Entretien :Professeur Ian Campbell de Loughborough University

Le professeur Ian Campbell est professeur à l'université de Loughborough, qui est un pionnier dans le domaine de la conception pour la recherche sur la fabrication additive. Avec une vaste expérience en ingénierie de conception, le professeur Campbell a publié plus de quarante articles dans des revues universitaires, est l'éditeur du Rapid Prototyping Journal et est consultant associé pour Wohlers Associates depuis 2014.

Nous avons été ravis de pouvoir nous asseoir avec le professeur Campbell et de discuter de l'importance de la conception pour la fabrication additive, du rôle de l'automatisation dans la FA et de la façon dont la personnalisation de masse et la fabrication hybride pourraient transformer les industries.

Q :Comment vous êtes-vous impliqué pour la première fois dans la FA ?

Je faisais une maîtrise à l'Université de Warwick en 1993 lorsque j'ai découvert la stéréolithographie pour la première fois, mais ce n'est que lorsque j'ai déménagé à l'Université de Nottingham plus tard dans l'année que j'ai eu accès à la machine de stéréolithographie de l'université, et j'ai commencé des recherches sur mon doctorat , qui se concentrait sur le lien entre la conception et, comme nous l'appelions alors, le prototypage rapide.

Ma prémisse à l'époque était que le prototypage rapide deviendrait un processus de production - ce que les gens ne pouvaient pas vraiment envisager dans les années 1990. Mais je l'ai fait et j'ai pensé que si le prototypage rapide devait se transformer en processus de production, nous devions apprendre à concevoir pour cela. Et c'est ce sur quoi mon doctorat s'est concentré.

Q :Ironiquement, aujourd'hui, la conception pour la fabrication additive est un énorme sujet de discussion. Où en sommes-nous avec cela, et quels progrès doivent être accomplis ?

Je pense que c'est un peu hasardeux pour le moment. Il existe certainement des poches d'expertise dans certaines entreprises, certains concepteurs comprenant vraiment les possibilités de la fabrication additive en termes d'allègement, de structures internes complexes ou d'optimisation de la topologie, etc. - et c'est particulièrement le cas des entreprises aérospatiales.

Mais cela dit, dans l'ensemble, je pense qu'il y a un petit manque de connaissances au sein de notre communauté de conception, avec de nombreux concepteurs qui ne comprennent peut-être pas assez bien la fabrication additive ou qui n'ont pas eu l'occasion de réfléchir à comment cela pourrait changer la façon dont ils conçoivent.

Cela pourrait changer avec la nouvelle génération de designers qui arrivent à l'université et qui reçoivent maintenant cette formation. Mais pour les concepteurs qui pratiquent depuis un certain temps, à moins qu'ils n'aient dû faire face à l'utilisation de la fabrication additive comme processus de fabrication, ils n'ont probablement pas pensé aux avantages que cela pourrait leur apporter. Je pense donc qu'il y a certainement une opportunité de faire avancer cela, et c'est l'une des choses que nous essayons de réaliser avec le nouveau programme de maîtrise que nous avons lancé.

Q :Où voyez-vous le design pour la FA dans cinq ans ?

Premièrement, je pense que nous verrons de plus en plus de personnes reconnaître son potentiel en tant que processus de production, et donc devoir apprendre à concevoir pour cela, en particulier avec la nouvelle génération de designers, dont beaucoup auront été sensibilisés à la fabrication additive.

Une autre chose à laquelle je m'attends est une plus grande automatisation de la conception et l'émergence d'outils plus spécialisés pour aider les concepteurs à faire certaines des choses intelligentes nécessaires pour tirer pleinement parti de la FA. Or certains de ces outils existent déjà, comme l'optimisation topologique par exemple. Et je sais qu'il existe d'autres logiciels qui visent à développer automatiquement des structures de treillis internes afin que personne n'ait besoin de s'asseoir et de les créer lui-même sur CAO. La fabrication additive peut faire des choses incroyables en termes de création de géométries complexes, mais s'attendre à ce qu'une personne ou même une équipe de personnes s'assoient et créent ce genre de géométrie créerait un véritable goulot d'étranglement si tout était fait à l'aide d'outils conventionnels.

En fin de compte, je pense qu'il doit y avoir une plus grande gamme d'outils disponibles pour automatiser certains des processus que nous aurions besoin de suivre.

Q :L'automatisation est actuellement une tendance clé dans la FA. Comment voyez-vous l'automatisation évoluer pour la FA ?

À l'heure actuelle, il existe de nombreux processus qui utilisent intensivement le travail humain au sein de la FA. L'automatisation peut aider de nombreuses manières - cela peut être aussi simple que de décider où les pièces vont aller sur la plate-forme de construction à l'aide d'un logiciel d'automatisation ou de calculer automatiquement le temps de construction. Nous pourrions même automatiser la simulation de l'état de surface qui sera créé en fonction de l'orientation que vous utilisez.

Je peux aussi imaginer utiliser l'automatisation pour choisir les bons paramètres pour faire fonctionner la machine, plutôt que de faire un essai et une erreur avec différents paramètres. À cet égard, il y aura plus de boucles de rétroaction au sein des systèmes de fabrication additive, ce qui nous aidera également à améliorer la qualité pendant la construction.

Et en ce qui concerne la conception, j'ai récemment vu un logiciel intéressant qui vous permet d'entrer les points durs de la conception (les points où votre composant doit toucher d'autres composants) dans votre système de CAO en plus des forces qui seront exercée sur votre composant, de sorte que la géométrie soit automatiquement agrandie. Ce n'est donc pas comme l'optimisation topologique qui enlève de la matière - même si c'est assez intéressant en soi - cela implique en fait de faire croître la pièce à l'aide d'un logiciel automatisé.

Dans l'ensemble, je pense qu'il existe une grande marge d'automatisation tout au long de la chaîne de valeur, depuis le moment où nous avons une idée de ce à quoi ressemblera notre produit jusqu'à la sortie des pièces finies de la machine.

Q :Vous dirigez actuellement un projet de recherche sur la personnalisation pour l'industrie automobile. Pouvez-vous m'en dire plus ?

L'objectif du projet est de travailler avec nos partenaires en Roumanie pour identifier un certain nombre de domaines de recherche, dont l'un concerne la conception et l'utilisation de pièces personnalisées destinées à être utilisées par un certain nombre de fournisseurs de composants automobiles.

Nous avons mené quelques études pilotes où nous pensons que la conception et la personnalisation pourraient aider l'industrie automobile, que ce soit dans les pièces les plus fonctionnelles, comme la personnalisation de la suspension pour différents styles de conduite, ou du côté plus esthétique, où vous personnalisez les choses comme la poignée de votre levier de changement de vitesse, la forme de votre volant ou encore certains des aspects de contrôle utilisés sur votre tableau de bord. Ce ne sont là que quelques-uns des domaines que nous examinons.

Q :Qu'espérez-vous obtenir des études pilotes ?

Ce que nous aimerions voir à partir de ces études pilotes - et nous avons déjà commencé une partie du travail de développement à ce sujet nous-mêmes - sont des kits d'outils de personnalisation de masse, où vous pouvez prendre un produit entièrement standard et modifier certains des paramètres pour le transformer en un produit personnalisé. Nous ne sommes pas les seuls à le faire - un exemple étant le système nerveux qui est principalement destiné aux bijoux, vous pouvez prendre un design entièrement standard, jouer avec différents paramètres pour changer la forme, puis imprimer en 3D votre propre version.

Nous avons mené des études sur les différents types d'interfaces que les gens aiment utiliser, le nombre de paramètres qu'ils peuvent gérer en termes de variation de leur conception et aussi la valeur ajoutée à un produit lorsque nous permettons à quelqu'un de faire certaines la personnalisation pour eux-mêmes.

En fin de compte, nous voulons arriver au stade où nous pouvons trouver le meilleur moyen de concevoir une boîte à outils de personnalisation de masse. Cela commencerait par le concepteur qui effectuerait un travail pour créer un design standard ou même inachevé. Mais ensuite, nous envisageons que le client vienne et finisse ce design par lui-même. Cela devient donc une forme de conception co-créée, où il y a eu la contribution du fabricant ou de la maison de conception ainsi que la contribution de l'utilisateur final.

Q :Considérez-vous cette forme de « co-création » comme quelque chose qui deviendra plus courante dans l'impression 3D à l'avenir ?

Cela se produit déjà dans une certaine mesure. Par exemple, Mini vous permet déjà de choisir des produits personnalisés. Mais pour ce qui est de changer réellement la forme du produit, ce que nous explorons, il ne se passe pas grand-chose sur ce front, en particulier avec les produits fonctionnels.

Et dans des industries comme l'automobile, vous devez vous assurer que si vous autorisez votre client à apporter des modifications à la forme, le produit est toujours sûr, fonctionnel et économique à produire. Beaucoup plus de recherches doivent être effectuées à cet égard avant que les entreprises ne soient prêtes à autoriser les utilisateurs à personnaliser leurs produits - et dans certains cas, certaines entreprises peuvent ne jamais autoriser les utilisateurs à personnaliser leurs conceptions. Mais nous avons parlé à d'autres entreprises qui seraient prêtes à autoriser un certain degré de variation par leurs utilisateurs finaux.

Si je prends l'exemple d'un sèche-cheveux :la personnalisation peut être aussi simple que d'adapter la poignée du sèche-cheveux à une taille de main particulière. Vous pouvez même créer votre style de sèche-cheveux qui pourrait, d'une manière ou d'une autre, intégrer certaines de vos caractéristiques personnelles dans le produit. Et c'est un autre domaine de recherche que nous explorons - nous pensons que si les gens s'engagent dans ce type de co-conception, ils peuvent développer un attachement émotionnel au produit. Cela signifie qu'ils peuvent être prêts à payer un peu plus d'argent pour cela et à le conserver un peu plus longtemps, afin que nous ne finissions pas par jeter autant dans les décharges. C'est un autre aspect de nos recherches à Loughborough :la conception durable.

Q :L'université de Loughborough est à l'avant-garde de ce qu'elle appelle la « FA hybride et multi-systèmes ». Pouvez-vous expliquer ce que cela signifie ?

Lorsque nous parlons d'hybride, nous faisons référence à la combinaison intégrée de fabrication additive et soustractive au sein d'une même machine. À Loughborough, nous examinons à la fois les systèmes métalliques et les systèmes polymères.

Q :Comment cette approche de fabrication hybride fonctionne-t-elle pour les systèmes métalliques ?

Pour les systèmes métalliques, il existe déjà des machines disponibles auprès d'entreprises comme Matsuura et DMG Mori — ils ont créé des machines qui ajouteront du matériau via un type de processus de dépôt, puis effectueront un changement d'outil. Ainsi, au lieu d'avoir une tête de dépôt, vous apportez un outil de fraisage CNC qui enlèvera une partie de la matière, soit pour vous donner une meilleure finition de surface, soit pour améliorer la précision de certaines fonctionnalités. Une fois cela fait, vous pouvez effectuer un autre changement d'outil et revenir au processus additif et ajouter du matériel pour couvrir la zone sur laquelle vous venez de travailler. Et vous pouvez basculer entre les deux aussi souvent que vous le souhaitez.

Cela signifie que vous pouvez obtenir toute la liberté géométrique de la fabrication additive, mais si vous avez besoin d'une plus grande précision ou d'une meilleure finition de surface (ce qui est souvent le cas pour les composants d'ingénierie), cela peut être réalisé non seulement à l'extérieur mais même sur les surfaces intérieures qui ne seraient pas accessibles si vous construisiez le tout en une seule fois.

Nous pensons que cela ouvrira de nouvelles possibilités de production à guichet unique où vous avez une machine, pouvez télécharger la pièce CAO et vous vous retrouvez avec une pièce finie à partir de cette machine sans autre usinage requis. Ce type de fabrication hybride métallique sera très utile pour les composants de haute technologie, car il vous permettra de réduire le nombre de composants que vous devez mettre dans votre système, réduisant ainsi vos coûts d'assemblage et la quantité de matériau dont vous avez besoin. Ceci est particulièrement important dans les applications aérospatiales, car économiser même quelques kilogrammes peut réduire considérablement votre facture de carburant.

Q :Le processus de fabrication hybride pour les polymères est-il alors assez différent ?

Le procédé sera en fait assez similaire, dans la mesure où il utilisera un dépôt suivi d'un usinage. La différence est que pour les polymères, tout se passe à une température beaucoup plus basse. Ce que nous visons ici, c'est d'apporter une plus grande liberté géométrique et une plus grande précision aux pièces en polymère AM tout en réduisant les coûts. Ainsi, alors que le moteur du côté métal concerne davantage les produits d'ingénierie haut de gamme, du côté des polymères, il concerne davantage les produits à usage quotidien.

Q :Quels autres projets de recherche se profilent à l'horizon à l'Université de Loughborough ?

Eh bien, nous examinons également la fabrication additive de matériaux composites. Notre objectif ici est de contrôler la directionnalité des fibres dans les pièces composites pour les rendre plus solides, plus rigides ou plus légères ou d'autres avantages techniques. Cela vient tout juste de démarrer et implique un certain nombre de partenaires internationaux.

Q :Pouvez-vous nous en dire un peu plus sur le nouveau programme de maîtrise de l'Université de Loughborough ?

Il s'appelle Design for Additive Manufacture et dure un an, en trois semestres. Nous expliquons aux étudiants ce qu'est la fabrication additive et expliquons certaines de ses singularités et avantages.

Il y a un petit projet qui examine comment nous pouvons reconcevoir pour la fabrication additive, suivi d'un projet majeur qui consiste à concevoir un produit à partir de zéro et à le reconcevoir. Nous examinons également certains des outils de conception assistée par ordinateur de niveau supérieur qui s'intègrent bien à la fabrication additive, tels que l'optimisation topologique ainsi que certains des différents types de modélisation disponibles, tels que la modélisation voxel. manière différente de travailler à l'intérieur de la CAO.

Q :Enfin, quelle est la prochaine tendance en FA qui vous passionne le plus ?

Ce qui est vraiment excitant, c'est que les machines deviennent de plus en plus grosses, ce qui signifie que la gamme d'applications s'élargit. À une époque, lorsque vous pensiez à la fabrication additive, vous pensiez à des pièces qui tiennent dans un demi-mètre cube, mais cela évolue assez rapidement maintenant. Nous pouvons le voir dans les applications architecturales de la fabrication additive, où nous pouvons commencer à créer des choses comme des maisons. Mais plus généralement, vous pouvez commencer à créer des structures intéressantes à intégrer dans les bâtiments. Nous pouvons également voir cet impact dans l'aérospatiale, avec la construction de pièces d'avions de grande taille sur ces grosses machines.

Une autre tendance qui existe depuis un certain temps est l'idée de créer des métamatériaux, grâce auxquels vous pouvez faire en sorte que votre matériau se comporte différemment en jouant avec la géométrie. Par exemple, vous pouvez créer ce qu'on appelle une structure auxétique, où normalement, lorsque nous appuyons sur une pièce et la pressons dans une direction, elle se dilate dans les autres directions, par exemple lorsque vous pressez une balle dans le sens vertical, elle se dilatera dans le sens direction horizontale. Mais en utilisant la fabrication additive et une conception très intelligente, il est possible de créer des structures où si vous les pressez dans le sens vertical, elles se rétracteront également dans le sens horizontal. C'est une utilisation très intelligente de la géométrie complexe.

Les gens étudient également d'autres aspects, comme la création de pièces qui réagiront différemment aux gradients thermiques. Avec l'impression 4D, par exemple, vous pouvez potentiellement créer une pièce qui peut changer de forme ou se dilater après l'avoir chauffée. Donc, si vous deviez créer quelque chose à envoyer dans l'espace dans une boule, une fois que la chaleur du soleil l'atteint, il pourrait théoriquement s'ouvrir à une sorte d'antenne. Donc, être capable de faire agir les matériaux différemment en raison de la géométrie complexe que vous construisez dans les pièces est vraiment excitant - et signifie que nous n'avons pas seulement affaire à un morceau de matériau, mais à un matériau intelligent.

Cliquez ici pour en savoir plus sur le groupe de recherche sur la fabrication additive (AMRG) de l'université de Loughborough.

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