Även om det kanske inte är självklart, det finns en nära koppling mellan tillverkningsteknik och innovation. Elon Musk talar ofta om "maskinerna som bygger maskinerna" som den verkliga möjliggöraren i både sin rymd- och bilverksamhet.

Använder billigare, mer skalbara processer gör att Space X kan starta uppdrag på budget och med en hastighet som skulle vara otänkbar med NASA:s gamla tillverkningsmetoder. Och den nya Tesla Cybertrucks oortodoxa design tycks dra fördel av en förenklad tillverkningsprocess som gör bort med "stämpling" av metall till förmån för att böja och vika metallplåtar.

Nu har en ny tillverkningsmetod kallad "robotsmide" potentialen att revolutionera sättet att tillverka högkvalitativa konstruktionsdelar, vilket resulterar i en ny klass av skräddarsydda och optimerade produkter. Jag är en del av en lös koalition av ingenjörer som utvecklar denna process, en teknik som jag tror kan hjälpa till att återuppliva amerikansk tillverkning.

Dagens teknologier

Metalldelar används i alla typer av högpresterande och säkerhetskritiska tillämpningar inom transport, brytning, konstruktion och kraftgenereringsutrustning såsom turbinmotorer. De flesta tillverkas med en av ett litet antal klassiska tillverkningsprocesser som inte har förändrats mycket på decennier.

Bearbetning skär bort råmaterial för att få en önskad form; gjutning innebär att hälla smält metall i en form; och formning eller smidning deformerar och pressar metall till nya former. Gjutning och formsmidning kräver vanligtvis anpassade formar eller formar som kan ta avsevärd tid och kostnader att designa och tillverka, men när du kör är mycket produktiva; delar är billiga med mycket reproducerbara egenskaper. Det är därför muttrar och bultar kan vara billiga och pålitliga.

Med start kort efter andra världskriget, digital tillverkning inledde mer agil produktion, först med datornumerisk kontrollbearbetning som skär komponenter av alla möjliga former från metallblock. Att producera en annan komponent var lika enkelt som att lansera ett nytt datorprogram. En vanlig nackdel med bearbetning av datornumerisk styrning är ett lågt "flyg-till-köp"-förhållande, där en 1, 000-pund titanblock kan skäras bort för att producera en 100-pund rymdkomponent. Detta är dyrt och miljöslösande, men inga nya investeringar behövs och ledtiderna är korta.

Just nu, det finns också välförtjänt entusiasm över att göra sådana delar genom 3-D-utskrift, även kallad additiv tillverkning. Denna process gör också delar från en datorfil på begäran genom att bygga en del ett lager i taget. Former som är omöjliga att göra genom bearbetning kan tryckas, tillåter nya former som, till exempel, har interna passager för kylning eller kommunikation.

Även om dessa tekniker har sina fördelar, de har också nackdelar. De ger ofta inte de högsta nivåerna av styrka eller seghet och dessa processer är slösaktiga.

Robotar plus smide

Metallredskap tillverkade av smeder har ofta legendarisk styrka eftersom metallens bearbetning, som att knåda deg, gör dess struktur finare, mer homogen. När materialet formas, det utvecklar riktningsstyrka, ungefär som att trä är starkare längs fibrernas riktning. Dock, ingen mänsklig smed kan hantera delar som är lika stora som ett landningsställ eller ha reproducerbarheten och uthålligheten att tillverka de delar som behövs för vår ekonomi.

Tanken med robotsmide är att utöka smedens konst med nya digitala möjligheter. Delar formas genom att upprepade gånger och stegvis forma en metallbit som är exakt placerad i en press. Detta motordrivna press- eller hammarsystem kommer att byta verktyg beroende på vilken form som behövs.

Genom att automatisera processen att forma en del, men genom att använda en smeds grundläggande tillvägagångssätt, en maskin kan behandla större delar och vara mer effektiv och reproducerbar än en människa någonsin skulle kunna.

Denna nya metod har potential att effektivt och konsekvent göra de strukturella "benen" inuti flygplan, fartyg, ubåtar och lok. Eller konceptet kan skalas ner för att göra små individualiserade medicinska implantat.

Var kommer tekniken att få fäste?

Grundkonceptet för robotsmide, formellt kallad metamorf tillverkning, demonstrerades 2017 när ett team av studenter från Ohio State University lade till hårdvara och mjukvara till en konventionell dator numerisk styrfräsmaskin för att anpassa den för kontrollerad deformation. Arbetet var ett svar på en USD 25, 000-utmaning av det statligt finansierade konsortiet LIFT (Lightweight Innovations for Tomorrow) för att demonstrera nyckelkoncepten för digitalt styrd deformationsbaserad formning.

Men det var bara en början. I dag, mycket forskning och utveckling återstår innan vi har autonoma maskiner som formar metall till unika säkerhetskritiska föremål.

Att fullt utveckla robotsmeden kräver en syntes av teknologier. Systemet måste kunna känna till formen, temperatur och tillstånd för materialet vid varje plats för den del som formas. Då måste den kunna styra temperaturen för att få fram rätt struktur och egenskaper. Pressen måste klämma ihop komponenten där det behövs med robotstyrning, deformera delen bit för bit. Och, en dator måste fatta beslut om hur man ska flytta och slå på nästa del för att optimera form och egenskaper, lär sig ofta av hur tidigare delar gjordes.

Alla dessa basteknologier utvecklas snabbt, och det finns ingen anledning att de inte snabbt kan smältas samman som en användbar och praktisk tillverkningsteknik, som en nyligen genomförd färdplansstudie har visat.

Historien visar att när olika grupper går samman för att bilda en ny industri, födelseplatsen för den innovationen (som gör idén till företag) skördar de långsiktiga fördelarna. Detroit med bilar och Silicon Valley med datorer är uppenbara exempel men det finns även glastillverkning i Toledo, polymerteknik i Akron och medicinteknik i Minneapolis. De nyare exemplen på blomstrande tekniska kluster finns ofta utanför USA, med personlig elektroniktillverkning centrerad kring Shenzhen, Kina, och avancerade halvledarenheter i Singapore. De tidiga klustren var serendipitösa. De senare är vanligtvis resultatet av medvetna och smarta politiska beslut.

Det finns redan många exempel på fantastisk teknik som är född i USA, sedan tillverkas på annat håll. Till exempel, många av kärnteknologierna i smartphones utvecklades i labb i USA, men produktionen är nu spridd över världen. Nästa våg av innovation kommer sannolikt att ligga där kompetensen är djup på grund av bemanning och förbättring av nuvarande fabriker. Robotsmide ger en möjlighet för USA att vara ledande om man vill. Kärnan i att hålla denna goda cykel igång var som helst är att utveckla fabrikerna, eller maskinerna som bygger maskinerna.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.