Новата реалност в ЦПУ обработката

• Еволюция претърпяват както материалите и методите за ЦПУ обработка, така и оборудването, което става все по-свързано, интелигентно и автономно
  
  
• Съвременното развитие на металообработващите машини е белязано от интеграцията на ключови технологии от арсенала на Industry 4.0
  
  
• Автоматизацията, роботизацията и изкуственият интелект разкриват нови възможности за високоефективна и прецизна компютъризирана обработка

По пътя си към оптимална прецизност, ефективност, рентабилност и устойчивост съвременната металообработка дава все по-голямо поле за изява на авангардни технологии, като автоматизацията и роботиката, изкуствения интелект и машинното самообучение. Грандиозна еволюция претърпяват както материалите и методите за ЦПУ обработка, така и оборудването, което става все по-свързано, интелигентно и автономно. Напредъкът в областта включва редица иновации при многоосната обработка и хибридните стратегии, съчетаващи конвенционално рязане с адитивни техники. CAD/CAM софтуерът разгръща нови хоризонти пред металообработващите предприятия, а сред водещите тенденции са мониторингът в реално време, облачно базираните ЦПУ платформи, добавената реалност, прогнозната поддръжка, дигиталните двойници и т. н. Какъв е потенциалът на новите технологии тотално да трансформират света на металообработката с ЦПУ – ще разгледаме в настоящата статия.

Влиянието на Industry 4.0

Цифровото програмно управление, въведено в практиката още през 50-те години на миналия век, революционизира производствената индустрия, оптимизирайки изработката на комплексни и прецизни детайли. Съвременното развитие на металообработващите машини с ЦПУ и съпътстващите ги CAD/CAM технологии е белязано от интеграцията на ключови Industry 4.0 иновации, като Internet of Things и инструменти за анализ на големи обеми от данни. Модерното оборудване в сегмента е съвместимо със значително по-широка гама от материали в сравнение с предходните поколения, включително конвенционални и труднообработваеми метали, композити и специални инженерни сплави, пластмаси, дърво, камък, стъкло, керамика, каучук и т. н. По-обширна в наши дни е и приложната област на системите с ЦПУ, които освен в машиностроенето, авиокосмическата индустрия и отбраната, все по-широко се използват за прототипиране, изработка на инструментална екипировка, микрообработка и серийно производство и в автомобилната индустрия, електрониката, медицинската техника и др. Наред с методите и стратегиите, непрекъснато се развива и софтуерът за обработка, чиято функционалност далеч надхвърля генерирането на програми за рязане, пробиване, фрезоване и т. н. Софтуерните платформи днес включват богати възможности за симулация, процесна оптимизация в реално време и мениджмънт на ресурсите (енергия, материали, смазочно-охлаждащи флуиди, експлоатационен живот на инструментите и др.), което позволява значително повишаване на качеството и производителността и намаляване на загубите.

В епохата на четвъртата индустриална революция металообработващите машини стават все по-интегрирани елементи от цялостни и интелигентни производствени екосистеми, базирани на интернет свързаност, комуникация и обмен на данни, които позволяват по-бърза, прецизна и ефективна обработка, както и гъвкаво адаптиране към промени в пазарното търсене, експлоатационните условия или производствения асортимент.

Фундаментална тенденция в сферата на металообработката с ЦПУ е непрекъснатото повишаване на степента на автоматизация при основните и спомагателните операции, както и внедряването на роботизирани системи, които заместват операторите в обслужването на машините, включително в смяната на инструменталната екипировка, зареждането на заготовки и разтоварването на готовите детайли. Еднотипни и повторяеми по своята същност, тези дейности крият огромен потенциал за оптимизация на работните процеси чрез елиминиране на нежеланите престои и грешките, повишаване на точността и надеждността при изпълнение и драстично съкращаване на циклите на обработка. Все по-популярни стават приложения, като роботизираното захващане на произволни заготовки от контейнер, роботизираното палетизиране и интеграцията с конвейерни ленти за цялостна автоматизация на обработката и транспорта на металните детайли. Така модерните машини с ЦПУ могат да работят в многосменен и дори непрекъснат режим без необходимост от намеса на оператор.

Паралелно с това все по-безопасни и ефективни стават и самите роботи, използвани за автоматизирано обслужване, които до неотдавна трябваше да са обезопасени чрез предпазни ограждения, бариери и други физически средства за защита на оператора. През последните години все по-търсени са колаборативните системи с интегрирани компоненти и функции за безопасност, които елиминират рисковете от сблъсъци и инциденти в споделената между човек и робот работна среда. Коботите имат и друго съществено предимство – компактни и ценово ефективни, те правят високоавтоматизираната металообработка с ЦПУ достъпна и за малки и средни по обем предприятия и производствени серии, осигурявайки гъвкавост и редуциране на разходите.

С напредъка при стратегиите за дигитализирано производство, базирани на IoT и изкуствен интелект, металообработващите машини с ЦПУ могат сами да наблюдават и оптимизират работата си, включително параметрите на рязане, въз основа на данните от умни сензори и AI алгоритми. Изкуственият интелект и машинното самообучение (ML) допълнително повишават интелигентността и адаптивността на процесите по обработка, като автоматично оптимизират работните програми и траекториите на инструмента с цел повишаване на ефективността и минимизиране на загубите на време и материали. AI платформите опростяват комплексните програми за обработка, ускорявайки настройката и улеснявайки операторите. С помощта на ML модели за анализ на данните от оборудването може да бъде провеждана и надеждна автодиагностика и прогнозна поддръжка, която предотвратява авариите и нежеланите прекъсвания на производството и свежда до минимум необходимото време за обслужване.

Напредък при многоосната и хибридната обработка

Технологичното развитие в сегмента на металорежещите машини с ЦПУ позволява високоефективна 5-осна и многоосна обработка или рентабилно и прецизно производство на комплексни детайли и геометрии в един цикъл на обработка. Тази тенденция оказва голямо влияние върху ключови индустрии, като автомобило- и машиностроенето, авиокосмическия отрасъл и медицинската техника.

Все по-достъпни и лесни за интегриране и управление стават конфигурации със седем и дори повече оси, способни да изработват максимално близки до финалния им вид сложни метални изделия с една настройка. Повечето на брой оси правопропорционално повишават точността на детайлите, минимизирайки допуските при размерите и геометрията. Ето защо 5-осната и многоосната обработка са все по-предпочитан метод за производството на инструментална екипировка с усъвършенстван дизайн на режещите ръбове и повърхности, както и на нова генерация компоненти за електрониката, прецизното машино-, уредо- и приборостроене, изработката на импланти и други фини и комплексни изделия, недопускащи компромиси с точността.

Нараства популярността на иновативни техники, като високоскоростната (HSM) и високопрецизната (HPM) обработка. Консолидирането на отделни производствени процеси, стратегии и етапи в една машина или обработващ център и в единичен работен цикъл с една настройка не само елиминира загубите на ценно време при местенето и фиксирането на заготовката на множество обработващи станции, но и значително намалява рисковете от грешки при подравняването, закрепването и др.
Новата реалност в металообработката с ЦПУ се дефинира и от тенденцията за непрекъснато нарастваща свобода по отношение на дизайна и използваните материали. Високотехнологичните индустрии използват широк кръг от специализирани инженерни материали с подобрени свойства, като композити, карбон и високоякостни сплави. С помощта на подобрения при геометриите, материалите и покритията на режещите инструменти, както и с иновативни методи, като лазерното и водното рязане, криогенната и ултразвуковата обработка, машините с ЦПУ от последно поколение позволяват надеждна и прецизна обработка не само на конвенционални, но и на подобни усъвършенствани материали.

Една от най-обещаващите посоки на развитие в сегмента е т. нар. хибридна обработка, която съчетава традиционното металорязане (с отнемане на материал) с адитивно производство. Тази синергия осигурява не само невъобразима свобода по отношение на проектирането на функционалните елементи и характеристики на детайлите, но и драстично минимизиране на загубите на материал. Хибридните подходи правят възможна изработката на сложни изделия, които биха били твърде скъпи или непостижими като дизайн за традиционната металообработка с ЦПУ. Нещо повече – хибридните обработващи центри позволяват гъвкаво комбиниране на методи и материали с цел реализиране на максимум ползи с минимум ресурси, като същевременно гарантират високо качество на крайните повърхности, което е традиционно предизвикателство при 3D печата на метални детайли.

Чрез възможности за рентабилно бързо прототипиране хибридната обработка ускорява процеса по въвеждане в производство и пазарна реализация на нови комплексни дизайни и новаторски продукти, като същевременно подкрепя кръговите модели в индустрията с опции за ремонт на повредени компоненти вместо подмяната им с нови.

Този нов спектър от възможности се опосредства от усъвършенстваните софтуерни платформи за ЦПУ програмиране, които разполагат с функции за детайлна виртуална симулация на даден CAD проект, процес или програма преди реалното им имплементиране в практиката. Така още на фаза компютърен модел се изчистват множество потенциални грешки и проблеми, без да се похабяват действителни ресурси.
Все по-лесни и интуитивни за използване стават и самите човеко-машинни интерфейси, които в допълнение осигуряват широка съвместимост с цялостните платформи за мениджмънт на производствените операции. Всичко това оптимизира производителността, проследимостта и качествения контрол и повишава достъпността на модерната металообработка с ЦПУ за предприятия от всякакъв мащаб.

Компютъризираното управление в наши дни далеч не се ограничава само до популярни операции с отнемане на материал, като рязане, пробиване, фрезоване и струговане, а разширява обхвата си и към заваръчните приложения. Автоматизираното и колаборативното заваряване с ЦПУ формират съвременния облик на съединяването на метални части, конструкции и повърхности, като повишават прецизността, безопасността и качеството.

Персонализирано и устойчиво производство на метални изделия

С разгръщането на четвъртата индустриална революция металообработката с ЦПУ вече не е инструмент единствено на едросерийните производства. Тенденциите за гъвкава персонализация на металните изделия, изработката на нестандартни компоненти и нарастващото търсене на високоспециализирани изделия в малки и дори единични партиди създават потребност от адаптиране на компютъризираната обработка към нови изисквания за точност, ефективност и рентабилност – с фокус върху единичната част с високо качество.

Обширно приложение в подобни сценарии намират дигиталните двойници на изделия и машини, които правят възможно прецизното и детайлно конфигуриране, тестване и валидиране на дизайна и/или производствената програма, за да елиминират в зародиш всички потенциални проблеми. Всичко това значително съкращава времето за доставка на готовия продукт до крайния клиент и понижава разходите при по-малки серии, тъй като не се губят реални материали и ресурси за изпробване на различни комбинации.

Сред технологиите, които оптимизират съвременната металообработка с ЦПУ по посока повишена гъвкавост, достъпност и персонализация, са още разширената и смесената реалност и облачно базираните приложения. Посредством удобни и лесни за интерпретиране виртуални симулации в т. нар. потапящи и реалистични среди операторите могат лесно да бъдат обучени за работа с дадена машина, функция или производствен асортимент, независимо къде се намират. Добавената дигитална информация върху елементи от физическия свят, като материали, заготовки, инструменти или функционални компоненти на машината пък значително улеснява служителите при настройката в реално време, като същевременно опростява диагностиката и процеса по откриването и отстраняването на проблеми и неизправности.

Крайна цел на случващата се през последните години мащабна трансформация на металообработката с ЦПУ е постигане на максимална устойчивост и екологична пригодност с цел намаляване на въглеродния отпечатък на тази ключова производствена дейност. Сред основните приоритети на технологичната модернизация при оборудването и методите са намаляването на загубите на материали и ресурси и пестенето на енергия. В постигането на тази задача се впрягат всички възможни подходи, софтуерни и хардуерни средства, включително екодизайн, сензори и платформи за енергиен мониторинг и мениджмънт, изкуствен интелект, рециклируеми материали, усъвършенствани двигатели и честотни задвижвания, “зелени” смазочни флуиди, стратегии за суха обработка и т. н.