Indiferent de specificul activității unei întreprinderi (și cu precădere în cele din industria mecanică), procesul de dezvoltare a unui nou produs, în accepțiunea clasică a acestei activități, presupune un ciclu de iterații, pe parcursul cărora acesta, împreună cu tehnologia aferentă de fabricație, circulă între planșetă proiectanților și bancurile de probă. Aceste iterații costisitoare - invariabil generatoare de întârzieri la apariția produsului pe piață - pot fi mult scurtate prin utilizarea calculatorului inclusiv în zona de prelucrare - CAM
Participând în urmă cu ceva timp la o discuție despre ingineria asistată, m-am făcut susținătorul ardent al modalităților de definire virtuală a produselor. Iritat probabil de vehemența cu care-mi susțineam ideile, un reprezentant al generației "riglei de calcul" a propus un nou și foarte simpatic concept: "Salariul virtual" care ar urma să răsplătească "activitatea virtuală" pe care inginerii o depun. Bineînțeles că odată ajunsă aici, discuția a căpătat brusc conotații tragi-comice referitoare la salariile "aproape virtuale" ale inginerilor din perioada de tranziție, fiind practic imposibil să-mi continui argumentația. Dar, pentru ca nu cumva, să rămână cineva cu impresia că pledoaria mea susținea abdicarea de la valorile tradiționale, palpabile, și înlocuirea lor cu cine știe ce concepte "startrek-iste" (holospațiu, replicator, teleportare...) îmi voi face o plăcută datorie din a prezenta punctele de vedere al căror avocat devenisem...
Încă de la originile producției industriale unul dintre obiectivele declarate ale oricărui industriaș a fost obținerea unui produs mai ieftin, de calitate mai bună și cu un ciclu cât mai scurt de fabricație. Dacă la începutul secolului XX principiile enuntațe de Adam Smith precum și inovațiile manageriale ale lui Henry Ford și Alfred Sloan au fost de natură să crească eficiența întreprinderilor cu un ordin de mărime, în pragul secolului XXI modelul organizațional propus de aceștia, pare să fie din ce în ce mai mult o paradigmă a trecutului. Evoluând într-un mediu concurențial tot mai acut și adresându-se unor piețe din ce în ce mai pretențioase, societățile industriale din zilele noastre sunt nevoite să se reinventeze în fiecare moment, să caute în permanență acele tehnologii și soluții manageriale care să le asigure supraviețuirea.
Indiferent de specificul activității unei întreprinderi (si cu precădere în cele din industria mecanică), procesul de dezvoltare a unui nou produs, în accepțiunea clasică a acestei activități, presupune un ciclu de iterații, pe parcursul cărora, acesta și respectiv tehnologia aferentă de fabricație circulă între planșetă proiectanților și bancurile de probă. Aceste iterații, costisitoare și invariabil generatoare de întârzieri la apariția produsului pe piață, sunt necesare în încercarea de a alinia performanțele produsului cu cele formulate de caietul de sarcini, respectiv pentru a se obține o metodologie de fabricație stabilă, cât mai ieftină și care să asigure calitatea produsului și repetabilitatea acesteia.
Una din metodele verificate pentru creșterea vitezei de reacție la stimulii pieței constă în adoptarea unei soluții de inginerie asistată modernă, completă, eficientă, care să elimine prin natura ei, operațiunile de rutină, mari consumatoare de timp și resurse umane, specifice proiectării clasice, în favoarea activităților direct creatoare.
Figura alăturată, prezintă într-un mod sintetic fluxul informațional dintr-o "întreprindere virtuală" și avantajele pe care adoptarea unei astfel de tehnologii le aduce utilizatorilor ei. Spus în cuvinte, pe baza informațiilor de piață și a rezultatelor pe care diviziile de cercetare le pun la dispoziția proiectanților, aceștia concep produsul (ansamblu/subansamble/repere), utilizând un software CAD (3D de regulă) aliniat principiilor ingineriei concurente, ce facilitează utilizarea sinergiilor colective, întru realizarea unei entități competitive.
Chiar și în aceste condiții și oricât de performantă și calificată ar fi echipa ce a participat la proiectare, în drumul său către omologare produsul trebuie să facă dovada calităților sale. Pentru a se elimina ciclu lung și costisitor pe care-l presupune construirea și testarea reală a variantelor unui produs, precum și pentru a se putea evidenția încă din stadiile incipiente ale proiectului eventualele erori conceptuale (supradimensionări, blocaje, moduri proprii rezonante, etc.), entitățile geometrice proiectate, completate cu date specifice (sprijiniri, încărcări, materiale, etc.) vor fi analizate cu ajutorul programelor specializate. De menționat că această etapă are loc înainte de construirea oricărui prototip fizic, produsul putând fi analizat sub o multitudine de aspecte (de la o banală analiză statică până la complicate analize de crash), într-un număr oricât de mare de situații (critice). De asemenea prin rularea unor aplicații de optimizare (parametrică sau topologică) design-ul de produs poate fi îmbunătățit în baza criteriilor impuse, reducându-se astfel la minim probabilitatea de a fi necesare modificări ale produsului în fazele finale.
În timpul procesului creator, designer-ul nu trebuie să fie constrâns de factorul tehnologic pentru a-și putea descătușa imaginația și experiența pentru realizarea unui produs cât mai novator. În măsura în care echipele de tehnologi, grație aceluiași mod de lucru concurențial, se vor putea implica în proiect cât mai devreme, aceștia vor putea impune din timp modificările necesare pentru ca produsul să poată fi încadrat într-un anumit pret de fabricație. Această ajustare a proiectului de produs se poate face printr-o buclă de feed-back chiar în timpul proiectării tehnologiilor prin care acesta urmează a fi realizat.
Pentru a se evita situațiile neplăcute, în care, după ce etapa pregătirii de fabricație a fost depășită, se constată că tehnologia adoptată determină o cantitate mare de rebuturi sau o calitate necorespunzătoare, fiind necesare ajustări sau chiar modificarea radicală a acesteia, este recomandat ca modalitățile de fabricație să fie analizate și optimizate cu ajutorul unui software de simulare de proces.
Toate operațiile enumerate până acum se desfășoară cu cheltuieli minime, dar cu posibilități de reacție la eroare maxime, pe monitorul calculatorului. Spațiul virtual în care produsul a evoluat până la acest moment, a permis validarea soluției finale și a tehnologiilor de realizare, determinând în același timp atingerea obiectivelor economice enunțate mai devreme prin eliminarea prototipurilor fizice și prin înlocuirea unui proces liniar si iterativ cu unul concurențial (în care anumite procese se desfășoară în același timp, informațiile și modificările propagându-se în timp real între membrii echipei).
Ne aflăm în acest moment în posesia unui proiect excelent, a cărui singură problemă constă în faptul că este doar un proiect. Ori scopul final este produsul fizic! Interfața între mediul virtual descris anterior și lumea tactilului o reprezintă sistemele de fabricație asistată (Computer Aided Manufacturing).
Funcție de utilitatea finală, de nivelul tehnologic al producătorului, de piața căruia i se adresează, modalitățile de fabricație a unui reper sunt specifice, însă de cele mai multe ori ele constau în operații individuale sau în suma mai multor operații, dintre cele prezentate mai jos:
Din perspectiva sistemelor de fabricație asistată, problema se reduce la transpunerea geometriilor rezultate în urma designului de produs sau tehnologie și a strategiilor de fabricație elaborate, în programe pentru mașini unelte CNC ce vor realiza fie direct produsul (uzinare) fie pregătirea de fabricație (matrițele, ștanțele, modelele, cutiile de miez) pentru procedee tehnologice ce impun această metodologie de lucru (turnare, matrițare, injecție m.p., ambutisare).
Cum de regulă, procedeele de realizare a sculelor cu care se va trece la fabricația produsului final sunt tot cele pe care le-am grupat și sub denumirea generică de uzinare și mai mult decât atât, tocmai acestor procedee de fabricație li se adresează mașinile guvernate de un controler numeric, am reușit să restrângem substanțial lista problemelor ce trebuiesc analizate:
Debitarea - În acest caz, sistemul de comandă a mașinii gestionează mișcările pe două axe ale unui cap, care printr-o metodă cunoscută (nibbling, oxi-acetilenic, laser, plasmă) debitează table de diferite grosimi. Problemele impuse unui sistem de CAM în acest caz constau în preluarea geometriei 2D a pieselor ce urmează a fi debitate, în croirea optimă a foii de tablă funcție de dimensiunile și numărul acestora - ținând cont și de eventualele restricții tehnologice (fibraj, apariția tensiunilor termice), în definirea "puntițelor" de reținere a pieselor, în generarea traseelor de debitare de o asemenea maniera încât să se evite posibilele probleme tehnologice (ex. arderea colțurilor la debitarea oxi-acetilenica), etc.
Frezarea - Prin diversitatea mașinilor de frezat CNC (de la 2.5 la 5 axe, în construcție consolă - cu ax orizontal sau vertical, sau cu portal) precum și prin aplicabilitatea pe care aceste mașini și-au găsit-o atât în industria fabricanților de scule (matrițe) cât și în societățile unde uzinajul reprezintă procedeul principal de fabricație, frezarea a devenit beneficiarul cel mai important al tehnologiei CAM. În cazul realizării prin frezare - pe mașini de 2,5 axe, a unei serii mari de piese ce presupun operații de găurire, filetare, pochetare, planeizări, sistemul CAM trebuie să permită descrierea corectă a mașinilor CNC de pe linia de fabricație, a funcțiilor specifice acestora precum și a SDV-isticii aferente (scule, dispozitive de prindere și centrare ), să genereze acea modalitate de prelucrare care să minimizeze timpii de ciclu, să asigure calitatea corespunzătoare a suprafețelor prelucrate, și să verifice toate posibilele coliziuni dintre mașină, sculă, piesă și dispozitive. În cazul unicatelor și a seriilor scurte, ce se execută de regulă pe mașini de 3-5 axe, sistemelor CAM li se impune să permită generarea rapidă a traseelor în baza unui număr cât mai mare de strategii de degroșare și finisare (degroșări în materiale dure, finiții în plane paralele, spine / drive curve surface sweeping, z-level, interpolare, prelucrări în bitangență, prelucrări a suprafeței cu managementul unghiului de înclinare a sculei), să permită adoptarea diferitelor metode de angajare a sculei, să permită vizualizarea zonelor ce prezintă umbriri sau rămân neprelucrate, să dispună de proceduri de vizualizare a rezultatelor, precum și de un postprocesor versatil ce să asigure pregătirea programelor CNC pentru toată gama de mașini existente.
Strunjirea - strungurile cu CNC permit generarea pieselor de revoluție prin deplasarea controlată a sculei pe două axe, sau în cazul existenței axei C sau a mai multor capete de prindere, a pieselor cu geometrii complexe ce presupun prelucrări de frezare și strunjire. Criteriile de apreciere a unui software CAM destinat prelucrării de strunjire includ posibilitățile de descriere a mașinii și a funcțiilor specifice cu care aceasta este dotată, a magaziei de scule, a semifabricatelor și bineințeles a ciclurilor de prelucrare specifice - de la degroșare la finiție.
Electroeroziunea cu fir - mașinile CNC de electroeroziune cu fir cu 2 sau 4 axe pot fi de asemenea guvernate de un sistem CAD care să asigure generarea programelor pentru controlul deplasării axelor mașinii.
În toate aceste cazuri utilizarea unui produs CAM presupune (în măsura în care modelul geometric a fost deja elaborat) abordarea aspectelor de definire a parametrilor și strategiilor de prelucrare, generarea traseelor geometrice ale sculei și postprocesarea al cărui rezultat este obținerea programului CNC direct executabil - postprocesarea rezolvând problemele legate de interpretarea formatului standard (APT sau CLfile) ce rezultă în urma etapei de generare a traseelor și de punerea datelor în acord cu limbajul specific al mașinii ce va asigura prelucrarea.
Încercând să definim ce este important la un sistem de fabricație asistată vom putea să concluzionăm că diferitele produse CAM existente pe piața pot fi comparate la nivelul integrării cu soluțiile de CAD, la maturitatea și robustețea algoritmilor de generare și editare a traseelor, prin diversitatea modalităților de angajare și prelucrare pe care le propun, prin viteza de generare a traseelor, prin algoritmii de verificare a coliziunilor precum și prin facilitățile suplimentare de vizualizare și interacțiune cu utilizatorul, prin modalitățile de definire și de editare a secvențelor, ponderea fiecărei caracteristici a sistemului fiind dictată de situația concretă a fiecărui utilizator
O altă tehnologie care a găsit în fabricația asistată un sprijin important îl constituie "rapid prototiping-ul". Este vorba de sistemele de realizare rapidă a unui prototip fizic - prin tehnologii ce presupun fie polimerizarea sub acțiunea unui fascicul laser a unei rășini sau pulberi fotosensibile, fie printr-o metodă de depunere a unor materiale termoplastice prin o tehnologie asemănătoare celei ink-jet, fie prin stratificarea unui pachet de hârtie decupată laser pe contur, destinat vizualizării modului în care respectivul reper răspunde unor cerințe. În acest caz, sistemul CAM trebuie să poată genera un fișier de tip stereolitografie (stl) ce presupune în fapt descrierea modelului printr-un mesh de suprafața triunghiular definit cu o eroare cordală controlabilă, fișier care poate fi preluat direct de controlerul mașinii de rapid prototyping.
Atunci când calitatea furnizată de rapid prototiping nu este satisfăcătoare, gradul de finisare a suprafețelor rezultate trebuind să fie net superior (piesa respectivă trebuind să fie expusă pentru o evaluare de piața), soluția o oferă o altă tehnologie mare consumatoare de sisteme CAM: "Rapid Tooling-ul". În acest caz, scopul este realizarea rapidă a unei pregătiri de fabricație (matrițe) ieftine pentru o serie foarte scurtă. Procedeul constă în prelucrarea pe mașini de frezat CNC de mare viteză, a unei piese (pozitiv) într-un material "soft" (de ex. Oreol), urmată de definirea planului de separație și depunerea unui strat de latex special. După polimerizare, latex-ul se va demula, se va așeza pe un pat de gips care îi va asigura rigiditatea, iar zona interioară (negativul piesei), se va metaliza printr-o metodă specială. Se obține astfel într-un timp record o matriță ce permite realizarea unei serii mici de produs de o calitate foarte bună. Rolul sistemelor CAM este evident acela de a asigura în cel mai scurt timp generarea geometriei și a traseelor de mașinare pentru mașina de mare viteză. De remarcat că prelucrarea pe o astfel de mașina are secretele ei, vitezele de avans a sculei fiind controlate dinamic funcție de valoarea locală a curbei pe care aceasta se deplasează la un moment dat, iar modificarea sensului de avans se face după o buclă care asigură viteza maximă de schimbare a sensului.
O altă aplicație a sistemelor de fabricație asistată este verificarea pieselor pe mașinile de măsurat în coordonate CNC, a căror program de inspecție poate fi generat de un sistem CAM, sau mai mult decât atât, în cazul în care se urmărește reproducerea unui model existent, sistemele CAM permit programarea mașinilor de măsurat (mecanice sau cu laser) pentru ridicarea norului de puncte, iar apoi, funcție de necesități, suprafața poate fi reconstruită în ideea de a se efectua modificări, fie sistemul va genera un traseu de prelucrare a suprafeței direct pe norul de puncte.
De asemenea, mai sunt disponibile diverse alte module sau produse destinate fabricației asistate precum cele de inscripționare, de verificare, editare și simulare a prelucrărilor, produse destinate programări off-line a roboților, optimizării activității pe o linie automatizată, etc., descrierea detaliată a acestora putând face oricând subiectul unui alt articol.
După trecerea în revistă a principalelor soluții existente, trebuie spus că viitorul în acest domeniu, stă probabil în conceptul de "generativ machining", adică un sistem expert, care în baza informațiilor de tip geometrie, material, toleranțe și a "experienței" pe care a acumulat-o va fi capabil să genereze automat un plan de proces și respectiv traseele de prelucrare. Și cum în acest domeniu, viitorul se calculează în zile...
Sublinierea în final a avantajelor pe care un sistem CAM le pune la dispoziția clienților săi nu va face decât să repete că folosirea unui sistem modern de inginerie, colaborat cu regândirea fluxurilor informaționale din departamentele de cercetare/dezvoltare/design/tehnologie este o metodă ce poate determina modificarea favorabilă, cu un ordin de mărime, a eficienței unei societăți, această strategie având influențe directe asupra reducerii perioadei de lansare a unui nou produs, a costurilor necesare pentru fabricarea lui, asupra creșterii calității acestuia si nu în ultimul rând în modificarea mentalităților tuturor acelora ce sunt implicați în proiect. Așadar, întreprinderea virtuală este deja o realitate... echipamentele există, principiile au fost enunțate... Sunteți gata?
Ing. Sergiu Toader, S.C. Magic Systems S.A. - Filiala Brașov, tel. 068-410552, 410553, fax. 068-410556, e-mail: magic@deltanet.roknet.ro