Pregunte a un experto:profesor de Georgia Tech sobre el futuro del mecanizado

Dra. Thomas Kurfess, experto en mecanizado e investigador de Georgia Tech, ha desarrollado algoritmos que impulsan drásticamente la producción de máquinas de 5 ejes con generación automática de trayectorias. Aquí, nos sentamos con Kurfess para discutir los avances más recientes de la industria y hacia dónde se dirige el mecanizado.

El mecanizado unidimensional era un proceso bastante sencillo hace varias décadas, y solo requería una decisión sobre el recorrido, los avances y las velocidades necesarias. Las capacidades de los equipos CNC actuales son un poco más avanzadas. Con el mecanizado de 5 ejes, los fabricantes pueden mover una herramienta de corte a lo largo de cinco ejes diferentes simultáneamente, lo que les permite crear piezas y diseños muy complejos.

Y la innovación solo está comenzando a expandirse, encuentra el Dr. Thomas Kurfess, profesor y Presidente Distinguido de HUSCO/Ramírez en Energía de Fluidos y Control de Movimiento en el Instituto de Tecnología de Georgia. Su trabajo se centra en el diseño y desarrollo de sistemas de fabricación avanzados destinados a la producción y optimización de productos complejos.

Ha investigado algoritmos para máquinas de 5 ejes que permiten la generación automática de trayectorias, una capacidad que puede aumentar drásticamente la productividad al reducir la cantidad de interacción del usuario y el tiempo de preparación de las trayectorias. Kurfess también ha trabajado en investigaciones que destacan las deficiencias de cuantificar el desgaste de herramientas en geometrías de herramientas avanzadas, y ha trabajado oficialmente para la Casa Blanca. De 2012 a 2013, se desempeñó como subdirector de fabricación avanzada en la Oficina de Política Científica y Tecnológica bajo la presidencia de Obama.

Nos sentamos con Kurfess para hablar sobre el estado actual del mecanizado multieje y hacia dónde se dirige el futuro.

Ha investigado sobre la generación automática de trayectorias para máquinas de 5 ejes. ¿Podría darnos su opinión sobre los desafíos del pasado, presente y futuro?

KURFESS: Crecí en un pequeño taller mecánico; en el pasado era NC, o control numérico. Avance rápido hacia el futuro, y ahora estamos en la era del mecanizado de 5 ejes. Mientras que el fresado de 2 o 3 ejes es relativamente sencillo, con 5 ejes, las cosas giran en diferentes ángulos y, a veces, puede ser difícil de programar. Y con toda honestidad, no necesariamente hemos mejorado nuestras capacidades de programación desde la década de 1980 en la máquina, y todavía tenemos una tarea muy compleja que requiere un programador altamente capacitado con una cantidad significativa de experiencia. Esto contrasta marcadamente con la impresión 3D, que se percibe simplemente como una cuestión de descargar un archivo e imprimirlo. Mis alumnos a menudo preguntaban:"¿Por qué no imprimimos la pieza en 3D?" Pero cuando ingresa a una planta real que tiene millones de dólares en máquinas herramienta, utilizará esas máquinas herramienta porque están allí y no se pueden reemplazar de manera fácil o económica. Así que la industria todavía tiene un largo camino por recorrer. Además, la fabricación aditiva normalmente produce piezas de plástico. Puedes hacer estructuras de metal, pero hay limitaciones. Una de nuestras tecnologías habilitadoras para la programación avanzada de máquinas herramienta es la unidad de procesamiento gráfico o GPU.

¿Podría dar más detalles sobre las GPU?

KURFESS:Yo Si compras una computadora con una placa gráfica, tendrá una GPU. Si bien los juegos son el mercado principal, usamos esa capacidad para generar nuestras trayectorias de mecanizado de 5 ejes... La GPU es como una pequeña supercomputadora y nos brinda interfaces similares a las de los juegos para la programación, lo que elimina una carga cognitiva significativa del programador humano. Con las capacidades de supercomputación de la GPU, podemos ver todas las diferentes perspectivas que existen y una amplia variedad de escenarios que incluso el programador experto no tendría tiempo de considerar. El código G nos ha llevado lejos, pero es limitante y esta tecnología nos llevará rápidamente mucho más allá de lo que vemos hoy.

¿Hacia dónde ve el futuro del mecanizado multieje y del mecanizado en general?

KURFESS: Predigo algunas cosas en particular. Primero, avanzaremos hacia hacer que las máquinas herramienta sean más fáciles de programar. En segundo lugar, aunque mucha gente dice que estaremos completamente automatizados, no necesariamente creo eso. Hay una gran analogía con el lavavajillas que alguien me mencionó. En mi vida, no creo que alguna vez veas tu lavavajillas descargarse automáticamente porque hay experiencia y complejidad en la carga y descarga. Lo mismo ocurre con las máquinas:necesitamos hacer que las máquinas sean más fáciles de usar ayudando al programador a elegir qué herramienta usar y qué orientaciones programar en modos continuos completos de 5 ejes. Finalmente, veo un movimiento hacia interfaces de usuario más gráficas similares a las que experimentaría en un sistema de juegos. Esas interfaces pueden ayudarlo a ser más productivo y, seamos sinceros, la fuerza laboral actual, como mis hijos, son muy hábiles para usar esas interfaces de juego.

¿Hay aspectos de estas máquinas que se están subutilizando en la actualidad? ¿Cuál es tu consejo para sacar el máximo partido a estas máquinas?

KURFESS: Se trata de utilizar al máximo las máquinas de gama alta, y el gran problema es la formación. Trabajamos en estrecha colaboración con colegios comunitarios y colegios técnicos cercanos, y es difícil y costoso para ellos brindar capacitación a nivel de asociado para estas complicadas máquinas herramienta. Tener una máquina herramienta de $500,000 en un laboratorio de enseñanza tiene un costo bastante prohibitivo, pero la capacitación es fundamental, especialmente con el mecanizado de varios ejes. También es difícil para las empresas capacitar a las personas, ya que una vez que alguien se vuelve bueno en eso, es difícil mantenerlo. En pocas palabras, tienen una gran demanda.

Ha investigado para desarrollar algoritmos que beneficiarían la generación automática de trayectorias. Cuéntanos sobre esa investigación y los desafíos que estabas tratando de superar allí. ¿Cuál fue el resultado? ¿Dónde ve hoy la generación automática de trayectorias y hacia dónde cree que se dirige?

KURFESS: En cuanto a la generación de trayectorias, en lugar de píxeles, trabajamos en vóxeles. Es un píxel 3D donde tomamos un diseño y lo voxelizamos. Hacemos procesamiento volumétrico digital, que es un formato natural para la GPU. Sacamos el diseño de la pieza que está en un modelo CAD y lo voxelizamos para que podamos procesarlo en la GPU. Este enfoque se presta bien al mecanizado de piezas y a las máquinas híbridas, que combinan aditivos en máquinas herramienta (fabricación aditiva y sustractiva). Las empresas están empezando a utilizar cada vez más los vóxeles con problemas de gama alta. De manera lenta pero segura, los vóxeles se están abriendo camino hacia una variedad de productos. En Georgia Tech, nuestro curso de construcción de diseño de segundo año, teníamos estudiantes que diseñaban piezas torneadas con herramientas basadas en vóxel utilizando plataformas informáticas de alto rendimiento basadas en la nube y les encantó. Los sistemas que utilizan son órdenes de magnitud más rápidos que cualquier otro; por lo tanto, reciben comentarios en tiempo real sobre si su pieza se puede producir en el torno con el paquete de herramientas instalado actualmente, mientras están en el proceso de dibujar la pieza.

También ha trabajado en investigaciones sobre la cuantificación del desgaste de herramientas en geometrías complejas. Cuéntanos sobre esa investigación y lo que descubriste.

KURFESS: Estamos trabajando bastante en esta área, pero permítanme contarles acerca de nuestra mayor victoria:estábamos mecanizando una superaleación a base de níquel muy avanzada que era terrible de mecanizar. Fue difícil lograr la geometría deseada, pero también nos preocupaba no dañar la estructura granular de la pieza. Mientras mecaniza, puede causar daños térmicos a la superficie (fisuras, daños en el subsuelo, etc.). Eso surge de problemas relacionados con el calor, ya que el calor causa el mayor daño. En este caso, nos dieron nuevos insertos de cerámica para probar y nos dieron velocidades increíblemente altas, tanto que tuvimos que ir a nuestro socio de máquinas herramienta y preguntar si podíamos cambiar nuestra máquina herramienta. Necesitábamos un eje de velocidad mucho mayor. Debido a que estábamos usando cerámica, necesitábamos evitar el uso de refrigerante para no inducir un choque térmico en los insertos y romperlos. A pesar de la velocidad, funcionó increíblemente bien sin refrigerante. De hecho, pudimos mecanizar tan rápido que superamos la tasa de transferencia de calor, lo que significa que el calor no pudo entrar en la pieza. Entonces, después de que terminara de mecanizar, sentiría la pieza y estaba genial. Esto ayudó a minimizar el daño del subsuelo. Eliminamos el daño térmico a la pieza, funcionamos a tasas de eliminación de material significativamente más altas y no cargamos virutas con refrigerante, lo que las hizo mucho más fáciles de reciclar.

¿Qué piensa sobre la brecha de habilidades de fabricación? ¿Cómo lo ves y cómo crees que se puede mejorar? ¿Qué medidas deberían tomar los fabricantes de todos los tamaños para ayudar a encontrar el talento que necesitarán en el futuro?

KURFESS: La brecha de habilidades es real. A los niños de hoy en día no les gusta programar G-code como lo hacíamos hace 20 o 30 años. Por supuesto, nuestro videojuego más avanzado fue Pong, ¡y perforamos cinta de papel! Nuestra fuerza laboral de próxima generación está más orientada a los gráficos y posee un conjunto de habilidades diferente. Por lo tanto, moverse hacia más interfaces gráficas ayuda a involucrar realmente a esta próxima generación. Mucha gente siente que para ser maquinista o ingeniero tienes que ser un súper genio de las matemáticas. La realidad es que no necesitas ser un genio... tienes que ser bueno y gustar. Además, me desempeño como presidente de SME y veo cómo los productos de capacitación de próxima generación para operaciones como Tooling U-SME realmente están involucrando a la fuerza laboral de la generación actual y de la próxima generación en términos de capacitación técnica y desarrollo. Los enfoques que se están empleando son de última generación, atractivos y muy efectivos. Además, esta formación empieza a ser dirigida y personalizada. Nos estamos moviendo hacia el ámbito en el que la máquina sabrá si está debidamente capacitado y le recomendará capacitación para mejorar la forma en que maneja y utiliza la máquina. Además, no estamos muy lejos de una máquina de 3 ejes recomendando que lo capaciten y lo asciendan a una máquina de 5 ejes en función de su desempeño en la máquina de 3 ejes.

¿Qué papel cree que deben desempeñar los fabricantes para ayudar a reducir la brecha de habilidades?

KURFESS: Se trata de un aprendizaje permanente. Debe tener un cambio de cultura para que tanto la fuerza laboral como los empleadores entiendan que la capacitación continua y permanente es el camino hacia una operación más rentable y una carrera larga, segura y exitosa. Tienes que hacer que todos entiendan que la capacitación continua es algo bueno. Seamos realistas, si no has aprendido nada en 30 años, serás un dinosaurio tecnológico, ¡y sabemos lo que pasó con los dinosaurios! Mantener las habilidades actualizadas es fundamental para seguir siendo relevante.

Tu experiencia también muestra que pasaste un tiempo trabajando en el sector automotriz. ¿Puede contarnos sobre eso, el trabajo que hizo y dónde ve esa industria hoy, y para el futuro?

KURFESS: Estuve en Georgia Tech de 1994 a 2005. En 2005 comencé el programa académico y de investigación en la Universidad de Clemson - Centro Internacional de Investigación Automotriz. En general, la producción de piezas simples con mecanizado de 2 y 3 ejes fue relativamente sencilla. Sin embargo, cuando se trataba de piezas de 5 ejes, realmente marcábamos la diferencia. Nuevamente, el trabajo más complejo y de alto nivel fue donde las personas altamente capacitadas realmente brillaron, ¡y donde obtuvieron excelentes salarios!

¿Hay alguna otra innovación específica de la industria vertical que siga de cerca? ¿Qué innovaciones de fabricación cree que tienen la capacidad de cruzar y tener un impacto hoy y en el futuro cercano? ¿A qué deberían prestar atención realmente los fabricantes?

KURFESS: Cuando fui el punto técnico del presidente Obama para la fabricación avanzada en la Oficina de Política Científica y Tecnológica, obtuve una gran perspectiva de las cosas. En ambas partes, la fabricación es fundamental. Estaba testificando ante un subcomité hace unas semanas donde destacamos la importancia del Internet de las cosas para los fabricantes. Estamos viendo máquinas que extraen una gran cantidad de información sobre el producto y el proceso. Esto ayuda no solo a hacer un producto mucho mejor y un proceso eficiente, sino también a mejorar las oportunidades laborales y la competitividad de nuestra fuerza laboral moderna. Todos los representantes de ese subcomité entendieron esto y apoyaron el avance de este tipo de tecnología y capacidad.

En términos de automatización, ¿cree que los avances en tecnología realmente podrían ayudar a cerrar la brecha de habilidades con menos trabajadores necesarios?

KURFESS: Con una mayor automatización, necesitaremos menos personas con un conjunto de habilidades más alto. Una vez que los empleados estén haciendo programación de ejes de alto nivel, las empresas lo entenderán. Se darán cuenta de que estas máquinas son mejores y comprarán más de ellas y, en última instancia, necesitarán más personas. De acuerdo, aún necesitaremos seres humanos en el centro del trabajo, ya que las personas realizarán toda la programación. Ya sea para la fuerza laboral en general o para los individuos, es una cuestión de aprendizaje permanente y comprender que estas máquinas llevarán a alguien al siguiente nivel de capacidad. Así que los trabajos de baja calificación desaparecerán, ¡pero veremos una expansión significativa en los trabajos de mayor calificación que tienen salarios mucho más altos!

Por último, analicemos por un momento el mecanizado de alto rendimiento. ¿Hay algún desarrollo nuevo e innovador en esa área?

KURFESS: Se trata del controlador. Facilidad de uso, conectividad... reunir toda la información:ese es el futuro. ¡Es mejor que el controlador CNC de los años 80 que todavía se parece a mi primera PC!

¿Su taller ha adoptado el mecanizado de 5 ejes? ¿A qué desafíos se enfrenta? ¿Estaría dispuesto a programar máquinas con generadores automáticos de trayectorias? Háganos saber en la sección de comentarios a continuación.