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Entrevista:Profesor Ian Campbell de la Universidad de Loughborough

El profesor Ian Campbell es profesor en la Universidad de Loughborough, que es pionera en el campo del diseño para la investigación de fabricación aditiva. Con una amplia experiencia en ingeniería de diseño, el profesor Campbell ha publicado más de cuarenta artículos en revistas académicas, es el editor de Rapid Prototyping Journal y ha sido consultor asociado de Wohlers Associates desde 2014.

Nos complació poder sentarnos con el profesor Campbell y discutir la importancia del diseño para la fabricación aditiva, el papel de la automatización en AM y cómo la personalización masiva y la fabricación híbrida podrían transformar las industrias.

P:¿Cómo se involucró por primera vez en AM?

Estaba haciendo una maestría en la Universidad de Warwick en 1993 cuando me di cuenta por primera vez de la estereolitografía, pero fue solo cuando me mudé a la Universidad de Nottingham ese mismo año que tuve acceso a la máquina de estereolitografía de la universidad, y comencé a investigar sobre mi doctorado. , que se centró en el vínculo entre el diseño y, como lo llamábamos entonces, la creación rápida de prototipos.

Mi premisa en ese momento era que la creación rápida de prototipos se convertiría en un proceso de producción, algo que la gente realmente no podía imaginar en la década de 1990. Pero lo hice, y pensé que si la creación rápida de prototipos se convertiría en un proceso de producción, tendríamos que aprender a diseñar para ello. Y eso es en lo que se centró mi doctorado.

P:Irónicamente, hoy en día el diseño para la fabricación aditiva es un gran tema de conversación. ¿Dónde estamos con eso y qué progreso se necesita hacer?

Creo que es un poco fortuito en este momento. Ciertamente, existen focos de experiencia en ciertas empresas, y algunos diseñadores realmente comprenden las posibilidades de la fabricación aditiva en términos de aligeramiento, estructuras internas complejas o el uso de optimización de topología, etc., y este es especialmente el caso de las empresas aeroespaciales.

Pero habiendo dicho eso, en general, creo que hay una pequeña brecha de conocimiento dentro de nuestra comunidad de diseño, con muchos diseñadores que quizás no entienden lo suficientemente bien la fabricación aditiva o no han tenido la oportunidad de pensar en cómo podría cambiar la forma en que diseñan.

Esto puede estar cambiando con la nueva generación de diseñadores que llegan a la universidad y que ahora están recibiendo esa educación. Pero para los diseñadores que han estado practicando durante un tiempo, a menos que hayan tenido que enfrentarse cara a cara con el uso de la fabricación aditiva como proceso de fabricación, probablemente no hayan pensado en los beneficios que podría brindarles. Así que creo que definitivamente hay una oportunidad para impulsar eso, y esa es una de las cosas que estamos tratando de lograr con el nuevo programa de maestría que lanzamos.

P:¿Dónde ve el diseño de AM en cinco años?

En primer lugar, creo que veremos a más personas reconociendo su potencial como proceso de producción y, por lo tanto, teniendo que aprender a diseñar para él, especialmente con la nueva generación de diseñadores, muchos de los cuales habrán sido conscientes de la fabricación aditiva.

Otra cosa que espero que suceda es una mayor automatización del diseño y la aparición de herramientas más especializadas para ayudar a los diseñadores a hacer algunas de las cosas inteligentes que se necesitan para aprovechar al máximo la AM. Ahora, algunas de estas herramientas ya existen, como la optimización topológica, por ejemplo. Y sé que hay otro software que tiene como objetivo desarrollar estructuras de celosía internas automáticamente para que no haya necesidad de que alguien tenga que sentarse y crearlas en CAD. La fabricación aditiva puede hacer cosas increíbles en términos de creación de geometrías complejas, pero esperar que una persona o incluso un equipo de personas se siente y cree ese tipo de geometría crearía un cuello de botella real si todo se hiciera con herramientas convencionales.

En última instancia, creo que tiene que haber una mayor variedad de herramientas disponibles para automatizar algunos de los procesos que tendríamos que seguir.

P:La automatización es una tendencia clave en AM en este momento. ¿Cómo ve la evolución de la automatización para AM?

En este momento, hay muchos procesos que hacen uso intensivo del trabajo humano dentro de AM. La automatización puede ayudar de muchas maneras:podría ser tan simple como decidir dónde irán las piezas en la plataforma de construcción utilizando software de automatización o calcular el tiempo de construcción automáticamente. Incluso podríamos automatizar la simulación del acabado superficial que se creará en función de la orientación que utilices.

También puedo imaginarme usando la automatización para elegir los parámetros correctos para ejecutar la máquina, en lugar de hacer una prueba y error con diferentes parámetros. En este sentido, habrá más ciclos de retroalimentación dentro de los sistemas de fabricación aditiva que también nos ayudarán a mejorar la calidad durante la construcción.

Y en lo que respecta al diseño, recientemente he visto un software interesante que le permite ingresar los puntos duros del diseño (los puntos donde su componente debe tocar otros componentes) en su sistema CAD además de las fuerzas que serán ejercida sobre su componente, de modo que la geometría crezca automáticamente. Por lo tanto, no es como la optimización topológica que elimina el material, aunque eso es bastante interesante en sí mismo, esto en realidad implica hacer crecer la pieza utilizando software automatizado.

En general, creo que existe un gran margen para una mayor automatización a lo largo de toda la cadena de valor, desde que tenemos una idea de cómo se verá nuestro producto hasta la obtención de las piezas terminadas de la máquina.

P:Actualmente, lidera un proyecto de investigación sobre personalización para la industria automotriz. ¿Podrías contarme más?

El objetivo del proyecto es trabajar con nuestros socios en Rumanía para identificar una serie de áreas de investigación, una de las cuales es el diseño y uso de piezas personalizadas para ser utilizadas por varios proveedores de componentes de automoción.

Hemos realizado un par de estudios piloto en los que creemos que el diseño y la personalización podrían ayudar a la industria automotriz, ya sea en las partes más funcionales, como personalizar la suspensión para diferentes estilos de conducción, o en el lado más estético, donde se personalizan las cosas. como la manija de la palanca de cambio de marchas, la forma de su volante o incluso algunos de los aspectos de control utilizados en su tablero. Esas son solo algunas de las áreas que estamos analizando.

P:¿Qué espera lograr con los estudios piloto?

Lo que nos encantaría ver de estos estudios piloto, y ya hemos comenzado parte del trabajo de desarrollo en esto nosotros mismos, son kits de herramientas de personalización masiva, donde puede tomar un producto completamente estándar y ajustar algunos de los parámetros para transformarlo en un producto personalizado. No somos los únicos en hacer esto; un ejemplo es el Sistema Nervioso, que está dirigido principalmente a la joyería, puede tomar un diseño completamente estándar, jugar con diferentes parámetros para cambiar la forma y luego imprimir en 3D su propia versión.

Hemos estado haciendo estudios sobre los diferentes tipos de interfaces que a la gente le gusta usar, la cantidad de parámetros que pueden manejar en términos de variar su diseño y también cuánto valor se puede agregar a un producto cuando permitimos que alguien haga algo de la personalización por sí mismos.

En última instancia, queremos llegar a la etapa en la que podamos encontrar la mejor manera de diseñar un conjunto de herramientas de personalización masiva. Esto comenzaría con el diseñador haciendo un trabajo para crear un diseño estándar o incluso sin terminar. Pero luego imaginamos que el cliente vendrá y terminará ese diseño por sí mismo. Por lo tanto, se convierte en una forma de diseño co-creado, donde ha habido aportes del fabricante o la casa de diseño, así como también del usuario final.

P:¿Considera que esta forma de "co-creación" será algo más común en la impresión 3D en el futuro?

Ya está sucediendo hasta cierto punto. Por ejemplo, Mini ya te permite elegir productos personalizados. Pero en términos de cambiar realmente la forma del producto, que es lo que estamos explorando, no está sucediendo mucho en este frente, particularmente con los productos funcionales.

Y en industrias como la automotriz, debe asegurarse de que si permite que su cliente realice cambios en la forma, el producto seguirá siendo seguro, funcional y económico de producir. Es necesario realizar mucha más investigación a este respecto antes de que las empresas estén preparadas para permitir que los usuarios personalicen sus productos y, en algunos casos, es posible que algunas empresas nunca permitan que los usuarios personalicen sus diseños. Pero hemos hablado con otras empresas que estarían dispuestas a permitir que sus usuarios finales introduzcan cierto grado de variación.

Si tomo el ejemplo de un secador de pelo:la personalización podría ser tan simple como hacer que la empuñadura del secador de pelo se ajuste a un tamaño particular de mano. Incluso podría crear su estilo de secador de pelo que de alguna manera podría tener algunas de sus características personales incrustadas en el producto. Y esa es otra área de investigación que estamos explorando:creemos que si las personas se involucran en este tipo de codiseño, pueden desarrollar un vínculo emocional con el producto. Esto significa que pueden estar dispuestos a pagar un poco más de dinero por él y también retenerlo un poco más, para que no terminemos tirando tanto al vertedero. Este es otro aspecto de nuestra investigación en Loughborough:diseño sostenible.

P:La Universidad de Loughborough es pionera en lo que denomina “AM híbrida y multisistema”. ¿Puede explicar qué significa esto?

Cuando hablamos de híbrido, nos referimos a la combinación integrada de fabricación aditiva y sustractiva dentro de la misma máquina. En Loughborough, estamos analizando tanto los sistemas de metales como los sistemas de polímeros.

P:¿Cómo funciona este enfoque de fabricación híbrida para sistemas metálicos?

Para los sistemas metálicos, ya hay algunas máquinas disponibles de empresas como Matsuura y DMG Mori - han creado máquinas que agregarán algo de material a través de un tipo de proceso de deposición y luego harán un cambio de herramienta. Entonces, en lugar de tener un cabezal de deposición, trae una herramienta de fresado CNC que eliminará parte del material, ya sea para brindarle un mejor acabado superficial o para mejorar la precisión de algunas de las características. Una vez hecho esto, puede hacer otro cambio de herramienta y volver al proceso aditivo y agregar algo de material para cubrir el área en la que acaba de trabajar. Y puede cambiar entre los dos tantas veces como desee.

Lo que esto significa es que puede obtener toda la libertad geométrica de la fabricación aditiva, pero si necesita una mayor precisión o un mejor acabado de la superficie (que suele ser el caso de los componentes de ingeniería), esto se puede lograr no solo en el exterior. pero incluso en las superficies interiores que no serían accesibles si construyeras todo de una vez.

Creemos que esto abrirá nuevas posibilidades para la producción integral en la que tiene una máquina, puede descargar la pieza CAD y termina con una pieza terminada de esa máquina sin necesidad de más mecanizado. Este tipo de fabricación de híbridos metálicos será muy útil para componentes de alta ingeniería, ya que le permitirá reducir la cantidad de componentes que necesita poner en su sistema, recortando así sus costos de ensamblaje y reduciendo la cantidad de material que necesita. Esto es particularmente importante en aplicaciones aeroespaciales porque ahorrar incluso un par de kilogramos puede reducir enormemente su factura de combustible.

P:¿El proceso de fabricación híbrida de polímeros es bastante diferente a ese entonces?

En realidad, el proceso será bastante similar, ya que utilizará deposición seguida de mecanizado. La diferencia es que para los polímeros todo sucede a una temperatura mucho más baja. Lo que pretendemos hacer aquí es brindar mayor libertad geométrica y precisión a las piezas de polímero AM y, al mismo tiempo, mantener bajos los costos. Entonces, mientras que el controlador del lado del metal se trata más de productos de ingeniería de alta gama, del lado del polímero, es más para los productos de uso diario.

P:¿Qué otros proyectos de investigación se avecinan en la Universidad de Loughborough?

Bueno, también estamos estudiando la fabricación aditiva de materiales compuestos. Lo que pretendemos hacer aquí es controlar la direccionalidad de las fibras dentro de las piezas compuestas para hacerlas más fuertes, más rígidas o más ligeras u otros beneficios de ingeniería. Eso ha comenzado recientemente e involucra a varios socios internacionales.

P:¿Puede contarnos un poco más sobre el nuevo programa de maestría en la Universidad de Loughborough?

Se llama Diseño para fabricación aditiva y tiene una duración de un año, en tres semestres. Llevamos a los estudiantes a través de lo que es la fabricación aditiva y analizamos algunas de sus singularidades y beneficios.

Hay un proyecto menor que analiza cómo podemos rediseñar para la fabricación aditiva, seguido de un proyecto importante que implica diseñar un producto desde cero y rediseñarlo. También echamos un vistazo a algunas de las herramientas de diseño asistido por computadora de alto nivel que encajan bien con la fabricación aditiva, como la optimización topológica, así como algunos de los diferentes tipos de modelado que están disponibles, como el modelado de vóxeles, diferente forma de trabajar dentro de CAD.

P:Por último, ¿cuál es la próxima tendencia en AM que más le entusiasma?

Una cosa que es realmente emocionante es que las máquinas son cada vez más grandes, lo que significa que la gama de aplicaciones está creciendo. En un momento en que pensaba en la fabricación aditiva, pensaba en piezas que cabían en un cubo de medio metro, pero eso está cambiando con bastante rapidez ahora. Podemos ver esto en aplicaciones arquitectónicas de fabricación aditiva, donde podemos comenzar a crear cosas como casas. Pero, por lo general, puede comenzar a crear algunas estructuras interesantes para colocarlas dentro de los edificios. También podemos ver este impacto en la industria aeroespacial, con grandes piezas de aviones que se construyen en estas grandes máquinas.

Otra tendencia que ha existido durante un tiempo es la idea de crear metamateriales, mediante el cual puedes hacer que tu material se comporte de manera diferente jugando con la geometría. Por ejemplo, puede crear lo que se llama una estructura auxética, donde normalmente cuando empujamos una pieza y la apretamos en una dirección, se expande en las otras direcciones, por ejemplo, cuando se aprieta una bola en la dirección vertical, se expandirá en la dirección vertical. Dirección horizontal. Pero utilizando la fabricación aditiva y un diseño muy inteligente, es posible crear estructuras en las que si las aprieta en la dirección vertical, también se encogerán en la dirección horizontal. Es un uso muy inteligente de geometría compleja.

La gente también está analizando otros aspectos, como crear piezas que reaccionen de forma diferente a los gradientes térmicos. Con la impresión 4D, por ejemplo, puede crear potencialmente una pieza que puede cambiar su forma o expandirse después de calentarla. Entonces, si tuviera que crear algo para enviar al espacio en una bola, una vez que el calor del sol lo golpea, teóricamente podría abrirse a algún tipo de antena. Entonces, poder hacer que los materiales actúen de manera diferente debido a la geometría compleja que está construyendo en las partes es realmente emocionante, y significa que no solo estamos tratando con un trozo de material, sino con material inteligente.

Haga clic aquí para obtener más información sobre el Grupo de investigación de fabricación aditiva (AMRG) de la Universidad de Loughborough.

Consulte nuestra entrevista reciente con el Dr. Richard Buswell de la Universidad de Loughborough.


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