Przemysł obronny i lotniczy od dawna opierał się na konwencjonalnych metodach obróbki, które, mimo swojej sprawdzoności, charakteryzują się znaczną czasochłonnością. Produkcja nawet pojedynczego elementu mogła trwać miesiące, generując obawy związane z opóźnieniami i kosztami. Wraz z pojawieniem się technologii druku 3D, a w szczególności dzięki połączeniu jej z zaawansowaną sztuczną inteligencją, rysuje się nowa, obiecująca przyszłość dla wytwarzania skomplikowanych części, zarówno dla podwodnych pojazdów, jak i dla lotnictwa.
Dotychczas łańcuchy dostaw w tych strategicznych branżach polegały na małych, często rodzinnie prowadzonych warsztatach, które posiadały specjalistyczną wiedzę i umiejętności niezbędne do obróbki, odlewania lub kucia krytycznych komponentów z solidnych bloków metalu. Te małe przedsiębiorstwa, choć cenne, miały swoje ograniczenia – metody były powolne, generowały znaczne ilości odpadów i zużywały duże zasoby. Co więcej, błędy często wychodziły na jaw dopiero po zakończeniu procesu produkcyjnego, co wiązało się z marnowaniem tygodni pracy i koniecznością składowania gotowych, wadliwych części. Po zakończeniu Zimnej Wojny wiele z tych zakładów zamykało się, a wraz z nimi ginęła bezcenna wiedza i doświadczenie.
Technologia druku 3D, a szczególnie jej połączenie z algorytmami sztucznej inteligencji, stanowi przełomową odpowiedź na te wyzwania. Oferuje ona znacznie szybszy sposób produkcji skomplikowanych komponentów i dramatycznie skraca czas potrzebny na wprowadzenie tych części do użytku.
Przewaga druku 3D – od proszków po metal
Nie wszystkie metody druku 3D działają w ten sam sposób. Niektóre, takie jak łączenie proszków laserem (laser powder bed fusion), są stosunkowo powolne i najlepiej nadają się do produkcji małych, skomplikowanych elementów. Jednak badacze, tacy jak Rao, koncentrują się na szybszych podejściach, takich jak drukowanie łukowe drutem (wire-arc printing) i drukowanie drutem laserowym (laser-wire printing).
"Druk łukowy drutem to w zasadzie spawanie w 3D" – wyjaśnia Rao. W porównaniu do metody łączenia proszków laserowych, która pozwala na wyprodukowanie około jednego funta materiału dziennie, metoda druku łukowego drutem umożliwia depozycję materiału wielkości beczki. Można w ten sposób umieścić 40 do 50 kilogramów materiału w ciągu zaledwie jednego dnia. Wyzwaniem pozostaje jednak zagwarantowanie, że taka duża ilość metalu zostanie nałożona bez pojedynczej wady.
Sztuczna inteligencja na straży jakości
I właśnie tutaj do gry wkracza sztuczna inteligencja. Zamiast dopiero po zakończeniu procesu produkcyjnego wykrywać pęknięcia lub pory, zespół Rao trenuje algorytmy, aby rozpoznawać wczesne oznaki problemów podczas nakładania metalu. Analizując tzw. "wytrzymałość topieniowej" (melt pool) gorącego metalu i porównując charakterystykę "dobrych" i "złych" wydruków, algorytmy uczą się rozpoznawać defekty w czasie rzeczywistym i sygnalizować potrzebne korekty zanim problemy się rozprzestrzenią.
"Gdy wytrzymałość topieniowej wyglądała dobrze, część wychodziła taka, jakiej oczekiwaliśmy. Gdy wyglądała źle, wiedzieliśmy, co się wydarzy" – relacjonuje Rao. "Dlatego zbudowaliśmy algorytm uczenia maszynowego, który był w stanie przewidzieć z około 90-procentową pewnością, kiedy coś idzie nie tak."
Innowacyjne Centrum Virginia Tech Made
Rao jest częścią większego zespołu badawczego działającego w ramach Centrum Virginia Tech Made: Center for Advanced Manufacturing. Centrum to promuje współpracę pomiędzy różnymi wydziałami uniwersytetu, rozwija partnerstwa z przemysłem i rządem oraz szkoli studentów i specjalistów w dziedzinie zaawansowanych materiałów, technologii wytwórczych, obliczeniowego projektowania, analizy danych i infrastruktury cyfrowej. Jako członek Katedry Inżynierii Przemysłowej i Systemów, Rao wykorzystuje swoje doświadczenie w zakresie myślenia systemowego, aby uczynić produkcję nie tylko szybszą, ale także mądrzejszą.
"Szybsze, lepsze, tańsze" – podkreśla Rao. "Chcę poprawić jakość poprzez kontrolę jakości, przyspieszyć proces, eliminując konieczność powtarzania części, i obniżyć koszty poprzez redukcję defektów. To coś, co bardzo dobrze robimy w zakresie kontroli procesów."
Dostęp do najnowocześniejszego sprzętu i szkolenia dla przyszłych inżynierów
Wiele prac Rao i jego zespołu jest realizowanych w laboratorium Kelly Hall, jednak wykorzystują również zasoby Learning Factory – praktycznego centrum edukacyjnego dla przemysłu wytwórczego w Virginia Tech. Ostatnio do Learning Factory dołączono mniejszą maszynę do łączenia proszków laserem i hybrydową maszynę do drukowania drutem laserowym – co, jak podkreśla Rao, jest zasługą głowy wydziału Eileen Van Aken. Jej dążenie do zabezpieczenia tego sprzętu było kluczowe zarówno dla rozwoju badań, jak i dla umożliwienia studentom szkolenia na tych samych technologiach, z jakimi spotkają się w przemyśle.
"Zapewnienie studentom dostępu do tych samych maszyn, z jakimi spotkają się w przemyśle, jest krytyczne" – mówi Rao. "Druk 3D to coś, czego można się szybko nauczyć, i które przygotowuje naszych studentów do wkroczenia w przyszłość produkcji." Szkolenia i dostęp do tego zaawansowanego sprzętu pozwoli studentom nie tylko zdobyć cenne umiejętności praktyczne, ale również zrozumieć wyzwania i możliwości związane z zastosowaniem druku 3D w przemyśle. Dzięki temu będą oni lepiej przygotowani do rozwiązywania problemów i wdrażania innowacyjnych rozwiązań w przyszłości.