Georgia Tech Prof. Thomas Kurfess enthüllt die Zukunft der 5-Achs-CNC-Bearbeitung

Dr. Thomas Kurfess, Zerspanungsexperte und Forscher am Georgia Tech, hat Algorithmen entwickelt, die die Produktion von 5-Achs-Maschinen durch automatische Werkzeugbahn-Generierung dramatisch steigern. Hier sprechen wir mit Kurfess über die neuesten Branchenfortschritte und wohin die Zerspanung geht.

Eindimensionale Bearbeitung war vor Jahrzehnten ein geradliniger Prozess, der nur Entscheidungen zu Verfahrwegen, Vorschüben und Geschwindigkeiten erforderte. Heutige CNC-Fähigkeiten sind fortgeschrittener. Mit 5-Achs-Bearbeitung können Hersteller ein Schneidwerkzeug entlang fünf verschiedener Achsen gleichzeitig bewegen – was hochkomplexe Teile und Designs ermöglicht.

Und die Innovation expandiert erst, findet Dr. Thomas Kurfess, Professor und HUSCO/Ramirez Distinguished Chair in Fluid Power and Motion Control am Georgia Institute of Technology. Seine Arbeit fokussiert Design und Entwicklung fortschrittlicher Fertigungssysteme für komplexe Produktproduktion und -optimierung.

Er erforschte Algorithmen für 5-Achs-Maschinen, die automatische Werkzeugbahngenerierung ermöglichen – eine Fähigkeit, die Produktivität dramatisch steigert, indem Benutzerinteraktion und Vorbereitungszeit für Werkzeugbahnen reduziert werden. Kurfess forschte auch zu Unzulänglichkeiten der Quantifizierung von Werkzeugverschleiß bei fortgeschrittenen Werkzeuggeometrien – und arbeitete offiziell für das Weiße Haus. 2012–2013 war er Assistant Director for Advanced Manufacturing im Office of Science and Technology Policy unter Präsident Obama.

Wir sprechen mit Kurfess über den aktuellen Stand der Mehrachsbearbeitung – und wohin die Zukunft führt.

Sie forschen zu automatischer Werkzeugbahngenerierung für 5-Achs-Maschinen. Ihre Sicht auf Herausforderungen von Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft?

KURFESS: Ich wuchs in einer kleinen Werkstatt auf; damals war es NC, numerische Steuerung. Vorwärts in die Zukunft: Wir sind im Zeitalter der 5-Achs-Bearbeitung. Während 2- oder 3-Achs-Fräsen relativ geradlinig ist, schwingen bei 5 Achsen Dinge in verschiedenen Winkeln – und Programmierung kann schwer sein. Ehrlich gesagt: Wir haben unsere Programmierfähigkeiten auf der Maschine seit den 80ern nicht unbedingt verbessert, und wir haben immer noch eine sehr komplexe Aufgabe, die einen hochqualifizierten Programmierer mit viel Erfahrung erfordert. Das steht im starken Kontrast zu 3D-Druck – wahrgenommen als einfach Datei herunterladen und drucken. Meine Studenten fragten oft: „Warum drucken wir das Teil nicht einfach 3D?“ Aber in einem echten Werk mit Millionen $ Maschinenpark nutzt man diese Maschinen, weil sie da sind und nicht einfach oder billig ersetzbar. Die Industrie hat also noch Weg vor sich. Zudem macht Additive Fertigung typischerweise Kunststoffteile. Metallstrukturen sind möglich, aber mit Limitierungen. Eine unserer Enabling-Technologien für fortgeschrittene Maschinenprogrammierung ist die Grafikprozessor-Einheit (GPU).

Können Sie näher auf GPUs eingehen?

KURFESS: Kaufen Sie einen Computer mit Grafikkarte, hat er eine GPU. Gaming ist der Primärmarkt, wir nutzen die Kapazität für 5-Achs-Bearbeitungstrajektorien … Die GPU ist wie ein kleiner Supercomputer und gibt uns gaming-ähnliche Interfaces für Programmierung, was die kognitive Last des menschlichen Programmierers erheblich senkt. Mit Supercomputing-Kapazitäten der GPU können wir all die verschiedenen Aussichten und eine Vielzahl von Szenarien betrachten, die selbst der Experte nicht zeitlich berücksichtigen könnte. G-Code hat uns weit gebracht, aber er ist limitierend – und diese Technologie wird uns schnell weit über alles hinausbewegen, was wir heute sehen.

Wohin sehen Sie die Zukunft der Mehrachsbearbeitung und Zerspanung allgemein?

KURFESS: Ich prognostiziere ein paar Dinge. Erstens: Wir bewegen uns Richtung einfacherer Programmierbarkeit von Werkzeugmaschinen. Zweitens: Viele sagen, wir werden vollautomatisiert – ich glaube das nicht unbedingt. Es gibt eine großartige Spülmaschinen-Analogie. In meinem Leben werde ich keine Spülmaschine sehen, die automatisch ausräumt, weil Expertise und Komplexität in Be- und Entladen stecken. Gleiches gilt für Maschinen – wir müssen sie einfacher nutzbar machen, indem wir dem Programmierer helfen, Entscheidungen zu treffen: Welches Werkzeug? Welche Orientierungen in vollem 5-Achs-Kontinuierlich-Modus? Drittens: Ich sehe einen Trend zu mehr grafischen Benutzeroberflächen, ähnlich Gaming-Systemen. Diese Interfaces können produktiver machen – und die heutige Workforce, wie meine Kinder, sind sehr versiert im Umgang mit Gaming-Interfaces.

Gibt es Aspekte dieser Maschinen, die heute untergenutzt werden? Ihr Rat, das Maximum herauszuholen?

KURFESS: Es geht darum, High-End-Maschinen voll auszunutzen – und das große Thema dort ist Training. Wir arbeiten eng mit nahegelegenen Community und Technical Colleges zusammen, und es ist schwierig und teuer für sie, Associate-Level-Training für diese komplexen Maschinen bereitzustellen. Eine 500.000-$ Maschine in einem Lehrlabor ist kostenseitig kaum tragbar, aber Training ist kritisch, besonders bei Mehrachsbearbeitung. Auch für Unternehmen ist es schwer, Einzelne zu trainieren – denn sobald jemand gut darin ist, ihn zu halten, ist schwierig. Einfach: Sie sind hoch gefragt.

Sie entwickelten Algorithmen für automatische Werkzeugbahngenerierung. Erzählen Sie von der Forschung, den Herausforderungen, dem Outcome. Wo steht automatische Werkzeugbahngenerierung heute, wohin geht sie?

KURFESS: Zur Werkzeugbahngenerierung: Statt Pixeln arbeiten wir in Voxeln. Ein 3D-Pixel, wir nehmen ein Design und voxelisieren es. Wir machen digitales volumetrisches Processing, ein natürliches Format für die GPU. Wir nehmen Teildesign aus CAD-Modell und voxelisieren es für GPU-Processing. Dieser Ansatz eignet sich gut für Zerspanungsteile und Hybridmaschinen (additiv auf Werkzeugmaschinen – additive und subtraktive Fertigung). Firmen nutzen Voxel zunehmend für High-End-Probleme. Langsam aber sicher arbeiten sich Voxel in diverse Produkte vor. Am Georgia Tech, in unserem 2. Jahr Design-Build-Kurs, designeten Studenten Drehteile mit voxel-basierten Tools auf Cloud-HPC-Plattformen – und liebten es. Die Systeme sind Größenordnungen schneller als alles da draußen; sie bekommen Echtzeit-Feedback, ob ihr Teil auf der Drehmaschine mit aktuell installiertem Werkzeugpaket produzierbar ist – während sie das Teil zeichnen.

Sie forschten auch zur Quantifizierung von Werkzeugverschleiß in komplexen Geometrien. Was haben Sie entdeckt?

KURFESS: Wir arbeiten viel in diesem Bereich, aber unser größter Erfolg: Wir bearbeiteten eine sehr fortschrittliche nickelbasierte Superlegierung, die schrecklich zu zerspanen war. Zielgeometrie war schwer zu erreichen, aber wir wollten auch die Kornstruktur des Teils nicht beschädigen. Beim Zerspanen kann thermischer Schaden an der Oberfläche entstehen (Risse, Untergrundschäden etc.) – aus hitzebedingten Problemen, da Hitze den meisten Schaden verursacht. Wir bekamen neue Keramikwendeschneidplatten zum Testen mit verrückten Geschwindigkeiten – so hoch, dass wir unseren Maschinenpartner fragen mussten, ob wir die Spindel tauschen könnten. Wir brauchten deutlich höhere Spindeldrehzahlen. Da wir Keramik nutzten, mussten wir Kühlmittel vermeiden, um thermischen Schock in den Platten und Zerspringen zu verhindern. Trotz der Geschwindigkeit funktionierte es ohne Kühlmittel unglaublich gut. Tatsächlich bearbeiteten wir so schnell, dass wir die Wärmeübertragungsrate schlugen – Hitze konnte nicht ins Teil. Nach der Bearbeitung fühlten Sie das Teil: Es war kühl. Das minimierte Untergrundschäden. Wir eliminierten thermischen Schaden, fuhren signifikant höhere Zerspanungsleistungen, und hatten keine mit Kühlmittel beladenen Späne – was Recycling erleichterte.

Ihre Gedanken zum Fertigungs-Fachkräftemangel? Wie sehen Sie ihn und wie kann er verbessert werden? Welche Maßnahmen sollten Hersteller aller Größen ergreifen?

KURFESS: Der Skills Gap ist real. Kids heute programmieren nicht wie wir vor 20–30 Jahren G-Code. Unser fortgeschrittenes Videospiel war Pong, wir lochten Lochkarten! Die Next-Gen-Workforce ist grafischer orientiert und hat ein anderes Skillset. Der Schritt zu grafischeren Interfaces hilft, diese Generation zu engagieren. Viele fühlen, man müsse Mathe-Genie sein für Zerspaner/Ingenieur. Realität: Man muss nicht genial sein … man muss gut sein und es mögen. Zudem diene ich als SME-Präsident und sehe, wie Next-Gen-Trainingsprodukte für Operationen wie Tooling U-SME sowohl Next-Gen als auch Current-Gen-Workforce in technischem Training und Entwicklung engagieren. Die Ansätze sind State-of-the-Art, engagierend und sehr effektiv. Weiter wird Training gezielt und personalisiert. Wir bewegen in den Bereich, wo die Maschine weiß, ob Sie ordentlich trainiert sind, und Training empfiehlt, um Ihre Maschinenbedienung zu verbessern. Und wir sind nicht weit von einer 3-Achs-Maschine entfernt, die empfiehlt, Sie auf 5-Achs zu trainieren und zu befördern, basierend auf Ihrer 3-Achs-Performance.

Welche Rolle sollten Hersteller spielen, um den Skills Gap zu verkleinern?

KURFESS: Es geht um lebenslanges Lernen. Sie brauchen einen Kulturwandel, sodass sowohl Belegschaft als auch Arbeitgeber verstehen: Kontinuierliches, lebenslanges Training ist der Weg zu profitablerem Betrieb und langer, sicherer, erfolgreicher Karriere. Alle müssen in den Modus: Laufendes Training ist gut. Realistisch: Wenn Sie 30 Jahre nichts gelernt haben, sind Sie ein technologischer Dinosaurier – und wir wissen, was mit Dinosauriern passierte! Skills aktuell zu halten ist kritisch, um relevant zu bleiben.

Ihr Hintergrund zeigt auch Automotive-Sektor. Können Sie davon erzählen, wo Sie die Industrie heute und zukünftig sehen?

KURFESS: Ich war 1994–2005 am Georgia Tech. 2005 startete ich das akademische Forschungsprogramm am Clemson University – International Center for Automotive Research. Generell war einfache Teilefertigung mit 2- und 3-Achs-Bearbeitung geradlinig. Aber bei 5-Achs-Teilen machten wir wirklich den Unterschied. Wieder: High-End und komplexe Arbeit war, wo hochqualifizierte Individuen wirklich glänzten – und wo sie großartige Gehälter machten!

Gibt es andere vertikale Brancheninnovationen, die Sie genau beobachten? Welche Fertigungsinnovationen können crossover-Impact haben? Worauf sollten Hersteller wirklich achten?

KURFESS: Als Präsident Obamas technischer Ansprechpartner für Advanced Manufacturing im Office of Science and Technology Policy gewann ich großartige Perspektive. Über Parteigrenzen hinweg: Fertigung ist kritisch. Ich testifizierte vor wenigen Wochen vor einem Subcommittee, wo wir die Wichtigkeit von IoT für Hersteller hervorhoben. Maschinen extrahieren massiv Informationen über Produkt und Prozess. Das hilft nicht nur, bessere Produkte und effizientere Prozesse zu machen, sondern Jobchancen und Wettbewerbsfähigkeit der modernen Workforce zu verbessern. Jeder Abgeordnete im Subcommittee verstand das und unterstützte die Förderung dieser Technologie und Kapazität.

Glauben Sie, dass Automatisierung den Skills Gap mit weniger benötigten Arbeitern schließen kann?

KURFESS: Mit mehr Automatisierung brauchen wir weniger Menschen auf höherem Skilllevel. Sobald Mitarbeiter High-End-Achs-Programmierung machen, verstehen Unternehmen: Diese Maschinen sind besser – sie kaufen mehr – und brauchen letztlich mehr Leute. Gewährt, wir brauchen immer Menschen im Zentrum der Arbeit, da Menschen die Programmierung machen. Ob für Workforce allgemein oder Individuen: Es geht um lebenslanges Lernen und Verständnis, dass diese Maschinen jemanden auf das nächste Fähigkeitslevel heben. Low-Skill-Jobs verschwinden, aber wir sehen signifikante Expansion bei High-Skill-Jobs mit deutlich höheren Gehältern!

Zum Schluss: High-Performance Machining. Gibt es neue, innovative Entwicklungen?

KURFESS: Es geht alles um die Steuerung. Benutzerfreundlichkeit, Konnektivität … alle Infos zusammenführen – das ist die Zukunft. Das schlägt den 80er-Jahre-CNC-Controller, der immer noch aussieht wie mein erster PC!

Hat Ihr Shop 5-Achs-Bearbeitung übernommen? Welche Herausforderungen – und wären Sie offen für Programmierung mit automatischen Werkzeugbahngeneratoren? Sagen Sie uns in den Kommentaren.