Demandez à un expert :professeur de Georgia Tech sur l'avenir de l'usinage

Dr. Thomas Kurfess, expert en usinage et chercheur à Georgia Tech, a développé des algorithmes qui augmentent considérablement la production de machines 5 axes avec génération automatique de trajectoires d'outils. Ici, nous nous asseyons avec Kurfess pour discuter des avancées les plus récentes de l'industrie et de la direction que prend l'usinage.

L'usinage unidimensionnel était un processus assez simple il y a plusieurs décennies, ne nécessitant qu'une décision sur la course, les avances et les vitesses nécessaires. Les capacités des équipements CNC d'aujourd'hui sont un peu plus avancées. Avec l'usinage 5 axes, les fabricants peuvent déplacer simultanément un outil de coupe sur cinq axes différents, ce qui leur permet de créer des pièces et des conceptions très complexes.

Et l'innovation ne fait que commencer à se développer, constate le Dr Thomas Kurfess, professeur et titulaire de la chaire HUSCO/Ramirez Distinguished Chair in Fluid Power and Motion Control au Georgia Institute of Technology. Son travail se concentre sur la conception et le développement de systèmes de fabrication avancés ciblant la production et l'optimisation de produits complexes.

Il a recherché des algorithmes pour les machines à 5 axes qui permettent la génération automatique de trajectoires d'outil, une capacité qui peut considérablement augmenter la productivité en réduisant la quantité d'interaction de l'utilisateur et le temps de préparation des trajectoires d'outil. Kurfess a également travaillé sur des recherches qui mettent en lumière les insuffisances de la quantification de l'usure des outils dans les géométries d'outils avancées - et il a officiellement travaillé pour la Maison Blanche. De 2012 à 2013, il a été directeur adjoint pour la fabrication de pointe au Bureau de la politique scientifique et technologique sous le président Obama.

Nous nous asseyons avec Kurfess pour discuter de l'état actuel de l'usinage multiaxe et de la direction que prend l'avenir.

Vous avez effectué des recherches sur la génération automatique de trajectoires d'outil pour les machines 5 axes. Pourriez-vous nous donner votre avis sur les défis du passé, du présent et du futur ?

KURFESS : J'ai grandi dans un petit atelier d'usinage; à l'époque c'était NC, ou commande numérique. Avance rapide dans le futur, et nous sommes maintenant dans l'ère de l'usinage 5 axes. Alors que le fraisage 2 ou 3 axes est relativement simple, avec 5 axes, les choses oscillent sous différents angles et il peut parfois être difficile de programmer. Et en toute honnêteté, nous n'avons pas forcément amélioré nos capacités de programmation depuis les années 1980 sur la machine, et nous avons encore une tâche très complexe nécessitant un programmeur hautement qualifié avec une expérience non négligeable. Cela contraste fortement avec l'impression 3D, qui est perçue comme une simple question de téléchargement d'un fichier et d'impression. Mes étudiants ont souvent demandé :« Pourquoi n'imprimons-nous pas simplement la pièce en 3D ? Mais quand vous entrez dans une véritable usine qui a des millions de dollars de machines-outils, vous allez utiliser ces machines-outils parce qu'elles sont là et ne peuvent pas être remplacées facilement ou à moindre coût. L'industrie a donc encore du chemin à parcourir. De plus, la fabrication additive produit généralement des pièces en plastique. Vous pouvez fabriquer des structures en métal, mais il y a des limites. L'une de nos technologies habilitantes pour la programmation avancée de machines-outils est l'unité de traitement graphique, ou GPU.

Pourriez-vous donner un peu plus de détails sur les GPU ?

KURFESS :Je Si vous achetez un ordinateur avec une carte graphique, il aura un GPU. Alors que le jeu est le marché principal, nous utilisons cette capacité pour générer nos trajectoires d'usinage à 5 axes… Le GPU est comme un petit super ordinateur et nous offre des interfaces de programmation de type jeu, en allégeant une charge cognitive importante du programmeur humain. Avec les capacités de supercalcul du GPU, nous pouvons examiner toutes les différentes perspectives et une grande variété de scénarios que même le programmeur expert n'aurait pas le temps d'envisager. Le G-code nous a menés loin, mais c'est limité et cette technologie va rapidement nous faire évoluer bien au-delà de tout ce que nous voyons aujourd'hui.

Où voyez-vous l'avenir de l'usinage multiaxes et de l'usinage en général ?

KURFESS : Je prédis certaines choses en particulier. Tout d'abord, nous nous orienterons vers une programmation plus facile des machines-outils. Deuxièmement, alors que beaucoup de gens disent que nous serons entièrement automatisés, je ne le crois pas nécessairement. Il y a une grande analogie avec le lave-vaisselle que quelqu'un m'a apportée. De mon vivant, je ne crois pas que vous verrez jamais votre lave-vaisselle se décharger automatiquement car il y a une expertise et une complexité qui entrent dans le chargement et le déchargement. Il en va de même pour les machines - nous devons rendre les machines plus faciles à utiliser en aidant le programmeur à faire des choix tels que l'outil à utiliser et les orientations à programmer en mode continu 5 axes complet. Enfin, je vois une évolution vers des interfaces utilisateur plus graphiques similaires à ce que vous expérimenteriez sur un système de jeu. Ces interfaces peuvent vous aider à être plus productif, et avouons-le, la main-d'œuvre actuelle, comme mes enfants, est très habile à utiliser ces interfaces de jeu.

Existe-t-il des aspects de ces machines qui sont sous-utilisés aujourd'hui ? Quels sont vos conseils pour tirer le meilleur parti de ces machines ?

KURFESS : Il s'agit d'utiliser au maximum des machines haut de gamme - et le gros problème est la formation. Nous travaillons en étroite collaboration avec des collèges communautaires et des collèges techniques à proximité, et il est difficile et coûteux pour eux de fournir une formation au niveau associé pour ces machines-outils compliquées. Avoir une machine-outil de 500 000 $ dans un laboratoire d'enseignement est un coût assez prohibitif, mais la formation est essentielle, surtout avec l'usinage multiaxe. Il est également difficile pour les entreprises de former des individus, car une fois que quelqu'un devient bon, il est difficile de le garder. Autrement dit, ils sont très demandés.

Vous avez effectué des recherches pour développer des algorithmes qui bénéficieraient à la génération automatique de trajectoires d'outils. Parlez-nous de cette recherche et des défis que vous tentiez de surmonter. Quel a été le résultat? Où voyez-vous la génération automatique de trajectoires d'outils aujourd'hui, et où pensez-vous qu'elle se dirige ?

KURFESS : En ce qui concerne la génération de parcours d'outil, au lieu de pixels, nous travaillons en voxels. C'est un pixel 3D où nous prenons un dessin et le voxélisons. Nous faisons du traitement volumétrique numérique, qui est un format naturel pour le GPU. Nous extrayons la conception de la pièce qui se trouve dans un modèle CAO et la voxélisons afin de pouvoir la traiter sur le GPU. Cette approche se prête bien à l'usinage de pièces et aux machines hybrides, qui combinent l'additif sur des machines-outils (fabrication additive et soustractive). Les entreprises commencent à utiliser de plus en plus les voxels avec des problèmes plus complexes. Lentement mais sûrement, les voxels se frayent un chemin vers une variété de produits. Chez Georgia Tech, notre cours de conception et de construction de deuxième année, nous avions des étudiants qui concevaient des pièces tournées avec des outils basés sur le voxel à l'aide de plates-formes de calcul haute performance basées sur le cloud et ils ont adoré. Les systèmes qu'ils utilisent sont des ordres de grandeur plus rapides que tout ce qui existe; ainsi, ils obtiennent des informations en temps réel pour savoir si leur pièce est productible sur le tour avec l'ensemble d'outils actuellement installé, pendant qu'ils sont en train de dessiner la pièce.

Vous avez également travaillé sur des recherches sur la quantification de l'usure des outils dans des géométries complexes. Parlez-nous de cette recherche et de ce que vous avez découvert.

KURFESS : Nous faisons pas mal de travail dans ce domaine, mais laissez-moi vous parler de notre plus grande victoire :nous faisions l'usinage d'un superalliage à base de nickel très avancé qui était terrible à usiner. Il était difficile d'atteindre notre géométrie cible, mais nous étions également soucieux de ne pas endommager la structure du grain de la pièce. Pendant que vous usinez, vous pouvez causer des dommages thermiques à la surface (fissuration, dommages au sous-sol, etc.). Cela découle de problèmes liés à la chaleur, car la chaleur cause le plus de dégâts. Dans ce cas, on nous a donné de nouveaux inserts en céramique à essayer et ils nous ont donné des vitesses incroyablement élevées - à tel point que nous avons dû aller voir notre partenaire de machine-outil et demander si nous pouvions échanger notre machine-outil. Nous avions besoin d'une broche beaucoup plus rapide. Parce que nous utilisions de la céramique, nous devions éviter d'utiliser du liquide de refroidissement afin de ne pas induire de choc thermique dans les inserts et de les faire éclater. Malgré la vitesse, cela fonctionnait incroyablement bien sans liquide de refroidissement. En fait, nous avons pu usiner si vite que nous avons battu le taux de transfert de chaleur, ce qui signifie que la chaleur ne pouvait pas pénétrer dans la pièce. Ainsi, une fois l'usinage terminé, vous sentiez la pièce et c'était cool. Cela a permis de minimiser les dommages souterrains. Nous avons éliminé les dommages thermiques de la pièce, fonctionné à des taux d'enlèvement de matière nettement plus élevés et n'avions pas de copeaux chargés de liquide de refroidissement, ce qui les rend beaucoup plus faciles à recycler.

Que pensez-vous du déficit de compétences en fabrication ? Comment le voyez-vous et comment pensez-vous qu'il peut être amélioré? Quelles mesures les fabricants de toutes tailles devraient-ils prendre pour trouver les talents dont ils auront besoin à l'avenir ?

KURFESS : Le déficit de compétences est réel. Les enfants d'aujourd'hui ne sont pas dans la programmation de code G comme nous l'étions il y a 20 ou 30 ans. Bien sûr, notre jeu vidéo le plus avancé était Pong, et nous avons perforé du ruban adhésif ! Notre main-d'œuvre de nouvelle génération est plus orientée graphiquement et possède un ensemble de compétences différent. Ainsi, le passage à des interfaces plus graphiques aide à vraiment engager cette nouvelle génération. Beaucoup de gens pensent que pour être machiniste ou ingénieur, il faut être un super génie des mathématiques. La réalité est que vous n'avez pas besoin d'être un génie... vous devez être bon et aimer ça. De plus, je suis président de SME et je vois comment les produits de formation de nouvelle génération pour des opérations telles que Tooling U-SME engagent vraiment la main-d'œuvre de la prochaine génération et de la génération actuelle en termes de formation et de développement techniques. Les approches utilisées sont à la pointe de la technologie, engageantes et très efficaces. De plus, cette formation commence à devenir ciblée et personnalisée. Nous entrons dans le domaine où la machine saura si vous êtes correctement formé et vous recommandera une formation pour améliorer la façon dont vous exécutez et utilisez la machine. De plus, nous ne sommes pas loin d'une machine 3 axes recommandant que vous soyez formé et promu sur une machine 5 axes en fonction de vos performances sur la machine 3 axes.

Quel rôle pensez-vous que les fabricants doivent jouer pour aider à réduire le déficit de compétences ?

KURFESS : Il s'agit d'un apprentissage tout au long de la vie. Vous devez avoir un changement de culture tel que la main-d'œuvre et les employeurs comprennent que la formation continue et tout au long de la vie est la voie vers une opération plus rentable et une carrière longue, sûre et réussie. Vous devez faire comprendre à tout le monde que la formation continue est une bonne chose. Soyons réalistes, si vous n'avez rien appris en 30 ans, vous serez un dinosaure technologique, et nous savons ce qui est arrivé aux dinosaures ! Maintenir les compétences à jour est essentiel pour rester pertinent.

Votre parcours montre également que vous avez passé du temps à travailler dans le secteur automobile. Pouvez-vous nous parler de cela, du travail que vous avez fait et de la façon dont vous voyez cette industrie aujourd'hui et pour l'avenir ?

KURFESS : J'étais à Georgia Tech de 1994 à 2005. En 2005, j'ai commencé le programme universitaire et de recherche à l'Université Clemson - Centre international de recherche automobile. En général, la production de pièces simples avec un usinage 2 et 3 axes était relativement simple. Cependant, en ce qui concerne les pièces 5 axes, nous faisions vraiment la différence. Encore une fois, le travail le plus complexe et le plus complexe était celui où les personnes hautement qualifiées brillaient vraiment et où elles gagnaient de bons salaires !

Y a-t-il d'autres innovations sectorielles verticales spécifiques que vous surveillez de près ? Quelles innovations de fabrication voyez-vous avoir la capacité de traverser et d'avoir un impact aujourd'hui et dans un avenir proche ? À quoi les fabricants doivent-ils vraiment prêter attention ?

KURFESS : Lorsque j'étais le point technique du président Obama pour la fabrication de pointe au Bureau de la politique scientifique et technologique, j'ai acquis une excellente perspective sur les choses. Dans les deux parties, la fabrication est essentielle. Je témoignais devant un sous-comité il y a quelques semaines où nous avons souligné l'importance de l'internet des objets pour les fabricants. Nous voyons des machines extraire une grande quantité d'informations sur le produit et le processus. Cela permet non seulement de fabriquer un bien meilleur produit et un processus efficace, mais aussi d'améliorer les opportunités d'emploi et la compétitivité de notre main-d'œuvre moderne. Tous les représentants de ce sous-comité l'ont compris et ont soutenu l'avancement de ce type de technologie et de capacité.

En termes d'automatisation, pensez-vous que les avancées technologiques pourraient réellement aider à combler le déficit de compétences avec moins de travailleurs requis ?

KURFESS : Avec une automatisation accrue, nous aurons besoin de moins de personnes possédant un ensemble de compétences plus élevé. Une fois que les employés auront fait de la programmation d'axes haut de gamme, les entreprises l'obtiendront. Ils se rendront compte que ces machines sont meilleures et ils en achèteront plus – et auront finalement besoin de plus de personnes. Certes, nous aurons toujours besoin de l'être humain au centre du travail, car les gens feront toute la programmation. Que ce soit pour la main-d'œuvre en général ou pour les individus, c'est une question d'apprentissage tout au long de la vie et comprendre que ces machines amèneront quelqu'un au niveau supérieur de capacité. Ainsi, les emplois moins qualifiés disparaîtront, mais nous verrons une expansion significative des emplois plus qualifiés qui ont des taux de rémunération beaucoup plus élevés !

Enfin, parlons un instant de l'usinage haute performance. Y a-t-il de nouveaux développements innovants dans ce domaine ?

KURFESS : Tout dépend du contrôleur. Facilité d'utilisation, connectivité... rassembler toutes les informations - c'est l'avenir. Il bat le pantalon de ce contrôleur CNC des années 80 qui ressemble toujours à mon premier PC !

Votre atelier a-t-il adopté l'usinage 5 axes ? À quels défis faites-vous face et seriez-vous ouvert à la programmation de machines avec des générateurs de trajectoires d'outils automatiques ? Faites-nous savoir dans la section commentaire ci-dessous.