Εισαγωγή στις υβριδικές κατεργασίες προσθήκης και αφαίρεσης υλικού

Η ανάπτυξη των υβριδικών κατεργασιών και εργαλειομηχανών προέκυψε από την ανάγκη των βιομηχανικών μονάδων για εξοικονόμηση χρόνου και κόστους. Ωστόσο, ο συνδυασμός των προσθετικών και αφαιρετικών λειτουργιών των υβριδικών εργαλειομηχανών προσδίδει στο τελικό προϊόν ακρίβεια και ποιότητα.

 

*Των κ. Δ. Μπάρκα και Α. Κριμπένη*

 

Υπάρχει στις μέρες μας ανάγκη για ανάπτυξη υβριδικών κατεργασιών και υβριδικών εργαλειομηχανών.

Προκειμένου οι βιομηχανίες στις ανεπτυγμένες χώρες να είναι πρωτοστάτες, θα πρέπει να μειώσουν το βιομηχανικό τους κόστος, καθώς και το συνολικό χρόνο κατεργασίας των τελικών προϊόντων τους. Ωστόσο, η εισαγωγή μιας υβριδικής εργαλειομηχανής πολλαπλών εργασιών (συνδυασμός εργαλειομηχανής CNC και 3D εκτυπωτή) μπορεί να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις του χρόνου, του κόστους, καθώς και της ποιότητας των προϊόντων κατεργασίας.

Ουσιαστικά, οι υβριδικές εργαλειομηχανές χαρακτηρίζονται ως «done in one» (όπως είθισται να λέγεται «δύο σε ένα»), καθώς επιτρέπουν την κατασκευή εξαρτημάτων με την παραγωγή πρόσθετων, αλλά και τη βέλτιστη παραγωγή τελικού προϊόντος μέσω εργασιών κατεργασίας με φινίρισμα υψηλής ακρίβειας.

Οι συγκεκριμένες μηχανές είναι κατάλληλες ακόμα και για την παραγωγή πολύ μικρών παρτίδων προϊόντων κοπής, όπως είναι για παράδειγμα αεροδιαστημικά κράματα, προϊόντα υψηλής σκληρότητας για ενεργειακά συστήματα, πολλών τύπων εργαλεία, καθώς και εξαρτήματα που απαιτούν υψηλή ακρίβεια (Yamazaki, 2016).

 

Ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές για κατεργασίες αφαίρεσης υλικού

Οι εργαλειομηχανές CNC καθοδηγούνται από ηλεκτρονικό υπολογιστή προκειμένου να υλοποιηθούν κατεργασίες και να παραχθούν αντικείμενα. Πιο συγκεκριμένα, για τον προγραμματισμό των CNC, θα πρέπει κατά την εκτέλεση εργασιών να λαμβάνονται υπόψη διάφορες παράμετροι, οι οποίες αφορούν τόσο την κατανόηση της μορφολογίας για την κατασκευή του εξαρτήματος όσο και τη λειτουργία και τις απαιτήσεις της μηχανής CNC (Καραγεώργος, Ντιντάκης, & Ράπτη, 2015).

Οι κλασικές CNC εργαλειομηχανές επεξεργάζονται υλικά –όπως είναι για παράδειγμα ένα κυλινδρικό ή παραλληλεπίπεδο μεταλλικό κομμάτι– μέσω εντολών της γλώσσας προγραμματισμού G. Ως εκ τούτου, οι μηχανές CNC και το λειτουργικό τους σύστημα ελέγχονται εξολοκλήρου από ηλεκτρονικό υπολογιστή και είναι δυνατή η πραγματοποίηση κοπής ή αφαίρεσης υλικού σύμφωνα με την τροχιά που έχει δώσει ο χειριστής. Ο χειριστής δε είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο της καλής λειτουργίας της εργαλειομηχανής, καθώς και της ποιότητας του τελικού προϊόντος. Επίσης, είναι υπεύθυνος για τη διαχείριση της φόρτωσης και της εκφόρτωσης των εξαρτημάτων και το σετάρισμά τους (Lorenzo, Jones, Wimpenny, & Jackson).

Οι εντολές διαμορφώνονται μέσω των γλωσσών προγραμματισμού G (αλλά και Μ), όπου ένα σύνολο ενεργειών και λειτουργιών καταγράφονται προκειμένου να μπορέσει να τις εκτελέσει η εργαλειομηχανή. Το πρόγραμμα ωστόσο δύναται να υλοποιηθεί με τους εξής τρόπους: είτε χρησιμοποιώντας σχέδια στο χέρι, είτε με τη δημιουργία μοντέλων του εξαρτήματος σε λογισμικό σχεδίασης με υπολογιστή (Computer Aided Design, CAD), είτε να δημιουργηθεί απευθείας σε λογισμικό κατεργασίας πάλι με τη βοήθεια υπολογιστή (Computer Aided Manufacturing, CAM).

Με την εξέλιξη της τεχνολογίας και των γλωσσών προγραμματισμού, οι εργαλειομηχανές CNC είναι ικανές να παραγάγουν μαζικά εξαρτήματα με βέλτιστη ακρίβεια. Μάλιστα, οι διαστάσεις των εξαρτημάτων ορίζονται από το σχεδιαστικό μοντέλο CAD, ώστε να χρησιμοποιηθεί για τη λειτουργία των διαδρομών των εργαλείων κοπής μέσα στο λογισμικό CAM για την κατασκευή των εξαρτημάτων.

Η όλη αυτή διαδικασία είναι πολύ ωφέλιμη, αφού τα εξαρτήματα χαρακτηρίζονται από συναφή γεωμετρία και συγκεκριμένες και μη διαστάσεις. Ως εκ τούτου, η γλώσσα προγραμματισμού είναι εκείνη η οποία θα καθορίσει το τελικό σχήμα και αποτέλεσμα.

 

Τρισδιάστατη εκτύπωση και κατεργασίες προσθήκης υλικού

Προκειμένου να κατασκευαστεί ένα εξάρτημα με χρήση τρισδιάστατου εκτυπωτή θα πρέπει αρχικά να σχεδιαστεί ένα τρισδιάστατο μοντέλο σε ένα σχεδιαστικό πρόγραμμα τύπου CAD, και να γίνει μετατροπή του μοντέλου (αρχείου) σε αρχείο τύπου στερεολιθογραφίας (Stereolithography, STL).

Επίσης, απαιτείται: α) η χρήση λογισμικού διαστρωμάτωσης (slicer), ώστε να γίνει η διαμέριση του εξαρτήματος καθώς και προσδιορισμός των συνθηκών της εκτύπωσης, β) η «μετάφραση» του αρχείου σε γλώσσα προγραμματισμού G, ώστε να ελέγχονται οι κινήσεις και οι λειτουργίες του τρισδιάστατου εκτυπωτή, γ) η μεταφορά του προγράμματος, και δ) η εκτέλεσή του στον εκτυπωτή.

Η εικόνα 2 απεικονίζει έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή μάρκας «S-MAX Pro», ενώ το διάγραμμα 1 απεικονίζει τις παγκόσμιες πωλήσεις 3D εκτυπωτών από το 2013 έως το 2021.

 

Υβριδικές κατεργασίες προσθήκης και αφαίρεσης υλικού

Η υβριδοποίηση θεωρείται ως μια από τις πιο καινοτόμες τεχνολογικές εξελίξεις, αφού δύνανται να αναπτυχθούν ευέλικτες και αποδοτικές διαδικασίες παραγωγής προϊόντων. Σε γενικές γραμμές, ο υβριδισμός περιλαμβάνει συμβατικές και μη διαδικασίες κατασκευής και κατεργασίας προϊόντων (Grzesik, 2018).

Ως εκ τούτου, ο όρος υβριδική κατεργασία ορίζεται ως «ταυτόχρονη παραγωγή προϊόντων κατεργασίας υλικού». Πιο συγκεκριμένα, αφορά το συνδυασμό της κατεργασίας προσθήκης υλικού (ΚΠΥ) και της κατεργασίας αφαίρεσης υλικού (ΚΑΥ) με τη χρήση μόνο μιας εργαλειομηχανής. Η εργαλειομηχανή είναι γνωστή ως «υβριδική εργαλειομηχανή προσθήκης και αφαίρεσης υλικού» (Hybrid Additive and Subtractive Machine) και αφορά μια ψηφιακή καθοδηγούμενη εργαλειομηχανή (Flynn, Shokrani, Newman, & Dhokia, 2016).

Πιο απλά, η υβριδική εργαλειομηχανή αφορά ένα συνδυασμό 3D εκτυπωτή και μιας CNC εργαλειομηχανής μέσα σε ένα ενιαίο κέντρο κατεργασιών. Ουσιαστικά οι υβριδικές εργαλειομηχανές ήρθαν να αντικαταστήσουν τις παλιές μηχανές, οι οποίες χαρακτηρίζονταν από περιπλοκότητα, ενώ απαιτούνταν εκατοντάδες εργατοώρες προκειμένου να κατασκευαστούν διάφορα εξαρτήματα. Εκτός από τις άπειρες ώρες, η ποιότητα του τελικού προϊόντος υπονομευόταν, ενώ το κόστος ήταν μεγάλο λόγω των επαναλαμβανόμενων σεταρισμάτων (Flynn, Shokrani, Newman, & Dhokia, 2016).

Οι κοινές κατεργασίες της υβριδικής μηχανής επιτρέπουν την καλύτερη διαχείριση των φάσεων κατεργασίας, αφού δεν είναι απαραίτητο να έχει περατωθεί εξολοκλήρου μια φάση προκειμένου να ξεκινήσει η επόμενη. Είθισται το φασεολόγιο στις υβριδικές κατεργασίες να προβλέπει την υλοποίηση μιας μόνο φάσης, ή ακόμη και μερικής φάσης προσθήκης υλικού (ώστε να δημιουργηθεί ένας βασικός όγκος «τεμαχίου»), η οποία ακολουθείται από μια φάση ή μερική φάση αφαίρεσης υλικού. Η όλη διαδικασία επαναλαμβάνεται έως ότου το τεμάχιο φτάσει στο τελικό προϊόν (Du, Bai, & Zhang, 2016).

Ταυτόχρονα, επιστημονική και βιομηχανική κοινότητα εστιάζουν σε μελέτες και πειράματα ώστε να εξελιχθούν ακόμη περισσότερο οι υβριδικές εργαλειομηχανές, στοχεύοντας στην κατασκευή μηχανών μαζικής βιομηχανικής παραγωγής χαμηλού κόστους και μεγάλων ταχυτήτων κατασκευής ποιοτικών προϊόντων. Το διάγραμμα 2 απεικονίζει τις πωλήσεις των υβριδικών εργαλειομηχανών από το 2015 έως το 2020, ενώ το διάγραμμα 3 απεικονίζει το στόχο πωλήσεων των κατασκευαστών από το 2021 έως το 2030.

 

 

 

*Ο κ. Αγαθοκλής Κριμπένης είναι επίκουρος καθηγητής του Γενικού Τμήματος του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών (ΕΚΠΑ), ενώ ο κ. Δημήτρης Μπάρκας είναι μηχανολόγος μηχανικός και υποψήφιος διδάκτορας του ΕΚΠΑ.

Ελέγξτε επίσης

Είδη αεροσυμπιεστών και εφαρμογές

Άρθρο του κ. Παντελεήμονα Τζουγανάκη* Από την αρχαιότητα, σε εφαρμογές όπως είναι η μεταλλουργία, ήταν …