ก้าวไปข้างหน้าในรูปแบบ 3 มิติ: ก้าวข้ามความท้าทายในการพิมพ์โลหะ 3 มิติ

เซอร์โวมอเตอร์และหุ่นยนต์กำลังเปลี่ยนแปลงการใช้งานแบบเติมแต่ง เรียนรู้เคล็ดลับและการใช้งานล่าสุดเมื่อใช้ระบบอัตโนมัติของหุ่นยนต์และการควบคุมการเคลื่อนไหวขั้นสูงสำหรับการผลิตแบบบวกและลบ รวมถึงสิ่งที่ต้องเผชิญถัดไป: ลองนึกถึงวิธีการบวก/ลบแบบผสมผสาน

ระบบอัตโนมัติที่ล้ำหน้า

โดย ซาราห์ เมลลิช และโรสแมรี เบิร์นส์

การใช้อุปกรณ์แปลงพลังงาน เทคโนโลยีควบคุมการเคลื่อนไหว หุ่นยนต์ที่มีความยืดหยุ่นสูง และการผสมผสานเทคโนโลยีขั้นสูงอื่นๆ เป็นปัจจัยผลักดันให้กระบวนการแปรรูปใหม่ๆ เติบโตอย่างรวดเร็วทั่วทั้งภูมิทัศน์อุตสาหกรรม การปฏิวัติวิธีการผลิตต้นแบบ ชิ้นส่วน และผลิตภัณฑ์ การผลิตแบบเติมเนื้อและแบบหักล้างเป็นสองตัวอย่างสำคัญที่ให้ผู้ผลิตด้านการผลิตมีประสิทธิภาพและประหยัดต้นทุนที่ต้องการรักษาความสามารถในการแข่งขัน

การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ (AM) เรียกว่าการพิมพ์ 3 มิติเป็นวิธีการที่ไม่คุ้นเคยซึ่งมักจะใช้ข้อมูลการออกแบบดิจิทัลเพื่อสร้างวัตถุสามมิติที่มั่นคงโดยการหลอมรวมวัสดุทีละชั้นจากล่างขึ้นบน มักจะสร้างชิ้นส่วนที่มีรูปร่างใกล้เคียงตาข่าย (NNS) โดยไม่มีขยะ การใช้ AM สำหรับการออกแบบผลิตภัณฑ์ทั้งขั้นพื้นฐานและที่ซับซ้อนยังคงแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ยานยนต์ การบินและอวกาศ พลังงาน การแพทย์ การขนส่ง และสินค้าอุปโภคบริโภค ในทางตรงกันข้าม กระบวนการลบเกี่ยวข้องกับการนำส่วนต่างๆ ออกจากบล็อกวัสดุโดยการตัดหรือเครื่องจักรที่มีความแม่นยำสูงเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ 3 มิติ

แม้จะมีความแตกต่างที่สำคัญ แต่กระบวนการบวกและการลบไม่ได้แยกจากกันเสมอไป เนื่องจากสามารถใช้เพื่อส่งเสริมขั้นตอนต่างๆ ของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ แบบจำลองแนวคิดหรือต้นแบบในยุคแรกๆ มักถูกสร้างขึ้นโดยกระบวนการเติมแต่ง เมื่อผลิตภัณฑ์นั้นได้รับการสรุปผลแล้ว อาจจำเป็นต้องใช้ชุดการผลิตที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งเป็นการเปิดประตูสู่การผลิตแบบหักลบ เมื่อเร็วๆ นี้ เมื่อเวลาเป็นสิ่งสำคัญ จะมีการใช้วิธีการบวก/ลบแบบผสมผสานกับสิ่งต่างๆ เช่น การซ่อมแซมชิ้นส่วนที่เสียหาย/สึกหรอ หรือสร้างชิ้นส่วนที่มีคุณภาพโดยมีระยะเวลารอคอยน้อยลง

ส่งต่ออัตโนมัติ

เพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของลูกค้า ผู้ผลิตจึงผสานรวมวัสดุลวดหลายประเภท เช่น สแตนเลส นิกเกิล โคบอลต์ โครเมียม ไทเทเนียม อลูมิเนียม และโลหะที่แตกต่างกันอื่นๆ เข้ากับการก่อสร้างชิ้นส่วน โดยเริ่มจากซับสเตรตที่อ่อนนุ่มแต่แข็งแรง และปิดท้ายด้วยวัสดุที่สึกหรอแข็ง -ส่วนประกอบที่ทนทาน ส่วนหนึ่งเผยให้เห็นถึงความจำเป็นสำหรับโซลูชันประสิทธิภาพสูงเพื่อผลผลิตและคุณภาพที่มากขึ้นในสภาพแวดล้อมการผลิตทั้งแบบเพิ่มเนื้อและแบบลบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการต่างๆ เช่น การผลิตแบบเพิ่มเนื้อด้วยอาร์กลวด (WAAM) การลบแบบ WAAM การลบการหุ้มด้วยเลเซอร์ หรือการตกแต่ง ไฮไลท์ได้แก่:

• เทคโนโลยีเซอร์โวขั้นสูง:เพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านเวลาในการนำออกสู่ตลาดและข้อกำหนดการออกแบบของลูกค้าได้ดีขึ้น โดยคำนึงถึงความแม่นยำของมิติและคุณภาพการตกแต่ง ผู้ใช้ปลายทางจึงหันมาใช้เครื่องพิมพ์ 3D ขั้นสูงที่มีระบบเซอร์โว (บนสเต็ปเปอร์มอเตอร์) เพื่อการควบคุมการเคลื่อนไหวที่เหมาะสมที่สุด ประโยชน์ของเซอร์โวมอเตอร์ เช่น Sigma-7 ของ Yaskawa สามารถเปลี่ยนกระบวนการเติมแต่งได้ ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถเอาชนะปัญหาทั่วไปผ่านความสามารถในการเพิ่มเครื่องพิมพ์:
  • ระบบลดแรงสั่นสะเทือน: เซอร์โวมอเตอร์ที่แข็งแกร่งมีตัวกรองลดแรงสั่นสะเทือน เช่นเดียวกับตัวกรองเสียงสะท้อนและรอยบาก ทำให้ได้การเคลื่อนไหวที่ราบรื่นอย่างยิ่ง ซึ่งสามารถกำจัดเส้นขั้นบันไดที่ไม่น่าดูซึ่งเกิดจากการกระเพื่อมของแรงบิดของสเต็ปเปอร์มอเตอร์
  • การปรับปรุงความเร็ว: ความเร็วในการพิมพ์ 350 มม./วินาทีกลายเป็นจริงแล้ว ซึ่งมากกว่าความเร็วการพิมพ์เฉลี่ยของเครื่องพิมพ์ 3D ที่ใช้สเต็ปเปอร์มอเตอร์ถึงสองเท่า ในทำนองเดียวกัน ความเร็วในการเดินทางสูงสุด 1,500 มม./วินาทีสามารถทำได้โดยใช้แบบหมุน หรือสูงสุด 5 เมตร/วินาทีโดยใช้เทคโนโลยีเซอร์โวเชิงเส้น ความสามารถในการเร่งความเร็วที่รวดเร็วอย่างยิ่งที่ได้รับจากเซอร์โวประสิทธิภาพสูงช่วยให้หัวพิมพ์ 3D สามารถย้ายไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมได้รวดเร็วยิ่งขึ้น ซึ่งช่วยบรรเทาความจำเป็นในการทำให้ทั้งระบบช้าลงเพื่อให้ได้คุณภาพผิวสำเร็จตามที่ต้องการ ต่อมา การอัปเกรดการควบคุมการเคลื่อนไหวนี้ยังทำให้ผู้ใช้สามารถผลิตชิ้นส่วนต่อชั่วโมงได้มากขึ้นโดยไม่ทำให้คุณภาพลดลง
  • การปรับแต่งอัตโนมัติ: ระบบเซอร์โวสามารถทำการปรับแต่งแบบกำหนดเองได้อย่างอิสระ ซึ่งทำให้สามารถปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงกลไกของเครื่องพิมพ์หรือความแปรปรวนในกระบวนการพิมพ์ได้ สเต็ปเปอร์มอเตอร์ 3 มิติไม่ใช้การตอบสนองตำแหน่ง ทำให้แทบเป็นไปไม่ได้เลยที่จะชดเชยการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการหรือความคลาดเคลื่อนในกลไก
  • การตอบสนองของตัวเข้ารหัส: ระบบเซอร์โวที่แข็งแกร่งซึ่งให้การตอบสนองของตัวเข้ารหัสแบบสัมบูรณ์จำเป็นต้องดำเนินการรูทีนการกลับบ้านเพียงครั้งเดียว ส่งผลให้มีเวลาทำงานมากขึ้นและประหยัดต้นทุน เครื่องพิมพ์ 3D ที่ใช้เทคโนโลยีสเต็ปเปอร์มอเตอร์ขาดคุณสมบัตินี้ และจำเป็นต้องนำกลับบ้านทุกครั้งที่เปิดเครื่อง
  • การตรวจจับผลป้อนกลับ: เครื่องอัดรีดของเครื่องพิมพ์ 3D มักจะเป็นจุดคอขวดในกระบวนการพิมพ์ และสเต็ปเปอร์มอเตอร์ไม่มีความสามารถในการตรวจจับผลป้อนกลับเพื่อตรวจจับการติดของเครื่องอัดรีด — การขาดดุลที่อาจทำให้งานพิมพ์ทั้งหมดเสียหายได้ ด้วยเหตุนี้ ระบบเซอร์โวจึงสามารถตรวจจับการสำรองข้อมูลของเครื่องอัดรีดและป้องกันการลอกเส้นใยได้ กุญแจสำคัญสู่ประสิทธิภาพการพิมพ์ที่เหนือกว่าคือการมีระบบวงปิดที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ตัวเข้ารหัสแบบออปติคัลความละเอียดสูง เซอร์โวมอเตอร์ที่มีตัวเข้ารหัสความละเอียดสูงสัมบูรณ์ 24 บิตสามารถให้ความละเอียดป้อนกลับแบบวงปิด 16,777,216 บิต เพื่อให้แกนและเครื่องอัดรีดมีความแม่นยำมากขึ้น รวมถึงการซิงโครไนซ์และการป้องกันการติดขัด
• หุ่นยนต์ประสิทธิภาพสูง:เช่นเดียวกับเซอร์โวมอเตอร์ที่แข็งแกร่งกำลังเปลี่ยนแปลงการใช้งานแบบเติมแต่ง หุ่นยนต์ก็เช่นกัน ประสิทธิภาพเส้นทางที่ยอดเยี่ยม โครงสร้างทางกลที่แข็งแกร่ง และระดับการป้องกันฝุ่น (IP) สูง — รวมกับการควบคุมการป้องกันการสั่นสะเทือนขั้นสูงและความสามารถแบบหลายแกน — ทำให้หุ่นยนต์หกแกนที่มีความยืดหยุ่นสูงเป็นตัวเลือกในอุดมคติสำหรับกระบวนการที่มีความต้องการสูงซึ่งล้อมรอบการใช้งาน 3D เครื่องพิมพ์ ตลอดจนการดำเนินการหลักสำหรับการผลิตแบบหักลบและวิธีการบวก/ลบแบบผสม
  ระบบอัตโนมัติด้วยหุ่นยนต์ที่ให้บริการฟรีสำหรับเครื่องพิมพ์ 3D ครอบคลุมการจัดการชิ้นส่วนที่พิมพ์ในการติดตั้งหลายเครื่องอย่างกว้างขวาง ตั้งแต่การขนแต่ละชิ้นส่วนออกจากเครื่องพิมพ์ จนถึงการแยกชิ้นส่วนหลังจากรอบการพิมพ์แบบหลายส่วน หุ่นยนต์ที่มีความยืดหยุ่นสูงและมีประสิทธิภาพสูงจะปรับการปฏิบัติงานให้เหมาะสมเพื่อให้ได้ปริมาณงานและผลผลิตที่มากขึ้น
  ด้วยการพิมพ์ 3D แบบดั้งเดิม หุ่นยนต์จะมีประโยชน์ในการจัดการผงหมึก การเติมผงหมึกของเครื่องพิมพ์เมื่อจำเป็น และการนำผงออกจากชิ้นส่วนที่เสร็จแล้ว ในทำนองเดียวกัน งานตกแต่งชิ้นส่วนอื่นๆ ที่ได้รับความนิยมในการผลิตโลหะ เช่น การเจียร การขัด การขัดลบคม หรือการตัด ก็ทำได้อย่างง่ายดาย การตรวจสอบคุณภาพตลอดจนความต้องการด้านบรรจุภัณฑ์และลอจิสติกส์ยังได้รับการตอบสนองโดยตรงด้วยเทคโนโลยีหุ่นยนต์ ช่วยให้ผู้ผลิตมีเวลามุ่งเน้นไปที่งานที่มีมูลค่าเพิ่มสูงขึ้น เช่น การผลิตตามสั่ง
  สำหรับชิ้นงานขนาดใหญ่ หุ่นยนต์อุตสาหกรรมที่มีระยะยื่นยาวจะถูกติดตั้งเพื่อเคลื่อนย้ายหัวอัดขึ้นรูปของเครื่องพิมพ์ 3D โดยตรง เมื่อใช้ร่วมกับเครื่องมือต่อพ่วง เช่น ฐานหมุน ตัวกำหนดตำแหน่ง รางเชิงเส้น โครงสำหรับตั้งสิ่งของ และอื่นๆ ทำให้เกิดพื้นที่ทำงานที่จำเป็นในการสร้างโครงสร้างรูปแบบอิสระเชิงพื้นที่ นอกเหนือจากการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วแบบคลาสสิกแล้ว หุ่นยนต์ยังถูกนำมาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนฟรีฟอร์มที่มีปริมาณมาก แบบฟอร์มแม่พิมพ์ โครงสร้างโครงถักรูปทรง 3 มิติ และชิ้นส่วนไฮบริดรูปแบบขนาดใหญ่
• ตัวควบคุมเครื่องจักรแบบหลายแกน:เทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมสำหรับการเชื่อมต่อแกนการเคลื่อนที่สูงสุด 62 แกนในสภาพแวดล้อมเดียวทำให้หุ่นยนต์อุตสาหกรรม ระบบเซอร์โว และไดรฟ์ความถี่แปรผันหลายตัวสามารถซิงโครไนซ์ได้หลายตัวที่ใช้ในกระบวนการบวก ลบ และไฮบริด ขณะนี้อุปกรณ์ทั้งตระกูลสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่นภายใต้การควบคุมและการตรวจสอบที่สมบูรณ์ของ PLC (Programmable Logic Controller) หรือตัวควบคุมเครื่องจักร IEC เช่น MP3300iec มักตั้งโปรแกรมด้วยชุดซอฟต์แวร์ไดนามิก 61131 IEC เช่น MotionWorks IEC แพลตฟอร์มระดับมืออาชีพเช่นนี้ใช้เครื่องมือที่คุ้นเคย (เช่น RepRap G-codes, Function Block Diagram, Structured Text, Ladder Diagram ฯลฯ) เพื่ออำนวยความสะดวกในการผสานรวมที่ง่ายดายและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องจักร จึงได้รวมเครื่องมือสำเร็จรูป เช่น การชดเชยการปรับระดับฐานเตียง การควบคุมแรงดันล่วงหน้าของเครื่องอัดรีด สปินเดิลหลายตัว และการควบคุมเครื่องอัดรีด
• ส่วนติดต่อผู้ใช้ด้านการผลิตขั้นสูง:มีประโยชน์อย่างมากต่อการใช้งานในการพิมพ์ 3 มิติ การตัดรูปร่าง เครื่องมือกล และหุ่นยนต์ แพคเกจซอฟต์แวร์ที่หลากหลายสามารถส่งมอบอินเทอร์เฟซเครื่องจักรแบบกราฟิกที่ปรับแต่งได้ง่ายได้อย่างรวดเร็ว มอบเส้นทางสู่ความคล่องตัวที่มากขึ้น ออกแบบโดยคำนึงถึงความคิดสร้างสรรค์และการเพิ่มประสิทธิภาพ แพลตฟอร์มที่ใช้งานง่าย เช่น Yaskawa Compass ช่วยให้ผู้ผลิตสร้างแบรนด์และปรับแต่งหน้าจอได้อย่างง่ายดาย ตั้งแต่การรวมคุณลักษณะของเครื่องหลักไปจนถึงการรองรับความต้องการของลูกค้า จำเป็นต้องมีการเขียนโปรแกรมเพียงเล็กน้อย เนื่องจากเครื่องมือเหล่านี้มีคลังปลั๊กอิน C# ที่สร้างไว้ล่วงหน้ามากมาย หรือเปิดใช้งานการนำเข้าปลั๊กอินแบบกำหนดเองได้

เพิ่มขึ้นเหนือ

แม้ว่ากระบวนการบวกและการลบแบบเดี่ยวยังคงได้รับความนิยม แต่การเปลี่ยนแปลงไปสู่วิธีการบวก/ลบแบบผสมจะเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีข้างหน้า คาดว่าจะเติบโตที่อัตราการเติบโตต่อปี (CAGR) ที่ร้อยละ 14.8 ภายในปี 2570¹ตลาดเครื่องจักรการผลิตแบบเพิ่มเนื้อแบบไฮบริดมีแนวโน้มที่จะตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นของลูกค้าที่เปลี่ยนแปลงไป เพื่อให้อยู่เหนือคู่แข่ง ผู้ผลิตควรชั่งน้ำหนักข้อดีข้อเสียของวิธีไฮบริดในการดำเนินงานของตน ด้วยความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนตามต้องการ เพื่อลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อย่างมาก กระบวนการบวก/ลบแบบผสมจึงให้ประโยชน์ที่น่าสนใจบางประการ อย่างไรก็ตาม ไม่ควรมองข้ามเทคโนโลยีขั้นสูงสำหรับกระบวนการเหล่านี้ และควรนำไปใช้ในโรงงานเพื่อเพิ่มผลผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์