มอเตอร์เซอร์โวและหุ่นยนต์กำลังพลิกโฉมการใช้งานแบบเติมแต่ง เรียนรู้เคล็ดลับและการประยุกต์ใช้ล่าสุดเมื่อนำระบบอัตโนมัติหุ่นยนต์และการควบคุมการเคลื่อนไหวขั้นสูงไปใช้กับการผลิตแบบเติมแต่งและแบบลบ รวมถึงสิ่งที่จะเกิดขึ้นต่อไป: ลองคิดถึงวิธีการแบบผสมเติม/แบบลบ
การพัฒนาระบบอัตโนมัติ
โดย Sarah Mellish และ RoseMary Burns
การนำอุปกรณ์แปลงพลังงาน เทคโนโลยีควบคุมการเคลื่อนไหว หุ่นยนต์ที่มีความยืดหยุ่นสูง และเทคโนโลยีขั้นสูงอื่นๆ มาใช้อย่างหลากหลาย เป็นปัจจัยผลักดันการเติบโตอย่างรวดเร็วของกระบวนการผลิตแบบใหม่ทั่วทั้งอุตสาหกรรม การผลิตแบบเติมแต่งและแบบลบออกได้ปฏิวัติวิธีการผลิตต้นแบบ ชิ้นส่วน และผลิตภัณฑ์ต่างๆ ถือเป็นสองตัวอย่างสำคัญที่ผู้ผลิตพยายามรักษาความสามารถในการแข่งขันและประสิทธิภาพการผลิต
การพิมพ์สามมิติ (3D printing) หรือการผลิตแบบเติมแต่ง (Additive Manufacturing: AM) เป็นวิธีการที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิม ซึ่งมักใช้ข้อมูลการออกแบบดิจิทัลเพื่อสร้างวัตถุสามมิติที่เป็นของแข็ง โดยการหลอมรวมวัสดุทีละชั้นจากล่างขึ้นบน มักผลิตชิ้นส่วนที่มีรูปร่างใกล้เคียง (Near-net-shape: NNS) โดยไม่สิ้นเปลือง การใช้ AM สำหรับการออกแบบผลิตภัณฑ์ทั้งแบบพื้นฐานและแบบซับซ้อนยังคงแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ยานยนต์ อวกาศ พลังงาน การแพทย์ การขนส่ง และสินค้าอุปโภคบริโภค ในทางกลับกัน กระบวนการลบออกเกี่ยวข้องกับการนำส่วนต่างๆ ออกจากบล็อกวัสดุด้วยการตัดหรือกลึงที่มีความแม่นยำสูงเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์สามมิติ
แม้จะมีความแตกต่างที่สำคัญ แต่กระบวนการเติมแต่งและการลบก็ไม่ได้ขัดแย้งกันเสมอไป เนื่องจากสามารถใช้ประกอบกับขั้นตอนต่างๆ ของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ได้ กระบวนการเติมแต่งมักสร้างแบบจำลองแนวคิดหรือต้นแบบขั้นต้น เมื่อผลิตภัณฑ์นั้นเสร็จสมบูรณ์ อาจจำเป็นต้องใช้ชุดการผลิตที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งเปิดโอกาสให้กับการผลิตแบบลบ ในปัจจุบัน เมื่อเวลาเป็นสิ่งสำคัญ วิธีการแบบผสมระหว่างการเติมแต่งและการลบถูกนำมาประยุกต์ใช้กับสิ่งต่างๆ เช่น การซ่อมแซมชิ้นส่วนที่ชำรุด/สึกหรอ หรือการผลิตชิ้นส่วนคุณภาพสูงด้วยระยะเวลารอคอยที่สั้นลง
อัตโนมัติไปข้างหน้า
เพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของลูกค้า ผู้ผลิตจึงได้ผสานรวมวัสดุลวดหลากหลายชนิด เช่น สเตนเลสสตีล นิกเกิล โคบอลต์ โครเมียม ไทเทเนียม อะลูมิเนียม และโลหะต่างชนิดอื่นๆ เข้ากับโครงสร้างชิ้นส่วน โดยเริ่มจากวัสดุพื้นฐานที่อ่อนนุ่มแต่แข็งแรง ไปจนถึงการตกแต่งด้วยส่วนประกอบที่แข็งและทนทานต่อการสึกหรอ ส่วนหนึ่งนี้แสดงให้เห็นถึงความจำเป็นของโซลูชันประสิทธิภาพสูงเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและคุณภาพทั้งในด้านการผลิตแบบเติมแต่งและแบบลบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการต่างๆ เช่น การผลิตแบบเติมแต่งด้วยลวดอาร์ก (WAAM), WAAM-subtractive, การหุ้มด้วยเลเซอร์แบบลบ หรือการตกแต่ง จุดเด่นของโซลูชันนี้ประกอบด้วย:
- เทคโนโลยีเซอร์โวขั้นสูง:เพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านระยะเวลานำผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาดและข้อกำหนดการออกแบบของลูกค้าได้ดียิ่งขึ้น ทั้งในด้านความแม่นยำของขนาดและคุณภาพงานพิมพ์ ผู้ใช้ปลายทางจึงหันมาใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติขั้นสูงที่มีระบบเซอร์โว (เหนือกว่ามอเตอร์สเต็ปเปอร์) เพื่อการควบคุมการเคลื่อนที่ที่ดีที่สุด ประโยชน์ของมอเตอร์เซอร์โว เช่น Sigma-7 ของ Yaskawa ช่วยพลิกโฉมกระบวนการเติมแต่ง ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถเอาชนะปัญหาทั่วไปด้วยความสามารถในการเพิ่มประสิทธิภาพการพิมพ์:
- การระงับการสั่นสะเทือน: มอเตอร์เซอร์โวที่ทนทานมีตัวกรองระงับการสั่นสะเทือน รวมถึงตัวกรองป้องกันการสั่นพ้องและตัวกรองรอยบาก ทำให้เกิดการเคลื่อนไหวที่ราบรื่นเป็นอย่างยิ่งซึ่งสามารถขจัดเส้นขั้นบันไดที่ไม่พึงประสงค์ทางสายตาที่เกิดจากระลอกแรงบิดของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้
- การปรับปรุงความเร็ว: ความเร็วในการพิมพ์ที่ 350 มม./วินาที เป็นจริงแล้ว ซึ่งสูงกว่าความเร็วในการพิมพ์เฉลี่ยของเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ถึงสองเท่า เช่นเดียวกัน ความเร็วในการเคลื่อนที่สูงสุด 1,500 มม./วินาที สามารถทำได้โดยใช้ระบบหมุน หรือสูงสุด 5 เมตร/วินาที หากใช้เทคโนโลยีเซอร์โวเชิงเส้น ความสามารถในการเร่งความเร็วที่รวดเร็วเป็นพิเศษของเซอร์โวประสิทธิภาพสูง ช่วยให้สามารถเคลื่อนหัวพิมพ์ 3 มิติไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมได้เร็วขึ้น ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการชะลอความเร็วของระบบทั้งหมดเพื่อให้ได้คุณภาพงานพิมพ์ที่ต้องการ นอกจากนี้ การปรับปรุงระบบควบคุมการเคลื่อนที่นี้ยังช่วยให้ผู้ใช้สามารถผลิตชิ้นส่วนได้มากขึ้นต่อชั่วโมงโดยไม่กระทบต่อคุณภาพ
- การปรับอัตโนมัติ: ระบบเซอร์โวสามารถปรับแต่งได้เองโดยอิสระ ซึ่งทำให้สามารถปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงในกลไกของเครื่องพิมพ์หรือความแปรปรวนในกระบวนการพิมพ์ได้ มอเตอร์สเต็ปเปอร์ 3 มิติไม่ใช้ข้อเสนอแนะตำแหน่ง ทำให้แทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะชดเชยการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการหรือความคลาดเคลื่อนในกลไก
- การตอบรับของตัวเข้ารหัส: ระบบเซอร์โวที่แข็งแกร่งซึ่งให้การตอบรับของตัวเข้ารหัสแบบสัมบูรณ์นั้นจำเป็นต้องกลับสู่จุดเริ่มต้นเพียงครั้งเดียว ส่งผลให้มีเวลาทำงานที่ยาวนานขึ้นและประหยัดต้นทุน เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้เทคโนโลยีมอเตอร์สเต็ปเปอร์ไม่มีคุณลักษณะนี้และจะต้องกลับสู่จุดเริ่มต้นทุกครั้งที่เปิดเครื่อง
- การตรวจจับผลป้อนกลับ: หัวฉีดของเครื่องพิมพ์ 3 มิติมักเป็นคอขวดในกระบวนการพิมพ์ และมอเตอร์สเต็ปเปอร์ไม่มีความสามารถในการตรวจจับผลป้อนกลับเพื่อตรวจจับการติดขัดของหัวฉีด ซึ่งเป็นข้อบกพร่องที่อาจนำไปสู่ความเสียหายของงานพิมพ์ทั้งหมด ด้วยเหตุนี้ ระบบเซอร์โวจึงสามารถตรวจจับการติดขัดของหัวฉีดและป้องกันไม่ให้เส้นใยหลุดลอกได้ กุญแจสำคัญสู่ประสิทธิภาพการพิมพ์ที่เหนือกว่าคือการมีระบบวงจรปิดที่มีตัวเข้ารหัสออปติคัลความละเอียดสูงเป็นศูนย์กลาง มอเตอร์เซอร์โวที่มีตัวเข้ารหัสความละเอียดสูงแบบสัมบูรณ์ 24 บิต สามารถให้ความละเอียดของข้อมูลป้อนกลับวงจรปิด 16,777,216 บิต เพื่อความแม่นยำของแกนและหัวฉีดที่สูงขึ้น รวมถึงการป้องกันการซิงโครไนซ์และการติดขัด
- หุ่นยนต์ประสิทธิภาพสูง:เช่นเดียวกับมอเตอร์เซอร์โวที่ทนทานกำลังเปลี่ยนโฉมการใช้งานแบบเติมแต่ง หุ่นยนต์ก็เช่นกัน ด้วยประสิทธิภาพการทำงานที่ยอดเยี่ยม โครงสร้างเชิงกลที่แข็งแกร่ง และระดับการป้องกันฝุ่น (IP) ที่สูง ประกอบกับระบบควบคุมป้องกันการสั่นสะเทือนขั้นสูงและความสามารถในการทำงานแบบหลายแกน ทำให้หุ่นยนต์หกแกนที่มีความยืดหยุ่นสูงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับกระบวนการทำงานที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกับการใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติ รวมถึงการใช้งานหลักๆ สำหรับการผลิตแบบลบออกและวิธีการแบบเติมแต่ง/ลบออกแบบไฮบริด
ระบบอัตโนมัติหุ่นยนต์ที่เสริมประสิทธิภาพให้กับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ครอบคลุมการจัดการชิ้นส่วนที่พิมพ์ในการติดตั้งหลายเครื่อง ตั้งแต่การขนถ่ายชิ้นส่วนแต่ละชิ้นออกจากเครื่องพิมพ์ ไปจนถึงการแยกชิ้นส่วนหลังจากรอบการพิมพ์หลายชิ้น หุ่นยนต์ที่มีความยืดหยุ่นและประสิทธิภาพสูงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน เพื่อเพิ่มผลผลิตและผลผลิตให้สูงขึ้น
ด้วยการพิมพ์ 3 มิติแบบดั้งเดิม หุ่นยนต์จึงมีประโยชน์ในการจัดการผงโลหะ การเติมผงโลหะเมื่อจำเป็น และการกำจัดผงโลหะออกจากชิ้นส่วนสำเร็จรูป เช่นเดียวกัน งานตกแต่งชิ้นส่วนอื่นๆ ที่นิยมใช้ในงานโลหะ เช่น การเจียร การขัดเงา การลบครีบ หรือการตัด ก็สามารถทำได้อย่างง่ายดาย นอกจากนี้ การตรวจสอบคุณภาพ รวมถึงความต้องการด้านบรรจุภัณฑ์และโลจิสติกส์ ก็ได้รับการตอบสนองด้วยเทคโนโลยีหุ่นยนต์โดยตรง ช่วยให้ผู้ผลิตมีเวลาทุ่มเทเวลาให้กับงานที่มีมูลค่าเพิ่มสูงขึ้น เช่น งานผลิตตามสั่ง
สำหรับชิ้นงานขนาดใหญ่ หุ่นยนต์อุตสาหกรรมระยะไกลกำลังถูกนำไปใช้งานเพื่อเคลื่อนย้ายหัวพิมพ์ของเครื่องพิมพ์ 3 มิติโดยตรง เมื่อใช้ร่วมกับเครื่องมือเสริมต่างๆ เช่น ฐานหมุน ตัวกำหนดตำแหน่ง รางเชิงเส้น แกนทรี และอื่นๆ หุ่นยนต์เหล่านี้จึงมีพื้นที่ทำงานที่จำเป็นสำหรับการสร้างโครงสร้างรูปทรงอิสระเชิงพื้นที่ นอกเหนือจากการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วแบบดั้งเดิมแล้ว หุ่นยนต์ยังถูกนำมาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนรูปทรงอิสระขนาดใหญ่ แม่พิมพ์ โครงถักรูปทรงสามมิติ และชิ้นส่วนไฮบริดขนาดใหญ่ - ตัวควบคุมเครื่องจักรหลายแกน:เทคโนโลยีนวัตกรรมสำหรับการเชื่อมต่อแกนการเคลื่อนที่สูงสุด 62 แกนในสภาพแวดล้อมเดียว ทำให้การซิงโครไนซ์หลายแกนของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ระบบเซอร์โว และไดรฟ์ความถี่แปรผันที่ใช้ในกระบวนการแบบเติม แบบลบ และแบบไฮบริดเป็นไปได้ อุปกรณ์ทั้งหมดในตระกูลนี้สามารถทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่นภายใต้การควบคุมและตรวจสอบอย่างสมบูรณ์ของ PLC (Programmable Logic Controller) หรือตัวควบคุมเครื่องจักร IEC เช่น MP3300iec แพลตฟอร์มระดับมืออาชีพเช่นนี้มักถูกตั้งโปรแกรมด้วยชุดซอฟต์แวร์ 61131 IEC แบบไดนามิก เช่น MotionWorks IEC ใช้เครื่องมือที่คุ้นเคย (เช่น RepRap G-codes, Function Block Diagram, Structured Text, Ladder Diagram ฯลฯ) เพื่อความสะดวกในการผสานรวมและเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องจักร จึงมีเครื่องมือสำเร็จรูป เช่น การชดเชยการปรับระดับแท่นพิมพ์ การควบคุมการเลื่อนแรงดันของเครื่องอัดรีด แกนหมุนหลายแกน และการควบคุมเครื่องอัดรีดรวมอยู่ด้วย
- อินเทอร์เฟซผู้ใช้การผลิตขั้นสูง:มีประโยชน์อย่างยิ่งต่อการประยุกต์ใช้งานด้านการพิมพ์ 3 มิติ การตัดรูปทรง เครื่องมือกล และหุ่นยนต์ แพ็คเกจซอฟต์แวร์ที่หลากหลายสามารถมอบอินเทอร์เฟซเครื่องจักรแบบกราฟิกที่ปรับแต่งได้ง่ายและรวดเร็ว มอบเส้นทางสู่ความคล่องตัวที่มากขึ้น แพลตฟอร์มที่ใช้งานง่ายอย่าง Yaskawa Compass ได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงความคิดสร้างสรรค์และการปรับแต่งให้เหมาะสม ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถติดแบรนด์และปรับแต่งหน้าจอได้อย่างง่ายดาย ตั้งแต่การรวมคุณสมบัติหลักของเครื่องจักรไปจนถึงการรองรับความต้องการของลูกค้า แทบไม่ต้องเขียนโปรแกรมเลย เนื่องจากเครื่องมือเหล่านี้มีไลบรารีปลั๊กอิน C# สำเร็จรูปจำนวนมาก หรือสามารถนำเข้าปลั๊กอินที่กำหนดเองได้
สูงขึ้นไป
แม้ว่ากระบวนการบวกและลบแบบเดี่ยวจะยังคงได้รับความนิยม แต่ในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า กระบวนการแบบผสมระหว่างการบวกและลบแบบผสมจะมีแนวโน้มเปลี่ยนไปใช้มากขึ้น คาดว่าจะเติบโตที่อัตราการเติบโตต่อปีแบบทบต้น (CAGR) ที่ 14.8 เปอร์เซ็นต์ ภายในปี 25701ตลาดเครื่องจักรสำหรับการผลิตแบบเติมแต่งแบบไฮบริดพร้อมที่จะตอบสนองความต้องการของลูกค้าที่เปลี่ยนแปลงไปอย่างรวดเร็ว เพื่อก้าวเหนือคู่แข่ง ผู้ผลิตควรพิจารณาข้อดีข้อเสียของวิธีการแบบไฮบริดสำหรับการดำเนินงานของตน ด้วยความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนตามความต้องการ และลดปริมาณคาร์บอนฟุตพริ้นท์ได้อย่างมาก กระบวนการเติมแต่ง/ลบแบบไฮบริดจึงมีข้อดีที่น่าสนใจหลายประการ อย่างไรก็ตาม ไม่ควรมองข้ามเทคโนโลยีขั้นสูงสำหรับกระบวนการเหล่านี้ และควรนำไปปรับใช้ในโรงงานเพื่อเพิ่มผลผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์
เวลาโพสต์: 13 ส.ค. 2564
