Vraag het aan een expert:Georgia Tech Professor over de toekomst van machinale bewerking

Dr. Thomas Kurfess, een verspaningsexpert en onderzoeker bij Georgia Tech, heeft algoritmen ontwikkeld die de productie van 5-assige machines met automatische generatie van gereedschapsbanen drastisch verhogen. Hier gaan we zitten met Kurfess om de meest recente ontwikkelingen in de industrie te bespreken en waar de verspaning naartoe gaat.

Eendimensionale bewerking was enkele decennia geleden een vrij eenvoudig proces, waarvoor alleen een beslissing nodig was over de verplaatsing, voedingen en snelheden die nodig waren. De mogelijkheden van de huidige CNC-apparatuur zijn iets geavanceerder. Met 5-assige bewerking kunnen fabrikanten een snijgereedschap tegelijkertijd langs vijf verschillende assen verplaatsen, waardoor ze zeer ingewikkelde onderdelen en ontwerpen kunnen maken.

En de innovatie begint zich alleen maar uit te breiden, vindt dr. Thomas Kurfess, een professor en de HUSCO/Ramirez Distinguished Chair in Fluid Power and Motion Control aan het ‎Georgia Institute of Technology. Zijn werk richt zich op het ontwerp en de ontwikkeling van geavanceerde productiesystemen die gericht zijn op de productie en optimalisatie van complexe producten.

Hij heeft onderzoek gedaan naar algoritmen voor 5-assige machines die automatische generatie van gereedschapspaden mogelijk maken - een mogelijkheid die de productiviteit drastisch kan verhogen door de hoeveelheid gebruikersinteractie en voorbereidingstijd voor gereedschapspaden te verminderen. Kurfess heeft ook gewerkt aan onderzoek dat de tekortkomingen van het kwantificeren van gereedschapsslijtage in geavanceerde gereedschapsgeometrieën onder de aandacht brengt - en hij heeft officieel voor het Witte Huis gewerkt. Van 2012 tot 2013 was hij adjunct-directeur voor geavanceerde productie bij het Office of Science and Technology Policy onder president Obama.

We gaan zitten met Kurfess om de huidige staat van meerassige bewerking te bespreken - en waar de toekomst naartoe gaat.

Je hebt onderzoek gedaan naar het automatisch genereren van gereedschapsbanen voor 5-assige machines. Kunt u ons uw kijk geven op de uitdagingen van het verleden, het heden en de toekomst?

KURFESS: Ik ben opgegroeid in een kleine machinewerkplaats; vroeger was het NC, of ​​numerieke besturing. Fast-forward naar de toekomst, en we zijn nu in het tijdperk van 5-assige bewerking. Terwijl frezen met 2 of 3 assen relatief eenvoudig is, zwaaien dingen met 5 assen onder verschillende hoeken en kan het soms moeilijk zijn om te programmeren. En om eerlijk te zijn, we hebben onze programmeermogelijkheden vanaf de jaren 80 op de machine niet noodzakelijkerwijs verbeterd, en we hebben nog steeds een zeer complexe taak die een hoog opgeleide programmeur met een aanzienlijke hoeveelheid ervaring vereist. Dit staat in schril contrast met 3D-printen, dat wordt gezien als een kwestie van een bestand downloaden en afdrukken. Mijn studenten vroegen vaak:"Waarom printen we het onderdeel niet gewoon in 3D?" Maar als je een echte fabriek binnengaat die miljoenen dollars aan werktuigmachines heeft, dan ga je die werktuigmachines gebruiken omdat ze er zijn en niet gemakkelijk of goedkoop kunnen worden vervangen. De industrie heeft dus nog een lange weg te gaan. Bovendien maakt additive manufacturing typisch plastic onderdelen. Je kunt constructies van metaal maken, maar er zijn beperkingen. Een van onze technologieën voor geavanceerde programmering van bewerkingsmachines is de grafische verwerkingseenheid of GPU.

Kun je wat meer in detail treden over GPU's?

KURFESS:ik Als u een computer met een grafische kaart koopt, heeft deze een GPU. Hoewel gaming de primaire markt is, gebruiken we die mogelijkheid om onze 5-assige bewerkingstrajecten te genereren … De GPU is als een kleine supercomputer en geeft ons game-achtige interfaces voor programmeren, waardoor de menselijke programmeur een aanzienlijke cognitieve belasting ontlast. Met supercomputing-mogelijkheden van de GPU kunnen we naar alle verschillende vooruitzichten kijken en een breed scala aan scenario's, zelfs de ervaren programmeur zou niet de tijd hebben om erover na te denken. G-code heeft ons ver gebracht, maar het is beperkt en deze technologie zal ons snel veel verder brengen dan alles wat we vandaag zien.

Waar ziet u de toekomst van meerassige bewerking en bewerking in het algemeen?

KURFESS: Ik voorspel een paar dingen in het bijzonder. Ten eerste zullen we ons richten op het eenvoudiger programmeren van werktuigmachines. Ten tweede, hoewel veel mensen zeggen dat we volledig geautomatiseerd zullen zijn, geloof ik dat niet per se. Er is een geweldige vaatwasser-analogie die iemand naar me bracht. In mijn leven geloof ik niet dat je je vaatwasser ooit automatisch zult zien leegmaken, omdat er expertise en complexiteit komt kijken bij het laden en lossen. Hetzelfde geldt voor machines - we moeten de machines gebruiksvriendelijker maken door de programmeur te helpen bij het maken van keuzes, zoals welk gereedschap hij moet gebruiken en welke oriëntaties hij moet programmeren in volledige 5-assige continue modi. Ten slotte zie ik een beweging naar meer grafische gebruikersinterfaces die vergelijkbaar zijn met wat je zou ervaren op een spelsysteem. Die interfaces kunnen je helpen productiever te worden, en laten we eerlijk zijn, het huidige personeelsbestand, net als mijn kinderen, is erg bedreven in het gebruik van die game-interfaces.

Zijn er aspecten van deze machines die tegenwoordig onderbenut worden? Wat is uw advies om het meeste uit deze machines te halen?

KURFESS: Het is een kwestie van optimaal gebruik maken van geavanceerde machines - en het grote probleem daar is training. We werken nauw samen met nabijgelegen community colleges en technische hogescholen, en het is moeilijk en duur voor hen om training op het niveau van medewerkers te geven voor deze gecompliceerde werktuigmachines. Het hebben van een werktuigmachine van $ 500.000 in een onderwijslaboratorium is redelijk onbetaalbaar, maar de training is van cruciaal belang, vooral bij meerassige bewerking. Het is ook moeilijk voor bedrijven om individuen op te leiden, want als iemand er eenmaal goed in wordt, is het moeilijk om ze in de buurt te houden. Simpel gezegd, er is veel vraag naar.

Je hebt onderzoek gedaan om algoritmen te ontwikkelen die de automatische generatie van toolpaths ten goede zouden komen. Vertel ons over dat onderzoek en de uitdagingen die u daar probeerde te overwinnen. Wat was de uitkomst? Waar zie je vandaag de automatische generatie van toolpaths, en waar denk je dat het naartoe gaat?

KURFESS: Met betrekking tot het genereren van toolpaths werken we in plaats van pixels in voxels. Het is een 3D-pixel waar we een ontwerp nemen en het voxeliseren. We doen digitale volumetrische verwerking, wat een natuurlijk formaat is voor de GPU. We halen een onderdeelontwerp uit een CAD-model en voxeliseren het zodat we het op de GPU kunnen verwerken. Deze benadering leent zich goed voor het bewerken van onderdelen en voor hybride machines, die additief op werktuigmachines combineren (additive en subtractive manufacturing). Bedrijven beginnen voxels steeds vaker te gebruiken met duurdere problemen. Langzaam maar zeker werken voxels zich een weg naar een verscheidenheid aan producten. Bij Georgia Tech, onze tweedejaars cursus ontwerpen en bouwen, lieten we studenten gedraaide onderdelen ontwerpen met op voxel gebaseerde tools met behulp van cloudgebaseerde high-performance computerplatforms en ze vonden het geweldig. De systemen die ze gebruiken zijn orden van grootte sneller dan wat dan ook; ze krijgen dus in realtime feedback of hun onderdeel op de draaibank kan worden geproduceerd met het momenteel geïnstalleerde gereedschapspakket, terwijl ze bezig zijn met het tekenen van het onderdeel.

Je hebt ook gewerkt aan onderzoek naar het kwantificeren van gereedschapsslijtage in complexe geometrieën. Vertel ons over dat onderzoek en wat je hebt ontdekt.

KURFESS: We doen behoorlijk wat werk op dit gebied, maar laat me je vertellen over onze grootste overwinning:we waren bezig met het bewerken van een zeer geavanceerde op nikkel gebaseerde superlegering die verschrikkelijk was om te bewerken. Het was moeilijk om onze doelgeometrie te bereiken, maar we waren ook bezorgd over het niet beschadigen van de korrelstructuur van het onderdeel. Terwijl u aan het verspanen bent, kunt u thermische schade aan het oppervlak aanrichten (scheuren, schade aan de ondergrond, enz.). Dat komt door warmtegerelateerde problemen, omdat warmte de meeste schade aanricht. In dit geval kregen we nieuwe keramische wisselplaten om te proberen en ze gaven ons snelheden die waanzinnig hoog waren - zo erg zelfs dat we naar onze gereedschapsmachinepartner moesten gaan en vragen of we onze bewerkingsmachine konden omruilen. We hadden een spindel met veel hogere snelheid nodig. Omdat we keramiek gebruikten, moesten we het gebruik van koelvloeistof vermijden om geen thermische schokken in de inzetstukken te veroorzaken en ze te versplinteren. Ondanks de snelheid werkte het zonder koelvloeistof ongelooflijk goed. We waren zelfs in staat om zo snel te bewerken dat we de warmteoverdrachtssnelheid overtroffen - dat betekent dat de warmte niet in het onderdeel kon komen. Dus nadat je klaar was met machinaal bewerken, voelde je het onderdeel en het was cool. Dit hielp om de ondergrondse schade te minimaliseren. We hebben thermische schade aan het onderdeel geëlimineerd, hebben aanzienlijk hogere materiaalverwijderingssnelheden gehaald en hadden geen spanen met koelvloeistof, waardoor ze veel gemakkelijker te recyclen waren.

Wat vindt u van de kloof in productievaardigheden? Hoe kijk je er tegenaan en hoe denk je dat het verbeterd kan worden? Welke maatregelen moeten fabrikanten van elke omvang nemen om het talent te vinden dat ze voor de toekomst nodig hebben?

KURFESS: De vaardigheidskloof is reëel. Kinderen van tegenwoordig houden niet van het programmeren van G-code zoals we 20 of 30 jaar geleden waren. Natuurlijk, onze meer geavanceerde videogame was Pong, en we hebben papieren tape geponst! Ons personeel van de volgende generatie is meer grafisch georiënteerd en beschikt over andere vaardigheden. Dus de overstap naar meer grafische interfaces helpt om deze volgende generatie echt te betrekken. Veel mensen vinden dat je als machinist of ingenieur een superwiskundig genie moet zijn. De realiteit is dat je geen genie hoeft te zijn ... je moet goed zijn en het leuk vinden. Daarnaast ben ik de president van SME en zie ik hoe de volgende generatie trainingsproducten voor operaties zoals Tooling U-SME de volgende generatie en huidige generatie werknemers echt aanspreken op het gebied van technische training en ontwikkeling. De benaderingen die worden toegepast zijn state-of-the-art, boeiend en zeer effectief. Bovendien begint deze training doelgericht en gepersonaliseerd te worden. We gaan het rijk betreden waar de machine zal weten of u goed bent opgeleid en u training zal aanbevelen om de manier waarop u rent en de machine gebruikt, te verbeteren. Bovendien zijn we niet ver verwijderd van een 3-assige machine die aanbeveelt dat je wordt opgeleid en bevorderd tot een 5-assige machine op basis van je prestaties op de 3-assige machine.

Welke rol denkt u dat fabrikanten moeten spelen bij het verkleinen van de vaardigheidskloof?

KURFESS: Het gaat om levenslang leren. Je moet een cultuuromslag hebben zodat zowel het personeel als de werkgevers begrijpen dat continue en levenslange training de weg is naar een meer winstgevende operatie en een lange, veilige en succesvolle carrière. Je moet iedereen in de modus krijgen dat voortdurende training een goede zaak is. Laten we realistisch zijn, als je in 30 jaar niets hebt geleerd, ben je een technologische dinosaurus en weten we wat er met de dinosaurussen is gebeurd! Het up-to-date houden van vaardigheden is van cruciaal belang om relevant te blijven.

Je achtergrond laat ook zien dat je tijd hebt doorgebracht in de automobielsector. Kun je ons daar iets over vertellen, het werk dat je deed en waar je die industrie vandaag – en voor de toekomst ziet?

KURFESS: Ik was bij Georgia Tech van 1994 tot 2005. In 2005 begon ik het academische en onderzoeksprogramma aan de Clemson University - International Center for Automotive Research. Over het algemeen was het produceren van eenvoudige onderdelen met 2- en 3-assige bewerking relatief eenvoudig. Als het echter om 5-assige onderdelen ging, maakten we echt een verschil. Nogmaals, het duurdere en complexere werk was waar de hoogopgeleide mensen echt schitterden en waar ze geweldige salarissen verdienden!

Zijn er nog andere specifieke innovaties in de verticale sector die u nauwlettend in de gaten houdt? Welke productie-innovaties zie je in het vermogen om vandaag en in de nabije toekomst over te steken en impact te maken? Waar moeten fabrikanten echt op letten?

KURFESS: Toen ik het technische punt van president Obama was voor geavanceerde productie in het Office of Science and Technology Policy, kreeg ik een goed perspectief op dingen. Voor beide partijen is productie van cruciaal belang. Ik getuigde een paar weken geleden voor een subcommissie waar we het belang van het internet der dingen voor fabrikanten benadrukten. We zien machines die veel informatie over het product en het proces extraheren. Dit helpt niet alleen om een ​​veel beter product en een efficiënt proces te maken, maar ook om de kansen op werk en het concurrentievermogen van ons moderne personeelsbestand te verbeteren. Elke vertegenwoordiger in die subcommissie begreep dit en steunde het bevorderen van dit soort technologie en mogelijkheden.

In termen van automatisering, gelooft u dat technologische vooruitgang daadwerkelijk kan helpen de vaardigheidskloof te overbruggen met minder benodigde werknemers?

KURFESS: Met meer automatisering hebben we minder mensen nodig met een hogere vaardigheden. Zodra werknemers high-end assen programmeren, zullen bedrijven het snappen. Ze zullen beseffen dat deze machines beter zijn en ze zullen er meer kopen – en uiteindelijk meer mensen nodig hebben. Toegegeven, we zullen nog steeds mensen nodig hebben in het centrum van het werk, aangezien mensen al het programmeren zullen doen. Of het nu voor het personeel in het algemeen of voor individuen is, het is een kwestie van levenslang leren en het begrijpen van deze machines zal iemand naar het volgende niveau van bekwaamheid brengen. De banen voor lager geschoolden zullen dus verdwijnen, maar we zullen een aanzienlijke uitbreiding zien van banen voor hoger geschoolden die veel hogere lonen hebben!

Laten we het ten slotte nog even hebben over hoogwaardige bewerkingen. Zijn er nieuwe, innovatieve ontwikkelingen op dat gebied?

KURFESS: Het draait allemaal om de regelaar. Gebruiksgemak, connectiviteit ... alle informatie bij elkaar krijgen - dat is de toekomst. Het verslaat de broek van die CNC-controller uit de jaren 80 die er nog steeds uitziet als mijn eerste pc!

Heeft uw winkel 5-assige bewerking toegepast? Met welke uitdagingen wordt u geconfronteerd - en zou u openstaan ​​voor het programmeren van machines met automatische toolpath-generatoren? Laat het ons weten in de commentaarsectie hieronder.