Entrevista:Professor Ian Campbell da Loughborough University

O professor Ian Campbell é professor da Loughborough University, que é pioneira no campo do design para pesquisa de manufatura aditiva. Com uma vasta experiência em engenharia de design, o professor Campbell publicou mais de quarenta artigos em periódicos acadêmicos, é editor do Rapid Prototyping Journal e é consultor associado da Wohlers Associates desde 2014.

Tivemos o prazer de conversar com o professor Campbell e discutir a importância do design para a manufatura aditiva, o papel da automação na AM e como a customização em massa e a manufatura híbrida podem transformar as indústrias.

P:Como você se envolveu pela primeira vez com AM?

Eu estava fazendo um mestrado na Warwick University em 1993 quando tomei conhecimento da estereolitografia, mas foi só quando me mudei para a Nottingham University no final daquele ano que tive acesso à máquina de estereolitografia da universidade e comecei a pesquisar meu doutorado , que se concentrava na ligação entre o design e, como chamávamos na época, a prototipagem rápida.

Minha premissa na época era que a prototipagem rápida se tornaria um processo de produção - o que as pessoas realmente não podiam imaginar na década de 1990. Mas eu fiz, e pensei que se a prototipagem rápida fosse se transformar em um processo de produção, teríamos que aprender a projetar para ela. E é nisso que meu PhD se concentrou.

P:Ironicamente, hoje o design para manufatura aditiva é um grande ponto de discussão. Onde estamos com isso, e que progresso precisa ser feito?

Acho que está um pouco aleatório no momento. Certamente existem bolsões de expertise em certas empresas, com alguns designers realmente entendendo as possibilidades da manufatura aditiva em termos de leveza, estruturas internas complexas ou usando otimização de topologia e assim por diante - e este é especialmente o caso das empresas aeroespaciais.

Mas, tendo dito isso, no geral, acho que há uma pequena lacuna de conhecimento dentro da nossa comunidade de design, com muitos designers que talvez não entendam a manufatura aditiva bem o suficiente ou não tenham tido a oportunidade de pensar sobre como isso poderia mudar a maneira como eles projetam.

Isso pode estar mudando com a nova geração de designers que estão chegando à universidade e agora estão recebendo essa educação. Mas para designers que estão praticando há algum tempo, a menos que tenham de enfrentar o uso da manufatura aditiva como um processo de manufatura, eles provavelmente não pensaram sobre os benefícios que isso poderia lhes dar. Então, acho que definitivamente há uma oportunidade de impulsionar isso, e é uma das coisas que estamos tentando alcançar com o novo programa de mestrado que lançamos.

P:Onde você vê design para AM em cinco anos?

Em primeiro lugar, acredito que veremos mais pessoas reconhecendo seu potencial como processo de produção e, portanto, tendo que aprender a projetar para ele, principalmente com a nova geração de designers, muitos dos quais terão conhecimento da manufatura aditiva.

Outra coisa que espero que aconteça é uma maior automação de design e o surgimento de ferramentas mais especializadas para ajudar os designers a fazer algumas das coisas inteligentes que são necessárias para tirar o máximo proveito do AM. Agora, algumas dessas ferramentas já existem, como a otimização topológica, por exemplo. E eu sei que existe outro software que visa desenvolver estruturas internas de retículo automaticamente para que não haja necessidade de alguém ter que se sentar e criá-las no CAD. A manufatura aditiva pode fazer coisas incríveis em termos de criação de geometrias complexas, mas esperar que uma pessoa ou mesmo uma equipe se sente e crie esses tipos de geometria criaria um gargalo real se tudo fosse feito com ferramentas convencionais.

Em última análise, acho que deve haver uma gama maior de ferramentas disponíveis para automatizar alguns dos processos que precisaríamos seguir.

P:A automação é uma tendência importante na AM no momento. Como você vê a evolução da automação para AM?

No momento, existem muitos processos que fazem uso intensivo do trabalho humano dentro da AM. A automação pode ajudar de várias maneiras - pode ser tão simples quanto decidir para onde as peças irão na plataforma de construção usando software de automação ou calcular o tempo de construção automaticamente. Poderíamos até automatizar a simulação do acabamento da superfície que será criado dependendo da orientação que você usar.

Também posso imaginar o uso da automação para escolher os parâmetros corretos para o funcionamento da máquina, em vez de fazer uma tentativa e erro com parâmetros diferentes. A este respeito, haverá mais ciclos de feedback dentro dos sistemas de manufatura aditiva, o que nos ajudará a melhorar a qualidade durante a construção também.

E no que diz respeito ao design, recentemente vi um software interessante que permite que você insira os pontos difíceis do design (os pontos onde seu componente deve tocar outros componentes) em seu sistema CAD, além das forças que serão exercido em seu componente, de modo que a geometria seja aumentada automaticamente. Portanto, não é como a otimização topológica que leva o material embora - embora isso seja muito interessante por si só - isso na verdade envolve o crescimento da parte usando um software automatizado.

No geral, acredito que há um grande escopo para automação adicional em toda a cadeia de valor, desde quando temos uma ideia de como nosso produto vai ficar até a retirada das peças acabadas da máquina.

P:No momento, você está liderando um projeto de pesquisa sobre personalização para a indústria automotiva. Você poderia me contar mais?

O objetivo do projeto é trabalhar com nossos parceiros na Romênia para identificar uma série de áreas de pesquisa, uma das quais é no design e uso de peças personalizadas para serem utilizadas por vários fornecedores de componentes automotivos.

Fizemos alguns estudos-piloto em que pensamos que o design e a personalização podem ajudar a indústria automotiva, seja nas peças mais funcionais, como personalizar a suspensão para diferentes estilos de direção, ou no lado mais estético, onde você personaliza as coisas como a alça da alavanca de câmbio, o formato do volante ou até mesmo alguns dos aspectos de controle usados ​​no painel. Essas são apenas algumas das áreas que estamos examinando.

P:O que você espera alcançar com os estudos-piloto?

O que adoraríamos ver nesses estudos piloto - e já iniciamos parte do trabalho de desenvolvimento neles mesmos - são kits de ferramentas de personalização em massa, onde você pode pegar um produto totalmente padrão e ajustar alguns dos parâmetros para transformá-lo em um produto personalizado. Não somos os únicos a fazer isso - um exemplo sendo o Sistema Nervoso, que visa principalmente joalheria, você pode pegar um design totalmente padrão, brincar com diferentes parâmetros para alterar a forma e, em seguida, imprimir em 3D sua própria versão.

Temos feito estudos sobre os diferentes tipos de interfaces que as pessoas gostam de usar, o número de parâmetros que podem manipular em termos de variação de design e também quanto valor pode ser adicionado a um produto quando permitimos que alguém faça alguns dos a personalização para eles próprios.

Em última análise, queremos chegar ao estágio em que possamos encontrar a melhor maneira de projetar um kit de ferramentas de customização em massa. Isso começaria com o designer fazendo algum trabalho para criar um padrão ou até mesmo um design inacabado. Mas então imaginamos o cliente chegando e terminando o projeto por conta própria. Portanto, torna-se uma forma de design co-criado, em que há informações do fabricante ou da empresa de design, bem como informações do usuário final.

P:Você vê essa forma de “cocriação” como algo que se tornará mais comum na impressão 3D no futuro?

Isso já está acontecendo até certo ponto. Por exemplo, o Mini já permite que você escolha produtos customizados. Mas em termos de realmente mudar a forma do produto, que é o que estamos explorando, não há muito acontecendo nesta frente, particularmente com produtos funcionais.

E em setores como o automotivo, você deve garantir que, se permitir que seu cliente faça alterações no formato, o produto ainda será seguro, funcional e econômico de produzir. Muito mais pesquisas precisam ser feitas a esse respeito antes que as empresas estejam preparadas para permitir que os usuários personalizem seus produtos - e, em alguns casos, certas empresas podem nunca permitir que os usuários personalizem seus projetos. Mas falamos com outras empresas que estariam preparadas para permitir algum grau de variação a ser trazido por seus usuários finais.

Se eu tomar o exemplo de um secador de cabelo:a personalização pode ser tão simples quanto ajustar a alça do secador de cabelo a um tamanho específico de mão. Você pode até criar seu estilo de secador de cabelo que, de alguma forma, tenha algumas de suas características pessoais incorporadas ao produto. E essa é outra área de pesquisa que estamos explorando - pensamos que se as pessoas se envolverem neste tipo de co-design, elas podem desenvolver um apego emocional ao produto. Isso significa que eles podem estar preparados para pagar um pouco mais por ele e também mantê-lo por um pouco mais de tempo, para que não acabemos jogando muito fora no aterro. Este é outro aspecto de nossa pesquisa em Loughborough - design sustentável.

P:A Universidade de Loughborough é pioneira no que chama de “AM híbrido e multi-sistemas”. Você pode explicar o que isso significa?

Quando falamos sobre híbrido, estamos nos referindo à combinação integrada de manufatura aditiva e subtrativa na mesma máquina. Em Loughborough, estamos olhando para sistemas de metal e sistemas de polímero.

P:Como essa abordagem de manufatura híbrida funciona para sistemas de metal?

Para sistemas de metal, já existem algumas máquinas disponíveis de empresas como Matsuura e DMG Mori - eles criaram máquinas que irão adicionar algum material por meio de um tipo de processo de deposição e, em seguida, fazer uma troca de ferramenta. Portanto, em vez de um cabeçote de deposição, você traz uma ferramenta de fresamento CNC que removerá parte do material, seja para dar um melhor acabamento de superfície ou para melhorar a precisão de alguns dos recursos. Depois de fazer isso, você pode fazer outra troca de ferramenta e voltar ao processo aditivo e adicionar algum material para cobrir a área em que acabou de trabalhar. E você pode alternar entre os dois quantas vezes quiser.

O que isso significa é que você pode obter toda a liberdade geométrica da manufatura aditiva, mas se houver necessidade de maior precisão ou melhor acabamento de superfície (o que costuma ser o caso para componentes de engenharia), isso pode ser alcançado não apenas no exterior mas mesmo nas superfícies internas que não seriam acessíveis se você construísse tudo de uma vez.

Acreditamos que isso abrirá novas possibilidades para a produção completa, onde você tem uma máquina, pode fazer o download da peça CAD e terminar com uma peça acabada dessa máquina, sem necessidade de usinagem adicional. Este tipo de manufatura de metal híbrido será muito útil para componentes de alta engenharia, pois permitirá que você reduza o número de componentes que você precisa colocar em seu sistema, reduzindo assim seus custos de montagem e reduzindo a quantidade de material que você precisa. Isso é particularmente importante em aplicações aeroespaciais porque economizar até mesmo alguns quilos pode reduzir muito sua conta de combustível.

P:O processo de fabricação de híbridos para polímeros é bastante diferente?

Na verdade, o processo será bastante semelhante, no sentido de que usará deposição seguida de usinagem. A diferença é que para os polímeros tudo acontece a uma temperatura muito mais baixa. O que pretendemos fazer aqui é trazer maior liberdade geométrica e precisão às peças de polímero AM e, ao mesmo tempo, manter os custos baixos. Então, enquanto o driver do lado do metal é mais sobre produtos de engenharia de ponta, do lado do polímero, é mais para produtos de uso diário.

P:Que outros projetos de pesquisa estão no horizonte na Loughborough University?

Bem, também estamos analisando a fabricação aditiva de materiais compostos. O que pretendemos fazer aqui é controlar a direcionalidade das fibras dentro das peças compostas para torná-las mais fortes, mais rígidas ou mais leves ou outros benefícios de engenharia. Isso começou recentemente e envolve vários parceiros internacionais.

P:Você pode nos contar um pouco mais sobre o novo programa de mestrado da Loughborough University?

É chamado de Design for Additive Manufacture, e funciona por um ano, em três semestres. Nós conduzimos os alunos através do que é manufatura aditiva e examinamos algumas de suas singularidades e benefícios.

Há um projeto menor que examina como podemos redesenhar para a manufatura aditiva, seguido por um grande projeto que envolve desenhar um produto do zero e redesenhá-lo. Também damos uma olhada em algumas das ferramentas de design auxiliado por computador de nível superior que se adaptam bem à manufatura aditiva, como a otimização topológica, bem como alguns dos diferentes tipos de modelagem disponíveis, como a modelagem de voxel - portanto, olhando para um maneira diferente de trabalhar dentro do CAD.

P:Finalmente, qual é a próxima tendência da manhã que mais o entusiasma?

Algo que é realmente empolgante é que as máquinas estão ficando maiores, o que significa que a gama de aplicações está crescendo. Ao mesmo tempo, quando você pensava em manufatura aditiva, você pensava em peças que cabem em um cubo de meio metro, mas isso está mudando muito rapidamente agora. Podemos ver isso em aplicações arquitetônicas de manufatura aditiva, onde podemos começar a criar coisas como casas. Porém, mais comumente, você pode começar a criar algumas estruturas interessantes para entrar nos edifícios. Também podemos ver esse impacto na indústria aeroespacial, com grandes peças de aeronaves sendo construídas nessas grandes máquinas.

Outra tendência que já existe há algum tempo é a ideia de criar metamateriais, por meio da qual você pode fazer seu material se comportar de maneira diferente brincando com a geometria. Por exemplo, você pode criar o que é chamado de estrutura auxética, onde normalmente quando empurramos uma peça e a apertamos em uma direção ela se expande nas outras direções, por exemplo, quando você aperta uma bola na direção vertical, ela se expande na direção horizontal. Mas usando a manufatura aditiva e um design muito inteligente, é possível criar estruturas onde, se você pressioná-las na direção vertical, elas encolherão também na direção horizontal. É um uso muito inteligente de geometria complexa.

As pessoas também estão olhando para outros aspectos, como a criação de peças que terão uma reação diferente aos gradientes térmicos. Com a impressão 4D, por exemplo, você pode criar potencialmente uma peça que pode mudar sua forma ou se expandir após aquecê-la. Então, se você fosse criar algo para enviar ao espaço em uma bola, uma vez que o calor do sol o atingisse, ele poderia teoricamente se abrir para algum tipo de antena. Portanto, ser capaz de fazer os materiais agirem de forma diferente por causa da geometria complexa que você está construindo em partes é realmente emocionante - e significa que não estamos lidando apenas com um pedaço de material, mas com um material inteligente.

Clique aqui para saber mais sobre o Additive Manufacturing Research Group (AMRG) na Loughborough University.

Confira nossa entrevista recente com o Dr. Richard Buswell, da Loughborough University.