Le professeur Georgia Tech Thomas Kurfess révèle l'avenir de l'usinage CNC 5 axes

Le Dr Thomas Kurfess, expert en usinage et chercheur à Georgia Tech, a développé des algorithmes qui boostent dramatiquement la production des machines 5 axes avec génération automatique de trajectoires d'outil. Ici, nous nous asseyons avec Kurfess pour discuter des avancées les plus récentes de l'industrie et où l'usinage se dirige.

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

Et l'innovation ne fait que commencer à s'étendre, trouve le Dr Thomas Kurfess, professeur et titulaire de la chaire distinguée HUSCO/Ramirez en puissance hydraulique et contrôle de mouvement 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 machines 5 axes qui permettent la génération automatique de trajectoires d'outil — une capacité qui peut dramatiquement booster la productivité en réduisant la quantité d'interaction utilisateur et de temps de préparation pour les trajectoires d'outil. Kurfess a aussi travaillé sur une recherche qui met en lumière les insuffisances de la quantification de l'usure d'outil dans les géométries d'outils avancées — et il a officiellement travaillé pour la Maison Blanche. De 2012 à 2013, il a servi comme directeur adjoint pour la fabrication avancée 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 multiaxes — et où l'avenir se dirige.

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

KURFESS : J'ai grandi dans un petit atelier ; à l'époque c'était du CN, ou commande numérique. Avance rapide vers le futur, et nous sommes maintenant à l'ère de l'usinage 5 axes. Alors que le fraisage 2 ou 3 axes est relativement simple, avec le 5 axes, les choses tournent à différents angles et il peut parfois être dur de programmer. Et en toute honnêteté, nous n'avons pas nécessairement amélioré nos capacités de programmation depuis les années 80 sur la machine, et nous avons encore une tâche très complexe nécessitant un programmeur hautement entraîné avec une expérience significative. C'est en contraste frappant avec l'impression 3D — qui est perçue comme simplement une question de télécharger un fichier et imprimer. Mes étudiants demandaient souvent : « Pourquoi on n'imprime pas juste la pièce en 3D ? » Mais quand vous entrez dans une vraie 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 facilement ou bon marché remplacées. Donc l'industrie a encore du chemin à faire. De plus, la fabrication additive fait typiquement des pièces en plastique. Vous pouvez faire des structures en métal, mais il y a des limitations. Une de nos technologies habilitantes pour la programmation avancée de machine-outil est l'unité de traitement graphique, ou GPU.

Pourriez-vous entrer dans plus de détails sur les GPU ?

KURFESS : 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 5 axes … Le GPU est comme un petit super ordinateur et nous donne des interfaces de type jeu pour la programmation, enlevant une charge cognitive significative du programmeur humain. Avec les capacités de supercalcul du GPU, nous pouvons regarder toutes les différentes perspectives et une grande variété de scénarios que même le programmeur expert n'aurait pas le temps de considérer. Le G-code nous a menés loin, mais il est limitant et cette technologie va nous déplacer rapidement bien au-delà de tout ce qu'on voit aujourd'hui.

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

KURFESS : Je prédis quelques choses en particulier. Premièrement, nous allons vers rendre les machines-outils plus faciles à programmer. Deuxièmement, alors que beaucoup disent qu'on sera totalement automatisés, je ne crois pas nécessairement ça. Il y a une superbe analogie du lave-vaisselle que quelqu'un m'a donnée. De mon vivant, je ne crois pas que vous verrez jamais votre lave-vaisselle se décharger automatiquement parce qu'il y a de l'expertise et de la complexité qui entrent dans le chargement et déchargement. La même chose vaut pour les machines — nous devons rendre les machines plus faciles à utiliser en aidant le programmeur à faire des choix comme quel outil utiliser, et quelles orientations programmer en modes 5 axes continus complets. Finalement, je vois un mouvement vers plus d'interfaces utilisateur graphiques similaires à ce que vous expérimenteriez sur un système de jeu. Ces interfaces peuvent aider à vous rendre plus productif, et soyons honnêtes, la main-d'œuvre actuelle, comme mes enfants, sont très adeptes à utiliser ces interfaces de jeu.

Y a-t-il des aspects de ces machines qui sont sous-utilisés aujourd'hui ? Quel est votre conseil pour en tirer le maximum ?

KURFESS : C'est une question d'utiliser les machines haut de gamme à leur maximum — et le gros problème là, c'est la formation. Nous travaillons de près avec les collèges communautaires et techniques à proximité, et c'est difficile et cher pour eux de fournir de la formation au niveau associate pour ces machines-outils compliquées. Avoir une machine-outil à 500 000 $ dans un labo d'enseignement est assez prohibitif en coûts, mais la formation est critique, surtout avec l'usinage multiaxes. C'est aussi difficile pour les entreprises de former des individus, car une fois que quelqu'un devient bon, le garder est difficile. Simplement, ils sont en forte demande.

Vous avez fait de la recherche pour développer des algorithmes qui bénéficieraient à la génération automatique de trajectoires d'outil. Parlez-nous de cette recherche et des défis que vous essayiez de surmonter là. Quel a été le résultat ? Où voyez-vous la génération automatique de trajectoires d'outil aujourd'hui, et où pensez-vous qu'elle va ?

KURFESS : En ce qui concerne la génération de trajectoires d'outil, au lieu de pixels, nous travaillons en voxels. C'est un pixel 3D où nous prenons un design et le voxelisons. Nous faisons du traitement volumétrique numérique, qui est un format naturel pour le GPU. Nous prenons le design de pièce qui est dans un modèle CAO et le voxelisons pour pouvoir le traiter sur le GPU. Cette approche se prête bien à l'usinage de pièces et aux machines hybrides, qui combinent l'additif sur machines-outils (fabrication additive et soustractive). Les entreprises commencent à utiliser les voxels de plus en plus avec des problèmes haut de gamme. Lentement mais sûrement, les voxels font leur chemin vers une variété de produits. À Georgia Tech, notre cours de conception-construction de deuxième année, nous avions des étudiants conçant des pièces tournées avec des outils basés sur les voxels en utilisant des plateformes cloud de calcul haute performance et ils ont adoré. Les systèmes qu'ils utilisent sont des ordres de grandeur plus rapides que n'importe quoi ; donc, ils obtiennent un retour en temps réel sur le fait que leur pièce est producible sur le tour avec le package d'outillage actuellement installé, pendant qu'ils sont en train de dessiner la pièce.

Vous avez aussi travaillé sur la recherche sur la quantification de l'usure d'outil dans les 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 de l'usinage d'un superalliage à base de nickel très avancé qui était terrible à usiner. C'était dur d'atteindre notre géométrie cible, mais nous étions aussi préoccupés de ne pas endommager la structure de grain de la pièce. En usinant, vous pouvez faire des dommages thermiques à la surface (fissuration, dommages sous-surface, etc.). Cela découle de problèmes liés à la chaleur, car la chaleur cause le plus de dommages. Dans cette instance, on nous a donné de nouveaux inserts céramiques à essayer et ils nous ont donné des vitesses folles — tellement qu'on a dû aller voir notre partenaire machine-outil et demander si on pouvait échanger notre machine-outil. On avait besoin d'une broche à vitesse bien plus haute. Parce qu'on utilisait de la céramique, il fallait éviter d'utiliser du fluide de coupe pour ne pas induire de choc thermique dans les inserts et les briser. Malgré la vitesse, ça a marché sans fluide de coupe incroyablement bien. En fait, on a pu usiner si vite qu'on a battu le taux de transfert de chaleur — ça veut dire que la chaleur ne pouvait pas entrer dans la pièce. Donc après avoir fini l'usinage, vous touchiez la pièce et elle était froide. Cela a aidé à minimiser les dommages sous-surface. On a éliminé les dommages thermiques à la pièce, tourné à des taux d'enlèvement de matière significativement plus élevés, et n'avait pas de copeaux chargés de fluide de coupe, les rendant beaucoup plus faciles à recycler.

Quelles sont vos pensées sur le fossé des 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 aider à trouver les talents dont ils auront besoin pour l'avenir ?

KURFESS : Le fossé des compétences est réel. Les gamins de nos jours ne sont pas dans la programmation G-code comme nous il y a 20 ou 30 ans. Bien sûr, notre jeu vidéo plus avancé était Pong, et on perforait du ruban papier ! Notre main-d'œuvre de prochaine génération est plus orientée graphiquement et possède un ensemble de compétences différent. Donc aller vers plus d'interfaces graphiques aide à vraiment engager cette prochaine génération. Beaucoup de gens pensent que pour être machiniste ou ingénieur il faut être un génie des maths. La réalité c'est que vous n'avez pas besoin d'être un génie … vous devez être bon et aimer ça. De plus, je sers comme président de SME et je vois comment les produits de formation de prochaine génération pour des opérations comme Tooling U-SME engagent vraiment la prochaine génération et la main-d'œuvre actuelle en termes de formation et développement technique. Les approches employées sont à la pointe, 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 recommandera une formation pour améliorer la façon dont vous faites tourner et utilisez la machine. De plus, nous ne sommes pas loin d'une machine 3 axes recommandant que vous soyez formé et promu à une machine 5 axes basé sur votre performance sur la machine 3 axes.

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

KURFESS : C'est l'apprentissage tout au long de la vie. Il faut un changement de culture tel que la main-d'œuvre et les employeurs comprennent que la formation continue et à vie sont le chemin vers une opération plus rentable et une carrière longue, sûre et réussie. Il faut mettre tout le monde dans le mode 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 on sait ce qui est arrivé aux dinosaures ! Garder ses compétences à jour est critique pour rester pertinent.

Votre parcours montre aussi que vous avez passé du temps à travailler dans le secteur automobile. Pouvez-vous nous en parler, le travail que vous avez fait et où vous voyez cette industrie aujourd'hui — et pour le futur ?

KURFESS : J'étais à Georgia Tech de 1994 à 2005. En 2005, j'ai démarré le programme académique et de recherche au Clemson University – International Center for Automotive Research. En général, produire des pièces simples avec l'usinage 2 et 3 axes était relativement simple. Cependant, quand il s'agissait de pièces 5 axes, on faisait vraiment la différence. Encore une fois, le travail haut de gamme et plus complexe était où les individus hautement formés brillaient vraiment, et où ils faisaient de super salaires !

Y a-t-il d'autres innovations verticales spécifiques que vous suivez de près ? Quelles innovations de fabrication voyez-vous avoir la capacité de croiser et faire un impact aujourd'hui et dans un futur proche ? Sur quoi les fabricants devraient-ils vraiment faire attention ?

KURFESS : Quand j'étais le point technique du président Obama pour la fabrication avancée au Bureau de la politique scientifique et technologique, j'ai gagné une grande perspective sur les choses. À travers les deux partis, la fabrication est critique. Je témoignais devant un sous-comité il y a quelques semaines où on a mis en lumière l'importance de l'internet des objets pour les fabricants. Nous voyons les machines extraire une grande quantité d'informations sur le produit et le processus. Cela aide non seulement à faire un bien meilleur produit et un processus efficace, mais à améliorer les opportunités d'emploi et la compétitivité de notre main-d'œuvre moderne. Chaque représentant sur ce sous-comité a compris cela et a soutenu l'avancement de ce type de technologie et capacité.

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

KURFESS : Avec l'automatisation accrue, nous aurons besoin de moins de gens à un niveau de compétence plus élevé. Une fois que les employés font de la programmation d'axes haut de gamme, les entreprises le comprendront. Elles réaliseront que ces machines sont meilleures et elles en achèteront plus — et auront finalement besoin de plus de gens. Accordé, nous aurons toujours besoin d'êtres humains 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 à vie et de comprendre que ces machines mèneront quelqu'un au niveau supérieur de capacité. Donc les emplois de basse qualification disparaîtront, mais nous verrons une expansion significative d'emplois à haute qualification qui ont des taux de rémunération bien plus élevés !

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

KURFESS : Tout est dans le contrôleur. Facilité d'utilisation, connectivité … rassembler toutes les infos — c'est l'avenir. Ça bat à plates coutures ce contrôleur CNC des années 80 qui ressemble encore à mon premier PC !

Votre atelier a-t-il adopté l'usinage 5 axes ? Quels défis rencontrez-vous — et seriez-vous ouvert à programmer des machines avec générateurs automatiques de trajectoires d'outil ? Dites-le-nous dans la section commentaires ci-dessous.