Fragen Sie einen Experten:Georgia Tech Professor zur Zukunft der maschinellen Bearbeitung

Dr. Thomas Kurfess, Zerspanungsexperte und Forscher bei Georgia Tech, hat Algorithmen entwickelt, die die Produktion von 5-Achsen-Maschinen mit automatischer Werkzeugweggenerierung dramatisch steigern. Hier setzen wir uns mit Kurfess zusammen, um die neuesten Fortschritte der Branche und die Entwicklung der Zerspanung zu besprechen.

Die eindimensionale Bearbeitung war vor einigen Jahrzehnten ein ziemlich unkomplizierter Prozess, der nur eine Entscheidung über die erforderlichen Verfahrwege, Vorschübe und Geschwindigkeiten erforderte. Die Fähigkeiten der heutigen CNC-Ausrüstung sind etwas fortgeschrittener. Mit der 5-Achsen-Bearbeitung können Hersteller ein Schneidwerkzeug gleichzeitig entlang fünf verschiedener Achsen bewegen – wodurch sie äußerst komplizierte Teile und Designs erstellen können.

Und die Innovation beginnt sich gerade auszubreiten, findet Dr. Thomas Kurfess, Professor und Inhaber des HUSCO/Ramirez Distinguished Chair in Fluid Power and Motion Control am Georgia Institute of Technology. Seine Arbeit konzentriert sich auf das Design und die Entwicklung fortschrittlicher Fertigungssysteme, die auf die komplexe Produktherstellung und -optimierung abzielen.

Er hat Algorithmen für 5-Achsen-Maschinen erforscht, die eine automatische Werkzeugweggenerierung ermöglichen – eine Fähigkeit, die die Produktivität drastisch steigern kann, indem der Umfang der Benutzerinteraktion und die Vorbereitungszeit für Werkzeugwege reduziert werden. Kurfess hat auch an Forschungsarbeiten gearbeitet, die die Unzulänglichkeiten der Quantifizierung des Werkzeugverschleißes in fortschrittlichen Werkzeuggeometrien aufzeigen – und er hat offiziell für das Weiße Haus gearbeitet. Von 2012 bis 2013 war er unter Präsident Obama stellvertretender Direktor für Advanced Manufacturing im Office of Science and Technology Policy.

Wir setzen uns mit Kurfess zusammen, um den aktuellen Stand der Mehrachsbearbeitung zu besprechen – und wohin die Reise geht.

Sie haben sich mit der automatischen Generierung von Werkzeugwegen für 5-Achsen-Maschinen beschäftigt. Können Sie uns Ihre Meinung zu den Herausforderungen der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft mitteilen?

KURFESS: Ich bin in einer kleinen Maschinenwerkstatt aufgewachsen; Früher war es NC oder numerische Steuerung. Spulen Sie in die Zukunft vor, und wir befinden uns jetzt im Zeitalter der 5-Achs-Bearbeitung. Während das 2- oder 3-Achsen-Fräsen relativ einfach ist, schwingen die Dinge beim 5-Achsen-Fräsen in verschiedenen Winkeln herum und es kann manchmal schwierig sein, es zu programmieren. Und ehrlich gesagt haben wir unsere Programmierfähigkeiten seit den 1980er Jahren auf der Maschine nicht unbedingt verbessert, und wir haben immer noch eine sehr komplexe Aufgabe, die einen hochqualifizierten Programmierer mit viel Erfahrung erfordert. Dies steht in krassem Gegensatz zum 3D-Druck – der einfach als eine Frage des Herunterladens einer Datei und des Druckens wahrgenommen wird. Meine Schüler fragten oft:„Warum drucken wir das Teil nicht einfach in 3D?“ Aber wenn Sie in eine echte Fabrik gehen, die Millionen von Dollar an Werkzeugmaschinen hat, werden Sie diese Werkzeugmaschinen benutzen, weil sie dort sind und nicht einfach oder billig ersetzt werden können. Die Industrie hat also noch einiges zu tun. Darüber hinaus stellt die additive Fertigung typischerweise Kunststoffteile her. Sie können Strukturen aus Metall herstellen, aber es gibt Einschränkungen. Eine unserer Schlüsseltechnologien für die fortschrittliche Werkzeugmaschinenprogrammierung ist die grafische Verarbeitungseinheit oder GPU.

Können Sie etwas mehr ins Detail über GPUs gehen?

KURFESS:Ich Wenn Sie einen Computer mit einer Grafikkarte kaufen, hat er eine GPU. Während Spiele der Hauptmarkt sind, nutzen wir diese Fähigkeit, um unsere 5-Achsen-Bearbeitungsbahnen zu generieren … Die GPU ist wie ein kleiner Supercomputer und bietet uns spielähnliche Schnittstellen für die Programmierung, wodurch der menschliche Programmierer erheblich von kognitiven Belastungen befreit wird. Mit den Supercomputing-Fähigkeiten der GPU können wir uns all die verschiedenen Aussichten und eine Vielzahl von Szenarien ansehen, für deren Betrachtung selbst der erfahrene Programmierer nicht die Zeit hätte. G-Code hat uns weit gebracht, aber es schränkt uns ein und diese Technologie wird uns schnell weit über alles hinausbringen, was wir heute sehen.

Wo sehen Sie die Zukunft der Mehrachsbearbeitung und der Bearbeitung im Allgemeinen?

KURFESS: Ich sage ein paar Dinge im Besonderen voraus. Erstens werden wir dazu übergehen, Werkzeugmaschinen einfacher programmierbar zu machen. Zweitens, während viele Leute sagen, dass wir vollständig automatisiert sein werden, glaube ich das nicht unbedingt. Es gibt eine großartige Spülmaschinen-Analogie, die jemand zu mir gebracht hat. Ich glaube nicht, dass Sie in meinem Leben jemals sehen werden, wie Ihre Spülmaschine automatisch entladen wird, da das Be- und Entladen mit Fachwissen und Komplexität verbunden ist. Dasselbe gilt für Maschinen – wir müssen die Maschinen benutzerfreundlicher machen, indem wir dem Programmierer dabei helfen, Entscheidungen zu treffen, z. B. welches Werkzeug verwendet werden soll und welche Ausrichtungen im kontinuierlichen 5-Achsen-Modus programmiert werden sollen. Schließlich sehe ich einen Trend hin zu grafischeren Benutzeroberflächen, ähnlich dem, was Sie auf einem Gaming-System erleben würden. Diese Schnittstellen können Ihnen helfen, produktiver zu werden, und seien wir ehrlich, die aktuelle Belegschaft, wie meine Kinder, ist sehr geschickt im Umgang mit diesen Gaming-Schnittstellen.

Gibt es Aspekte dieser Maschinen, die heute nicht ausgelastet sind? Was ist Ihr Rat, um das Beste aus diesen Maschinen herauszuholen?

KURFESS: Es geht darum, High-End-Maschinen optimal zu nutzen – und das große Problem dabei ist die Schulung. Wir arbeiten eng mit nahe gelegenen Volkshochschulen und Fachhochschulen zusammen, und es ist schwierig und teuer für sie, Schulungen auf Associate-Ebene für diese komplizierten Werkzeugmaschinen anzubieten. Eine Werkzeugmaschine im Wert von 500.000 US-Dollar in einem Lehrlabor zu haben, ist ziemlich kostenintensiv, aber die Schulung ist entscheidend, insbesondere bei der Mehrachsenbearbeitung. Es ist auch schwierig für Unternehmen, Einzelpersonen zu schulen, da es schwierig ist, sie zu halten, sobald sie gut darin sind. Einfach gesagt, sie sind sehr gefragt.

Sie haben Forschung betrieben, um Algorithmen zu entwickeln, die der automatischen Generierung von Werkzeugwegen zugute kommen würden. Erzählen Sie uns von dieser Forschung und den Herausforderungen, die Sie dort zu bewältigen versuchten. Was war das Ergebnis? Wo sehen Sie die automatische Werkzeugweggenerierung heute und wohin wird sie sich Ihrer Meinung nach entwickeln?

KURFESS: Bei der Werkzeugweggenerierung arbeiten wir statt in Pixeln in Voxeln. Es ist ein 3D-Pixel, bei dem wir ein Design nehmen und es voxeln. Wir führen digitale volumetrische Verarbeitung durch, was ein natürliches Format für die GPU ist. Wir nehmen Teiledesign aus einem CAD-Modell und voxeln es, damit wir es auf der GPU verarbeiten können. Dieser Ansatz eignet sich gut für die Bearbeitung von Teilen und für Hybridmaschinen, die additive auf Werkzeugmaschinen (additive und subtraktive Fertigung) kombinieren. Unternehmen beginnen, Voxel immer häufiger bei High-End-Problemen zu verwenden. Voxel arbeiten sich langsam aber sicher zu einer Vielzahl von Produkten vor. An der Georgia Tech, unserem Design-Build-Kurs im zweiten Jahr, hatten wir Studenten, die Drehteile mit voxelbasierten Werkzeugen unter Verwendung von Cloud-basierten Hochleistungs-Computing-Plattformen konstruierten, und sie waren begeistert. Die Systeme, die sie verwenden, sind um Größenordnungen schneller als alles da draußen; So erhalten sie in Echtzeit Feedback darüber, ob ihr Teil auf der Drehmaschine mit dem aktuell installierten Werkzeugpaket herstellbar ist, während sie das Teil zeichnen.

Sie haben auch an Forschungsarbeiten zur Quantifizierung des Werkzeugverschleißes in komplexen Geometrien gearbeitet. Erzählen Sie uns von dieser Forschung und was Sie entdeckt haben.

KURFESS: Wir arbeiten ziemlich viel in diesem Bereich, aber lassen Sie mich Ihnen von unserem größten Gewinn erzählen:Wir bearbeiteten eine sehr fortschrittliche Superlegierung auf Nickelbasis, die schrecklich zu bearbeiten war. Es war schwierig, unsere Zielgeometrie zu erreichen, aber wir waren auch darauf bedacht, die Kornstruktur des Teils nicht zu beschädigen. Während der Bearbeitung können Sie der Oberfläche thermische Schäden zufügen (Risse, Schäden unter der Oberfläche usw.). Das ergibt sich aus hitzebedingten Problemen, da Hitze die meisten Schäden verursacht. In diesem Fall bekamen wir neue Keramikeinsätze zum Ausprobieren und sie gaben uns wahnsinnig hohe Geschwindigkeiten – so sehr, dass wir zu unserem Werkzeugmaschinenpartner gehen und fragen mussten, ob wir unsere Werkzeugmaschine austauschen könnten. Wir brauchten eine viel schnellere Spindel. Da wir Keramik verwendeten, mussten wir die Verwendung von Kühlmittel vermeiden, um keinen thermischen Schock in den Einsätzen hervorzurufen und sie zu zerbrechen. Trotz der Geschwindigkeit funktionierte es ohne Kühlmittel unglaublich gut. Tatsächlich konnten wir so schnell bearbeiten, dass wir die Wärmeübertragungsrate übertrafen – das bedeutet, dass die Wärme nicht in das Teil eindringen konnte. Nachdem Sie mit der Bearbeitung fertig waren, fühlten Sie das Teil und es war cool. Dies trug dazu bei, den Untergrundschaden zu minimieren. Wir eliminierten thermische Schäden am Teil, liefen mit deutlich höheren Materialabtragsraten und hatten keine Späne, die mit Kühlmittel beladen waren, wodurch sie viel einfacher zu recyceln sind.

Was halten Sie von der Lücke bei den Fertigungskompetenzen? Wie sehen Sie das und wie kann es Ihrer Meinung nach verbessert werden? Welche Maßnahmen sollten Hersteller aller Größen ergreifen, um die Talente zu finden, die sie für die Zukunft benötigen?

KURFESS: Die Qualifikationslücke ist real. Heutzutage interessieren sich Kinder nicht mehr für die Programmierung von G-Code, wie wir es vor 20 oder 30 Jahren waren. Unser fortgeschritteneres Videospiel war natürlich Pong, und wir haben Lochstreifen gestanzt! Unsere Mitarbeiter der nächsten Generation sind eher grafisch orientiert und verfügen über andere Fähigkeiten. Die Umstellung auf grafischere Schnittstellen hilft also, diese nächste Generation wirklich einzubeziehen. Viele Leute glauben, dass man ein super mathematisches Genie sein muss, um ein Maschinist oder Ingenieur zu sein. Die Realität ist, dass Sie kein Genie sein müssen … Sie müssen gut sein und es mögen. Darüber hinaus bin ich Präsident von SME und sehe, wie die Schulungsprodukte der nächsten Generation für Betriebe wie Tooling U-SME wirklich die nächste Generation und die aktuelle Generation von Arbeitskräften in Bezug auf technische Schulung und Entwicklung einbeziehen. Die angewandten Ansätze sind auf dem neuesten Stand der Technik, ansprechend und sehr effektiv. Darüber hinaus wird dieses Training zunehmend zielgerichteter und personalisierter. Wir bewegen uns in den Bereich, in dem die Maschine erkennt, ob Sie richtig trainiert sind, und Ihnen ein Training empfehlen wird, um die Art und Weise zu verbessern, wie Sie laufen und die Maschine nutzen. Darüber hinaus sind wir nicht weit von einer 3-Achsen-Maschine entfernt und empfehlen, dass Sie basierend auf Ihrer Leistung auf der 3-Achsen-Maschine geschult und zu einer 5-Achsen-Maschine befördert werden.

Welche Rolle müssen Hersteller Ihrer Meinung nach spielen, um die Qualifikationslücke zu schließen?

KURFESS: Es geht um lebenslanges Lernen. Sie müssen einen Kulturwandel vollziehen, damit sowohl die Belegschaft als auch die Arbeitgeber verstehen, dass kontinuierliches und lebenslanges Training der Weg zu einem profitableren Betrieb und einer langen, sicheren und erfolgreichen Karriere ist. Sie müssen alle in den Modus versetzen, dass kontinuierliches Training eine gute Sache ist. Seien wir realistisch, wenn Sie in 30 Jahren nichts gelernt haben, werden Sie ein technologischer Dinosaurier sein, und wir wissen, was mit den Dinosauriern passiert ist! Um relevant zu bleiben, ist es wichtig, die Fähigkeiten auf dem neuesten Stand zu halten.

Ihr Werdegang zeigt auch, dass Sie einige Zeit in der Automobilbranche gearbeitet haben. Können Sie uns darüber erzählen, welche Arbeit Sie geleistet haben und wo Sie diese Branche heute – und für die Zukunft – sehen?

KURFESS: Ich war von 1994 bis 2005 an der Georgia Tech. 2005 begann ich mit dem akademischen und Forschungsprogramm an der Clemson University – International Center for Automotive Research. Im Allgemeinen war die Herstellung einfacher Teile mit 2- und 3-Achsen-Bearbeitung relativ unkompliziert. Bei den 5-Achsen-Teilen machten wir jedoch wirklich einen Unterschied. Auch hier waren es die höherwertigen und komplexeren Arbeiten, bei denen die hochqualifizierten Personen wirklich glänzten und wo sie großartige Gehälter verdienten!

Gibt es andere spezifische vertikale Brancheninnovationen, die Sie genau im Auge behalten? Welche Fertigungsinnovationen können sich Ihrer Meinung nach heute und in naher Zukunft durchsetzen und einen Einfluss haben? Worauf sollten Hersteller wirklich achten?

KURFESS: Als ich Präsident Obamas technischer Ansprechpartner für fortschrittliche Fertigung im Office of Science and Technology Policy war, gewann ich eine großartige Perspektive auf die Dinge. Bei beiden Parteien ist die Fertigung von entscheidender Bedeutung. Ich habe vor ein paar Wochen vor einem Unterausschuss ausgesagt, wo wir die Bedeutung des Internets der Dinge für Hersteller hervorgehoben haben. Wir sehen Maschinen, die viele Informationen über das Produkt und den Prozess extrahieren. Dies trägt nicht nur dazu bei, ein viel besseres Produkt und einen effizienteren Prozess herzustellen, sondern auch die Beschäftigungsmöglichkeiten und die Wettbewerbsfähigkeit unserer modernen Belegschaft zu verbessern. Jeder Vertreter in diesem Unterausschuss hat dies verstanden und unterstützt die Weiterentwicklung dieser Art von Technologie und Fähigkeiten.

Glauben Sie in Bezug auf die Automatisierung, dass technologische Fortschritte tatsächlich dazu beitragen könnten, die Qualifikationslücke zu schließen, da weniger Arbeitskräfte benötigt werden?

KURFESS: Mit zunehmender Automatisierung werden wir weniger Mitarbeiter mit höheren Fähigkeiten benötigen. Sobald Mitarbeiter High-End-Achsenprogrammierung betreiben, werden Unternehmen es verstehen. Sie werden feststellen, dass diese Maschinen besser sind, und sie werden mehr davon kaufen – und letztendlich mehr Leute brauchen. Zugegeben, wir werden immer noch Menschen im Mittelpunkt der Arbeit brauchen, da Menschen die gesamte Programmierung vornehmen werden. Ob für die Belegschaft im Allgemeinen oder für Einzelpersonen, es ist eine Frage des lebenslangen Lernens und Verstehens, dass diese Maschinen jemanden auf die nächste Leistungsstufe bringen. Die weniger qualifizierten Jobs werden also verschwinden, aber wir werden eine deutliche Zunahme von höher qualifizierten Jobs mit viel höheren Löhnen sehen!

Lassen Sie uns abschließend noch kurz auf die Hochleistungsbearbeitung eingehen. Gibt es in diesem Bereich neue, innovative Entwicklungen?

KURFESS: Es dreht sich alles um den Controller. Benutzerfreundlichkeit, Konnektivität … alle Informationen zusammentragen – das ist die Zukunft. Es schlägt die Hose aus dieser 80er-CNC-Steuerung, die immer noch wie mein erster PC aussieht!

Verfügt Ihre Werkstatt über eine 5-Achsen-Bearbeitung? Vor welchen Herausforderungen stehen Sie – und wären Sie offen für Programmiermaschinen mit automatischen Werkzeugweggeneratoren? Lassen Sie es uns im Kommentarbereich unten wissen.