Georgia Tech Professor Thomas Kurfess Onthult De Toekomst Van 5-As CNC Bewerking

Dr. Thomas Kurfess, een bewerkingsexpert en onderzoeker bij Georgia Tech, heeft algoritmen ontwikkeld die de productie van 5-as machines dramatisch verhogen met automatische toolpath generatie. Hier praten we met Kurfess over de meest recente voortgang van de industrie en waar bewerking naartoe gaat.

Enkele-dimensie bewerking was een tamelijk rechttoe rechtaan proces enkele decennia geleden, alleen een beslissing over de reis, voedingen en snelheden nodig. De mogelijkheden van vandaag de dag CNC apparatuur zijn een beetje geavanceerder. Met 5-as bewerking kunnen fabrikanten een snijgereedschap langs vijf verschillende assen tegelijkertijd bewogen — wat hen in staat stelt om uiterst ingewikkelde onderdelen en ontwerpen te creëren.

En de innovatie begint pas te expanderen, 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 gericht op complexe productproductie en optimalisatie.

Hij heeft algoritmen voor 5-as machines onderzocht die toelaten voor automatische toolpath generatie — een mogelijkheid die de productiviteit dramatisch kan verhogen door de hoeveelheid gebruikersinteractie en voorbereidingstijd voor toolpaths te verminderen. Kurfess heeft ook gewerkt aan onderzoek dat de ontoereikendheden benadrukt van het kwantificeren van gereedschapsverslijting in geavanceerde gereedschapsgeometrieën — en hij heeft officieel voor het Witte Huis gewerkt. Van 2012 tot 2013 diende hij als assistent-directeur voor geavanceerde productie bij het Office of Science and Technology Policy werkend onder President Obama.

We praten met Kurfess over de huidige staat van multi-as bewerking — en waar de toekomst heen gaat.

U heeft onderzoek gedaan rond automatische toolpath generatie voor 5-as machines. Kunt u ons uw visie geven op de uitdagingen van het verleden, heden en de toekomst?

KURFESS: Ik ben opgegroeid in een kleine machinewinkel; toen was het NC, of numerieke besturing. Vooruitspoelen in de toekomst, en we zijn nu in het tijdperk van 5-as bewerking. Terwijl 2- of 3-as frezen redelijk rechttoe rechtaan is, met 5-as, zaken draaien op verschillende hoeken en het kan soms lastig zijn om te programmeren. En eerlijk gezegd, hebben we onze programmeermogelijkheden niet noodzakelijk verbeterd vanaf de jaren '80 op de machine, en we hebben nog steeds een heel complexe taak die een hoogopgeleide programmeur met een aanzienlijke hoeveelheid ervaring vereist. Dit is in schril contrast met 3D-printen — wat waargenomen wordt als simpelweg een kwestie van een bestand downloaden en printen. Mijn studenten vroegen vaak, "Waarom printen we het onderdeel niet gewoon 3D?" Maar als u een echte fabriek binnenkomt die miljoenen dollars aan machinegereedschappen heeft, gaat u die machinegereedschappen gebruiken omdat ze er zijn en niet gemakkelijk of goedkoop vervangen kunnen worden. Dus de industrie heeft nog een stuk te gaan. Verder maakt additieve productie doorgaans plastic onderdelen. U kunt structuren van metaal maken, maar er zijn beperkingen. Een van onze enabling technologies voor geavanceerde machinegereedschapprogrammering is de graphical processing unit, of GPU.

Kunt u wat meer detail geven over GPU's?

KURFESS: Als u een computer koopt met een grafische kaart, zal het een GPU hebben. Terwijl gaming de primaire markt is, gebruiken we die capaciteit om onze 5-as bewerkingstrajecten te genereren ... De GPU is als een kleine supercomputer en geeft ons gaming-achtige interfaces voor programmeren, wat een significante cognitieve belasting van de menselijke programmeur afneemt. Met de supercomputercapaciteiten van de GPU, kunnen we naar al de verschillende vooruitzichten kijken en een wijd verscheidenheid aan scenario's die zelfs de expert programmeur niet de tijd zou hebben om te overwegen. G-code heeft ons ver gebracht, maar het is beperkend en deze technologie gaat ons snel ver voorbij wat we vandaag zien.

Waar ziet u de toekomst van multi-as bewerking en bewerking in het algemeen heen?

KURFESS: Ik voorspel een paar dingen in het bijzonder. Eerst, we zullen bewegen naar machinegereedschappen makkelijker te programmeren. Tweedens, hoewel veel mensen zeggen dat we volledig geautomatiseerd zullen zijn, gelooft ik dat niet noodzakelijk. Er is een geweldige vaatwasser-analogie die iemand naar me toe bracht. In mijn leven geloof ik niet dat u ooit zult zien dat uw vaatwasser automatisch uitlaadt omdat er expertise en complexiteit zit in laden en uitladen. Hetzelfde geldt voor machines — we moeten de machines makkelijker maken om te gebruiken door de programmeur te helpen keuzes te maken zoals welk gereedschap te gebruiken, en welke oriëntaties te programmeren in volle 5-as continue modi. Ten slotte, ik zie een beweging naar meer grafische gebruikersinterfaces vergelijkbaar met wat u op een gaming-systeem zou ervaren. Die interfaces kunnen u helpen productiever te zijn, en laten we eerlijk zijn, de huidige werknemerspopulatie, zoals mijn kinderen, zijn heel handig in het gebruik van die gaming-interfaces.

Zijn er aspecten van deze machines die vandaag onderbenut worden? Wat is uw advies voor het meest uit deze machines te halen?

KURFESS: Het is een kwestie van het benutten van hogere-eind machines tot hun uiterste — en het grote probleem daar is training. We werken nauw samen met nabijgelegen community colleges en technische colleges, en het is moeilijk en duur voor hen om training op associate-niveau te bieden voor deze gecompliceerde machinegereedschappen. Een $500.000 machinegereedschap in een onderwijslab is tamelijk kostprohibitief, maar de training is cruciaal, met name met multi-as bewerking. Het is ook moeilijk voor bedrijven om individuen te trainen, want zodra iemand er goed in wordt, hen er te houden is moeilijk. Eenvoudig gezegd, ze zijn in hoge vraag.

U heeft onderzoek gedaan om algoritmen te ontwikkelen die automatische toolpath generatie zouden ten goede komen. Vertel ons over dat onderzoek en de uitdagingen die u probeerde te overwinnen daar. Wat was het resultaat? Waar staat automatische toolpath generatie vandaag, en waar denkt u dat het heen gaat?

KURFESS: Met betrekking tot toolpath generatie, in plaats van pixels, werken we 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 nemen deelontwerp dat in een CAD-model zit en voxeliseren het zodat we het op de GPU kunnen verwerken. Deze benadering leent zich goed voor het machine van onderdelen en voor hybride machines, die additief op machinegereedschappen combineren (additieve en subtractieve productie). Bedrijven beginnen voxels steeds meer te gebruiken met hogere-eind problemen. Langzaam maar zeker, werken voxels zich door naar een verscheidenheid aan producten. Bij Georgia Tech, in ons tweede-jaar ontwerp bouw vak, hadden studenten gedraaide onderdelen ontworpen met voxel-gebaseerde tools gebruikmakend van cloud-gebaseerde high performance computing platforms en ze hielden ervan. De systemen die ze gebruiken zijn orde van grootte sneller dan alles wat er buiten is; dus, ze krijgen real-time feedback over of hun onderdeel produceerbaar is op de draaibank met de momenteel geïnstalleerde tooling-pakket, terwijl ze in het proces zijn van het tekenen van het onderdeel.

U heeft ook gewerkt aan onderzoek over het kwantificeren van gereedschapsverslijting in complexe geometrieën. Vertel ons over dat onderzoek en wat u ontdekte.

KURFESS: We doen quite a bit van werk in dit gebied, maar laat me u vertellen over onze grootste winst: We deden bewerking van een zeer geavanceerde nikkel-gebaseerde superalliaage die verschrikkelijk was te machine. Het was moeilijk om onze doelgeometrie te halen, maar we waren ook bezorgd over het niet beschadigen van de korrelstructuur van het onderdeel. Terwijl u machineert, kunt u thermische schade aan het oppervlak doen (kraking, sub-oppervlak schade, etc.). Dat ontstaat uit warmte-gerelateerde kwesties, want warmte veroorzaakt de meeste schade. In deze instantie, kregen we nieuwe keramische inserts om te proberen en ze gaven ons snelheden die gek hoog waren — zoveel dat we naar onze machinegereedschapspartner moesten gaan en vragen of we onze machinegereedschap konden ruilen. We hadden een veel hogere snelheid spindel nodig. Omdat we keramiek gebruikden, moesten we koelstof vermijden om thermische schok in de inserts te voorkomen en ze te laten barsten. Ondanks de snelheid, werkte het ongelooflijk goed zonder koelstof. In feite, we wilden zo snel machine dat we de warmteoverdrachtsnelheid versloegen — dat betekent dat de warmte niet in het onderdeel kon komen. Dus na het machineeren voelde u het onderdeel en het was koel. Dit hielp om de sub-oppervlak schade te minimaliseren. We elimineerden thermische schade aan het onderdeel, liepen op significant hogere materiaalafvoertarieven, en hadden geen chips geladen met koelstof, wat ze veel makkelijker te recyclen maakte.

Wat zijn uw gedachten over de productie skills gap? Hoe ziet u het en hoe denkt u dat het verbeterd kan worden? Welke maatregelen moeten fabrikanten van alle maten nemen om de talent te vinden die ze voor de toekomst nodig hebben?

KURFESS: De skills gap is echt. Kinderen tegenwoordig zitten niet in G-code programmeren zoals wij 20 of 30 jaar geleden. Natuurlijk was ons geavanceerdere videospel Pong, en we perforeren papieren tape! Onze volgende-generatie werknemerspopulatie is meer grafisch georiënteerd en bezit een andere vaardighedenset. Dus bewegen naar meer grafische interfaces helpt om deze volgende generatie echt te betrekken. Veel mensen voelen dat om een werktuigkundige of ingenieur te zijn, u een super wiskundigenius moet zijn. De realiteit is dat u niet hoeft een genius te zijn ... u moet goed zijn en het leuk vinden. Daarnaast dien ik als president van SME en ik zie hoe de volgende-generatie trainingsproducten voor operaties zoals Tooling U-SME de volgende generatie en huidige generatie werknemerspopulatie echt betrekken in termen van technische training en ontwikkeling. De benaderingen die gebruikt worden, zijn state-of-the-art, boeiend en heel effectief. Verder begint deze training getarget en gepersonaliseerd te worden. We bewegen in het rijk waar de machine zal weten of u goed getraind bent en training aan u zal aanbevelen om de manier te verbeteren waarop u de machine draait en benut. Verder, we zijn niet ver van een 3-as machine die aanbeveelt dat u getraind en gepromoveerd wordt naar een 5-as machine gebaseerd op uw prestaties op de 3-as machine.

Welke rol gelooft u dat fabrikanten moeten spelen om de skills gap te verkleinen?

KURFESS: Het gaat over levenslang leren. U moet een cultuurverandering hebben zodat zowel de werknemerspopulatie als werkgevers begrijpen dat continue en levenslange training de weg is naar een winstgevendere operatie en een lange, veilige, en succesvolle carrière. U moet iedereen in de modus krijgen dat lopende training een goed ding is. Laten we realistisch zijn, als u in 30 jaar niets geleerd hebt, zult u een technologische dinosaur zijn, en we weten wat er met de dinosaurussen gebeurde! Vaardigheden up-to-date houden is cruciaal om relevant te blijven.

Uw achtergrond toont ook dat u tijd in de auto-sector doorbracht. Kunt u ons vertellen over dat, het werk dat u deed en waar u die industrie vandaag ziet — en voor de toekomst?

KURFESS: Ik was bij Georgia Tech van 1994 tot 2005. In 2005 startte ik het academische en onderzoekprogramma bij Clemson University – International Center for Automotive Research. In het algemeen, produceren van eenvoudige onderdelen met 2 en 3-as bewerking was redelijk rechttoe rechtaan. Echter, toen het aankwam op 5-as onderdelen, maakten we echt verschil. Opnieuw, het hogere eind en complexere werk was waar de hoogopgeleide individuen echt schitterden, en waar ze geweldige salarissen maakten!

Zijn er andere specifieke verticale industrie-innovaties die u nauw in de gaten houdt? Welke productie-innovaties ziet u de mogelijkheid hebben om over te steken en een impact te maken vandaag en in de nabije toekomst? Waar moeten fabrikanten echt op letten?

KURFESS: Toen ik President Obama's technisch punt was voor geavanceerde productie in het Office of Science and Technology Policy, kreeg ik een geweldig perspectief op dingen. Over beide partijen heen, is productie cruciaal. Ik getuigde een paar weken geleden aan een subcommissie waar we het belang van het internet of things voor fabrikanten benadrukten. We zien machines een hoop informatie over het product en het proces extraheren. Dit helpt niet alleen om een veel beter product en een efficiënt proces te maken, maar om baankansen en de concurrentiekracht van onze moderne werknemerspopulatie te verbeteren. Elke vertegenwoordiger op die subcommissie begreep dit en was supportief van het vooruitbrengen van dit type technologie en capaciteit.

In termen van automatisering, gelooft u dat vooruitgang in technologie de skills gap kan overbruggen met minder werknemers vereist?

KURFESS: Met verhoogde automatisering, zullen we minder mensen op een hogere vaardighedenset nodig hebben. Zodra werknemers hoge-eind as-programmeren doen, zullen bedrijven het snappen. Ze zullen beseffen dat deze machines beter zijn en ze zullen er meer kopen — en uiteindelijk meer mensen nodig hebben. Gegeven, we zullen nog steeds mensen in het midden van het werk nodig hebben, want mensen zullen alle programmeren doen. Of voor de werknemerspopulatie in het algemeen of voor individuen, het is een kwestie van levenslang leren en begrijpen dat deze machines iemand naar het volgende niveau van capaciteit zullen brengen. Dus de lagere-vaardigheid banen zullen verdwijnen, maar we zullen een significante expansie zien in hogere-vaardigheid banen die veel hogere loon hebben!

Tot slot, laten we high-performance machining even bespreken. Zijn er nieuwe, innovatieve ontwikkelingen in dat gebied?

KURFESS: Het gaat allemaal om de controller. Gebruiksgemak, connectiviteit ... al de info bijeen brengen — dat is de toekomst. Het slaat die '80s CNC controller die er nog steeds uitziet als mijn eerste PC!

Heeft uw winkel 5-as bewerking geadopteerd? Welke uitdagingen ondervindt u — en zou u openstaan voor programmeren van machines met automatische toolpath generatoren? Laat het ons weten in de commentaarsectie hieronder.