. Было установлено, что переход на аддитивные установки позволит отказаться от штатной единицы - инженера-технолога, что значительно скажется на себестоимости конструирования изделий. В тоже время себестоимость производства изделий может изменится неоднозначно. В связи с этим в рамках дальнейших исследований предлагается разработать модель оценки уровня инвестиционной привлекательности интеграции аддитивных технологий в производственный процесс промышленного предприятия. Рис. 1. Число публикаций в ScienceDirect Рис. 2. Процесс конструирования при CNC и Аддитивных технологиях

About the authors

Yury Sergeevich Klochkov

Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

Email: klochkov_yus@spbstu.ru
Doctor of Technics, Associate Professor, Director of the Center for Monitoring Science and Education

Evgenii Aleksandrovich Konnikov

Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University; Saint Petersburg State University of Economics

Email: konnikov_ea@spbstu.ru
Senior Lecturer of Graduate School of Economics and Technologies SPbPU, Postgraduate Student of Economics and Management of Enterprises and Industrial Complexes Department

References

Supplementary files