🏭 Ograniczenia tradycyjnego wytwarzania produktów
Aktualnie stosowane metody wytwarzania produktów z roku na rok są na coraz wyższym poziomie inżynierskim. Tradycyjny proces produkcji wymaga jednak stosunkowo bardzo dużych nakładów pracy ludzkiej, pieniędzy i zużytej energii, patrząc na cały proces produkcyjny. Szczególnie robi się to kosztowne, kiedy chcemy produkować przedmioty małoseryjne i szybko wdrażać nowe rozwiązania. Nawet przy zmaksymalizowaniu procesu automatyzacji trzeba wpierw opracować i wybudować specjalistyczną linię produkcyjną pod określone (typy) elementów. Przy tym trzeba również zużywać bardzo duże ilości energii na potrzeby produkcji w całym cyklu życia produktu. Dodatkowo trzeba uwzględnić ilości materiałów i energii do całego procesu przygotowania produkcji.
Szczególnie problemy zaplecza produkcyjnego uwypuklają się również przy planowaniu kolonizowania kosmosu. Trudno o ziemski model produkcji w przestrzeni kosmicznej.
W obliczu ostatniej pandemii szczególnie dały się nam we znaki przerwane łańcuchy dostaw. Poza brakiem komponentów w fabrykach, również uwypukliły się trudności w szybkim uruchomieniu/przestawieniu profilu produkcji fabryk. Wystąpiła nagła potrzeba, aby produkować lokalnie produkty najpilniejszej potrzeby jak maski, respiratory itp. Jak się okazuje, uruchomienie, a nawet przestawienie linii produkcyjnych wymaga gigantycznych nakładów pracy inżynierskiej/projektowej, organizacyjnej i wykonawczej.
Aby na tej samej linii produkować inne produkty (o ile to możliwe), wymagane są zazwyczaj znaczące zmiany hardware i software w linii produkcyjnej. Poza samym procesem produkcji pozostaje proces zaprojektowania produktu i całego procesu technologicznego. Pomimo systemów komputerowego wspomagania projektowania/wytwarzania itp. (CAX – Computer Aided Design/Manufacturing etc.) nadal projektowanie wymaga znaczących nakładów pracy ludzkiej.
Czy to źle – dobrze? Ciągle jako ludzkość ulepszamy procesy produkcji jak same elementy, co jest oczywiście jak najbardziej zgodne z ideą rozwoju ludzkości. Oczywiście tego postępu nie potępiam, a jedynie chciałbym rozważyć postęp w trochę innym kierunku. Nie neguję również całego dorobku naukowo-inżynierskiego ludzkości, bo bez tego dorobku w tym momencie rozwoju technicznego nie moglibyśmy rozmawiać o tej idei rozwoju wytwarzania.
🖨️ Rewolucja w produkcji i druku 3D?
Jako inżynier mechatronik czuję w kościach, że czeka nas rewolucja w zmianie poziomu abstrakcji procesu projektowania i produkcji poprzez wykorzystanie sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego.
Również przewiduje kompletnie inne od dzisiaj znanych technologii produkcji. Rewolucja wytwarzania poniekąd jest już zapoczątkowana poprzez druk 3D. Jak widać na przestrzeni wieków pewne technologie dochodzą do granic swoich możliwości i często są zastępowane przez nowe „rewolucyjne” technologie. Przykładowo komputery (i elektronika) lampowe ze względu na swoje ograniczenia zostały wyparte przez diametralnie wydajniejsze i bardziej kompaktowe komputery „krzemowe”, z których aktualnie wyciskamy siódme poty. Ze względu naswoje fizyczne ograniczenia wydajności komputery „krzemowe” zostaną prawdopodobnie wyparte przez komputery kwantowe diametralnie przewyższające obecne technologie mocą obliczeniową, jak i efektywnością energetyczną i być może rozmiarami.
Druk 3d jako etap
przejściowy między produkcją taśmową a dowolnym stwarzaniem przedmiotów
Druk 3D co założenia złożenia ma eliminować wiele z powyższych niedogodności. Proces produkcji ma zakładać, aby jedno urządzenie mogło wyprodukować „dowolne” elementy. Jednakże obecne technologie mają swoje ograniczenia. Tylko sam proces druku 3D obecnie opiera się na ewolucji dobrze znanego standardu inżynierskiego. Czyli projekt -> produkcja poprzez urządzenie wyprodukowane i korzystające z rozwiązań dobrze znanych metod produkcji. Drukarka jest urządzeniem odwrotnym do obrabiarki (CNC), która usuwa nadmiar materiału, pozostawiając oczekiwany przedmiot, gdzie w druku 3D jest proces odwrotny. Jednak ciągle pozostajemy przy mozolnej pracy na kolejnych bardzo małych warstwach/porcjach materiału.
Niedościgniony ideał
procesu projektowania i produkcji
Cel? Najwyższa
niedoścignioną forma abstrakcji procesu wytwarzania/produkcji jest za jest
słowo (myśl). Nawet pomijając aspekty teologiczne, to niedościgniony ideał najwyższej
formy abstrakcji wytwarzania jest zawarty paradoksalnie w „nieinżynierskiej”
Biblii, gdzie za pomocą słowa Bóg tworzy cały świat z określonymi
funkcjonalnościami. Schodząc bliżej ziemi, celem jest, aby człowiek za pomocą
jak najmniejszej ilości włożonej pracy (w proces projektowania i produkcji)
uzyskiwał jak najbardziej funkcjonalny, wytrzymały itp. produkt.
Być może sztuczna inteligencja będzie w stanie nawet wyprzedzić nasze
oczekiwania w tym, co jest nam potrzebne…
Kolejnym niedoścignionym
Celem jest zabranie zajęcia ekologom w kwestii recyklingu. Czyli produkt dowolnie zmieniający swoje przeznaczenie
(formę, kształt, właściwości) w zależności od potrzeb człowieka.
2: główne drogi do wytwarzania
produktów na wyższym poziomie abstrakcji
🤖 Zwiększenie poziomu abstrakcji programowania przy wykorzystaniu sztucznej inteligencji
Praktyka pokazuje, że sztuczna inteligencja to obecnie termin często nadużywany przy zastosowaniach produkcyjnych/projektowych. Algorytmy przewidujące przeróżne scenariusze to jeszcze za mało. Jeszcze jest pewna droga do złożonego procesu abstrakcyjnego. Mam na myśli zdolności przetwarzania naszych ludzkich poleceń w realizację ich z pomocą komputerów, jak i aktuatorów (mechanizmów wykonawczych np. ramię robota) przez nich sterowanych. Trzeba przyznać, że języki programowania powoli zwiększają poziom abstrakcji, czyli pod jedną komendą kryje się coraz więcej linijek kodu maszynowego i wykonywanych operacji. To, co w prostszych (o niższym poziomie abstrakcji) językach programowania zajmowało kilkadziesiąt linijek kodu koniecznych do zaprogramowania przez człowieka, kryje się w jednej komendzie. Pokażę na najprostszym przykładzie zwiększania poziomu abstrakcji zaprogramowania wyświetlenia „Hello World” w 2 różnych językach programowania.
Przykładowo
#include <stdio.h>
int main(void)
{
printf("Hello, world!\n");
return 0;
}
print („Hello World”)
⚙️ Automatyzacja procesu projektowania
Oczywiście jeszcze jest nam daleko do poziomu abstrakcji programowania, gdzie byśmy prostymi słowami mogli opisywać pożądane funkcjonalności, a maszyna nawet wyprzedzałaby nasze oczekiwania. Jednakże małymi krokami przybliżamy się do tego etapu rozwoju ludzkości. Rewolucja ta najprawdopodobniej będzie wynikała z rozwoju sztucznej inteligencji w celu zwiększania poziomu abstrakcji programowania/projektowania jak do rozwoju techniki wytwarzania. Optymalizacja topologiczna odpowiedzialna za najbardziej optymalną konstrukcję. Przydatny będzie tu rozwój sztucznej inteligencji, algorytmów genetycznych itp., które odpowiedzialne byłyby za przyspieszoną ewolucję zastosowanych rozwiązań, kształtów, dobór materiałów i procesu obróbki itp. Przewidywanie słabości, potencjalnych zagrożeń itp. Celem jest stworzenie takiego programu, gdzie w szybki sposób możemy zadać wytyczne funkcjonalne dla ostatecznego produktu.
Rewolucja w technologii wytwarzania dowolnych produktów jako ewolucja druku 3D.
Standardowy druk 3D ma wiele zalet, jak i wiele wad.
Wady druku 3D do pokonania:
- Addytywność wielu rozwiązań wiąże się to z ograniczoną wytrzymałością materiału na kiedy moment działa prostopadle do poziomu warstw. Częściowo jest to rozwiązane w metodzie spiekania proszku metalowego. W dodatku addytywność ogranicza często szybkość wytwarzania produktów, jak również pogarsza jakość powierzchni. Zazwyczaj addytywność polega na przyroście produktu w jednym punkcie na raz. Potrzeba jest zwiększenia szybkości wytwarzania poprzez zwiększenie punktów, gdzie będzie pisany/przetwarzany materiał. Jednak rewolucja będzie dopiero wytwarzania prawdziwie w 3 wymiarach na raz poprzez przetwarzanie materiału w „nieskończonej” (a jednak skończonej) punktów naraz. Czyli
- Wytrzymałość jest zazwyczaj ograniczana ze względu na addytywność. Wytrzymałość jest zdecydowanie mniejsza przy działania działających równolegle do płaszczyzny dodawanych warstw. Szczególnie to się uwidacznia przy najpopularniejszej metodzie drukowania z tworzywa ABS. Rozwiązaniem jest:
- drukowanie w wielu punktach/płaszczyznach jednocześnie
- Wielopłaszczyznowe drukowanie przy wykorzystaniu „stolika” 5-osiowego lub głowicy wieloosiowej pozwalającej na przenikanie się warstw
- Wykorzystywanie zbrojenia przenikającego warstwy drukowania.
- Probabilistyczna natura druku w skali mikro połączona z optymalizowaną strukturą w skali makro. Probabilistyczna nieostra natura pozwala na przenikanie się warstw
- Tworzenie przedmiotów w sposób równomierny w „nieskończenie” wielu punktach na raz.
- Druk organiczny za pomocą kierowanego przyrostu form organicznych jako szkieletów do metalizowania, wypełniania materiałem itp. Więcej o druku 3D (stwarzaniu) organicznym w artykule: https://quantumidea.pl/2019/08/08/stwarzarka-organiczna/
- Wielowymiarowe przemiany chemiczne inicjowane falowo, np. falą elektromagnetyczną, pozwalające na szybki przyrost materiału w niemal nieskończonej liczbie punktów.
- Teleportacja kwantowa…
Dziękuję za uwagę, drogi Czytelniku.
inż. Dominik Stępień