Развитие на адитивното производство в Industry 4.0

Четвъртата индустриална революция се определя като следващата фаза в дигитализацията на производствения сектор, предизвикана от четири фактора: увеличаването на обема на данните, изчислителната мощност и свързаността; аналитичните и бизнес аналитичните способности; взаимодействието човек-машина; подобренията в преноса на цифрови инструкции към физическия свят. Взети заедно, те полагат основите на революция, по-всеобхватна отвсякога.

Комбинация от фактори – падащите цени и повишаването на производителността на използвания хардуер и софтуер, дигитализацията на индустрията, увеличаването на свързаността и нарастващият натиск върху производителите да бъдат по-гъвкави и екологични, вероятно ще ускори прехода към следващото поколение усъвършенствани производствени технологии. В близко бъдеще те могат да трансформират световното производство в много отрасли, тъй като интелигентните системи – в домове, фабрики, ферми, мрежи или градове, ще помогнат за справяне с проблеми, вариращи от управлението на веригата за доставки до изменението на климата.

Един от стълбовете на тази революция е адитивното производство (АП), наричано още 3D печат. Адитивното производство вече се използва за направата на някои детайли в специфични сектори, като например медицински импланти, и за производството на пластмасови прототипи за инженери и конструктори. И докато триизмерният печат е придобил голяма популярност при потребителите и малките предприемачи, технологията би могла да окаже най-значимо и трайно търговско въздействие в рамките на производствения отрасъл.

Парните генератори и механизацията дадоха началото на първата индустриална революция, последвана от оптимизацията на производството на Хенри Форд чрез поточните линии във втората, а третата дойде с напредъка в компютрите и автоматизацията. 
В рамките на Industry 4.0 киберфизичните системи ще осигурят перфектната среда за оптималното развитие на адитивното производство. За да може АП да се използва напълно в повечето индустриални приложения, е необходимо да се преодолеят няколко препятствия – от ограниченията по отношение на размера на детайлите и затрудненията при смесване на материалите в един производствен цикъл, до подходящото обучение на персонала.

Сред огромните предимства, които предлага адитивното производство, са повишена скорост на производство, висока степен на свобода при проектиране и редуциране на веригата за доставки. В сравнение с други методи, АП позволява да се създават персонализирани детайли в кратък период от време. Това бързо създаване на прототипи дава на инженерите възможността да се докоснат до идеите си просто чрез начертаване на детайла чрез софтуер и бързо получаване на модел.

Практическото изпитване, тестването и променянето на детайлите могат да бъдат извършени бързо, като по този начин пътят към производството в Industry 4.0 среда драстично се скъсява. Адитивното производство позволява на инженерите по-голяма свобода на проектиране, тъй като ограниченията на традиционните производствени методи вече не са фактор – постижимите сложни геометрии дават възможност на конструкторите да проектират продуктите с оглед на функцията им. Веригите за доставки също ще бъдат засегнати по значим начин, тъй като разходите за съхраняване на огромни количества инвентар и глобалните доставки ще намалеят и повечето детайли ще се отпечатват при поискване.

Ползи от адитивното производство
При адитивното производство материалът се полага на слоеве посредством печатаща глава, подобна на тази на мастилено-струен принтер. Обикновено принтерът е единствената производствена машина, необходима за изработката на продукта. Следователно АП силно се различава от традиционните техники, които основно разчитат на отстраняването на материал чрез рязане или пробиване (процес на отнемане) и където производственият процес може да включва няколко машини. Базата за триизмерния печат са 3D модели на продукта, създадени в CAD системи.

Появяват се нови възможности за производство, тъй като всичко, което е налично в дигитален формат, може да бъде отпечатано. Тези възможности включват създаване и производство на отделни продукти у дома, професионално производство на персонализирани продукти и рационализиране на съществуващите производствени процеси.

Триизмерният печат е трансформационна технология, която предлага потенциал за промяна на веригата за доставки във вида, в който я познаваме днес. Тя разширява съществуващата концепция за разработване на продукти и позволява на хората не само да разработват продукти, но и да ги произвеждат. Традиционните инструменти за 3D проектиране се превърнаха в инструменти за проектиране на продукти, които да бъдат отпечатани. Това оказва влияние върху процеса на проектиране в Industry 4.0, като добавя гъвкавост при прототипиране.

Още по-впечатляваща е възможността чрез 3D печата да се преминат някои граници в дизайна на продукта – нещо, което допреди няколко години се смяташе за непостижимо. Възможно е да се създават нови геометрии и в цялостния продукт да се интегрират части, които при прилагане на технологиите на отнемане би трябвало да се произвеждат отделно и да се монтират на оригиналния продукт с помощта на болтове или винтове.
Освен това при 3D принтирането се използват все повече видове суровини. Времето, когато бе възможно да се използват само полимери, отмина – днес стоманата, алуминият и титанът се разглеждат като суровинни материали за 3D печат.

Технологиите за 3D принтиране могат да се използват по време на целия производствен цикъл – от създаването на прототип до изработката на продукта. Масовото производство на стандартни детайли обаче не е най-доброто приложение на тази технология. Триизмерният печат е незаменима методология, когато става дума за производство на малки партиди високоперсонализирани продукти, защото предлага голяма гъвкавост, изработка при поискване и бърза доставка. Също така, възможността да се произвеждат сложни детайли в тяхната цялост прави технологията по-рентабилна от традиционно прилаганите. Освен това е важен фактът, че могат да се принтират детайли, които не биха могли да бъдат произведени по традиционен начин.

Гъвкавостта на триизмерното принтиране също ще открие възможности за споделяне на производствените мощности между различните компании, работещи в съответствие с принципите на Industry 4.0, като по този начин активите ще се използват по-пълноценно. Това ще се отрази благоприятно и на ръста на продажбите, защото ще позволи приемането на поръчки, които иначе не биха могли да бъдат взети поради ограничения във фирмения капацитет.

Триизмерният печат ще промени и разпространението на продуктите, тъй като те ще могат да бъдат произведени навсякъде, където има налични суровинен материал и принтер. Теоретично, един производител няма да има нужда от големи производствени площи, тъй като продуктът, който той проектира, може да бъде отпечатан на подходящите места по целия свят. Така разходите за дистрибутиране ще се запазят ниски, а планирането на разпространението и производството ще се улесни. Вече са налице инициативи в изработката на резервни части, при които авиокомпании се стремят да намалят разходите си за допълнителни складови наличности чрез възприемането на подход за производство при необходимост.

Софтуер и 3D печат
Нарастването на обема на данните е неизбежно и трябва да се обмисли как това се вписва в света на фабриките от Industry 4.0 поколение, които използват 3D печат. Както е известно, веригата за доставки и логистичният софтуер са от решаващо значение за обслужването на голямото разнообразие от клиенти. Целият жизнен цикъл на продукта също се нуждае от софтуер, адаптиран към новата фабрична среда. Три области на софтуера ще бъдат от решаващо значение за първоначалния успех в това:

• Управление на жизнения цикъл на продукта (PLM), което е в основата на целия дизайн на изделието. Водещите компании за PLM вече са изцяло ангажирани в разработването на решения за интеграция със системи за 3D принтиране и предлагането на инструменти за проектиране на готови за 3D печат детайли.
• Специализиран софтуер за адитивно производство, който да отчита най-сложните проблеми, включително свързаните с оптимизацията на проекта, планирането на печата и действителното управление на принтера.
• Системи за управление на производствените операции (MOM), които вече са често срещани при дискретното производство. MOM ще бъдат от критично значение за връзката между традиционното планиране на производството и изпълнението на 3D принтерите.

Предизвикателства и бъдещи насоки
Адитивното производство в индустрията понастоящем е в преломен етап, тъй като все повече и повече промишлени единици са започнали да го прилагат както за бързо прототипиране, така и за производството на продукти. Използването на 3D принтер в Industry 4.0 надминава стандартизацията и отпечатването на инструменти и малки предмети.

В АП успешно могат да се използват както термопластични полимери като полилактид (PLA) или акрилонитрил-бутадиен-стирен (ABS), фоточувствителни смоли, керамика, цимент, стъкло, така и редица метали, термопластични композити, подсилени с въглеродни нанотръбички и влакна от биологични продукти, храни, фармацевтични продукти и др. Оптимизирането на процесите и избора на параметрите му са ключови фактори за успеха на технологията.

АП може да осигури жизнеспособна алтернатива на базираната на прогнозиране индустрия чрез въвеждане на производство при поискване. Този подход е подобен на стратегията за печатане при поискване, широко използвана в печатарската индустрия, където предварително създадена книга се допечатва от нейното цифрово копие, когато клиент е подал поръчка. Това означава, че съхранението на произведената част може да не е за дълъг период от време или изобщо да не е необходимо.

Ще бъде запазен единствено дигиталният проект на детайла, който ще бъде използван за адитивното производство на частите при поискване, които ще бъдат изпращани до клиентите непосредствено след изработката им. Също така много детайли могат да бъдат произведени в реално време при подаването на поръчка.
Независимо от факта, че преките разходи за производство на продукти с нови методи и споменатите материали обикновено са по-високи, гъвкавостта, предлагана от АП в Industry 4.0 среда, означава, че общите разходи могат да бъдат значително по-ниски. Именно размерът на разходите е сред най-важните определящи фактори за индустриалното прилагане на AП.

Реализирането на вече обсъдените потенциални ползи от адитивното производство изисква решаването на някои от настоящите проблеми – времето за изработка, високите първоначални разходи, непрекъснатия производствен процес, материалите, механичните свойства и спецификациите на стандартите.
Изграждането на един продукт в АП изисква препращането на дигиталния проект към принтера.

Това позволява не само неограничен брой прегледи, нанасяния на корекции и подобрения на продукта, но и възможност за много по-сложни конструкции и стратегии за внедряване. Например въпросът за оптимизирането на производството и интегрирането на стари и нови процедури при подобряването на дизайна ще трябва да бъде решен по най-рентабилен начин. Може да не е разумно да се инвестира в нов 3D принтер всеки път, когато дигиталният проект се промени и подобри, а настоящата машина не може да го изпълни.

Обемът на склада за изходна суровина, адаптивността на размера и формата на самата насипна суровина в склада и изборът на взаимно противоречащите си цели за постигане на по-високи резолюции и скорост следва добре да бъдат обмислени. Предимството на разходите за внедряване на 3D печат, по-специално по отношение на разходите за замяна на конкурентна конвенционална технология при производството на продукта, трябва да се оценят внимателно.

Необходимостта от приспособяване на материали, които да отговарят на специфичния производствен процес и продукт, може да наложи употребата на повече суровини, използването на различни доставчици или изграждането на инсталация за производство на суровинни материали в непосредствена близост до съоръжението за АП. Подобни усилия значително ще увеличат разходите за суровини и капиталови инвестиции.

Приложението на адитивното производство в Industry 4.0 изисква скъпо оборудване, което да замести традиционните линии, а консумацията на енергия в случая при производство на големи метални и керамични компоненти (например, поради употребата на лазер) трябва да бъде балансирана с перспективата за спестяване на материали и енергия чрез нулево генериране на отпадъци и висока производителност.

За внедряването на АП в промишлеността ще са нужни усилия в три основни области: разходи, сравняване на ползите от АП пред традиционното производство на един и същ детайл, и подобряване на скоростта на реализиране на тези ползи. Разходите се определят като едно от основните предизвикателства. Инвестициите за машини за АП варират между 50 и 75% от общите производствени разходи, докато разходите за материали са между 20 и 40%, а за труд – между 5 и 30%.

Намаляването на тези разходи може да има значителен ефект върху приемането на АП технологиите от гледна точка на качеството, проверка на производителността и разширяването на възможностите за производство на продукти с големи габарити. Възможността детайлите да бъдат произведени навсякъде масово при поискване и чрез потребителска персонализация на продуктовия дизайн може да бъде ограничена поради рестрикции по отношение на материалите, валидацията и сертификацията. Тези съображения са от огромно значение в секторите, в които се наблюдава ръст в приложението на АП – авиационната, автомобилната и биомедицинската индустрия.

Изключително засиленият ръст в областта на АП създаде много нови възможности в производството през последните две десетилетия. Повечето организации обмислят внедряването на подходи, основаващи се на AП, за малки партиди детайли и концептуални модели. Адитивното производство се използва и в образованието за превръщането на различни творчески идеи във физически модели. Свързаните с машините за АП повърхностни ограничения и точност на размерите на продукта обаче все още са важни фактори, за които са необходими допълнителни иновации. Една от последните тенденции е добавянето на отнемаща система в комбинация с AП. Целта на отнемащия инструмент е да подобри финиша на повърхността и да сведе до минимум дефектите между слоевете.

Друг проблем при AП е възпроизводимостта. Тъй като всеки детайл се изгражда слой по слой, качеството му за различни машини или за една и съща машина в различно време трябва да е едно и също. В противен случай чрез AП няма да могат да се произвеждат детайли за критични приложения. Този проблем е по същество сложен поради подходите на АП. За повечето АП процеси се използват прахообразни метали, при които размерите и формите на частиците варират от партида до партида. Източникът на топлина обикновено е лазер или електронен лъч, като както интензитетът, така и диаметърът на лъча могат да се променят по време на експлоатация на машината. Всички тези параметри трябва да бъдат оптимизирани за различни материали, за да се осигури възпроизводимо качество на произвежданите детайли.

Все по-популярно става и адитивното производство с няколко вида материали. При тази технология доброто разбиране на взаимодействието между материалите и познаването на тяхната обработваемост са ключови фактори за успешното производство на детайла.