نگرشی نوین در تولید

نویسنده: اندرو فیلیپ هانتر

دیپلماسی ایرانی: در سال های اخیر شاهد رشد تولید افزوده بوده ایم که به اعتقاد بسیاری در آستانه موفقیت قرار دارد. موفقیت AM زمانی محقق خواهد شد که بتواند در زنجیره های عرضه و فرایندهای تولیدی اقتصاد گنجانده شود. تولید افزوده در سال های اخیر گسترش یافته و متوسط نرخ رشد سالانه اش 20 درصد بوده است. تولید افزوده به خوبی توانسته در چندین صنعت از هوا فضا گرفته تا دفاع و تجیهزات پزشکی نفوذ کند. با این حال، چهل سال پس از ثبت اختراع برخی از فناوری های بنیادین AM، ضریب نفوذ آن در تولید، رو به افزایش اما متوسط است.

تولید افزوده، به فرایندی گفته می شود که در آن مواد، لایه لایه، ته نشین شده و به هم می پیوندند تا یک مدل دیجیتالی را به یک جزء فیزیکی تبدیل کنند. این شیوه از تولید در نقطه مقابل تولید کاهشی (subtractive manufacturing) یا تولید قالبی  (formative manufacturing) قرار می گیرد.

تولید افزوده یک فرایند دیجیتالی است که در آن اجزاء با استفاده از ابزارهای طراحی کامپیوتری، مدل سازی می شوند و سپس دستگاه ها با مواد رسوب شده که به شکل های مشخص اضافه می شوند، آنها را به اجزا تبدیل می کنند. به عنوان مثال، در فرایندی از سر یک چاپگر برای به هم رساندن عوامل اتصال که لایه هایی از پودر ماسه، پلیمر یا فلزات هستند، استفاده می شود. لیزر مستقیم فلزات AM، لایه هایی از پودر فلزات را با استفاده از لیزر به یکدیگر وصل می کند.

تولید افزوده هم اکنون پیشرفت چشمگیری در بازار داشته است. استفاده برای چاپ سه بعدی برای ساختن وسایل شخصی، استفاده در صنایع هوا فضا (تولید انژکتورهای موتور موشک)، پزشکی (ایمپلنت های ارتوپدی، پروتز و ایمپلنت قلب) و ابزار و قالب ها (ساخت قطعات بزرگ). تولید افزوده در سال 2019 حدود 11.87 میلیارد دلار مواد و خدمات تولید کرده است. با توجه به مجموع فعالیت های 13.8 تریلیون دلاری ایالات متحده در سال 2019، موفقیت AM نیازمند رشد دست کم یک بخش در مقیاس صدها میلیارد دلاری است.

به جای تولید چند تایی و سپس جوشکاری آنها در پیکره بندی پیچیده، صنعت تولید افزوده می تواند قطعات را در یک قالب در کنار یکدیگر گرد آورده و هندسه های پیچیده را در یک فرایند واحد و یکپارچه، خلق کند. به این ترتیب، هزینه و زمان برای تولید اجزای پیچیده کاهش می یابد. به علاوه، با امکان یکپارچه سازی نزدیک بدون چفت و بست، جرم محصول تولیدی نیز کاهش می یابد. مثلا جنرال الکتریک توانست با استفاده از AM، راندمان موتورهای سوخت موشکش را تا 15 درصد افزایش دهد. صنعت تولید افزوده مواد زاید کم تری تولید می کند و همچنین فرصت های تازه ای برای بازیافت فراهم می آورد.

سرشت کاملا دیجیتالیAM، امکان سفارشی سازی انبوه را امکان پذیر می کند. با استفاده از نرم افزار می توان  طرح، اندازه، هندسه و دیگر خصوصیات یک محصول را دگرگون کرد. به این ترتیب، سرعت ساخت محصولات سفارشی حتی در حجم های بزرگ امکان پذیر می شود که قابل مقایسه با مزایای اقتصاد تولید انبوه سنتی است.

صنعت تولید افزوده، شرکت ها را قادر می سازد تا با اندک تغییرات در مواد، فرایند یا زیرساخت های مورد نیاز برای تولید محصول، به سرعت به پویایی های بازار پاسخ دهند. قدرت AM در نمونه سازی سریع، زمان مورد نیاز برای پاسخ به بحران ها را کاهش می دهد. مثل بهره برداری از AM در دوران کرونا برای تولید انبوه ماسک و محافظ. 

موفقیت AM نیازمند بهره گیری از این مزایا برای دگرش اساسی فرایندهای تولید در بخش های مختلف صنعت است. نوآوری موفق معمولا نتیجه تلاش های مشترک افراد و سازمان هایی است که در سطوح مختلف رقابت و همکاری می کنند.

مسائل فنی مربوط به این فناوری می بایست حل شوند تا پذیرش گسترده تر AM امکان پذیر شود. مدل های کسب و کار و نیروی کار موانعی پیش روی AM هستند. از میان برداشتن موانع نیازمند تلاش بخش خصوصی و دولتی است.

سرشت دیجیتالی AM و همچنین فرایند خودکار ایجاد اجزاء، برخی از محققان را بر آن داشته تا AM را به عنوان یک عامل بنیانگذار انقلاب چهارم صنعتی معرفی کنند. در چشم انداز آینده پژوهی انقلاب چهارم صنعتی، یکپارچگی چندین قابلیت، کلان داده ها، رایانش ابری، AM و سیستم های خودمختار همان هایی هستند که ارزش اقتصادی می آفرینند. بنابراین شاید لازم باشد که AM را از دریچه نوآوری معماری در نظر بگیریم، جایی که دگرش های غالب در سیستم های موجود فقط در اجزای سیستم رخ نمی دهد بلکه در تعاملات و پیوندهای آن اجزا رخ می دهد. مثلا مبتکران می توانند با استفاده از AM سیستم های امروزی را بازطراحی کنند تا امکان تولید مستمر در مکان های دور یا سخت فراهم شود. بزرگ ترین پتانسیل AM در دگرش شکل اساسی ساختار سیستم های موجود نهفته است. 

در اواخر دهه 80 روند نوآوری AM سرعت گرفت. بین سال های 1975 تا 2011 بیش از سه هزار اختراع مربوط به حوزه AM ثبت شده بود. از سال 2010 به بعد با کاهش هزینه، تجاری سازی افزایش یافت. امروزه AM همچنان در مسیر پیشرفت است. برخی از برنامه ها تجاری هستند و برخی دیگر نیازمند سرمایه گذاری.

قبل از ادغام اجزای AM در سیستم های موجود، بیشتر سازمان ها ابتدا باید بررسی کنند که آیا از استانداردهای کیفیت تعیین شده برخوردار هستند یا نه. برای تسریع در تجاری سازی، مبتکران باید از موانع موجود عبور کنند. مثلا وقتی لایه های مواد رسوب می کنند، ریزساختاری را تشکیل داده که می تواند به طور قابل توجهی بر خصوصیات مکانیکی اجزا مانند سختی تاثیر بگذارد. هرگونه نااطمینانی پیرامون این خصوصیات یک ریسک تلقی می شود. به ویژه در کاربردهای حیاتی مانند هوا فضا و پزشکی. از سوی دیگر هزینه های بالای سیستم ها در کاربردهای مهم ایمنی آنها را نامزد مناسبی برای معرفی AM می کند. 

از آنجا که خصوصیات متغیر مواد می تواند عدم قطعیت هایی در خود فرایند AM بیافریند، چه بسا نوآوری های تازه ای برای بهبود فرایند تولید AM مورد نیاز باشد. به علاوه، حتی اگر خواص مواد به خوبی درک و شناخته شوند، فرایندها می توانند در هر دستگاه، شرایط و امکانات متفاوت باشند. غلبه بر این سد ممکن است مهندسان طراح ماشین آلات AM را ملزم به اتخاذ رویکردهای تازه کنترل بازخورد حلقه بسته کند. همچنین استاندارهایی باید برای تعیین کیفیت ارائه شوند. چرا که شرکت ها با صرف وقت و هزینه برای سرمایه گذاری خواهان آن هستند که به استانداردها اعتماد کنند.

یکی دیگر از موانع، نفوذ به سیستم های AM  است. هکرها ممکن است از سیستم های AM برای جاسوسی یا سودجویی بهره ببرند. حفاظت از مالکیت معنوی برای AM نیز پیچیده تر از روش های سنتی است و ممکن است شرکت ها را در به کارگیری آن مردد کند. برای غلبه بر موانع در تمام مراحل نوآوری، اکوسیستم نوآوری به نیروی کار قوی و میان رشته ای نیاز دارد. سرشت دیجیتال AM  نیز مهارت های تازه ای را طلب می کند. برخلاف روش های تولید سنتی، نوآوری در AM نیازمند نیروی کار مسلط به هر دو سیستم دیجیتال و فیزیکی و ادغام آنهاست. بازیگران بخش خصوصی و دولتی هم می توانند با سرمایه گذاری در تحقیق و توسعه، موانع اولیه نوآوری را از پیش پای بردارند. 

سرمایه گذاری در تحقیق و توسعه، به ویژه در حوزه موانع پیش پای AM، مانند علوم مواد، کنترل بازخورد حلقه بسته، یکپارچه سازی نرم افزار و امنیت سایبری، اکوسیستم نوآورانه AM را قادر می سازد تا چرخه های توسعه محصولات و فرایندهای تازه AM را کوتاه کند. 

مشارکت دولتی خصوصی راه حل مناسبی برای جلوگیری از دلسردی شرکت های کوچک تر است که ممکن است بیندیشند که در رقابت با شرکت های بزرگ انعطاف پذیری مالی لازم را ندارند. از آنجا که شرکت های خصوصی تمایل به سود کوتاه مدت دارند، بنابراین برای اقدامات دگرگون ساز در حوزه AM  مشارکت سرمایه گذاری دولتی ضروری است.  در واقع دولت به عنوان یک تسهیل ساز شکل دهی نوآوری به جای یک موتور که AM  را هدایت می کند، دیده می شود. 

در بخش دولتی، چند سازمان، همانند America Makes، نگاه کلی تری به مسیر نوآوری دارند. این شرکت در سال  2012 ایجاد شد و یک مشارکت ملی-خصوصی را با همکاری بیش از 225 عضو از صنعت، دولت و دانشگاه و 100 میلیون دلار بودجه تشکیل داد. ماموریت این شرکت، ایجاد، هماهنگی و کاتالیز با ارائه بافت پیوندی برای همه مراحل نوآوری و بازیگران در اکوسیستم نوآورانه است.

منبع: مرکز مطالعات استراتژیک / تحریریه دیپلماسی ایرانی/11