تُحدث محركات السيرفو والروبوتات تحولاً جذرياً في تطبيقات التصنيع الجمعي. تعرّف على أحدث النصائح والتطبيقات عند تطبيق أتمتة الروبوتات والتحكم المتقدم في الحركة للتصنيع الجمعي والطرحي، بالإضافة إلى ما هو قادم: التفكير في أساليب التصنيع الجمعي/الطرحي الهجينة.
تطوير الأتمتة
بقلم سارة ميليش وروز ماري بيرنز
يُعدّ اعتماد أجهزة تحويل الطاقة، وتكنولوجيا التحكم في الحركة، والروبوتات فائقة المرونة، ومجموعة متنوعة من التقنيات المتقدمة الأخرى، عوامل دافعة للنمو السريع لعمليات التصنيع الجديدة في المشهد الصناعي. ويُعدّ التصنيع الإضافي والطرحي، اللذان أحدثا ثورة في طريقة تصنيع النماذج الأولية والأجزاء والمنتجات، مثالين رئيسيين على الكفاءة وتوفير التكاليف اللذين يسعى إليهما المصنعون للحفاظ على قدرتهم التنافسية.
التصنيع الإضافي (AM)، المعروف أيضًا بالطباعة ثلاثية الأبعاد، هو طريقة غير تقليدية تستخدم عادةً بيانات التصميم الرقمي لإنشاء أجسام صلبة ثلاثية الأبعاد عن طريق دمج المواد طبقةً تلو الأخرى من الأسفل إلى الأعلى. غالبًا ما يُستخدم التصنيع الإضافي لإنتاج أجزاء شبه صافية الشكل (NNS) دون أي هدر، وهو لا يزال يُستخدم في تصميم المنتجات الأساسية والمعقدة في صناعات مثل السيارات، والفضاء، والطاقة، والطب، والنقل، والمنتجات الاستهلاكية. على النقيض من ذلك، تتضمن عملية الطرح إزالة أجزاء من كتلة من المواد عن طريق القطع أو التشغيل الآلي عالي الدقة لإنشاء منتج ثلاثي الأبعاد.
على الرغم من الاختلافات الجوهرية، فإن العمليتين الإضافية والطرحية لا تتعارضان دائمًا، إذ يمكن استخدامهما لتكملة مراحل مختلفة من تطوير المنتج. غالبًا ما تُنشأ نموذج أو نموذج أولي أولي من خلال العملية الإضافية. بمجرد الانتهاء من تصنيع المنتج، قد يلزم إنتاج دفعات أكبر، مما يفتح الباب أمام التصنيع الطرحي. في الآونة الأخيرة، حيث يُعدّ الوقت عاملًا حاسمًا، تُطبّق أساليب الجمع والطرح الهجينة في مجالات مثل إصلاح القطع التالفة/المستهلكة أو إنتاج قطع غيار عالية الجودة في وقت أقصر.
أتمتة للأمام
لتلبية متطلبات العملاء الصارمة، يُدمج المُصنِّعون مجموعةً من مواد الأسلاك، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والنيكل والكوبالت والكروم والتيتانيوم والألمنيوم ومعادن أخرى غير متشابهة، في تركيب أجزائهم، بدءًا من ركيزة ناعمة ومتينة، ووصولًا إلى مُكوِّن صلب ومقاوم للتآكل. وقد كشف هذا جزئيًا عن الحاجة إلى حلول عالية الأداء لزيادة الإنتاجية والجودة في بيئات التصنيع الإضافية والطرحية، خاصةً في عمليات مثل التصنيع الإضافي لقوس الأسلاك (WAAM)، والتصنيع الطرحي لقوس الأسلاك (WAAM)، والتصنيع الطرحي للتغليف بالليزر، أو الزخرفة. ومن أبرز هذه العمليات:
- تكنولوجيا السيرفو المتقدمة:لتحقيق أهداف وقت طرح المنتج في السوق ومواصفات تصميم العملاء بشكل أفضل، من حيث دقة الأبعاد وجودة التشطيب، يلجأ المستخدمون النهائيون إلى الطابعات ثلاثية الأبعاد المتطورة المزودة بأنظمة سيرفو (بدلاً من محركات السائر) للتحكم الأمثل في الحركة. تُحدث محركات السيرفو، مثل محرك سيجما-7 من ياسكاوا، ثورة في عملية التصنيع الإضافي، مما يُساعد المُصنّعين على التغلب على المشكلات الشائعة من خلال قدرات تعزيز أداء الطابعة.
- قمع الاهتزاز: تتميز محركات السيرفو القوية بمرشحات قمع الاهتزاز، بالإضافة إلى مرشحات مضادة للرنين والشق، مما ينتج حركة سلسة للغاية يمكنها القضاء على الخطوط المتدرجة غير المريحة بصريًا الناجمة عن تموج عزم دوران المحرك المتدرج.
- تحسين السرعة: أصبحت سرعة الطباعة البالغة 350 مم/ثانية حقيقة واقعة، أي أكثر من ضعف متوسط سرعة الطباعة في الطابعات ثلاثية الأبعاد التي تستخدم محركًا متدرجًا. وبالمثل، يمكن تحقيق سرعة حركة تصل إلى 1500 مم/ثانية باستخدام تقنية المحركات الدوارة، أو ما يصل إلى 5 أمتار/ثانية باستخدام تقنية المحركات الخطية المؤازرة. تتيح قدرة التسارع الفائقة التي توفرها محركات المؤازرة عالية الأداء تحريك رؤوس الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى مواضعها الصحيحة بسرعة أكبر. هذا يُخفف بشكل كبير من الحاجة إلى إبطاء النظام بأكمله للوصول إلى جودة التشطيب المطلوبة. وبالتالي، فإن هذا التحسين في التحكم في الحركة يعني أيضًا أن المستخدمين النهائيين يمكنهم تصنيع المزيد من القطع في الساعة دون المساس بالجودة.
- الضبط التلقائي: يمكن لأنظمة المؤازرة إجراء الضبط المخصص الخاص بها بشكل مستقل، مما يجعل من الممكن التكيف مع التغييرات في ميكانيكا الطابعة أو الاختلافات في عملية الطباعة. لا تستخدم محركات السائر ثلاثية الأبعاد ردود الفعل الموضعية، مما يجعل من المستحيل تقريبًا التعويض عن التغييرات في العمليات أو التناقضات في الميكانيكا.
- ردود فعل المشفر: تحتاج أنظمة المؤازرة القوية التي توفر ردود فعل مشفر مطلقة إلى تنفيذ روتين التوجيه مرة واحدة فقط، مما يؤدي إلى زيادة وقت التشغيل وتوفير التكاليف. تفتقر الطابعات ثلاثية الأبعاد التي تستخدم تقنية المحرك المتدرج إلى هذه الميزة وتحتاج إلى التوجيه في كل مرة يتم فيها تشغيلها.
- استشعار التغذية الراجعة: غالبًا ما يُشكّل جهاز البثق في الطابعة ثلاثية الأبعاد عائقًا في عملية الطباعة، ولا يمتلك محرك السائر قدرة استشعار التغذية الراجعة على اكتشاف أي انحشار في جهاز البثق، وهو عيب قد يؤدي إلى فشل عملية الطباعة بأكملها. مع وضع ذلك في الاعتبار، تستطيع أنظمة السيرفو اكتشاف أي خلل في جهاز البثق ومنع تجريد الخيوط. يكمن سرّ أداء الطباعة المتفوق في نظام حلقة مغلقة مُركّز حول مُشفّر بصري عالي الدقة. تُوفّر محركات السيرفو المُزوّدة بمُشفّر عالي الدقة مطلق بدقة 24 بت دقة تغذية راجعة مُغلقة تبلغ 16,777,216 بت، مما يُحسّن دقة المحور وجهاز البثق، بالإضافة إلى المزامنة والحماية من الانحشار.
- الروبوتات عالية الأداء:مثلما تُحدث محركات السيرفو القوية تحولاً جذرياً في تطبيقات التصنيع الإضافي، تُحدث الروبوتات تحولاً مماثلاً. فمع أدائها الممتاز في المسارات، وبنيتها الميكانيكية الصلبة، وتصنيفاتها العالية للحماية من الغبار (IP) - إلى جانب نظام التحكم المتقدم في مقاومة الاهتزاز وإمكانية العمل على محاور متعددة - تُعدّ الروبوتات عالية المرونة سداسية المحاور خياراً مثالياً للعمليات المُرهِقة التي تُحيط باستخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد، بالإضافة إلى دورها المحوري في عمليات التصنيع الطرحي والطرق الهجينة بين التصنيع الطرحي والجمعي.
تتضمن الأتمتة الروبوتية، المُكمّلة لآلات الطباعة ثلاثية الأبعاد، على نطاق واسع التعامل مع الأجزاء المطبوعة في تركيبات متعددة الآلات. بدءًا من تفريغ الأجزاء الفردية من آلة الطباعة، ووصولًا إلى فصلها بعد دورة طباعة متعددة الأجزاء، تُحسّن الروبوتات عالية المرونة والكفاءة العمليات لتحقيق إنتاجية وإنتاجية أعلى.
في الطباعة ثلاثية الأبعاد التقليدية، تُساعد الروبوتات في إدارة مسحوق الطباعة، وإعادة تعبئة مسحوق الطابعة عند الحاجة، وإزالة المسحوق من الأجزاء النهائية. وبالمثل، تُنجز بسهولة مهام تشطيب الأجزاء الأخرى الشائعة في تصنيع المعادن، مثل الطحن والتلميع وإزالة النتوءات أو القطع. كما تُلبّى احتياجات فحص الجودة، بالإضافة إلى التعبئة والتغليف والخدمات اللوجستية، مباشرةً باستخدام تكنولوجيا الروبوتات، مما يُتيح للمصنعين تركيز وقتهم على أعمال ذات قيمة مضافة أعلى، مثل التصنيع حسب الطلب.
بالنسبة لقطع العمل الأكبر حجمًا، تُستخدم روبوتات صناعية طويلة المدى لتحريك رأس بثق الطابعة ثلاثية الأبعاد مباشرةً. هذا، إلى جانب أدوات محيطية مثل القواعد الدوارة، وأجهزة تحديد المواقع، والمسارات الخطية، والرافعات الجسرية، وغيرها، يوفر مساحة العمل اللازمة لإنشاء هياكل حرة الشكل. إلى جانب النماذج الأولية السريعة التقليدية، تُستخدم الروبوتات في تصنيع أجزاء حرة الشكل كبيرة الحجم، وقوالب، وهياكل جملونية ثلاثية الأبعاد، وأجزاء هجينة كبيرة الحجم. - وحدات التحكم في الآلات متعددة المحاور:تُتيح التكنولوجيا المبتكرة لربط ما يصل إلى 62 محور حركة في بيئة واحدة إمكانية المزامنة المتعددة لمجموعة واسعة من الروبوتات الصناعية وأنظمة المؤازرة ومحركات التردد المتغير المستخدمة في العمليات الإضافية والطرحية والهجينة. يمكن الآن لمجموعة كاملة من الأجهزة العمل بسلاسة تامة تحت التحكم والمراقبة الكاملين من وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) أو وحدة تحكم آلة IEC، مثل MP3300iec. غالبًا ما تُبرمج هذه الأنظمة باستخدام حزمة برامج IEC ديناميكية 61131، مثل MotionWorks IEC، وتستخدم منصات احترافية كهذه أدوات مألوفة (مثل رموز RepRap G، ومخطط كتلة الوظيفة، والنص المنظم، ومخطط السلم، إلخ). لتسهيل التكامل وتحسين وقت تشغيل الآلة، تتضمن هذه الأنظمة أدوات جاهزة مثل تعويض تسوية السرير، والتحكم في تقدم ضغط الطارد، والتحكم في المغازل المتعددة والطارد.
- واجهات المستخدم للتصنيع المتقدم:تُعدّ حزم البرامج المتنوعة مفيدة للغاية في تطبيقات الطباعة ثلاثية الأبعاد، وقطع الأشكال، وأدوات الآلات، والروبوتات، حيث تُوفّر واجهة رسومية سهلة التخصيص بسرعة، مما يُتيح تنوعًا أكبر. صُممت منصات بديهية، مثل Yaskawa Compass، مع مراعاة الإبداع والتحسين، لتتيح للمصنعين وضع علامات تجارية على الشاشات وتخصيصها بسهولة. بدءًا من تضمين سمات الآلة الأساسية وحتى تلبية احتياجات العملاء، لا يتطلب الأمر سوى القليل من البرمجة، حيث تُوفّر هذه الأدوات مكتبة شاملة من إضافات C# الجاهزة، أو تُتيح استيراد إضافات مُخصصة.
إرتفع فوق
في حين لا تزال عمليات الجمع والطرح الأحادية شائعة، سيحدث تحول أكبر نحو طريقة الجمع والطرح الهجينة خلال السنوات القليلة القادمة. ومن المتوقع أن ينمو بمعدل نمو سنوي مركب قدره 14.8% بحلول عام 2027.1سوق آلات التصنيع الإضافي الهجين مهيأ لتلبية الطلب المتزايد من العملاء. وللتفوق على المنافسة، ينبغي على المصنّعين دراسة إيجابيات وسلبيات الطريقة الهجينة في عملياتهم. بفضل قدرتها على إنتاج القطع حسب الحاجة، وخفضها الكبير للبصمة الكربونية، توفر عملية التصنيع الإضافي/الطرح الهجينة مزايا جذابة. ومع ذلك، لا ينبغي إغفال التقنيات المتقدمة لهذه العمليات، بل يجب تطبيقها في مصانع الإنتاج لزيادة الإنتاجية وجودة المنتج.
وقت النشر: ١٣ أغسطس ٢٠٢١
