Hoewel het misschien niet duidelijk is, er is een nauw verband tussen productietechnologie en innovatie. Elon Musk heeft het vaak over de 'machines die de machines bouwen' als de echte enabler in zowel zijn ruimtevaart- als autobedrijf.

Met behulp van minder dure, Dankzij meer schaalbare processen kan Space X missies lanceren met budgetten en met een snelheid die ondenkbaar zou zijn met de ouderwetse productiemethoden van NASA. En het onorthodoxe ontwerp van de nieuwe Tesla Cybertruck lijkt te profiteren van een vereenvoudigd productieproces dat het "stansen" van metaal overbodig maakt ten gunste van het buigen en vouwen van metalen platen.

Nu heeft een nieuwe productiemethode genaamd "robot smeden" het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop hoogwaardige structurele onderdelen worden gemaakt, resulterend in een nieuwe klasse van op maat gemaakte en geoptimaliseerde producten. Ik maak deel uit van een losse coalitie van ingenieurs die dit proces ontwikkelen, een techniek die volgens mij de Amerikaanse productie kan doen herleven.

De technologieën van vandaag

Metalen onderdelen worden gebruikt in allerlei hoogwaardige en veiligheidskritieke toepassingen in transport, mijnbouw, bouw- en energieopwekkingsapparatuur zoals turbinemotoren. De meeste worden gemaakt met behulp van een van een klein aantal klassieke productieprocessen die in decennia niet veel zijn veranderd.

Machinale bewerking snijdt ruw materiaal weg om een ​​gewenste vorm te krijgen; gieten omvat het gieten van gesmolten metaal in een mal; en vormen of smeden vervormt en perst metaal in nieuwe vormen. Gieten en smeden in vorm vereist meestal aangepaste mallen of matrijzen die veel tijd en kosten kunnen vergen om te ontwerpen en te vervaardigen, maar eenmaal hardlopen zijn ze erg productief; onderdelen zijn goedkoop met zeer reproduceerbare eigenschappen. Dit is de reden waarom moeren en bouten goedkoop en betrouwbaar kunnen zijn.

Beginnend kort na de Tweede Wereldoorlog, digitale productie leidde tot meer agile productie, eerst met computernumerieke besturing die onderdelen van allerlei vormen uit metalen blokken snijdt. Het produceren van een ander onderdeel was net zo eenvoudig als het lanceren van een nieuw computerprogramma. Een veelvoorkomend nadeel van het machinaal bewerken van computernumerieke besturing is een lage "fly-to-buy"-ratio, waar een 1, 000-pond titanium blok kan worden weggesneden om een ​​lucht- en ruimtevaartcomponent van 100-pond te produceren. Dit is duur en milieuverkwistend, maar er zijn geen nieuwe investeringen nodig en de doorlooptijden zijn kort.

Direct, er is ook terecht enthousiasme over het maken van dergelijke onderdelen door middel van 3D-printen, ook wel additieve fabricage genoemd. Dit proces maakt op aanvraag ook onderdelen van een computerbestand door een onderdeel laag voor laag te bouwen. Vormen die niet machinaal te maken zijn, kunnen worden afgedrukt, nieuwe vormen toelaten die, bijvoorbeeld, hebben interne doorgangen voor koeling of communicatie.

Hoewel deze technieken hun voordelen hebben, ze hebben ook nadelen. Ze produceren vaak niet de hoogste niveaus van sterkte of taaiheid en deze processen zijn verspilling.

Robots plus smeden

Metalen werktuigen gemaakt door smeden hebben vaak een legendarische kracht omdat de bewerking van het metaal, zoals het kneden van deeg, maakt de structuur fijner, homogener. Naarmate het materiaal wordt gevormd, het ontwikkelt richtingskracht, net zoals hout sterker is in de richting van zijn nerf. Echter, geen enkele menselijke smid kan omgaan met onderdelen ter grootte van een landingsgestel van vliegtuigen of de reproduceerbaarheid en het uithoudingsvermogen hebben om de onderdelen te maken die nodig zijn voor onze economie.

Het idee van robotsmeden is om de kunst van de smid uit te breiden met nieuwe digitale mogelijkheden. Onderdelen worden gevormd door herhaaldelijk en stapsgewijs een stuk metaal te vormen dat precies in een pers wordt geplaatst. Dit aangedreven pers- of hamersysteem wisselt gereedschappen uit, afhankelijk van de benodigde vorm.

Door het proces van het vormen van een onderdeel te automatiseren, maar met de basisbenadering van een smid, een machine kan grotere onderdelen behandelen en efficiënter en reproduceerbaarder zijn dan een mens ooit zou kunnen.

Deze nieuwe aanpak heeft het potentieel om op efficiënte en consistente wijze de structurele 'botten' in vliegtuigen, schepen, onderzeeërs en locomotieven. Of het concept kan worden verkleind om kleine geïndividualiseerde medische implantaten te maken.

Waar zal technologie voet aan de grond krijgen?

Het basisconcept voor robotsmeden, formeel metamorfe fabricage genoemd, werd in 2017 gedemonstreerd toen een team van studenten van de Ohio State University hardware en software aan een conventionele computerfreesmachine met numerieke besturing toevoegde om deze aan te passen voor gecontroleerde vervorming. Het werk was in reactie op een US $ 25, 000 uitdaging van het door de overheid gefinancierde consortium LIFT (Lightweight Innovations for Tomorrow) om de belangrijkste concepten van digitaal gecontroleerde op vervorming gebaseerde vormgeving te demonstreren.

Maar dat was nog maar een begin. Vandaag, er is nog veel onderzoek en ontwikkeling nodig voordat we autonome machines hebben die metaal tot unieke veiligheidskritieke items vormen.

Het volledig ontwikkelen van de robotsmid vereist een synthese van technologieën. Het systeem moet de vorm kunnen kennen, temperatuur en conditie van het materiaal op elke locatie van het onderdeel dat wordt gevormd. Dan moet het de temperatuur kunnen regelen om de juiste structuur en eigenschappen te produceren. De pers moet het onderdeel waar nodig knijpen met robotbesturing, het onderdeel beetje bij beetje vervormen. En, een computer moet beslissingen nemen over hoe het volgende onderdeel moet worden verplaatst en geraakt om de vorm en eigenschappen te optimaliseren, vaak leren van hoe eerdere delen werden gemaakt.

Al deze basistechnologieën vorderen snel, en er is geen reden waarom ze niet snel kunnen worden samengevoegd tot een nuttige en praktische productietechnologie, zoals een recente roadmapstudie heeft aangetoond.

De geschiedenis leert dat wanneer verschillende groepen samenkomen om een ​​nieuwe industrie te vormen, de geboorteplaats van die innovatie (het idee omzetten in bedrijven) plukt de vruchten op de lange termijn. Detroit met auto's en Silicon Valley met computers zijn duidelijke voorbeelden, maar er is ook glasproductie in Toledo, polymeertechniek in Akron en techniek voor medische apparatuur in Minneapolis. De meer recente voorbeelden van bloeiende technische clusters bevinden zich vaak buiten de VS, met productie van persoonlijke elektronica rond Shenzhen, China, en geavanceerde halfgeleiderapparaten in Singapore. De vroege clusters waren toevallig. De laatste zijn meestal het resultaat van weloverwogen en slimme beleidsbeslissingen.

Er zijn al veel voorbeelden van geweldige technologie die in de Verenigde Staten is geboren, vervolgens elders vervaardigd. Bijvoorbeeld, veel van de kerntechnologieën in smartphones zijn ontwikkeld in laboratoria in de VS, maar de productie is nu over de hele wereld verspreid. De volgende innovatiegolf zal zich waarschijnlijk daar bevinden waar de vaardigheden diepgaand zijn vanwege het personeel en het verbeteren van de huidige fabrieken. Robotsmeden biedt de Verenigde Staten de mogelijkheid om de leider te zijn als ze dat willen. De kern om deze heilzame cyclus op elke locatie in stand te houden, is het ontwikkelen van de fabrieken, of de machines die de machines bouwen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.