آهنگری روباتیک: فناوری‌ای که می‌تواند تولید را احیا کند

اگر چه ممکن است آشکار نباشد، اما ارتباط تنگاتنگی بین فناوری ساخت و نوآوری وجود دارد. اِلون ماسک اغلب در مورد "ماشین‌هابی که ماشین­ها را می‌سازند" به عنوان فعال ساز واقعی کسب و کارش در هر دو زمینه فضا و خودرو صحبت می‌کند،
 
استفاده از فرآیندهای ارزان‌تر و مقیاس پذیرتر، به Space X اجازه می‌دهد تا مأموریت‌هایی را با بودجه‌هایش و با سرعتی که با استفاده از روش‌های تولید قدیمی مدرسه ناسا غیرقابل تصور است، انجام دهد. و به نظر می‌رسد طرح جدید غیر روتین Tesla Cybertruck از یک فرآیند تولید ساده استفاده می‌کند که باعث می‌شود از پروسه برجسته کاری فلز با قالب به نفع خم کردن و تا کردن فلز دوری شود.  
تصویر: تسلا، به عنوان راهی برای ساخت سریع‌تر و کارآتر محصولات، سرمایه گذاری سنگینی در تولید کرده است. طرح جدیداً رونمایی شده  Cybertruck در بخشهایی با استفاده از برنامه‌های تولید تسلا پیش رفته است. تسلا موتورز ، CC BY
 
در حال حاضر یک روش جدید ساخت با عنوان "آهنگری روباتیک" این امکان را دارد که شیوه ساخت قطعات ساختاری با کیفیت بالا را متحول کند و منجر به ایجاد کلاس جدیدی از محصولات سفارشی و بهینه شده شود. من بخشی از ائتلاف آزاد مهندسان در حال توسعه این فرآیند هستم، روشی که معتقدم می‌تواند به احیای تولید ایالات متحده کمک کند.
 

فن آوری‌های امروز

قطعات فلزی در انواع کاربردهای پرمحتوا و مهم برای ایمنی در تجهیزات حمل و نقل، معدن سازی، ساخت و ساز و تجهیزات تولید برق مانند موتورهای توربین استفاده می‌شود. بیشتر آنها با استفاده از تعداد اندک فرآیندهای تولید کلاسیک ساخته شده‌اند که در ده‌ها سال تغییر زیادی نکرده‌اند.
 
ماشینکاری، حجم مواد اولیه را با براده برداری کاهش می‌دهد تا به شکل دلخواه برسد. ریخته‌گری شامل ریختن فلز مذاب در قالب است. و شکل دهی یا فورجینگ، از شکل انداختن و فشرده سازی فلز برای شکل دهی جدید به آن است. ریخته‌گری و فورجینگ معمولاً نیاز به ساخت قالب‌های سفارشی دارد که می تواند زمان و هزینه قابل توجهی را برای طراحی و ساخت صرف خود کند، اما یک بار اجرای آن برای دفعات بعدی تولید بسیار مولد است. قطعات با خواص بسیار قابل تکرار ارزان هستند. به همین دلیل پیچ و مهره‌ها می‌توانند ارزان و قابل اعتماد باشند.
 
به فاصله کوتاهی پس از جنگ جهانی دوم، ساخت دیجیتال در بیشتر تولیداتِ سریع آغاز شد، ابتدا با ماشینکاری کنترل عددی رایانه‌ای که اجزایی از انواع اشکال را از بلوک‌های فلزی براده برداری می‌کرد. تولیدِ یک مؤلفه متفاوت، به سادگیِ راه اندازی یک برنامه رایانه‌ای جدید بود. در حالی که این تکنیک‌های چاپ سه بعدی مزایای خود را دارند، اما اشکالاتی نیز دارند. آنها اغلب بالاترین سطح استحکام یا سختی را ایجاد نمی‌کنند و به این دلیل این فرایندها اتلاف‌گرند. یک نکته منفی در ماشینکاری کنترل عددی رایانه‌ای، نسبت "وزن محصول به وزن مواد اولیه" پایین است، که در آن ممکن است یک بلوک تیتانیوم 1000 پوندی برای تولید یک مؤلفه هوا فضای 100 پوندی تراشکاری شود. این گران است و از نظر زیست محیطی اتلاف کاری است، اما این تکنولوژی به سرمایه گذاری جدید نیاز ندارد  و زمان‌های تولید در آن کوتاه است.
 
هم اکنون همچنین اشتیاق درخوری در ساخت چنین قطعاتی با چاپ سه بعدی وجود دارد که از آن به عنوان ساخت افزودنی نیز یاد می‌شود. این فرآیند همچنین بر حسب تقاضا قطعات را از یک فایل کامپیوتری با ساخت قطعه به صورت لایه به لایه (هر لایه در یک زمان) تولید می‌کند. شکل‌هایی که تولیدشان با ماشین کاری غیرممکن است قابل چاپ هستند، و این تولید شکل‌های جدیدی را امکان پذیر می‌سازد که به عنوان مثال دارای گذرهای داخلی برای خنک کنندگی یا ارتباطات هستند.
 
در حالی که این تکنیک‌های چاپ سه بعدی مزایای خود را دارند، اما اشکالاتی نیز دارند. آنها اغلب بالاترین سطح استحکام یا سختی را ایجاد نمی‌کنند و به این دلیل این فرایندها اتلاف‌گرند.
 

روبات‌ها به علاوه آهنگری

لوازم فلزی ساخته شده توسط آهنگرها اغلب دارای استحکامی افسانه‌ای هستند زیرا کار روی فلز، مانند ورز دادن خمیر، باعث می شود که ساختار آن ظریف‌تر و یک دست‌تر شود. همان طور که ماده شکل می‌گیرد، استحکام جهتی را توسعه می‌دهد، دقیقاً مانند چوب که در امتداد جهت رگه‌های خود قوی‌تر است. با این حال، هیچ آهنگر انسانی نمی‌تواند از پس ساخت قطعاتی در ابعاد تجهیزات فرود هواپیما بر آید یا از قابلیت تکرار پذیری و استقامتی برخوردار باشد که قطعات مورد نیاز در اقتصاد ما را بسازد.
 
ایده آهنگرهای روباتیک گسترش هنر آهنگری همراه با قابلیت‌های دیجیتالی جدید است. قطعات با شکل دهی تکراری و افزایشی قطعات خام فلزی که با دقت در یک پرس قرار می‌گیرند شکل می‌گیرند. در این سیستم نیرو دهی با پرس یا چکش، بسته به شکل مورد نیاز، ابزارهای کار به طور مرتب عوض می‌شوند.
 
با خودکار کردن فرایند شکل دهی به یک قطعه، اما با استفاده از همان رویکرد اولیه آهنگری، یک ماشین می‌تواند روی ساخت قطعات بزرگتر کار کند و کارآمدتر و تکرار پذیرتر از هر انسانی باشد.
 
این رویکرد جدید این پتانسیل را دارد که اسکلت‌های ساختاری داخل هواپیماها، کشتی‌ها، زیردریایی‌ها و لوکوموتیوها را به طور مؤثر و مداوم بسازد. یا می توان این مفهوم را برای ساخت ایمپلنت‌های پزشکی کوچک در ابعاد کوچکتر توسعه داد.
 

از کجا فناوری، کنترل کار را دست خواهد گرفت؟

ایده اصلی برای آهنگری روباتیک، که پیش از این ساخت دگرگونی نامیده می‌شد، در سال 2017 نشان داده شد، هنگامی که تیمی از دانشجویان کارشناسی ارشد دانشگاه ایالتی اوهایو سخت افزار و نرم افزار را به یک دستگاه معمولی فرز با کنترل عددی رایانه‌ای (CNC) اضافه کردند تا آن را با فراینده ایجاد تغییر شکل کنترل شده هماهنگ کنند. این کار در پاسخ به چالش 25000 دلاری کنسرسیوم دارای بودجه دولتی LIFT (که مخفف عبارت نوآوری‌های سبک وزن برای فرداست) برای نشان دادن مفاهیم اصلی شکل گیری مبتنی بر تغییر شکل به صورت دیجیتالی بود.
 
اما این فقط یک شروع بود. امروز، بسیاری از تحقیقات و توسعه می‌ماند تا قبل از این که ماشین‌های خودگردانی داشته باشیم برای شکل دادن فلز به صورت اقلامی بی نیاز از کنترل ایمنی. توسعه کامل روبات‌های آهنگر نیاز به ترکیبی از فناوری‌ها دارد. و مثلاً سیستم باید بتواند شکل، دما و وضعیت مواد را در هر نقطه از قطعه در حال شکل گیری بداند و سپس باید بتواند دما را کنترل کند تا ساختار و خواص مناسب را تولید کند. با رفع تمام کاستی‌ها اما به هر حال توسعه این روبات‌ها در آینده نزدیک نوید بخش بهبود بخش تولید است.
 
منبع: Glenn S. Daehn  - The Ohio State University