Η μετάβαση στις υβριδικές κατεργασίες προσθήκης και αφαίρεσης υλικού (Μέρος β΄)

Σκοπός των υβριδικών εργαλειομηχανών είναι η χρήση ενός και μόνο μηχανήματος (done in one) τόσο για τις κατεργασίες αφαίρεσης υλικού όσο και για τις κατεργασίες προσθήκης υλικού.

 

 

ΤΩΝ κ. ΔΗΜΗΤΡΗ ΜΠΑΡΚΑ ΚΑΙ ΑΓΑΘΟΚΛΗ ΚΡΙΜΠΕΝΗ*

 

Οι υβριδικές εργαλειομηχανές γεφυρώνουν τα κενά που υπάρχουν στις κατεργασίες αφαίρεσης και στις κατεργασίες προσθήκης υλικού, συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα και ελαχιστοποιώντας τα μειονεκτήματα των ξεχωριστών κατεργασιών, όπως θα φανεί αμέσως παρακάτω.

 

Πλεονεκτήματα υβριδικών κατεργασιών

  • Οι κατεργασίες προσθήκης υλικού έχουν τη δυνατότητα να προσθέτουν υλικό όπου απαιτείται (σε υφιστάμενο εξάρτημα). Ως εκ τούτου, θεωρούνται κατάλληλες για την κατασκευή γεωμετρικά περίπλοκων εξαρτημάτων τα οποία δεν μπορούννα κατασκευαστούν με παραδοσιακές τεχνολογίες.
  • Οι κατεργασίες προσθήκης υλικού έχουν τη δυνατότητα να επιδιορθώνουν αστοχίες σε ένα προϊόν και μόνο όπου απαιτείται, με συνέπεια τη μείωση του κόστους. Ωστόσο, επειδή πάντα υπάρχει η πιθανότητα το υλικό που απαιτείται να είναι παραπάνω από όσο επιτρέπεται, οι κατεργασίες αφαίρεσης υλικού διορθώνουν την αστοχία αυτή. Ως εκ τούτου, το τελικό προϊόν διαμορφώνεται σε ένα μόνο μηχάνημα, αντί για δύο που απαιτούνταν με τις παραδοσιακές μεθόδους.
  • Προτού υποβληθεί σε επεξεργασία ένα υλικό, θα πρέπει να σεταριστεί η εργαλειομηχανή στις ανάγκες που υπάρχουν. Έτσι λοιπόν, στις υβριδικές μηχανές απαιτείται μια φορά σετάρισμα τόσο για την προσθήκη όσο και για την αφαίρεση υλικού, ενώ με τις παραδοσιακές μεθόδους κατεργασίες απαιτούνταν διπλό σετάρισμα για δύο μηχανήματα.
  • Οι υβριδικές εργαλειομηχανές απαιτούν λιγότερα τετραγωνικά μέτρα χώρου σε σχέση με άλλες εργαλειομηχανές.
  • Τα προϊόντα που παράγονται από υβριδικές μηχανές βασίζονται σε ένα σχέδιο το οποίο έχει δημιουργηθεί μέσω λογισμικού CAD. Ως εκ τούτου, μπορεί να σχεδιαστεί ένα οποιασδήποτε γεωμετρικής μορφής ή δομής εξάρτημα, σύμφωνα με τις απαιτήσεις τις αγοράς.
  • Οι υβριδικές εργαλειομηχανές, μέσω των κατεργασιών αφαίρεσης και προσθήκης υλικού μπορούν να παράγουν μια σειρά από εξαρτήματα ταυτόχρονα και όχι μεμονωμένα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα συντομότερο χρόνο παραγωγής και ταυτόχρονα υψηλή ποιότητα των εξαρτημάτων.
  • Δεν απαιτείται εξειδικευμένο προσωπικό για το χειρισμό της εργαλειομηχανής, αφού η χρήση της είναι απλή. Και αυτό διότι η ενσωμάτωση των δύο διαδικασιών σε ένα μηχάνημα απλοποιεί το χειρισμό της μηχανής, ενώ ο χειριστής ασχολείται με ένα μόνο σταθμό εργασίας.
  • Οι υβριδικές εργαλειομηχανές θα μπορούν να είναι σχετικά ανεξάρτητες στο εγγύς μέλλον, χάρη στην εξέλιξη του Industry 4.0 (δηλ. της τέταρτης βιομηχανικής επανάστασης κατά την οποία η βιομηχανία αυτοματοποιείται χρησιμοποιώντας την «έξυπνη» τεχνολογία). Εργαλειομηχανές συνδεδεμένες στο διαδίκτυο θα αυτοματοποιούν τις διαδικασίες, οι οποίες θα ελέγχονται σε πραγματικό χρόνο μέσω διαδικτυακής πλατφόρμας, ενώ σε περίπτωση βλαβών δεν θα απαιτείται η ανθρώπινη παρέμβαση. Ουσιαστικά οι υβριδικές εργαλειομηχανές θα είναι συνδεδεμένες στο διαδίκτυο και θα είναι δυνατό να ελέγχονται σχολαστικά και σε πραγματικό χρόνο μέσω της «έξυπνης τεχνολογίας».

 

Μειονεκτήματα υβριδικών κατεργασιών

  • Το κόστος κατασκευής υβριδικών εργαλειομηχανών είναι αρκετά υψηλό, λόγω της πολυπλοκότητάς τους. Αυξάνεται επίσης λόγω της έρευνας που απαιτείται προκειμένου να βελτιωθεί η κατασκευή αφού αποτελεί μια νέα ουσιαστικά τεχνολογία.
  • Τα υπολείμματα των υγρών κοπής από την κατεργασία προσθήκης υλικού έχουν αρνητικές επιπτώσεις στην επόμενη φάση: Αναμειγνύονται με σωματίδια σκόνης και δημιουργείται υγρασία η οποία επηρεάζει την απορροφητικότητα της δέσμης λέιζερ της εργαλειομηχανής, καθώς και του υλικού πλήρωσης. Είναι προφανές πως η εργαλειομηχανή πρέπει να καθαρίζεται ανά τακτά χρονικά διαστήματα, προκειμένου να αποφευχθούν αυτές οι συνέπειες.
  • Η όλη διαδικασία κατασκευής εξαρτημάτων και προϊόντων μέσω υβριδικών εργαλειομηχανών είναι σχετικά αργή. Συνεπώς, η συγκεκριμένη τεχνολογία δεν είναι ακόμη έτοιμη να ανταποκριθεί σε μαζικές παραγωγές ίδιων προϊόντων.
  • Υπάρχουν προβλήματα τριβής εντός του συστήματος καθοδήγησης της εργαλειομηχανής. Οι υβριδικές εργαλειομηχανές απαιτούν ειδική προστασία στο σύστημα καθοδήγησης, προκειμένου αυτό να διατηρείται καθαρό από τη σκόνη που δημιουργείται κατά την κατεργασία προσθήκης υλικού.
  • Γεωμετρική αβεβαιότητα κατά τη διαδικασία της κατεργασίας προσθήκης υλικού. Οι υβριδικές μηχανές αφορούν μια νέα τεχνολογία και συνεπώς υπάρχει έλλειψη γνώσης στον συγκεκριμένο τομέα. Η αβεβαιότητα αυτή θεωρείται μια από τις πιο μεγάλες αδυναμίες της υβριδικής εργαλειομηχανής. Παρά το γεγονός ότι η κατεργασία προσθήκης υλικού δύναται να κατασκευάσει πολύπλοκα γεωμετρικά εξαρτήματα, είναι αδύνατο να ελεγχθούν ορθά λόγω έλλειψης γνώσης.
  • Μετά την επεξεργασία των υλικών απαιτείται θερμική επεξεργασία. Κατά την κατεργασία προσθήκης υλικού το υλικό υποβάλλεται σε κύκλους θέρμανσης και ψύξης, με αποτέλεσμα να δημιουργούνται απομένουσες τάσεις και να επηρεάζεται αρνητικά η απαιτούμενη γεωμετρία του υλικού.
  • Η εκπαίδευση των χειριστών είναι περίπλοκη, παρά το γεγονός ότι θεωρείται εύκολος ο χειρισμός του μηχανήματος. Οι χειριστές θα πρέπει να έχουν μια ευρύτερη γνώση και ένα γνωστικό υπόβαθρο τόσο για τις κατεργασίες προσθήκης όσο και για τις κατεργασίες αφαίρεσης υλικού. Συνεπώς απαιτείται περισσότερος χρόνος για να εκπαιδευτούν οι χειριστές. Εκτός από την εκπαίδευση για το χειρισμό της εργαλειομηχανής, οι χειριστές εκπαιδεύονται και σε θέματα ασφαλείας όσον αφορά τη χρήση του λέιζερ της μηχανής.
  • Απαιτείται μεγάλη προσοχή στο χειρισμό της εργαλειομηχανής και ιδιαίτερα μετά το πέρας των εργασιών, καθώς θα πρέπει να ανακυκλώνονται τα λιπαντικά υγρά, τα υγρά κοπής και γενικά οτιδήποτε δεν είναι πλέον χρήσιμο. Τα υγρά είναι εξαιρετικά επικίνδυνα για την ανθρώπινη υγεία, ενώ τα υπολείμματα σκόνης έχουν υψηλή περιεκτικότητα σε νικέλιο και κοβάλτιο, που είναι καρικογόνες ουσίες.
  • Η υβριδική εργαλειομηχανή θα πρέπει να ελέγχεται συνεχώς ώστε να διαπιστώνεται ότι λειτουργεί φυσιολογικά, ενώ θα πρέπει να ασκείται τακτικός έλεγχος και στη δέσμη λέιζερ προκειμένου να διατηρείται η έντασή της. Σημειωτέον ότι η δέσμη λέιζερ υποβάλλεται σε συνεχή χρήση και μπορεί να υποστεί τήξη.
  • Καθώς συνδυάζονται οι κατεργασίες αφαίρεσης υλικού και οι κατεργασίες προσθήκης υλικού, μπορεί ενίοτε να επηρεάσει η μία τις ιδιότητες της άλλης. Για παράδειγμα, έπειτα από την κοπή ενός υλικού, τα υγρά κοπής θα πρέπει να αφαιρούνται άμεσα, διότι υπάρχει κίνδυνος έκρηξης λόγω των υψηλών θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στο μηχάνημα. Εάν, επίσης, δεν αφαιρεθούν τα υπολείμματα της σκόνης από την κοπή, υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να εκδηλωθεί και φωτιά.

 

Παρακάτω παρουσιάζονται συνοπτικά τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα από τη συνεργασία της τρισδιάστατης εκτύπωσης και των εργαλειομηχανών CNC, ώστε να διαφανούν τα συνολικά πλεονεκτήματα των δύο αυτών εργαλειομηχανών.

 

Εργαλειομηχανές CNC

α) Πλεονεκτήματα

  • Υπάρχει δυνατότητα επαναληψιμότητας, ενώ μπορούν να λειτουργούν επί 24 ώρες την ημέρα και επί 7 ημέρες την εβδομάδα
  • Δεν απαιτείται εξειδικευμένο προσωπικό, ενώ η εκπαίδευση του προσωπικού είναι απλή.
  • Υπάρχει μεγάλη ευελιξία, καθώς η εργαλειομηχανή μπορεί να επαναπρογραμματιστεί προκειμένου να κατασκευάσει ένα εντελώς διαφορετικό προϊόν.
  • Εξαρτήματα με ακρίβεια και φινίρισμα.
  • Μεγάλες παραγωγές εξαρτημάτων / προϊόντων.

 

β) Μειονεκτήματα

  • Το κόστος για την κατασκευή της εργαλειομηχανής είναι μεγάλο, αλλά τείνει να μειώνεται.
  • Η εξέλιξη της τεχνολογίας και του αυτοματισμού τείνει να μειώνει την ανθρώπινη παρέμβαση, με αποτέλεσμα να καταργούνται θέσεις εργασίας.

 

Εργαλειομηχανές αφαίρεσης & προσθήκης υλικού

α) Πλεονεκτήματα

  • Μειωμένη ποσότητα απόβλητων υλικών.
  • Ελεύθερες γεωμετρίες & πολύπλοκα σχήματα.
  • Επιλογές υλικών.

β) Μειονεκτήματα

  • Απαιτείται αρκετός χρόνος προκειμένου να κατασκευαστεί ένα προϊόν, λόγω των δύο διαδικασιών προσθήκης και αφαίρεσης υλικού
  • Το φινίρισμα ενός εξαρτήματος δεν είναι ακριβές.
  • Απαιτείται αρκετός χρόνος για επαναπρογραμματισμό σε περίπτωση διαφορετικού προϊόντος.
  • Μικρή παραγωγή προϊόντων λόγω έλλειψης γνώσης.

 

 

Προκλήσεις υβριδικών εργαλειομηχανών

Οι υβριδικές εργαλειομηχανές, όπως προαναφέρθηκε, συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των κατεργασιών αφαίρεσης υλικού και των κατεργασιών προσθήκης υλικού και ταυτόχρονα γεφυρώνουν τα όποια κενά υπάρξουν μεταξύ των δύο διαδικασιών. Έτσι η υβριδική κατασκευή έχει καταφέρει να εκμεταλλευτεί τα καλύτερα χαρακτηριστικά. Ωστόσο, οι υβριδικές εργαλειομηχανές αντιμετωπίζουν προκλήσεις που είναι οι εξής:

  • Έχουν μεγάλο κόστος κατασκευής, με αποτέλεσμα πολλές βιομηχανίες δεν μπορούν να επενδύσουν σε ένα τόσο μεγάλο κόστος.
  • Δεν μπορούν να ανταποκριθούν ακόμη σε μαζικές παραγωγές προϊόντων. Ο συνδυασμός των δύο διαδικασιών μπορεί να γεφυρώνει τα μειονεκτήματα, αλλά η συνολική κατεργασία (ΚΠΥ και ΚΑΥ) γίνεται πιο αργή.
  • Οι κύκλοι θέρμανσης και ψύξης που λαμβάνουν μέρος κατά τις κατεργασίες προσθήκης και αφαίρεσης υλικού επηρεάζουν τις ιδιότητες του παραγόμενου προϊόντος / εξαρτήματος. Έτσι, θα πρέπει να βρεθούν τρόποι ώστε οι κύκλοι να μην επηρεάζουν τις ιδιότητες.
  • Απαιτείται ανάπτυξη βέλτιστων πρακτικών ώστε να συλλέγεται το περίσσιο υλικό και τα απόβλητα (υπολείμματα υγρών, σκόνες κλπ.), με σκοπό την ανακύκλωση και επαναχρησιμοποίησή τους.
  • Εκ των προτέρων υπολογισμός τελικών διαστάσεων των παραγόμενων εξαρτημάτων, καθώς κατά τη διάρκεια παραγωγής κάποιου εξαρτήματος και κατά την κατεργασία προσθήκης υλικού, προστίθενται νέα διαδοχικά στρώματα υλικού. Οι στρώσεις δύναται να υπερθερμάνουν τον όλο όγκο και να προκαλέσουν παραμόρφωση στο τελικό προϊόν.

 

Συμπεράσματα

Είναι αδιαμφισβήτητο πως οι υβριδικές εργαλειομηχανές και γενικά οι υβριδικές κατεργασίες προσθήκης και αφαίρεσης υλικού έχουν αλλάξει τη φιλοσοφία των βιομηχανιών, καθώς και τον τρόπο παρασκευής διαφόρων εξαρτημάτων και προϊόντων. Η δυνατότητα να προστίθεται και να αφαιρείται υλικό με τη χρήση μίας μόνο μηχανής προσδίδει πολλά πλεονεκτήματα και μπορεί να περιορίσει το κόστος για τις βιομηχανίες.

Η πολύπλευρη φύση της υβριδικής εργαλειομηχανής (3D εκτυπωτής, κοπτική μηχανή ή υβριδική) την καθιστά πρωτοπόρο στο χώρο της βιομηχανίας. Το κλειδί της επιτυχίας για την υβριδική κατεργασία είναι η βελτιστοποίηση της διαδικασίας κατασκευής για την παροχή ευελιξίας, διατηρώντας παράλληλα τα αυστηρά πρότυπα για τα εξαρτήματα που παράγονται.

Ο τρόπος αντίληψης παραγωγής εξαρτημάτων και προϊόντων έχει αλλάξει ριζικά. Ο συνδυασμός των δύο αυτών κατεργασιών σε μία μόνο μηχανή μειώνει τις πιθανότητες λάθους, ενώ η ακρίβεια των εξαρτημάτων είναι βασικό χαρακτηριστικό της μηχανής.

Έτσι, οι υβριδικές εργαλειομηχανές είναι σε θέση να παράγουν πρωτότυπα εξαρτήματα, να επισκευάζουν, καθώς και να παράγουν ακόμη και τις πιο περίπλοκες γεωμετρικές απαιτήσεις. Παρασκευάζουν εξαρτήματα και προϊόντα σύμφωνα με τις ανάγκες της αγοράς και των καταναλωτών, μειώνοντας ταυτόχρονα το κόστος και το χρόνο παραγωγής. Παράλληλα, έχουν την ευελιξία παράγουν πολύπλοκα προϊόντα αλλά και να προσθέτουν υλικό σε υφιστάμενες κατασκευές, όταν αυτό απαιτείται.

Παρά τα όποια πλεονεκτήματα των υβριδικών εργαλειομηχανών, η ενσωμάτωση των κατεργασιών προσθήκης υλικού και των κατεργασιών αφαίρεσης υλικού σε ένα μόνο μηχάνημα είναι σίγουρα από μόνο του μια πρόκληση. Οι υβριδικές μηχανές επιτυγχάνουν αποτελεσματική χρήση των διαθέσιμων πόρων, του χρόνου και των κεφαλαίων, και σε τεχνικό επίπεδο έχουν ακόμη πολλά περιθώρια βελτίωσης.

Ωστόσο, επειδή πρόκειται για μια σχετικά νέα τεχνολογία, δεν έχει γίνει ακόμα αρκετή έρευνα. Και θα απαιτηθεί περαιτέρω έρευνα σε επιστημονικό επίπεδο προκειμένου οι υβριδικές εργαλειομηχανές να ενσωματωθούν με το Industry 4.0, ώστε να μετατραπούν σε έξυπνες συσκευές και να προσφέρουν τα αντίστοιχα πλεονεκτήματα εξασφαλίζει το διαδίκτυο.

 

*Ο κ. Δημήτρης Μπάρκας είναι μηχανολόγος μηχανικός, εργάζεται στον ιδιωτικό τομέα ως προϊστάμενος παραγωγής εταιρείας μεταλλικών προϊόντων και είναι υποψήφιος διδάκτορας του γενικού τμήματος του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών (ΕΚΠΑ).

* Ο κ. Α. Κριμπένης είναι δρ. μηχανολόγος μηχανικός, επίκουρος καθηγητής Προγραμματισμού και αυτοματισμού Εργαλειομηχανών CNC του γενικού τμήματος του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών (ΕΚΠΑ).

Ελέγξτε επίσης

Αναγκαία η επίτευξη χαλυβοπαραγωγής χαμηλού ανθρακικού αποτυπώματος

Τα τελευταία χρόνια η χαλυβοπαραγωγή βρίσκεται σε ανοδική πορεία παγκοσμίως, αλλά το ενεργειακό αποτύπωμά της …