Interview:Professor Ian Campbell von der Loughborough University

Professor Ian Campbell ist Professor an der Loughborough University, die Pionierarbeit auf dem Gebiet des Designs für die additive Fertigungsforschung leistet. Professor Campbell verfügt über einen umfassenden Hintergrund in der Konstruktionstechnik und hat über vierzig wissenschaftliche Zeitschriftenartikel veröffentlicht, ist Herausgeber des Rapid Prototyping Journal und seit 2014 Associate Consultant für Wohlers Associates.

Wir haben uns sehr gefreut, mit Professor Campbell zusammenzusitzen und die Bedeutung des Designs für die additive Fertigung, die Rolle der Automatisierung in der AM und die Art und Weise, wie Mass Customization und Hybrid Manufacturing die Industrie verändern könnten, zu diskutieren.

F:Wie sind Sie zum ersten Mal zu AM gekommen?

Ich machte 1993 einen Master-Abschluss an der Warwick University, als ich zum ersten Mal auf Stereolithografie aufmerksam wurde, aber erst als ich später in diesem Jahr an die Nottingham University wechselte, hatte ich Zugang zum Stereolithografiegerät der Universität und begann mit der Forschung an meiner Doktorarbeit , das sich auf die Verbindung von Design und, wie wir es damals nannten, Rapid Prototyping konzentrierte.

Meine damalige Prämisse war, dass Rapid Prototyping zu einem Produktionsprozess werden würde – was man sich in den 1990er Jahren nicht wirklich vorstellen konnte. Aber ich tat es und dachte, wenn aus Rapid Prototyping ein Produktionsprozess werden sollte, müssten wir lernen, wie man dafür konstruiert. Und darauf konzentrierte sich meine Doktorarbeit.

F:Ironischerweise ist Design für die additive Fertigung heute ein großes Gesprächsthema. Wo stehen wir da und welche Fortschritte müssen gemacht werden?

Ich finde es im Moment etwas planlos. Sicherlich gibt es in bestimmten Unternehmen Know-how-Täfelchen, wobei einige Konstrukteure die Möglichkeiten der additiven Fertigung in Bezug auf Leichtbau, komplexe interne Strukturen oder Topologieoptimierung usw. wirklich verstehen – und dies ist insbesondere bei Luft- und Raumfahrtunternehmen der Fall.

Aber insgesamt denke ich, dass es in unserer Design-Community eine kleine Wissenslücke gibt, mit vielen Designern, die die additive Fertigung vielleicht nicht gut genug verstehen oder nicht die Möglichkeit hatten, darüber nachzudenken wie es die Art und Weise, wie sie entwerfen, verändern könnte.

Dies könnte sich mit der neuen Generation von Designern ändern, die durch die Universität kommen und jetzt diese Ausbildung erhalten. Aber für Designer, die schon seit einiger Zeit praktizieren, haben sie wahrscheinlich nicht über die Vorteile nachgedacht, die sie ihnen bringen könnten, es sei denn, sie mussten sich persönlich mit der Verwendung der additiven Fertigung als Herstellungsverfahren auseinandersetzen. Ich denke, es gibt definitiv eine Möglichkeit, dies voranzutreiben, und das ist eines der Ziele, die wir mit dem neuen Master-Programm, das wir gestartet haben, erreichen wollen.

F:Wo sehen Sie Design für AM in fünf Jahren?

Erstens glaube ich, dass mehr Menschen sein Potenzial als Produktionsprozess erkennen und daher lernen müssen, dafür zu entwerfen, insbesondere bei der neuen Generation von Designern, von denen viele auf die additive Fertigung aufmerksam gemacht werden.

Eine andere Sache, die ich erwarte, ist eine stärkere Designautomatisierung und das Aufkommen spezialisierterer Tools, die Designern dabei helfen, einige der cleveren Dinge zu tun, die erforderlich sind, um AM voll auszuschöpfen. Einige dieser Werkzeuge existieren bereits, wie zum Beispiel die topologische Optimierung. Und ich weiß, dass es andere Software gibt, die darauf abzielt, interne Gitterstrukturen automatisch zu entwickeln, damit niemand diese selbst am CAD erstellen muss. Additive Fertigung kann unglaubliche Dinge in Bezug auf die Erstellung komplexer Geometrien bewirken, aber zu erwarten, dass sich eine Person oder sogar ein Team von Personen hinsetzt und diese Art von Geometrie erstellt, würde einen echten Engpass darstellen, wenn alles mit herkömmlichen Werkzeugen durchgeführt würde.

Letztendlich muss meiner Meinung nach eine größere Auswahl an Tools zur Verfügung stehen, um einige der Prozesse zu automatisieren, denen wir folgen müssten.

F:Automatisierung ist derzeit ein wichtiger Trend in AM. Wie sehen Sie die Entwicklung der Automatisierung für AM?

Derzeit gibt es innerhalb von AM eine ganze Reihe von Prozessen, die intensiv menschliche Arbeit in Anspruch nehmen. Automatisierung kann in vielerlei Hinsicht helfen – es kann so einfach sein, mit Automatisierungssoftware zu entscheiden, wohin die Teile auf der Bauplattform gehen sollen, oder die Bauzeit automatisch zu berechnen. Wir könnten sogar die Simulation der Oberflächenbeschaffenheit automatisieren, die abhängig von der von Ihnen verwendeten Ausrichtung erstellt wird.

Ich kann mir auch vorstellen, Automatisierung zu verwenden, um die richtigen Parameter für den Betrieb der Maschine auszuwählen, anstatt mit verschiedenen Parametern herumzuprobieren. Diesbezüglich wird es innerhalb der additiven Fertigungssysteme mehr Feedbackschleifen geben, die uns helfen, die Qualität auch während des Baus zu verbessern.

Und was das Design betrifft, so habe ich kürzlich einige interessante Software gesehen, mit der Sie zusätzlich zu den auftretenden Kräften die harten Punkte des Designs (die Punkte, an denen Ihre Komponente andere Komponenten berühren muss) in Ihr CAD-System eingeben können auf Ihr Bauteil ausgeübt, so dass die Geometrie automatisch mitgewachsen wird. Es ist also keine topologische Optimierung, die Material wegnimmt – obwohl das an sich schon ziemlich interessant ist –, sondern das Teil mit automatisierter Software wachsen lässt.

Insgesamt sehe ich großen Spielraum für eine weitere Automatisierung entlang der gesamten Wertschöpfungskette, von der Vorstellung, wie unser Produkt aussehen wird, bis hin zum Abtransport der fertigen Teile von der Maschine.

F:Sie leiten derzeit ein Forschungsprojekt zum Thema Individualisierung für die Automobilindustrie. Könntest du mir mehr erzählen?

Ziel des Projekts ist es, mit unseren Partnern in Rumänien zusammenzuarbeiten, um eine Reihe von Forschungsbereichen zu identifizieren, darunter die Entwicklung und Verwendung von kundenspezifischen Teilen für eine Reihe von Automobilzulieferern.

Wir haben einige Pilotstudien durchgeführt, bei denen Design und Anpassung unserer Meinung nach der Automobilindustrie helfen könnten, sei es bei den funktionaleren Teilen, wie der Anpassung der Aufhängung an verschiedene Fahrstile, oder auf der ästhetischeren Seite, bei der Sie Dinge anpassen wie der Griff Ihres Schalthebels, die Form Ihres Lenkrads oder sogar einige der Bedienelemente, die auf Ihrem Armaturenbrett verwendet werden. Das sind nur einige der Bereiche, die wir uns ansehen.

F:Was erhoffen Sie sich von den Pilotstudien?

Was wir von diesen Pilotstudien gerne sehen würden – und wir haben bereits einen Teil der Entwicklungsarbeit dafür selbst begonnen – sind Massenanpassungs-Toolkits, bei denen Sie ein vollständig standardmäßiges Produkt nehmen und einige der Parameter optimieren können, um es in ein Produkt zu verwandeln ein maßgeschneidertes Produkt. Wir sind nicht die Einzigen, die dies tun – ein Beispiel ist das Nervensystem, das hauptsächlich auf Schmuck ausgerichtet ist. Sie können ein völlig Standarddesign nehmen, mit verschiedenen Parametern herumspielen, um die Form zu ändern, und dann Ihre eigene Version in 3D drucken.

Wir haben Studien über die verschiedenen Arten von Benutzeroberflächen durchgeführt, die Menschen gerne verwenden, die Anzahl der Parameter, die sie bei der Variation ihres Designs handhaben können, und auch, wie viel Wert einem Produkt hinzugefügt werden kann, wenn wir jemandem erlauben, etwas davon zu tun die Anpassung für sich.

Letztendlich wollen wir das Stadium erreichen, in dem wir den besten Weg finden, um ein Mass Customization Toolkit zu entwickeln. Dies würde damit beginnen, dass der Designer einige Arbeit leistet, um ein Standard- oder sogar ein unfertiges Design zu erstellen. Aber dann stellen wir uns vor, dass der Kunde kommt und das Design selbst fertigstellt. So wird es zu einer Form von gemeinsam erstelltem Design, bei der sowohl der Hersteller oder das Designhaus als auch der Endbenutzer einfließen.

F:Sehen Sie diese Form der „Co-Creation“ als etwas, das in Zukunft im 3D-Druck noch üblicher werden wird?

Es passiert schon zu einem gewissen Grad. Mit Mini können Sie beispielsweise bereits maßgeschneiderte Produkte auswählen. Aber in Bezug auf die tatsächliche Formänderung des Produkts, die wir untersuchen, passiert an dieser Front nicht wirklich viel, insbesondere bei funktionalen Produkten.

Und in Branchen wie der Automobilindustrie müssen Sie sicherstellen, dass das Produkt auch dann sicher, funktional und wirtschaftlich zu produzieren ist, wenn Sie Ihrem Kunden erlauben, die Form zu ändern. Diesbezüglich muss noch viel untersucht werden, bevor Unternehmen darauf vorbereitet sind, Nutzern die Anpassung ihrer Produkte zu ermöglichen. Aber wir haben mit anderen Unternehmen gesprochen, die bereit wären, ein gewisses Maß an Variation durch ihre Endbenutzer zuzulassen.

Wenn ich das Beispiel eines Haartrockners nehme:Die Anpassung könnte so einfach sein, wie den Griff des Haartrockners an eine bestimmte Handgröße anzupassen. Sie könnten sogar einen Haartrockner kreieren, der in gewisser Weise einige Ihrer persönlichen Eigenschaften in das Produkt eingebettet haben könnte. Und das ist ein weiterer Forschungsbereich, den wir untersuchen – wir glauben, dass Menschen, die sich auf diese Art von Co-Design einlassen, eine emotionale Bindung zum Produkt aufbauen können. Das bedeutet, dass sie vielleicht bereit sind, etwas mehr Geld dafür zu zahlen und auch etwas länger daran festzuhalten, damit wir nicht so viel auf die Deponie werfen. Dies ist ein weiterer Aspekt unserer Forschung in Loughborough – nachhaltiges Design.

F:Die Loughborough University ist Vorreiter für das, was sie „Hybrid- und Multisystem-AM“ nennt. Können Sie erklären, was das bedeutet?

Wenn wir von Hybrid sprechen, meinen wir die integrierte Kombination von additiver und subtraktiver Fertigung innerhalb derselben Maschine. Bei Loughborough betrachten wir sowohl Metallsysteme als auch Polymersysteme.

F:Wie funktioniert dieser hybride Fertigungsansatz für Metallsysteme?

Für Metallsysteme gibt es bereits einige Maschinen von Firmen wie Matsuura und DMG Mori — Sie haben Maschinen entwickelt, die durch eine Art Auftragungsprozess etwas Material hinzufügen und dann einen Werkzeugwechsel durchführen. Anstatt einen Auftragskopf zu haben, bringen Sie also ein CNC-Fräswerkzeug mit, das einen Teil des Materials abträgt, entweder um eine bessere Oberflächengüte zu erzielen oder die Genauigkeit einiger Funktionen zu verbessern. Sobald dies erledigt ist, können Sie einen weiteren Werkzeugwechsel vornehmen und zum additiven Prozess zurückkehren und etwas Material hinzufügen, um den gerade bearbeiteten Bereich abzudecken. Und Sie können beliebig oft zwischen den beiden wechseln.

Das bedeutet, dass Sie alle geometrischen Freiheiten der additiven Fertigung erhalten, aber wenn Sie eine höhere Genauigkeit oder eine bessere Oberflächengüte benötigen (was bei technischen Bauteilen oft der Fall ist), können Sie dies nicht nur im Äußeren erreichen aber auch an den Innenflächen, die nicht zugänglich wären, wenn man das Ganze in einem Zug baut.

Wir glauben, dass dies neue Möglichkeiten für die Produktion aus einer Hand eröffnen wird, bei der Sie über eine Maschine verfügen, das CAD-Teil herunterladen können und am Ende ein fertiges Teil von dieser Maschine ohne weitere Bearbeitung erhalten. Diese Art der Metall-Hybrid-Fertigung ist für hochentwickelte Komponenten sehr nützlich, da Sie die Anzahl der Komponenten, die Sie in Ihr System einbauen müssen, reduzieren können, wodurch Ihre Montagekosten und der Materialbedarf reduziert werden. Dies ist besonders bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt wichtig, da bereits die Einsparung von nur wenigen Kilogramm Ihre Treibstoffrechnung erheblich senken kann.

F:Ist der hybride Herstellungsprozess für Polymere dann ganz anders?

Der Prozess wird tatsächlich insofern ziemlich ähnlich sein, als er eine Abscheidung gefolgt von einer maschinellen Bearbeitung verwendet. Der Unterschied besteht darin, dass bei Polymeren alles bei einer viel niedrigeren Temperatur passiert. Unser Ziel ist es, den AM-Polymerteilen mehr geometrische Freiheit und Genauigkeit zu verleihen und gleichzeitig die Kosten niedrig zu halten. Während es sich bei den Treibern auf der Metallseite mehr um High-End-Engineering-Produkte handelt, sind es auf der Polymerseite eher Produkte für den täglichen Gebrauch.

F:Welche anderen Forschungsprojekte stehen an der Loughborough University am Horizont?

Nun, wir beschäftigen uns auch mit additiver Fertigung von Verbundwerkstoffen. Unser Ziel hier ist es, die Richtung der Fasern in Verbundteilen zu kontrollieren, um sie stärker, steifer oder leichter zu machen oder andere technische Vorteile. Das hat erst vor kurzem begonnen und umfasst eine Reihe internationaler Partner.

F:Können Sie uns etwas mehr über das neue Masterprogramm an der Loughborough University erzählen?

Es heißt Design for Additive Manufacture und läuft ein Jahr in drei Semestern. Wir führen Studenten durch die additive Fertigung und erläutern einige ihrer Besonderheiten und Vorteile.

Es gibt ein kleines Projekt, das sich mit der Neugestaltung für die additive Fertigung befasst, gefolgt von einem großen Projekt, bei dem ein Produkt von Grund auf neu entwickelt und neu gestaltet wird. Wir werfen auch einen Blick auf einige der übergeordneten computergestützten Konstruktionswerkzeuge, die sich gut in die additive Fertigung einfügen, z. B. die topologische Optimierung, sowie einige der verschiedenen verfügbaren Modellierungsarten, z andere Arbeitsweise im CAD.

F:Abschließend, was ist der nächste Trend in AM, auf den Sie sich am meisten freuen?

Besonders spannend ist, dass die Maschinen immer größer werden und damit das Anwendungsspektrum wächst. Wenn Sie früher an additive Fertigung dachten, dachten Sie an Teile, die in einen halben Meter Würfel passten, aber das ändert sich jetzt ziemlich schnell. Wir können dies in architektonischen Anwendungen der additiven Fertigung sehen, wo wir anfangen können, Dinge wie Häuser zu schaffen. Aber in der Regel können Sie damit beginnen, einige interessante Strukturen für Gebäude zu erstellen. Diese Auswirkungen können wir auch in der Luft- und Raumfahrt sehen, wo große Flugzeugteile auf diesen großen Maschinen gebaut werden.

Ein weiterer Trend, den es schon seit einiger Zeit gibt, ist die Idee, Metamaterialien zu erstellen, bei denen Sie Ihr Material durch Spielen mit Geometrie anders verhalten können. Sie können beispielsweise eine sogenannte auxetische Struktur erstellen, bei der sich normalerweise, wenn wir auf ein Teil drücken und es in eine Richtung drücken, es in die andere Richtung ausdehnt Horizontale Richtung. Aber mit additiver Fertigung und einem sehr cleveren Design ist es möglich, Strukturen zu erstellen, bei denen sie, wenn Sie sie in vertikaler Richtung zusammendrücken, auch in horizontaler Richtung schrumpfen. Es ist eine sehr geschickte Verwendung komplexer Geometrie.

Die Leute betrachten auch andere Aspekte, wie die Herstellung von Teilen, die anders auf thermische Gradienten reagieren. Mit dem 4D-Druck können Sie beispielsweise möglicherweise ein Teil erstellen, das seine Form ändern oder sich nach dem Erhitzen ausdehnt. Wenn Sie also etwas in einer Kugel in den Weltraum schicken würden, könnte sie sich theoretisch für eine Art Antenne öffnen, sobald die Hitze der Sonne darauf trifft. Es ist also wirklich aufregend, Materialien aufgrund der komplexen Geometrie, die Sie in Teile einbauen, anders verhalten zu lassen – und bedeutet, dass wir es nicht nur mit einem Materialklumpen, sondern mit intelligentem Material zu tun haben.

Klicken Sie hier, um mehr über die Additive Manufacturing Research Group (AMRG) der Loughborough University zu erfahren.

Sehen Sie sich unser aktuelles Interview mit Dr. Richard Buswell von der Loughborough University an.