Smart industry concept with blurred city abstract lights background

Η προσθετική παραγωγή στην 4η Βιομηχανική Επανάσταση

Η προσθετική κατασκευή κυριαρχεί στις μέρες μας λόγω των πολλών δυνατοτήτων που παρέχει και της ευελιξίας που προσφέρει σε βιομηχανικό επίπεδο, ενώ φυσικά αποτελεί αναπόσπαστο κομμάτι της 4ης Βιομηχανικής Επανάστασης που ξεκίνησε το 2011.

 

Των κ. Δ. Μπάρκα και Α. Κριμπένη*

 

Η ερευνητική τάση στην «προσθετική κατασκευή» ή  «τρισδιάστατη εκτύπωση» ή «ταχεία πρωτοτυπία» έχει ήδη ιστορία 30 χρόνων. Σύμφωνα με τον Mohsen, η 3η Βιομηχανική Επανάσταση ξεκίνησε το 1987 με την εμπορευματοποίηση της πρώτης στερεολιθογραφίας (SLA), τη μηχανή με το όνομα SLA-1 που αναπτύχθηκε από την 3D Systems. Μετά από αρκετές εμπορικές εκδόσεις μηχανών SLA το 1991, τρεις νέες τεχνολογίες βασισμένες στην ΑΜ εμπορευματοποιήθηκαν: η μοντελοποίηση συντηγμένης εναπόθεσης (FDM), η στερεά επεξεργασία εδάφους και η κατασκευή αντικειμένων με στρώματα (LOM).

Ακολούθησαν αρκετά χρόνια παρατεταμένης ανάπτυξης στην τεχνολογία της προσθετικής κατασκευής (Additive Manufacturing [ΑΜ]), από τη χρήση ρητίνης σε σκόνη μετάλλου και από μη λειτουργική χύτευση, εφαρμογές για την κατασκευή ιατρικών εμφυτευμάτων.

Προς το παρόν, το επίκεντρο είναι η εφαρμογή αυτής της τεχνολογίας στο περιβάλλον παραγωγής, λαμβάνοντας υπόψη τις επιπτώσεις στο κόστος των επιχειρήσεων / λειτουργιών, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της κατασκευής και του σχεδιασμού και τη βιώσιμη ανάπτυξη της τεχνολογίας που λαμβάνει υπόψη περιβαλλοντικές παραμέτρους, όπως είναι ο κύκλος ζωής του προϊόντος, η κυκλική οικονομία (CE) και η χρήση ανακυκλωμένων υλικών.

Λίγες μελέτες έχουν διερευνήσει την επιχειρηματική ευφυΐα (Business Intelligence [BI]) και τη βιώσιμη ανάπτυξη της τεχνολογίας της προσθετικής κατασκευής ξεχωριστά. Οι τεχνολογίες στην 4η Βιομηχανική Επανάσταση (Industry 4.0) διευκολύνουν τη λήψη αποφάσεων χρησιμοποιώντας δεδομένα σε πραγματικό χρόνο, αλλά δίνουν μεγαλύτερη σημασία στο πόσο αποτελεσματικά είναι τα δεδομένα που αφορούν περιβαλλοντικά βιώσιμες επιπτώσεις.

 

Η τεχνολογία Additive Manufacturing

Μεταξύ των διαφορετικών «έξυπνων» τεχνολογιών, η Additive Manufacturing, γνωστή και ως «τρισδιάστατη εκτύπωση», κυριαρχεί επί του παρόντος στο πλαίσιο της τεχνολογίας, λόγω του ισχυρού αντίκτυπού της στις επιχειρηματικές προοπτικές (Ford & Despeisse, 2015). Ο όρος «κατασκευή πρόσθετων υλών» παραπέμπει στη διαδικασία σύνδεσης φύλλων ανά στρώση, ξεκινώντας από ένα εικονικό μοντέλο. Οι διαδικασίες παραγωγής προσθέτων είναι ένα σύνολο πολύπλοκων και ποικίλων τεχνικών, οι οποίες είναι διαφορετικές για τον τύπο λειτουργίας και τα υλικά που χρησιμοποιούνται.

Οι διαδικασίες παραγωγής προσθέτων λαμβάνουν τις πληροφορίες από ένα αρχείο σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD) που μετατρέπει τις πληροφορίες σε αρχείο στερεολιθογραφίας (STL). Η Additive Manufacturing χρησιμοποιεί ψηφιακά δεδομένα σχεδιασμού για τη δημιουργία ενός αντικειμένου με την εναπόθεση υλικού στρώμα-στρώμα.

Για την εκτύπωση, ο τρισδιάστατος εκτυπωτής διαβάζει τα ψηφιακά δεδομένα για να σχηματίσει διαδοχικά στρώματα υλικού για τη δημιουργία του τμήματος. Με την πάροδο των ετών η εφαρμογή του επεκτάθηκε στην υλοποίηση «γρήγορων εργαλείων» και στη συνέχεια στη δημιουργία «ταχείας κατασκευής» που περιλαμβάνει διάφορους βιομηχανικούς τομείς.

Η χρήση τρισδιάστατων εκτυπωτών επιτρέπει στους πελάτες να παράγουν προϊόντα απευθείας από το σπίτι, και είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι η εξέλιξη της τεχνολογίας δεν οδήγησε στην εγκατάλειψη των περιοχών στις οποίες εφαρμόστηκε αρχικά (Rayna & Striukova, 2015).

Σήμερα, αυτές οι τεχνολογίες είναι γνωστές ως «τρισδιάστατη εκτύπωση» και η προέλευσή τους κάνει αναφορά στην ταχεία δημιουργία πρωτοτύπων: Η ένωση μεταξύ του σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD), της υποβοήθησης της κατασκευής μέσω υπολογιστή (CAM) και του αριθμητικού ελέγχου υπολογιστή (CNC), δίνει την ευκαιρία να πραγματοποιήσουμε τρισδιάστατη αντικείμενα (Noorani, 2006; Kruth, 1991).

Η παραγωγή 3D έχει αντιμετωπιστεί από διαφορετικές απόψεις: Ορισμένες μελέτες έδωσαν προσοχή στη μέθοδο μελέτης περίπτωσης (Mellor et al., 2013), άλλες μελέτες αναλύουν τις οικονομικές συνέπειες της πρόσθετης παραγωγής (Weller et al., 2015), ενώ άλλοι συγγραφείς έδωσαν προσοχή στις μελλοντικές συνέπειες αυτής της τεχνολογίας (Schniederjans, 2017). Το σύνολο των νέων χαρακτηριστικών του Additive Manufacturing οδηγεί στον επαναπροσδιορισμό προϊόντων, υπηρεσιών και επιχειρηματικών μοντέλων, καθιστώντας την τεχνολογία «ενοχλητική» (Kietzmann et al., 2014).

Η επιλογή της χρήσης της προσθετικής βιομηχανίας στις επιχειρήσεις έχει στρατηγική αξία, και υπάρχει ανάγκη για λεπτομερή ανάλυση ως προς την αντιστάθμιση (Mellor, 2014), λαμβάνοντας υπόψη τα όρια και τις ευκαιρίες που προσφέρει αυτό το είδος τεχνολογίας.

Τα οφέλη που σχετίζονται με την υιοθέτηση της τρισδιάστατης παραγωγής είναι πολλά. Πρώτα απ’ όλα, είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί μεγάλος αριθμός υλικών για την πραγματοποίηση αντικειμένων (Columbus, 2015). Συνεπώς, ο αυξανόμενος αριθμός διαθέσιμων υλικών έχει οδηγήσει σε μεγάλο αριθμό μεταποιητικών βιομηχανιών (Bourell et al., 2009; Campbell et al., 2012; Gardan, 2015; Starr, 2015), ιδίως στον αεροδιαστημικό τομέα, στην αυτοκινητοβιομηχανία, στις κατασκευές και στις βιομηχανίες υγειονομικής περίθαλψης.

Η τρισδιάστατη παραγωγή διαφέρει από την παραδοσιακή: Πρώτα απ’ όλα, τα μέρη και τα εξαρτήματα παράγονται σε σύντομο χρονικό διάστημα, έτσι ώστε ο χρόνος στην αγορά να μειωθεί πραγματικά, ενώ επιτυγχάνεται και εξοικονόμηση υλικών (Petrovic et. al., 2011).

Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές είναι γρήγοροι, αξιόπιστοι και εύχρηστοι. Με έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή είναι δυνατή με μία μόνο διαδικασία η δημιουργία αντικειμένων που αποτελούνται από διαφορετικά υλικά και από διαφορετικές φυσικές και μηχανικές ιδιότητες. Η ψηφιακή επανάσταση, επομένως, δεν περιορίζεται πλέον στους υπολογιστές και στις σχετικές συσκευές. Σήμερα η παραγωγή έχει γίνει επίσης ψηφιακή, έτσι ώστε να υπάρξει μια βιομηχανική επανάσταση που αναπτύσσει ένα νέο μοντέλο παραγωγής.

 

 

Η 4η Βιομηχανική Επανάσταση (Industry 4.0)

Τα τελευταία χρόνια, η 4η Βιομηχανική Επανάσταση έχει επιφέρει σημαντική πρόοδο στις διαδικασίες παραγωγής, στη διαχείριση δεδομένων, στην κυβερνοασφάλεια και στην ανταγωνιστικότητα με βάση την προσαρμογή και τη σχέση πελάτη (βλ. εικόνα 2). Παρουσιάστηκε στη Γερμανία ως Industrie 4.0 το 2011 ως πρόταση ανάπτυξης της γερμανικής οικονομίας και χαρακτηρίζεται από αλληλεπιδράσεις και επικοινωνία μεταξύ του βιομηχανικού εξοπλισμού και των συστημάτων διαχείρισης λειτουργιών σε πραγματικό χρόνο για λήψη αποφάσεων. Επίσης συνδυάζει Internet of Things, τεχνητή νοημοσύνη, ρομποτική, κυβερνοασφάλεια και τρισδιάστατη εκτύπωση (βλ. εικόνα 3).

Μέσω του Industry 4.0. οι εταιρείες μπορούν να χρησιμοποιούν αυτόνομα συστήματα κατασκευής, να λαμβάνουν αποκεντρωμένες αποφάσεις και να διευκολύνουν την διασυνδεσιμότητα μεταξύ εργαζομένων, μηχανημάτων, παραγγελιών, προμηθευτών και πελατών. Η τεχνολογία του Industry 4.0 επιτρέπει στους οργανισμούς να δημιουργούν προϊόντα που ικανοποιούν τις ανάγκες των πελατών, ενώ διευκολύνεται ο έλεγχος παραμέτρων παραγωγής όπως είναι η κατανάλωση ενέργειας, η ροή υλικών και η παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο.

Πρόσφατη έρευνα κατέδειξε το Industry 4.0 ως ενεργοποιητή των πρόσφατων τάσεων που αφορούν την καινοτομία στις επιχειρήσεις, τη μεταποίηση, τα νέα επιχειρηματικά μοντέλα, την αλυσίδα εφοδιασμού και τη διαμόρφωση μοντέλου κόστους. Η επιδίωξη αυξημένης ανταγωνιστικότητας ωθεί την έρευνα στην ενεργειακή απόδοση, στην ανακατανομή των πόρων και στον έξυπνο εξοπλισμό, στοιχεία που αποτελούν βασικά χαρακτηριστικά του Industry 4.0.

Η ανάπτυξη της 4ης Βιομηχανικής Επανάστασης σχετίζεται με την κατασκευή έξυπνων εργοστασίων και προϊόντων, κυβερνοφυσικών συστημάτων και έξυπνων πόλεων, καθώς και με την ψηφιακή βιωσιμότητα.

 

Συμπεράσματα

Η 4η Βιομηχανική Επανάσταση είναι ένα μεγάλο και συνεχώς εξελισσόμενο φαινόμενο. Η τεχνολογία προσθετικών κατασκευών είναι η πιο αντιπροσωπευτική των νέων συνθηκών, και φαίνεται να είναι ο πιο άμεσος τρόπος ώθησης προς αλλαγή στη μεταποίηση. Η ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας είναι σημαντική για τις εταιρείες, γιατί παρουσιάζει πολλά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνικές παραγωγής.

Επιπλέον, η προσθετική κατασκευή παρέχει πλεονεκτήματα σε πολλούς τομείς:  στην αεροδιαστημική βιομηχανία με τη δυνατότητα κατασκευής ελαφρύτερων κατασκευών, στην αυτοκινητοβιομηχανία για την αναπαραγωγή μεμονωμένων μικρών εξαρτημάτων, στην υγειονομική περίθαλψη για την κατασκευή ακριβούς μοντέλου οστού ή εμφυτεύματος πριν από χειρουργική επέμβαση.

Εν κατακλείδι, η υιοθέτηση αυτών των τεχνολογιών θα αποφέρει σημαντικά οφέλη για την εταιρική παραγωγή. Η υλοποίηση μοντέλων κοινής χρήσης αντιπροσωπεύει ένα σημαντικό κίνητρο για την αγορά τρισδιάστατων εκτυπωτών, επειδή επιτρέπει την υπέρβαση των δυσκολιών σχεδιασμού και του σχεδιασμού CAD.

Σε γενικές γραμμές, υπάρχουν ορισμένα κρίσιμα ζητήματα που σχετίζονται με την τεχνολογία και που πρέπει να επιλυθούν, αλλά δεν αποτελούν εμπόδιο στην ανάπτυξη της 3D εκτύπωσης.

 

*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

Η ανάγκη για νέα τεχνική ειδικότητα στη ναυτιλία

Ο ελληνόκτητος στόλος, μακράν ο μεγαλύτερος και ποιοτικότερος στόλος παγκοσμίως, συνεχίζει να προελαύνει στα διεθνή …