Με το Cam (COMPUTER AIDED MANUFACTURING) γίνεται χρήση της πληροφορικής σε όλα τα στάδια ανάπτυξης του προϊόντος, διασφαλιζοντασ τη δημιουργια ενός «σωστού» προϊόντος από την αρχή, στον ελάχιστο δυνατό χρόνο ανάπτυξης, με το ελάχιστο δυνατό κόστος και την καλύτερη δυνατή ποιότητα.
ΓΡΑΦΕΙ Η ΕΛΕΝΗ ΑΘΑΝΑΣΑΤΟΥ, ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ

Από τη Βιομηχανική Επανάσταση στα τέλη του 18ου και στις αρχές του 19ου αιώνα, η διαδικασία παραγωγής έχει υποστεί πολλές δραματικές αλλαγές. Ένα από τα πιο καθοριστικά ήταν η εισαγωγή της παραγωγής με τη βοήθεια υπολογιστή (CAM), ενός συστήματος χρήσης τεχνολογίας υπολογιστών, προκειμένου να βοηθήσει στη διαδικασία παραγωγής. Αυτή η τεχνολογία άρχισε να αναπτύσσεται στη δεκαετία του 1950, και από τη δεκαετία του 1970 και μετά, χρησιμοποιείται από μερικές μεγάλες βιομηχανίες. Στις αρχές του 21ου αιώνα, η παραγωγή με τη βοήθεια υπολογιστή είχε γίνει αναπόσπαστο κομμάτι της παραγωγικής διαδικασίας σε πολλές βιομηχανίες.

Στον κόσμο της βιομηχανίας, οι υπολογιστές διαδραματίζουν πλέον ζωτικό ρόλο στη μεταφορά των ιδεών σε προϊόντα, από την ιδέα στην πράξη. Η ικανότητα της παραγωγής με τη βοήθεια υπολογιστή (CAM) να μειώσει το χρόνο που απαιτείται για το σχεδιασμό πρωτοτύπου χωρίς επαναδιαμόρφωση ή επαναπροσδιορισμό της γραμμής παραγωγής έχει ενσωματώσει λύσεις CAM σε πολλούς κλάδους της βιομηχανίας. Έτσι, είναι πλέον εφικτό ένα σχέδιο που ξεκινάει ως ιδέα στο μυαλό ενός μηχανικού να μετατρέπεται σε πραγματικό εξάρτημα, έτοιμο για χρήση, με τρόπο πιο απρόσκοπτο και συχνά ταχύτερο, χάρις στη δύναμη των υπολογιστών και της τεχνολογίας των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου.

Τι είναι η CAM;
Σύμφωνα με το Autodesk, μία από τις κορυφαίες εταιρείες στον χώρο της παραγωγής λογισμικού CAM, η παραγωγή με τη βοήθεια υπολογιστή είναι «η αυτοματοποίηση της παραγωγικής διαδικασίας με χρήση λογισμικού και μηχανημάτων που ελέγχονται από υπολογιστή». Με άλλα λόγια, η παραγωγή με τη βοήθεια υπολογιστή (CAM) είναι ένας τύπος μεθόδου παραγωγής που χρησιμοποιεί το λογισμικό του υπολογιστή σε συνδυασμό με αυτοματοποιημένα μηχανήματα για τη δημιουργία προϊόντων με υψηλό βαθμό ακρίβειας.

Πιο συγκεκριμένα, η διαδικασία της παραγωγής ενός εξαρτήματος με τη χρήση CAM ξεκινάει με τη δημιουργία ενός μοντέλου στερεών. Από αυτό το τρισδιάστατο μοντέλο εξάγονται τα λεγόμενα toolpaths, οι διαδρομές, δηλαδή, που θα ακολουθήσουν τα εργαλεία κατά την κατεργασία. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, τη διαδρομή που ακολουθεί το ακροφύσιο εξώθησης ενός 3D εκτυπωτή όταν δημιουργεί ένα αντικείμενο. Αυτές οι διαδρομές ή αλλιώς τα μοντέλα υπολογιστών πρέπει να μετατραπούν σε γλώσσα κατανοητή από το εργαλείο μηχανικής κατεργασίας που αναλαμβάνει την παραγωγή.

Για τα μηχανήματα CNC, η γλώσσα αυτή είναι κώδικες Μ και G που παρέχουν βασικές πληροφορίες όπως η θέση, η ταχύτητα και το βάθος κοπής. Αφού εξαχθούν οι κώδικες ή αλλιώς οι οδηγίες για την παραγωγή του αντικειμένου, στέλνονται στα μηχανήματα CAM.Η CAM βρίσκει εφαρμογή σε μια πληθώρα βιομηχανικών διαδικασιών, καθώς είναι σε θέση να βοηθήσει με το σχεδιασμό προϊόντων, την ανάπτυξη, τη διαχείριση, την αποθήκευση και τα logistics.

Λογισμικό
Το λογισμικό αποτελεί βασικό κομμάτι οποιουδήποτε συστήματος CAM και περιλαμβάνει τα προγράμματα, που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία του στερεού μοντέλου, την παραγωγή των διαδρομών των εργαλείων (toolpaths), την εξαγωγή του κώδικα για την εκτέλεση αυτών των οδηγιών, καθώς και για τη διασύνδεση με τα μηχανήματα CAM.

Υπάρχουν διάφορα πακέτα λογισμικού, που εξειδικεύονται σε διαφορετικά πράγματα. Μια εφαρμογή μπορεί να απλοποιεί τη δημιουργία των στερεών μοντέλων και την αξιολόγηση ως προς την καταλληλότητά τους πριν από τη φάση της κατασκευής. Ένα άλλο πακέτο μπορεί να περιέχει ειδικούς αλγόριθμους, που παίρνουν ένα αρχείο STL (στερεολιθογραφίας) του στερεού μοντέλου και εξάγουν τα πιο αποτελεσματικά toolpaths και τις οδηγίες για την κατασκευή του.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, η τρισδιάστατη σάρωση και η μέτρηση μπορεί να ξεκινήσουν να δημιουργούν ένα εξάρτημα αντί για ένα στερεό μοντέλο. Πολύ σημαντικά είναι επίσης τα προγράμματα και ο κώδικας που βρίσκεται πίσω από τους αναγκαίους ελέγχους, ώστε τα toolpaths να ακολουθούνται με ακρίβεια.

Toolpaths
Οι διαδρομές των εργαλείων, τα toolpaths, παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στην CAM. Η χρήση τους έχει τις ρίζες της στις φρέζες και τους τόρνους CNC. Σε μια φρεζομηχανή, τα toolpaths συνήθως υποδεικνύουν πώς πρέπει να κινηθεί το ακατέργαστο τεμάχιο ως προς το κοπτικό. Όταν χρησιμοποιείται μηχάνημα κοπής λέιζερ, τα toolpaths καθοδηγούν την κίνηση του λέιζερ σε σχέση με το τεμάχιο.

Στη δημιουργία εξαρτημάτων με προσθετική κατασκευή (additive manufacturing), τα toolpaths υποδεικνύουν την κίνηση της κεφαλής εκτύπωσης σε σχέση με τη βάση πάνω στην οποία κατασκευάζεται το τεμάχιο. Στην επιλεκτική σύντηξη με λέιζερ (selective laser sintering, SLS), τα toolpaths ορίζουν την κίνηση της κεφαλής απόθεσης.
Μηχανήματα

Μέσω του CAM απαιτούνται πολλές διαφορετικές μορφές τεχνολογίας στην παραγωγική διαδικασία. Σε αυτές συγκαταλέγονται οι παραδοσιακές εργαλειομηχανές CNC, όπως οι φρέζες, οι τόρνοι και τα δράπανα, που αυτοματοποιούν τη διεργασία αφαίρεσης υλικού, καθώς και νεότερες προσεγγίσεις, όπως οι ρομποτικοί τροχοί λείανσης.
Ορισμένα μη συμβατικά κοπτικά μηχανήματα χρησιμοποιούν λέιζερ, πλάσμα ή ακόμα και νερό. Όλα αυτά τα αυτοματοποιημένα συστήματα χρειάζονται πολύ λιγότερο χρόνο για να εκτελέσουν μια εργασία σε σχέση με τη χειροκίνητη κοπή. Για παράδειγμα, τα μηχανήματα κατεργασίας με ηλεκτροδιάβρωση (EDM) κόβουν σχεδόν οτιδήποτε, αξιοποιώντας τη θερμότητα από μια ηλεκτρική εκκένωση με τη μορφή σπινθήρα.

Η προσθετική κατασκευή είναι ένα ακόμα βασικό πεδίο εφαρμογής της CAM. Στην τρισδιάστατη εκτύπωση (3d printing), τα τεμάχια κατασκευάζονται με επάλληλες στρώσεις και η ποσότητα του υλικού που πηγαίνει χαμένη είναι ελάχιστη. Η διαδικασία είναι αντίστροφη σε σχέση με τις διεργασίες κοπής, με τις οποίες αφαιρείται το ανεπιθύμητο υλικό για να διαμορφωθεί το τελικό τεμάχιο. Υπάρχουν διάφορες διαδικασίες προσθετικής κατασκευής, όπως η εξώθηση υλικών, η FDM (μοντελοποίηση εναπόθεσης τηγμένου υλικού), ο πολυμερισμός σε κάδο (vat polymerization), η σύντηξη στρώματος σκόνης (powder bed fusion) και η SLA (στερεολιθογραφία). Αξίζει, επίσης, να σημειώσουμε ότι η προσθετική κατασκευή δεν περιορίζεται στα πολυμερή υλικά, αλλά περιλαμβάνει και μέταλλα, κεραμικά ή και χαρτί.

Αδιαμφισβήτητα, μέσω της χρήσης του CAM, ένα εργοστάσιο μπορεί να γίνει εξαιρετικά αυτοματοποιημένο, χρησιμοποιώντας συστήματα όπως ο έλεγχος σε πραγματικό χρόνο και η ρομποτική. Ένα σύστημα CAM συνήθως επιδιώκει να ελέγχει τη διαδικασία παραγωγής μέσω διαφορετικών βαθμών αυτοματισμού. Αυτές οι διαδικασίες πραγματοποιούνται από διάφορα ρομποτικά εργαλεία, όπως τόρνοι, μηχανήματα άλεσης και μηχανήματα συγκόλλησης. Κάθε μία από τις πολλές διαδικασίες παραγωγής σε ένα σύστημα CAM ελέγχεται από υπολογιστές, οπότε μπορεί να επιτευχθεί υψηλός βαθμός ακρίβειας και συνέπειας που δεν είναι εφικτός με μηχανήματα που πρέπει να ελέγχονται χειροκίνητα.

Τι ρόλο παίζει η CAM
στη βιομηχανική παραγωγή;
Ο ρόλος της CAM στη βιομηχανική παραγωγή γίνεται ολοένα και πιο σημαντικός, γεγονός που συνδέεται με τα πλεονεκτήματά της. Ένα από αυτά είναι ότι η CAM συμβάλλει στην καλύτερη ενοποίηση της διαδικασίας του σχεδιασμού με τη διαδικασία της παραγωγής, επιτυγχάνοντας μια ομαλή μετάβαση από την αρχική ιδέα στο τελικό εξάρτημα. Στη φάση του σχεδιασμού, όταν δημιουργείται το στερεό μοντέλο, τα εξαρτήματα μπορούν να ελεγχθούν ψηφιακά ως προς την προσαρμογή τους με τα άλλα τεμάχια, να πραγματοποιηθεί ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων καθώς και προσομοίωση.

Στη συνέχεια, αυτά τα ίδια μοντέλα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία πρωτοτύπων και να τροποποιηθούν αντίστοιχα αν προκύψει ανάγκη για σχεδιαστικές αλλαγές. Και πάλι, τα μοντέλα αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή του τελικού εξαρτήματος.
Ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα της CAM είναι το υψηλό επίπεδο ακρίβειας και επαναληψιμότητας που επιτυγχάνει, πράγμα το οποίο πιθανώς να είναι κρίσιμο για εξαρτήματα στα οποία υπάρχει απαίτηση υψηλών ανοχών, σε ό,τι αφορά τις διαστάσεις και το σχήμα.

Η CAM προσφέρεται ιδιαίτερα για την επίτευξη σύνθετης γεωμετρίας, όπως στην περίπτωση των εφαρμογών αεροναυπηγικής για παράδειγμα, στους δίσκους με πτερύγια (blisks) αλλά και τα πτερύγια στροβίλων. Στην παραγωγή με τη βοήθεια υπολογιστή, το λογισμικό υπολογιστή χρησιμοποιείται για τη δημιουργία λεπτομερών, ακριβών οδηγιών για τα μηχανήματα που παράγουν τα επιμέρους μέρη κατά την παραγωγική διαδικασία. Το λογισμικό και τα μηχανήματα χρησιμοποιούν εφαρμογές αριθμητικού ελέγχου (NC) που περιλαμβάνουν ακριβείς μετρήσεις.

Ως αποτέλεσμα, η διαδικασία παραγωγής μπορεί να επαναληφθεί ξανά και ξανά με τις ίδιες ακριβώς προδιαγραφές. Είναι σαφές ότι τέτοια επίπεδα ακρίβειας είναι αδύνατό να επιτευχθούν με χειροκίνητα εργαλεία. Αναντίρρητα, αυτή η ακρίβεια οδηγεί σε υψηλότερη ποιότητα και ομοιομορφία τόσο των ανταλλακτικών όσο και των προϊόντων.

Επιπρόσθετα, μέσα από την αλλαγή της παραμετροποίησης, ένα μηχάνημα CAM μπορεί να κατασκευάζει διαφορετικά εξαρτήματα. Έτσι μειώνεται ο χρόνος διακοπής της παραγωγής. Αυτό επίσης σημαίνει ότι ένα μόνο μηχάνημα μπορεί να χρησιμοποιείται για πλήθος εφαρμογών, πράγμα πολύ σημαντικό για τη μείωση του κόστους της παραγωγής. Υπάρχουν επίσης εταιρείες που αναλαμβάνουν εξειδικευμένα έργα CAM, όπως κατεργασίες CNC ή προσθετικές κατασκευές. Επομένως, ακόμα και μια επιχείρηση που δεν διαθέτει τον εξοπλισμό που χρειάζεται για να παράγει τα εξαρτήματα που θέλει, μπορεί να εκμεταλλευτεί την ακρίβεια που προσφέρει η CAM.

Η CAM περιλαμβάνει βασικά αρχεία STL που είναι εύκολο να κοινοποιηθούν και να τροποποιηθούν, ώστε να χρησιμοποιηθούν από διαφορετικές μηχανές. Έτσι, είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για την κατασκευή εξαρτημάτων όταν παρουσιάζεται κάποια έλλειψη. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η 3D εκτύπωση νεφελοποιητών για ιατρικούς εισπνευστήρες που προορίζονταν για ασθενείς με COVID-19. Τα αρχεία STL για τα εξαρτήματα αναρτήθηκαν στο ίντερνετ και τα νοσοκομεία που τα χρειάζονταν μπόρεσαν να τα κατασκευάσουν.
Είναι επίσης φανερό ότι η CAM αυτοματοποιεί τη βιομηχανική παραγωγή, επιταχύνοντας τη διαδικασία ανάπτυξης και κατασκευής ενός προϊόντος και επισπεύδοντας τελικά την κυκλοφορία του στην αγορά.

Συχνές χρήσεις της CAM
Εξαρτήματα και τεμάχια CAM απαντώνται οπουδήποτε, από τη γη ως το διάστημα. Τμήματα ενός υπεριώδους διαστημικού τηλεσκόπιου mini-USO στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό κατασκευάστηκαν από την Stratasys, με τη βοήθεια του τρισδιάστατου FDM 450mc εκτυπωτή.

Στην αεροναυπηγική βιομηχανία, η κατεργασία CNC πέντε αξόνων χρησιμοποιείται συστηματικά για την κατασκευή δίσκων με ενσωματωμένα πτερύγια (blisks). Η CAM βρίσκει επίσης εφαρμογή στην αρχιτεκτονική, όπου χρησιμοποιείται για την κοπή επενδύσεων και την τρισδιάστατη εκτύπωση κατοικιών (όπως οι κατοικίες που κατασκευάζει η SQ4D).

Ωστόσο, η CAM δεν αφορά μόνο αυτά τα σύνθετα συστήματα. Οι φρεζομηχανές CNC εκτελούν με μεγάλη ταχύτητα αλλά και ακρίβεια διεργασίες διάτρησης ή κοπής απλών επιφανειών. Η αυτόματη αλλαγή εργαλείων σημαίνει ότι μια σειρά ενεργειών μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς να χρειαστεί να απομακρυνθεί το τεμάχιο από το μηχάνημα. Αξίζει να σημειωθεί ακόμη ότι η τεχνολογία CAM μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για τη διάστρωση και μορφοποίηση σύνθετων (composite) αντικειμένων, όπως είναι τα αμαξώματα των αυτοκινήτων.

Η CAM αποτελεί ισχυρό εργαλείο για την κατασκευή: από την ταχύτατη αλλά μεγάλης ακριβείας διάνοιξη πλήθους ανοιγμάτων σε μπλοκ κινητήρων, ως την αργή αλλά απόλυτα ελεγχόμενη προσθετική κατασκευή μεταλλικών πτερυγίων στροβίλου. Προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα σε αυτούς που την υιοθετούν, ενώ χρόνο με τον χρόνο αυξάνονται οι δυνατότητες της τεχνολογίας που την υποστηρίζει. Ακόμα και αν ένα μηχάνημα απλής τρισδιάστατης εκτύπωσης χρησιμοποιείται μόνο για την παραγωγή πρωτοτύπων, μπορεί να μειώσει σημαντικά τον χρόνο που μεσολαβεί από τον σχεδιασμό ενός εξαρτήματος ως τη διάθεσή του στην αγορά.

Ψηφιακή εποχή
Οι εφαρμογές CAM αναλαμβάνουν πλέον έναν ευρύτερο ρόλο σε όλες τις λειτουργίες ενός εργοστασίου παραγωγής, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού, της διαχείρισης, της μεταφοράς και της αποθήκευσης. Οι τεχνολογικές εξελίξεις το καθιστούν αυτό πλέον εφικτό συνδυάζοντας τη λήψη δεδομένων, CAD, CAM, CIM και τη διανομή των προϊόντων. Το Internet of Things (IoT), η επαυξημένη πραγματικότητα, η Τεχνητή Νοημοσύνη (AI), το blockchain και το cloud computing είναι έτοιμα να διαταράξουν τη μεταποιητική βιομηχανία στο όχι πολύ μακρινό μέλλον. Αυτές οι τεχνολογίες συγκλίνουν και επιτρέπουν τη δημιουργία εντελώς νέων μοντέλων παραγωγής με τη βοήθεια υπολογιστή – γνωστά ως Industry 4.0. Άλλωστε χωρίς τη συνεχή εξέλιξη και πρόοδο της τεχνολογίας των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου, δεν θα μπορούσαμε να μιλάμε καν για τις εφαρμογές CAM.

Όντας πλέον στην ψηφιακή εποχή, το κλειδί για την παραγωγή με βοήθεια υπολογιστή είναι η διασφάλιση της απρόσκοπτης σύνδεσης μεταξύ του πραγματικού κόσμου και του ψηφιακού ομολόγου.