El profesor de Georgia Tech Thomas Kurfess revela el futuro del mecanizado CNC de 5 ejes

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

El mecanizado de una sola dimensión era un proceso bastante sencillo hace varias décadas, requiriendo solo una decisión sobre el recorrido, avances y velocidades necesarios. Las capacidades del equipo CNC de hoy 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 altamente intrincados.

Y la innovación apenas está comenzando a expandirse, encuentra el Dr. Thomas Kurfess, profesor y Chair Distinguido HUSCO/Ramirez en Potencia 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 dirigidos a producción y optimización de productos complejos.

Ha investigado algoritmos para máquinas de 5 ejes que permiten la generación automática de trayectorias de herramienta — una capacidad que puede aumentar dramáticamente la productividad al reducir la cantidad de interacción del usuario y tiempo de preparación para trayectorias de herramienta. Kurfess también ha trabajado en investigación que destaca las insuficiencias de cuantificar el desgaste de herramienta en geometrías de herramientas avanzadas — y ha trabajado oficialmente para la Casa Blanca. De 2012 a 2013, se desempeñó como director asistente de fabricación avanzada en la Oficina de Política de Ciencia y Tecnología bajo el presidente Obama.

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

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

KURFESS: Crecí en un pequeño taller de máquinas; en aquel entonces era CN, o control numérico. Avancemos al 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 se mueven en diferentes ángulos y a veces puede ser difícil de programar. Y con toda honestidad, no necesariamente hemos mejorado nuestras capacidades de programación desde los años 80 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 descargar un archivo e imprimir. Mis estudiantes a menudo preguntaban: "¿Por qué no simplemente imprimimos la pieza en 3D?" Pero cuando entra en una planta real que tiene millones de dólares en máquinas-herramienta, va a hacer uso de esas máquinas-herramienta porque están ahí y no pueden ser reemplazadas fácil o baratamente. Así que la industria aún tiene algo de distancia que recorrer. Además, la fabricación aditiva típicamente hace piezas de plástico. Puede 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 entrar en más detalle sobre las GPUs?

KURFESS: Si compra una computadora con una tarjeta gráfica, tendrá una GPU. Mientras que 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 da interfaces de programación similares a juegos, quitando una carga cognitiva significativa del programador humano. Con capacidades de supercomputación de la GPU, podemos ver todas las diferentes perspectivas y una amplia variedad de escenarios que incluso el programador experto no tendría tiempo para considerar. El G-code nos ha llevado lejos, pero es limitante y esta tecnología nos moverá rápidamente mucho más allá de cualquier cosa que veamos hoy.

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

KURFESS: Predigo algunas cosas en particular. Primero, nos moveremos hacia hacer las máquinas-herramienta más fáciles de programar. Segundo, aunque mucha gente dice que estaremos totalmente automatizados, no necesariamente lo creo. Hay una gran analogía del lavavajillas que alguien me planteó. En mi vida, no creo que jamás verá su lavavajillas descargar automáticamente porque hay experiencia y complejidad que entra en cargar y descargar. Lo mismo ocurre con las máquinas — necesitamos hacer las máquinas más fáciles de usar ayudando al programador a tomar decisiones como qué herramienta usar, y qué orientaciones programar en modos continuos de 5 ejes completos. Finalmente, veo un movimiento hacia interfaces de usuario gráficas más similares a lo que experimentaría en un sistema de juegos. Esas interfaces pueden ayudar a hacerlo más productivo, y seamos realistas, la fuerza laboral actual, como mis hijos, son muy hábiles en el uso de esas interfaces de juegos.

¿Hay aspectos de estas máquinas que se están subutilizando hoy? ¿Cuál es su consejo para sacar el máximo provecho de estas máquinas?

KURFESS: Es cuestión de utilizar máquinas de gama alta al máximo — y el gran problema allí es la capacitación. Trabajamos estrechamente con colegios comunitarios y técnicos cercanos, y es difícil y costoso para ellos proporcionar capacitación a nivel de asociado para estas complicadas máquinas-herramienta. Tener una máquina-herramienta de $500,000 en un laboratorio de enseñanza es bastante prohibitivo en costos, pero la capacitación es crítica, especialmente con el mecanizado multieje. También es difícil para las empresas capacitar individuos, ya que una vez que alguien se vuelve bueno en eso, mantenerlos es difícil. Simplemente, están en alta demanda.

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

KURFESS: En cuanto a la generación de trayectorias de herramienta, 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. Tomamos el diseño de pieza que está en un modelo CAD y lo voxelizamos para poder procesarlo en la GPU. Este enfoque se presta bien al mecanizado de piezas y a máquinas híbridas, que combinan aditivo en máquinas-herramienta (fabricación aditiva y sustractiva). Las empresas están comenzando a usar vóxeles cada vez más con problemas de gama alta. Poco a poco, los vóxeles se están abriendo camino hacia una variedad de productos. En Georgia Tech, en nuestro curso de diseño y construcción de segundo año, teníamos estudiantes diseñando piezas torneadas con herramientas basadas en vóxeles usando plataformas de computación de alto rendimiento basadas en la nube y les encantó. Los sistemas que usan son órdenes de magnitud más rápidos que cualquier cosa que exista; así que obtienen retroalimentación en tiempo real sobre si su pieza es producible en el torno con el paquete de utillaje actualmente instalado, mientras están en el proceso de dibujar la pieza.

También ha trabajado en investigación sobre cuantificación del desgaste de herramienta en geometrías complejas. Cuéntenos sobre esa investigación y qué descubrió.

KURFESS: Estamos haciendo bastante trabajo en esta área, pero déjeme contarle sobre nuestra mayor victoria: Estábamos mecanizando una superaleación a base de níquel muy avanzada que era terrible de mecanizar. Era difícil lograr nuestra geometría objetivo, pero también estábamos preocupados por no dañar la estructura de grano de la pieza. Al mecanizar, puede hacer daño térmico a la superficie (agrietamiento, daño subsuperficial, etc.). Eso surge de problemas relacionados con el calor, ya que el calor causa la mayor parte del daño. En esta instancia, se nos dieron insertos cerámicos nuevos para probar y nos dieron velocidades que eran increíblemente altas — tanto que tuvimos que ir a nuestro socio de máquina-herramienta y preguntar si podíamos cambiar nuestra máquina-herramienta. Necesitábamos un husillo de velocidad mucho más alta. Como estábamos usando cerámicas, necesitábamos evitar usar refrigerante para no inducir choque térmico en los insertos y romperlos. A pesar de la velocidad, funcionó sin refrigerante increíblemente bien. De hecho, pudimos mecanizar tan rápido que superamos la tasa de transferencia de calor — eso significa que el calor no pudo entrar en la pieza. Así que después de terminar el mecanizado, tocabas la pieza y estaba fría. Esto ayudó a minimizar el daño subsuperficial. Eliminamos el daño térmico a la pieza, corrimos a tasas de remoción de material significativamente más altas, y no teníamos virutas cargadas de refrigerante, haciéndolas mucho más fáciles de reciclar.

¿Cuáles son sus pensamientos sobre la brecha de habilidades en fabricación? ¿Cómo la ve y cómo cree que puede mejorarse? ¿Qué medidas deberían tomar los fabricantes de todos los tamaños para ayudar a encontrar el talento que necesitarán para el futuro?

KURFESS: La brecha de habilidades es real. Los niños hoy en día no están interesados en programar G-code como lo estábamos hace 20 o 30 años. Por supuesto, nuestro videojuego más avanzado era Pong, y perforábamos cinta de papel! Nuestra fuerza laboral de próxima generación está más orientada gráficamente y posee un conjunto de habilidades diferente. Así que moverse hacia interfaces más gráficas ayuda a realmente involucrar a esta próxima generación. Mucha gente siente que para ser un maquinista o ingeniero tienes que ser un genio de las matemáticas. La realidad es que no necesitas ser un genio ... tienes que ser bueno y que te guste. Además, sirvo como presidente de SME y veo cómo los productos de capacitación de próxima generación para operaciones como Tooling U-SME están realmente involucrando a la fuerza laboral de próxima generación y actual en términos de capacitación y desarrollo técnico. Los enfoques que se están empleando son de vanguardia, atractivos y muy efectivos. Además, esta capacitación está comenzando a volverse dirigida y personalizada. Nos estamos moviendo al ámbito donde la máquina sabrá si está adecuadamente capacitado y le recomendará capacitación para mejorar la forma en que opera y utiliza la máquina. Además, no estamos lejos de una máquina de 3 ejes recomendando que sea capacitado y promovido a una máquina de 5 ejes basado en su rendimiento en la máquina de 3 ejes.

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

KURFESS: Se trata de aprendizaje continuo. Tiene que haber un cambio cultural tal que tanto la fuerza laboral como los empleadores entiendan que la capacitación continua y de por vida son el camino hacia una operación más rentable y una carrera larga, segura y exitosa. Tiene que poner a todos en el modo de que la capacitación continua es algo bueno. Seamos realistas, si no ha aprendido nada en 30 años, será un dinosaurio tecnológico, y sabemos lo que pasó con los dinosaurios! Mantener las habilidades actualizadas es crítico para mantenerse relevante.

Su historial también muestra que pasó 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 inicié el programa académico e de investigación en la Universidad de Clemson – Centro Internacional de Investigación Automotriz. En general, producir piezas simples con mecanizado de 2 y 3 ejes era relativamente sencillo. Sin embargo, cuando se trataba de piezas de 5 ejes, realmente estábamos marcando la diferencia. De nuevo, el trabajo de gama alta y más complejo era donde los individuos altamente capacitados realmente brillaban, ¡y donde ganaban grandes salarios!

¿Hay otras innovaciones verticales específicas de la industria que sigue de cerca? ¿Qué innovaciones de fabricación ve tener la capacidad de cruzar y tener un impacto hoy y en el futuro próximo? ¿A qué deberían prestar realmente atención los fabricantes?

KURFESS: Cuando fui el punto técnico del Presidente Obama para fabricación avanzada en la Oficina de Política de Ciencia y Tecnología, gané una gran perspectiva sobre las cosas. En ambos partidos, la fabricación es crítica. Testifiqué ante un subcomité hace unas semanas donde destacamos la importancia del internet de las cosas para los fabricantes. Estamos viendo máquinas extrayendo 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 a mejorar oportunidades laborales y la competitividad de nuestra fuerza laboral moderna. Cada representante en ese subcomité entendió esto y apoyó el avance de este tipo de tecnología y capacidad.

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

KURFESS: Con mayor automatización, necesitaremos menos personas con un conjunto de habilidades más alto. Una vez que los empleados están haciendo programación de ejes de gama alta, 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. Concedido, todavía necesitaremos seres humanos en el centro del trabajo, ya que la gente hará toda la programación. Ya sea para la fuerza laboral en general o para individuos, es cuestión de aprendizaje continuo y entender que estas máquinas llevarán a alguien al siguiente nivel de capacidad. Así que los trabajos de menor habilidad desaparecerán, ¡pero veremos una expansión significativa en trabajos de mayor habilidad que tienen tasas de pago mucho más altas!

Finalmente, hablemos de mecanizado de alto rendimiento por un momento. ¿Hay nuevos desarrollos innovadores en esa área?

KURFESS: Todo se trata del controlador. Facilidad de uso, conectividad ... reunir toda la información — ese es el futuro. Le gana los pantalones al controlador CNC de los 80 que todavía parece mi primera PC!

¿Ha adoptado su taller el mecanizado de 5 ejes? ¿Qué desafíos enfrenta — y estaría abierto a programar máquinas con generadores automáticos de trayectorias de herramienta? Háganoslo saber en la sección de comentarios a continuación.