มอเตอร์เซอร์โวและหุ่นยนต์กำลังพลิกโฉมการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ เรียนรู้เคล็ดลับและแอปพลิเคชันล่าสุดในการนำระบบอัตโนมัติด้วยหุ่นยนต์และการควบคุมการเคลื่อนไหวขั้นสูงมาใช้ในการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุและลดเนื้อวัสดุ รวมถึงสิ่งที่จะเกิดขึ้นต่อไป: ลองนึกถึงวิธีการแบบผสมผสานระหว่างการเพิ่มเนื้อวัสดุและการลดเนื้อวัสดุ
การพัฒนาระบบอัตโนมัติให้ก้าวหน้ายิ่งขึ้น
โดย ซาราห์ เมลลิช และ โรสแมรี เบิร์นส์
การนำอุปกรณ์แปลงพลังงาน เทคโนโลยีควบคุมการเคลื่อนไหว หุ่นยนต์ที่มีความยืดหยุ่นสูง และเทคโนโลยีขั้นสูงอื่นๆ มาใช้ เป็นปัจจัยขับเคลื่อนการเติบโตอย่างรวดเร็วของกระบวนการผลิตใหม่ๆ ทั่วทั้งภาคอุตสาหกรรม การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) และการผลิตแบบลดเนื้อวัสดุ (Subtractive Manufacturing) เป็นสองตัวอย่างที่ปฏิวัติวิธีการผลิตต้นแบบ ชิ้นส่วน และผลิตภัณฑ์ โดยให้ประสิทธิภาพและการประหยัดต้นทุนที่ผู้ผลิตต้องการเพื่อรักษาความสามารถในการแข่งขัน
การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing หรือ AM) หรือที่เรียกกันว่าการพิมพ์ 3 มิติ เป็นวิธีการที่ไม่ใช่แบบดั้งเดิม ซึ่งมักใช้ข้อมูลการออกแบบดิจิทัลเพื่อสร้างวัตถุสามมิติที่เป็นของแข็งโดยการหลอมรวมวัสดุทีละชั้นจากล่างขึ้นบน โดยมักจะสร้างชิ้นส่วนที่มีรูปร่างใกล้เคียงกับรูปร่างสุดท้าย (Near-net-shape หรือ NNS) โดยไม่มีของเสีย การใช้ AM ในการออกแบบผลิตภัณฑ์ทั้งแบบพื้นฐานและซับซ้อนยังคงแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ยานยนต์ การบินและอวกาศ พลังงาน การแพทย์ การขนส่ง และสินค้าอุปโภคบริโภค ในทางตรงกันข้าม กระบวนการผลิตแบบหักลบ (Subtractive Manufacturing) เกี่ยวข้องกับการตัดหรือกลึงส่วนต่างๆ ออกจากบล็อกวัสดุด้วยความแม่นยำสูงเพื่อสร้างผลิตภัณฑ์ 3 มิติ
แม้จะมีข้อแตกต่างที่สำคัญ แต่กระบวนการเพิ่มเนื้อวัสดุและกระบวนการลดเนื้อวัสดุไม่ได้ขัดแย้งกันเสมอไป เพราะสามารถใช้เสริมกันในขั้นตอนต่างๆ ของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ได้ แบบจำลองหรือต้นแบบในระยะเริ่มต้นมักสร้างขึ้นด้วยกระบวนการเพิ่มเนื้อวัสดุ เมื่อผลิตภัณฑ์เสร็จสมบูรณ์แล้ว อาจต้องการผลิตในปริมาณมาก ซึ่งเปิดโอกาสให้ใช้การผลิตแบบลดเนื้อวัสดุ เมื่อไม่นานมานี้ ในกรณีที่เวลาเป็นสิ่งสำคัญ วิธีการผสมผสานระหว่างการเพิ่มเนื้อวัสดุและการลดเนื้อวัสดุถูกนำมาใช้สำหรับงานต่างๆ เช่น การซ่อมแซมชิ้นส่วนที่เสียหาย/สึกหรอ หรือการสร้างชิ้นส่วนคุณภาพสูงด้วยระยะเวลานำที่สั้นลง
เดินหน้าอัตโนมัติ
เพื่อตอบสนองความต้องการที่เข้มงวดของลูกค้า ผู้ผลิตจึงได้นำวัสดุลวดหลากหลายชนิด เช่น สแตนเลส นิกเกล โคบอลต์ โครเมียม ไทเทเนียม อลูมิเนียม และโลหะต่างชนิดอื่นๆ มาใช้ในการผลิตชิ้นส่วน โดยเริ่มต้นจากวัสดุพื้นฐานที่อ่อนนุ่มแต่แข็งแรง และจบลงด้วยชิ้นส่วนที่แข็งและทนต่อการสึกหรอ สิ่งนี้ได้เผยให้เห็นถึงความต้องการโซลูชันที่มีประสิทธิภาพสูงเพื่อเพิ่มผลผลิตและคุณภาพทั้งในสภาพแวดล้อมการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุและแบบลดเนื้อวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการต่างๆ เช่น การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุด้วยการเชื่อมลวดอาร์ค (WAAM) การผลิตแบบลดเนื้อวัสดุด้วย WAAM การเคลือบด้วยเลเซอร์แบบลดเนื้อวัสดุ หรือการตกแต่ง ประเด็นสำคัญ ได้แก่:
- เทคโนโลยีเซอร์โวขั้นสูง:เพื่อให้บรรลุเป้าหมายด้านระยะเวลาในการออกสู่ตลาดและข้อกำหนดด้านการออกแบบของลูกค้าได้ดียิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องความแม่นยำของขนาดและคุณภาพของชิ้นงาน ผู้ใช้งานจึงหันมาใช้เครื่องพิมพ์ 3 มิติขั้นสูงที่มีระบบเซอร์โว (แทนมอเตอร์สเต็ปเปอร์) เพื่อการควบคุมการเคลื่อนไหวที่ดีที่สุด ข้อดีของมอเตอร์เซอร์โว เช่น Yaskawa Sigma-7 ช่วยพลิกโฉมกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) ช่วยให้ผู้ผลิตเอาชนะปัญหาทั่วไปได้ด้วยความสามารถในการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องพิมพ์:
- การลดการสั่นสะเทือน: มอเตอร์เซอร์โวที่แข็งแรงทนทานมีตัวกรองลดการสั่นสะเทือน รวมถึงตัวกรองป้องกันเสียงสะท้อนและตัวกรองรอยบาก ทำให้การเคลื่อนไหวราบรื่นอย่างยิ่ง ซึ่งสามารถขจัดเส้นขั้นบันไดที่ไม่สวยงามซึ่งเกิดจากแรงบิดกระเพื่อมของมอเตอร์สเต็ปเปอร์ได้
- การเพิ่มความเร็ว: ปัจจุบันความเร็วในการพิมพ์ 350 มม./วินาที เป็นไปได้แล้ว ซึ่งเร็วกว่าความเร็วในการพิมพ์เฉลี่ยของเครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้มอเตอร์สเต็ปเปอร์ถึงสองเท่า ในทำนองเดียวกัน ความเร็วในการเคลื่อนที่สูงสุดถึง 1,500 มม./วินาที สามารถทำได้โดยใช้มอเตอร์โรตารี่ หรือสูงสุดถึง 5 เมตร/วินาที โดยใช้เทคโนโลยีเซอร์โวเชิงเส้น ความสามารถในการเร่งความเร็วที่รวดเร็วอย่างมากจากเซอร์โวประสิทธิภาพสูง ช่วยให้หัวพิมพ์ 3 มิติเคลื่อนที่ไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมได้เร็วขึ้น ซึ่งช่วยลดความจำเป็นในการลดความเร็วของระบบทั้งหมดเพื่อให้ได้คุณภาพงานที่ต้องการ ดังนั้น การอัปเกรดการควบคุมการเคลื่อนที่นี้ยังหมายความว่าผู้ใช้สามารถผลิตชิ้นส่วนได้มากขึ้นต่อชั่วโมงโดยไม่ลดทอนคุณภาพ
- การปรับจูนอัตโนมัติ: ระบบเซอร์โวสามารถปรับจูนเองได้อย่างอิสระ ทำให้สามารถปรับให้เข้ากับการเปลี่ยนแปลงในกลไกของเครื่องพิมพ์หรือความแปรปรวนในกระบวนการพิมพ์ได้ ในขณะที่มอเตอร์สเต็ปเปอร์ 3 มิติ ไม่ใช้การป้อนกลับตำแหน่ง ทำให้แทบเป็นไปไม่ได้เลยที่จะชดเชยการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการหรือความคลาดเคลื่อนในกลไก
- ระบบเซอร์โวที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งให้การป้อนกลับจากตัวเข้ารหัส (Encoder feedback) จำเป็นต้องทำการปรับตำแหน่งเริ่มต้น (homing routine) เพียงครั้งเดียวเท่านั้น ส่งผลให้เวลาใช้งานต่อเนื่องยาวนานขึ้นและประหยัดค่าใช้จ่าย เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่ใช้เทคโนโลยีสเต็ปเปอร์มอเตอร์นั้นขาดคุณสมบัตินี้และจำเป็นต้องทำการปรับตำแหน่งเริ่มต้นทุกครั้งที่เปิดเครื่อง
- การตรวจจับฟีดแบ็ก: หัวฉีดของเครื่องพิมพ์ 3 มิติ มักเป็นคอขวดในกระบวนการพิมพ์ และมอเตอร์สเต็ปเปอร์ไม่มีความสามารถในการตรวจจับฟีดแบ็กเพื่อตรวจจับการติดขัดของหัวฉีด ซึ่งเป็นข้อบกพร่องที่อาจทำให้งานพิมพ์ทั้งหมดเสียหายได้ ด้วยเหตุนี้ ระบบเซอร์โวจึงสามารถตรวจจับการติดขัดของหัวฉีดและป้องกันการดึงเส้นใยได้ กุญแจสำคัญสู่ประสิทธิภาพการพิมพ์ที่เหนือกว่าคือการมีระบบวงปิดที่ศูนย์กลางอยู่ที่ตัวเข้ารหัสแสงความละเอียดสูง มอเตอร์เซอร์โวที่มีตัวเข้ารหัสความละเอียดสูงแบบสัมบูรณ์ 24 บิต สามารถให้ความละเอียดฟีดแบ็กวงปิดได้ถึง 16,777,216 บิต เพื่อความแม่นยำของแกนและหัวฉีดที่มากขึ้น รวมถึงการซิงโครไนซ์และการป้องกันการติดขัด
- หุ่นยนต์ประสิทธิภาพสูง:เช่นเดียวกับมอเตอร์เซอร์โวที่แข็งแกร่งซึ่งกำลังเปลี่ยนแปลงการใช้งานด้านการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ หุ่นยนต์ก็เช่นกัน ประสิทธิภาพการเคลื่อนที่ที่ยอดเยี่ยม โครงสร้างเชิงกลที่แข็งแรง และระดับการป้องกันฝุ่นสูง (IP) เมื่อรวมกับการควบคุมการสั่นสะเทือนขั้นสูงและความสามารถในการทำงานหลายแกน ทำให้หุ่นยนต์หกแกนที่มีความยืดหยุ่นสูงเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับกระบวนการที่ต้องการความแม่นยำสูงซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้งานเครื่องพิมพ์ 3 มิติ ตลอดจนการดำเนินการที่สำคัญสำหรับการผลิตแบบลดเนื้อวัสดุ และวิธีการผสมผสานระหว่างการเพิ่มเนื้อวัสดุและการลดเนื้อวัสดุ
ระบบอัตโนมัติด้วยหุ่นยนต์ที่ใช้งานร่วมกับเครื่องพิมพ์ 3 มิติอย่างกว้างขวางนั้นเกี่ยวข้องกับการจัดการชิ้นส่วนที่พิมพ์แล้วในระบบที่มีเครื่องพิมพ์หลายเครื่อง ตั้งแต่การขนถ่ายชิ้นส่วนแต่ละชิ้นออกจากเครื่องพิมพ์ ไปจนถึงการแยกชิ้นส่วนหลังจากรอบการพิมพ์หลายชิ้น หุ่นยนต์ที่มีความยืดหยุ่นและมีประสิทธิภาพสูงจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานเพื่อเพิ่มปริมาณงานและผลผลิตให้มากขึ้น
ในการพิมพ์ 3 มิติแบบดั้งเดิม หุ่นยนต์มีประโยชน์ในการจัดการผงวัสดุ เช่น การเติมผงวัสดุเมื่อจำเป็น และการกำจัดผงวัสดุออกจากชิ้นส่วนที่พิมพ์เสร็จแล้ว ในทำนองเดียวกัน งานตกแต่งชิ้นส่วนอื่นๆ ที่นิยมใช้ในการผลิตโลหะ เช่น การเจียร การขัดเงา การลบคม หรือการตัด ก็สามารถทำได้อย่างง่ายดาย การตรวจสอบคุณภาพ ตลอดจนความต้องการด้านบรรจุภัณฑ์และโลจิสติกส์ก็ได้รับการแก้ไขอย่างตรงจุดด้วยเทคโนโลยีหุ่นยนต์ ทำให้ผู้ผลิตสามารถมุ่งเน้นเวลาไปที่งานที่มีมูลค่าเพิ่มสูงกว่า เช่น การผลิตตามสั่ง
สำหรับชิ้นงานขนาดใหญ่ หุ่นยนต์อุตสาหกรรมแขนยาวกำลังถูกดัดแปลงให้สามารถเคลื่อนย้ายหัวฉีดของเครื่องพิมพ์ 3 มิติได้โดยตรง ซึ่งเมื่อใช้ร่วมกับอุปกรณ์เสริมต่างๆ เช่น ฐานหมุน ตัวกำหนดตำแหน่ง รางเลื่อน โครงสร้างแบบคาน และอื่นๆ จะช่วยให้มีพื้นที่ทำงานที่จำเป็นสำหรับการสร้างโครงสร้างรูปทรงอิสระในอวกาศ นอกเหนือจากการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วแบบดั้งเดิมแล้ว หุ่นยนต์ยังถูกนำมาใช้ในการผลิตชิ้นส่วนรูปทรงอิสระขนาดใหญ่ แม่พิมพ์ โครงสร้างโครงถักรูปทรง 3 มิติ และชิ้นส่วนไฮบริดขนาดใหญ่ - ตัวควบคุมเครื่องจักรหลายแกน:เทคโนโลยีล้ำสมัยสำหรับการเชื่อมต่อแกนการเคลื่อนที่ได้มากถึง 62 แกนในสภาพแวดล้อมเดียว ทำให้การซิงโครไนซ์หลายอุปกรณ์พร้อมกันของหุ่นยนต์อุตสาหกรรม ระบบเซอร์โว และไดรฟ์ความถี่แปรผันที่ใช้ในกระบวนการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ ลดเนื้อวัสดุ และแบบไฮบริด เป็นไปได้แล้ว อุปกรณ์ตระกูลเดียวกันสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่นภายใต้การควบคุมและตรวจสอบอย่างสมบูรณ์ของ PLC (Programmable Logic Controller) หรือตัวควบคุมเครื่องจักร IEC เช่น MP3300iec แพลตฟอร์มระดับมืออาชีพเช่นนี้ มักถูกตั้งโปรแกรมด้วยแพ็คเกจซอฟต์แวร์ IEC แบบไดนามิก 61131 เช่น MotionWorks IEC และใช้เครื่องมือที่คุ้นเคย (เช่น RepRap G-codes, Function Block Diagram, Structured Text, Ladder Diagram เป็นต้น) เพื่ออำนวยความสะดวกในการบูรณาการและเพิ่มประสิทธิภาพเวลาการทำงานของเครื่องจักร เครื่องมือสำเร็จรูป เช่น การชดเชยการปรับระดับฐาน การควบคุมแรงดันหัวฉีด การควบคุมแกนหมุนและหัวฉีดหลายตัว จึงถูกรวมไว้ด้วย
- ส่วนต่อประสานผู้ใช้สำหรับการผลิตขั้นสูง:ซอฟต์แวร์หลากหลายประเภทมีประโยชน์อย่างมากต่อการใช้งานในด้านการพิมพ์ 3 มิติ การตัดรูปทรง เครื่องมือกล และหุ่นยนต์ สามารถสร้างอินเทอร์เฟซเครื่องจักรแบบกราฟิกที่ปรับแต่งได้ง่ายและรวดเร็ว เปิดโอกาสให้ใช้งานได้หลากหลายยิ่งขึ้น แพลตฟอร์มที่ใช้งานง่าย เช่น Yaskawa Compass ออกแบบโดยคำนึงถึงความคิดสร้างสรรค์และการเพิ่มประสิทธิภาพ ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถสร้างแบรนด์และปรับแต่งหน้าจอได้อย่างง่ายดาย ตั้งแต่การรวมคุณลักษณะหลักของเครื่องจักรไปจนถึงการตอบสนองความต้องการของลูกค้า ไม่จำเป็นต้องเขียนโปรแกรมมากนัก เนื่องจากเครื่องมือเหล่านี้มีไลบรารีปลั๊กอิน C# ที่สร้างไว้ล่วงหน้ามากมาย หรืออนุญาตให้มีการนำเข้าปลั๊กอินแบบกำหนดเองได้
ก้าวข้ามไป
แม้ว่ากระบวนการเพิ่มเนื้อวัสดุและการลบเนื้อวัสดุแบบเดี่ยวๆ ยังคงได้รับความนิยม แต่การเปลี่ยนแปลงไปสู่กระบวนการผสมผสานระหว่างการเพิ่มเนื้อวัสดุและการลบเนื้อวัสดุจะเกิดขึ้นมากขึ้นในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า โดยคาดว่าจะเติบโตในอัตราการเติบโตเฉลี่ยต่อปี (CAGR) ที่ 14.8 เปอร์เซ็นต์ภายในปี 20271ตลาดเครื่องจักรการผลิตแบบไฮบริดที่ใช้เทคโนโลยีการเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing) กำลังเตรียมพร้อมที่จะตอบสนองความต้องการของลูกค้าที่เปลี่ยนแปลงไป เพื่อที่จะเหนือกว่าคู่แข่ง ผู้ผลิตควรพิจารณาข้อดีและข้อเสียของวิธีการไฮบริดสำหรับการดำเนินงานของตน ด้วยความสามารถในการผลิตชิ้นส่วนตามความต้องการ และการลดปริมาณการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อย่างมาก กระบวนการผลิตแบบไฮบริดที่ใช้เทคโนโลยีการเพิ่มเนื้อวัสดุและการลดเนื้อวัสดุ (Additive/Subtractive Manufacturing) จึงมีข้อดีที่น่าสนใจหลายประการ อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีขั้นสูงสำหรับกระบวนการเหล่านี้ไม่ควรถูกมองข้าม และควรนำไปใช้ในโรงงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์
วันที่โพสต์: 13 สิงหาคม 2564
