Robotsmedning:En teknologi, der kunne genoplive amerikansk produktion

Selvom det måske ikke er indlysende, der er en tæt forbindelse mellem produktionsteknologi og innovation. Elon Musk taler ofte om "maskinerne, der bygger maskinerne" som værende den virkelige muliggører i både hans rum- og bilindustrien.

Bruger billigere, mere skalerbare processer giver Space X mulighed for at lancere missioner på budgetter og med en hastighed, der ville være utænkelig ved at bruge NASA's old-school fremstillingsmetoder. Og den nye Tesla Cybertrucks uortodokse design ser ud til at drage fordel af en forenklet fremstillingsproces, der gør op med "stempling" af metal til fordel for bøjning og foldning af metalplader.

Nu har en ny fremstillingsmetode kaldet "robotsmedning" potentialet til at revolutionere den måde, hvorpå højkvalitets strukturelle dele fremstilles, resulterer i en ny klasse af tilpassede og optimerede produkter. Jeg er en del af en løs koalition af ingeniører, der udvikler denne proces, en teknik, jeg tror, ​​kan hjælpe med at genoplive amerikansk produktion.

Nutidens teknologier

Metaldele bruges i alle former for højtydende og sikkerhedskritiske applikationer inden for transport, minedrift, konstruktions- og elproduktionsudstyr såsom turbinemotorer. De fleste er lavet ved hjælp af en af ​​et lille antal klassiske fremstillingsprocesser, der ikke har ændret sig meget i årtier.

Bearbejdning skærer råmateriale væk for at få en ønsket form; støbning involverer hældning af smeltet metal i en form; og formning eller smedning deformerer og klemmer metal til nye former. Støbning og smedning til form kræver normalt tilpassede forme eller matricer, der kan tage betydelig tid og omkostninger at designe og fremstille, men når du kører er meget produktive; dele er billige med meget reproducerbare egenskaber. Derfor kan møtrikker og bolte være billige og pålidelige.

Startede kort efter Anden Verdenskrig, digital fremstilling indledte mere agil produktion, først med computernumerisk kontrolbearbejdning, der skærer komponenter af alle slags former fra metalblokke. At producere en anden komponent var lige så simpelt som at lancere et nyt computerprogram. En almindelig ulempe ved computer numerisk kontrol bearbejdning er et lavt "fly-til-køb"-forhold, hvor en 1, 000-pund titaniumblok kan skæres væk for at producere en 100-pund rumfartskomponent. Dette er dyrt og miljømæssigt spild, men der er ikke behov for nye investeringer, og leveringstiderne er korte.

Lige nu, der er også fortjent entusiasme over at lave sådanne dele ved 3-D-print, også kaldet additiv fremstilling. Denne proces laver også dele fra en computerfil efter behov ved at bygge en del et lag ad gangen. Former, der er umulige at lave ved bearbejdning, kan printes, tillader nye former, for eksempel, har interne passager til køling eller kommunikation.

Selvom disse teknikker har deres fordele, de har også ulemper. De producerer ofte ikke de højeste niveauer af styrke eller sejhed, og disse processer er spild.

Robotter plus smedearbejde

Metalredskaber lavet af smede har ofte legendarisk styrke, fordi bearbejdningen af ​​metallet, som at ælte dej, gør dens struktur finere, mere homogen. Efterhånden som materialet formes, det udvikler retningsbestemt styrke, ligesom træ er stærkere i fibrenes retning. Imidlertid, ingen menneskelig smed kan håndtere dele på størrelse med flyets landingsstel eller have reproducerbarheden og udholdenheden til at lave de dele, der er nødvendige for vores økonomi.

Ideen med robotsmede er at udvide smedens kunst med nye digitale muligheder. Dele formes ved gentagne gange og trinvis at danne et stykke metal, som er præcist placeret i en presse. Dette motordrevne presse- eller hammersystem vil udveksle værktøjer afhængigt af den nødvendige form.

Ved at automatisere processen med at forme en del, men ved at bruge en smeds grundlæggende tilgang, en maskine kan behandle større dele og være mere effektiv og reproducerbar, end et menneske nogensinde kunne.

Denne nye tilgang har potentialet til effektivt og konsekvent at lave de strukturelle "knogler" inde i fly, skibe, ubåde og lokomotiver. Eller konceptet kunne nedskaleres til at lave små individualiserede medicinske implantater.

Hvor vil teknologien tage fat?

Det grundlæggende koncept for robotsmedning, formelt kaldet metamorfisk fremstilling, blev demonstreret i 2017, da et hold af studerende fra Ohio State University tilføjede hardware og software til en konventionel computer numerisk styrefræser for at tilpasse den til kontrolleret deformation. Arbejdet var som svar på en US$25, 000 udfordring af det regeringsfinansierede konsortium LIFT (Lightweight Innovations for Tomorrow) for at demonstrere nøglekoncepterne for digitalt styret deformationsbaseret formgivning.

Men det var kun en begyndelse. I dag, Der er meget forskning og udvikling tilbage, før vi har autonome maskiner, der former metal til unikke sikkerhedskritiske genstande.

Fuld udvikling af robotsmeden kræver en syntese af teknologier. Systemet skal kunne kende formen, temperatur og tilstand af materialet på hvert sted af den del, der dannes. Så skal den kunne styre temperaturen for at frembringe den rigtige struktur og egenskaber. Pressen skal klemme komponenten, hvor det er nødvendigt med robotstyring, at deformere delen lidt efter lidt. Og, en computer skal træffe beslutninger om, hvordan den skal flyttes og slå den næste del for at optimere form og egenskaber, lærer ofte af, hvordan tidligere dele blev lavet.

Alle disse basisteknologier udvikler sig hurtigt, og der er ingen grund til, at de ikke hurtigt kan smeltes sammen som en nyttig og praktisk fremstillingsteknologi, som en nylig roadmapping-undersøgelse har vist.

Historien viser, at når forskellige grupper samles for at danne en ny industri, fødestedet for denne innovation (som gør ideen til virksomheder) høster de langsigtede fordele. Detroit med biler og Silicon Valley med computere er indlysende eksempler, men der er også glasfremstilling i Toledo, polymerteknik i Akron og medicinsk udstyrsteknik i Minneapolis. De nyere eksempler på blomstrende tekniske klynger er ofte uden for USA, med personlig elektronikproduktion centreret omkring Shenzhen, Kina, og avancerede halvlederenheder i Singapore. De tidlige klynger var serendipitøse. De senere er normalt resultatet af bevidste og smarte politiske beslutninger.

Der er allerede mange eksempler på stor teknologi, der er født i USA, derefter fremstillet andetsteds. For eksempel, mange af kerneteknologierne i smartphones blev udviklet i laboratorier i USA, men produktionen er nu spredt over hele verden. Den næste bølge af innovation vil sandsynligvis blive placeret, hvor kompetencerne er dybe på grund af bemanding og forbedring af nuværende fabrikker. Robotsmedning giver en mulighed for, at USA kan være førende, hvis det vil. Kernen i at holde denne dydige cyklus i gang hvor som helst er at udvikle fabrikkerne, eller maskinerne, der bygger maskinerne.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.