Pergunte a um especialista:Georgia Tech Professor sobre o futuro da usinagem

Dra. Thomas Kurfess, especialista em usinagem e pesquisador da Georgia Tech, desenvolveu algoritmos que aumentam drasticamente a produção de máquinas de 5 eixos com geração automática de percurso. Aqui, sentamos com Kurfess para discutir os avanços mais recentes da indústria e para onde a usinagem está indo.

A usinagem unidimensional era um processo bastante simples há várias décadas, exigindo apenas uma decisão sobre o deslocamento, avanços e velocidades necessários. As capacidades dos equipamentos CNC atuais são um pouco mais avançadas. Com a usinagem de 5 eixos, os fabricantes podem mover uma ferramenta de corte ao longo de cinco eixos diferentes simultaneamente – o que lhes permite criar peças e designs altamente complexos.

E a inovação está apenas começando a se expandir, afirma o Dr. Thomas Kurfess, professor e o Distinguished Chair HUSCO/Ramirez em Fluid Power and Motion Control no Georgia Institute of Technology. Seu trabalho se concentra no projeto e desenvolvimento de sistemas avançados de manufatura visando a produção e otimização de produtos complexos.

Ele pesquisou algoritmos para máquinas de 5 eixos que permitem a geração automática de percursos – um recurso que pode aumentar drasticamente a produtividade ao reduzir a quantidade de interação do usuário e o tempo de preparação dos percursos. Kurfess também trabalhou em pesquisas que destacam as inadequações da quantificação do desgaste de ferramentas em geometrias avançadas de ferramentas – e ele trabalhou oficialmente para a Casa Branca. De 2012 a 2013, ele atuou como diretor assistente de manufatura avançada no Escritório de Política de Ciência e Tecnologia trabalhando sob o presidente Obama.

Sentamos com Kurfess para discutir o estado atual da usinagem multieixo – e para onde o futuro está indo.

Você pesquisou sobre a geração automática de percursos para máquinas de 5 eixos. Você poderia nos dar sua opinião sobre os desafios do passado, presente e futuro?

KURFESS: Cresci em uma pequena oficina mecânica; antigamente era NC, ou controle numérico. Avançando rapidamente para o futuro, estamos agora na era da usinagem de 5 eixos. Enquanto o fresamento de 2 ou 3 eixos é relativamente simples, com 5 eixos, as coisas estão oscilando em diferentes ângulos e às vezes pode ser difícil de programar. E com toda a honestidade, não melhoramos necessariamente nossas capacidades de programação desde a década de 1980 na máquina, e ainda temos uma tarefa muito complexa que requer um programador altamente treinado com uma quantidade significativa de experiência. Isso contrasta fortemente com a impressão 3D – que é percebida simplesmente como uma questão de baixar um arquivo e imprimir. Meus alunos costumavam perguntar:“Por que não imprimimos a peça em 3D?” Mas quando você entra em uma fábrica real que tem milhões de dólares em máquinas-ferramentas, você vai fazer uso dessas máquinas-ferramentas porque elas estão lá e não podem ser substituídas de maneira fácil ou barata. Portanto, a indústria ainda tem um longo caminho a percorrer. Além disso, a manufatura aditiva normalmente produz peças plásticas. Você pode fazer estruturas de metal, mas há limitações. Uma de nossas tecnologias de habilitação para programação avançada de máquinas-ferramenta é a unidade de processamento gráfico, ou GPU.

Você poderia detalhar um pouco mais as GPUs?

KURFESS:Eu Se você comprar um computador com placa gráfica, ele terá uma GPU. Embora os jogos sejam o principal mercado, usamos essa capacidade para gerar nossas trajetórias de usinagem de 5 eixos... A GPU é como um pequeno supercomputador e nos oferece interfaces de programação semelhantes a jogos, tirando uma carga cognitiva significativa do programador humano. Com os recursos de supercomputação da GPU, podemos analisar todas as diferentes perspectivas disponíveis e uma ampla variedade de cenários que nem mesmo o programador experiente teria tempo de considerar. O código G nos levou longe, mas é limitante e essa tecnologia vai nos levar rapidamente muito além de qualquer coisa que vemos hoje.

Onde você vê o futuro da usinagem multieixo e da usinagem em geral?

KURFESS: Eu prevejo algumas coisas em particular. Primeiro, avançaremos para tornar as máquinas-ferramenta mais fáceis de programar. Em segundo lugar, embora muitas pessoas digam que seremos totalmente automatizados, não acredito necessariamente nisso. Há uma ótima analogia de lava-louças que alguém trouxe para mim. Na minha vida, não acredito que você verá sua máquina de lavar louça descarregar automaticamente porque há experiência e complexidade no carregamento e descarregamento. A mesma coisa vale para as máquinas – precisamos tornar as máquinas mais fáceis de usar, ajudando o programador a fazer escolhas como qual ferramenta usar e quais orientações programar em modos contínuos de 5 eixos completos. Finalmente, vejo um movimento em direção a interfaces de usuário mais gráficas semelhantes ao que você experimentaria em um sistema de jogo. Essas interfaces podem ajudar a torná-lo mais produtivo e, convenhamos, a força de trabalho atual, como meus filhos, é muito hábil em usar essas interfaces de jogos.

Existem aspectos dessas máquinas que estão sendo subutilizados hoje? Qual é o seu conselho para tirar o máximo proveito dessas máquinas?

KURFESS: É uma questão de utilizar máquinas de ponta ao máximo – e o grande problema é o treinamento. Trabalhamos em estreita colaboração com faculdades comunitárias e faculdades técnicas próximas, e é difícil e caro para eles fornecer treinamento em nível de associado para essas máquinas-ferramentas complicadas. Ter uma máquina-ferramenta de $ 500.000 em um laboratório de ensino tem um custo bastante proibitivo, mas o treinamento é fundamental, especialmente com usinagem multieixo. Também é difícil para as empresas treinar indivíduos, pois uma vez que alguém se torna bom nisso, é difícil mantê-los por perto. Simplificando, eles estão em alta demanda.

Você fez pesquisas para desenvolver algoritmos que beneficiariam a geração automática de percursos. Conte-nos sobre essa pesquisa e os desafios que você estava tentando superar lá. Qual foi o resultado? Onde você vê a geração automática de caminhos da ferramenta hoje e para onde você acha que ela está indo?

KURFESS: Em relação à geração de percursos, ao invés de pixels, trabalhamos em voxels. É um pixel 3D onde pegamos um design e o voxelizamos. Fazemos processamento volumétrico digital, que é um formato natural para a GPU. Retiramos o design da peça que está em um modelo CAD e o voxelizamos para que possamos processá-lo na GPU. Essa abordagem se presta bem à usinagem de peças e às máquinas híbridas, que combinam aditivos em máquinas-ferramenta (fabricação aditiva e subtrativa). As empresas estão começando a usar voxels cada vez mais com problemas de ponta. Lenta mas seguramente, os voxels estão chegando a uma variedade de produtos. Na Georgia Tech, nosso curso de construção de projeto do segundo ano, tivemos alunos projetando peças torneadas com ferramentas baseadas em voxel usando plataformas de computação de alto desempenho baseadas em nuvem e eles adoraram. Os sistemas que eles usam são ordens de magnitude mais rápidos do que qualquer coisa lá fora; assim, eles estão recebendo feedback em tempo real sobre se sua peça pode ser produzida no torno com o pacote de ferramentas instalado no momento, enquanto estão no processo de desenho da peça.

Você também trabalhou em pesquisas sobre quantificação de desgaste de ferramentas em geometrias complexas. Conte-nos sobre essa pesquisa e o que você descobriu.

KURFESS: Estamos trabalhando bastante nessa área, mas deixe-me falar sobre nossa maior vitória:estávamos fazendo a usinagem de uma superliga à base de níquel muito avançada que era terrível de usinar. Foi difícil atingir nossa geometria alvo, mas também estávamos preocupados em não danificar a estrutura de grãos da peça. Ao usinar, você pode causar danos térmicos à superfície (rachaduras, danos no subsolo, etc.). Isso decorre de problemas relacionados ao calor, pois o calor causa mais danos. Nesse caso, recebemos novas pastilhas de cerâmica para experimentar e elas nos deram velocidades absurdamente altas – tanto que tivemos que ir ao nosso parceiro de máquinas-ferramenta e perguntar se poderíamos trocar nossa máquina-ferramenta. Precisávamos de um fuso de velocidade muito maior. Como estávamos usando cerâmica, precisávamos evitar o uso de refrigeração para não induzir choque térmico nas pastilhas e quebrá-las. Apesar da velocidade, funcionou incrivelmente bem sem refrigerante. Na verdade, conseguimos usinar tão rápido que superamos a taxa de transferência de calor – isso significa que o calor não conseguiu entrar na peça. Então, depois que você terminasse de usinar, você sentiria a peça e era legal. Isso ajudou a minimizar os danos no subsolo. Eliminamos os danos térmicos à peça, operamos com taxas de remoção de material significativamente mais altas e não tínhamos cavacos carregados com refrigerante, tornando-os muito mais fáceis de reciclar.

Qual ​​é a sua opinião sobre a lacuna de habilidades de fabricação? Como você vê isso e como você acha que pode ser melhorado? Que medidas os fabricantes de todos os tamanhos devem adotar para ajudar a encontrar os talentos de que precisarão no futuro?

KURFESS: A lacuna de habilidades é real. As crianças hoje em dia não gostam de programar código G como estávamos há 20 ou 30 anos. Claro, nosso videogame mais avançado foi o Pong, e furamos fita de papel! Nossa força de trabalho de última geração é mais orientada graficamente e possui um conjunto de habilidades diferente. Portanto, mudar para interfaces mais gráficas ajuda a realmente envolver essa próxima geração. Muitas pessoas acham que para ser um maquinista ou um engenheiro você tem que ser um super gênio da matemática. A realidade é que você não precisa ser um gênio... você tem que ser bom e gostar disso. Além disso, atuo como presidente da SME e vejo como os produtos de treinamento de última geração para operações, como Tooling U-SME, estão realmente engajando a força de trabalho da próxima geração e da geração atual em termos de treinamento e desenvolvimento técnico. As abordagens que estão sendo empregadas são de última geração, envolventes e muito eficazes. Além disso, este treinamento está começando a se tornar direcionado e personalizado. Estamos entrando no reino em que a máquina saberá se você está devidamente treinado e recomendará treinamento para melhorar a maneira como você opera e utiliza a máquina. Além disso, não estamos longe de uma máquina de 3 eixos recomendando que você seja treinado e promovido para uma máquina de 5 eixos com base em seu desempenho na máquina de 3 eixos.

Que papel você acredita que os fabricantes precisam desempenhar para ajudar a diminuir a lacuna de habilidades?

KURFESS: É sobre aprendizagem ao longo da vida. Você precisa ter uma mudança de cultura de modo que tanto a força de trabalho quanto os empregadores entendam que o treinamento contínuo e vitalício é o caminho para uma operação mais lucrativa e uma carreira longa, segura e bem-sucedida. Você tem que colocar todos no modo que o treinamento contínuo é uma coisa boa. Sejamos realistas, se você não aprendeu nada em 30 anos, você será um dinossauro tecnológico, e sabemos o que aconteceu com os dinossauros! Manter as habilidades atualizadas é fundamental para se manter relevante.

Sua experiência também mostra que você passou algum tempo trabalhando no setor automotivo. Você pode nos contar sobre isso, o trabalho que você fez e onde você vê essa indústria hoje – e para o futuro?

KURFESS: Estive na Georgia Tech de 1994 a 2005. Em 2005 iniciei o programa acadêmico e de pesquisa na Clemson University – International Center for Automotive Research. Em geral, a produção de peças simples com usinagem de 2 e 3 eixos foi relativamente simples. No entanto, quando se tratava de peças de 5 eixos, estávamos realmente fazendo a diferença. Mais uma vez, o trabalho de ponta e mais complexo era onde os indivíduos altamente treinados realmente brilhavam e onde ganhavam ótimos salários!

Existem outras inovações específicas do setor vertical que você acompanha de perto? Quais inovações de fabricação você vê com a capacidade de cruzar e causar impacto hoje e no futuro próximo? O que os fabricantes realmente devem prestar atenção?

KURFESS: Quando eu era o ponto técnico do presidente Obama para fabricação avançada no Escritório de Política de Ciência e Tecnologia, ganhei uma ótima perspectiva das coisas. Em ambas as partes, a fabricação é crítica. Eu estava testemunhando em um subcomitê algumas semanas atrás, onde destacamos a importância da internet das coisas para os fabricantes. Estamos vendo máquinas extraindo muitas informações sobre o produto e o processo. Isso ajuda não apenas a criar um produto muito melhor e um processo eficiente, mas também a melhorar as oportunidades de trabalho e a competitividade de nossa força de trabalho moderna. Todos os representantes desse subcomitê entendiam isso e apoiavam o avanço desse tipo de tecnologia e capacidade.

Em termos de automação, você acredita que os avanços na tecnologia podem realmente ajudar a preencher a lacuna de habilidades com menos trabalhadores necessários?

KURFESS: Com o aumento da automação, precisaremos de menos pessoas com um conjunto de habilidades mais alto. Quando os funcionários estiverem fazendo programação de eixos de ponta, as empresas conseguirão. Eles perceberão que essas máquinas são melhores e comprarão mais delas – e, finalmente, precisarão de mais pessoas. É verdade que ainda precisaremos de seres humanos no centro do trabalho, pois as pessoas farão toda a programação. Seja para a força de trabalho em geral ou para os indivíduos, é uma questão de aprendizado ao longo da vida e entender que essas máquinas levarão alguém ao próximo nível de capacidade. Assim, os empregos de baixa qualificação desaparecerão, mas veremos uma expansão significativa em empregos de alta qualificação que têm taxas salariais muito mais altas!

Finalmente, vamos discutir a usinagem de alto desempenho por um momento. Há algum desenvolvimento novo e inovador nessa área?

KURFESS: É tudo sobre o controlador. Facilidade de uso, conectividade... reunir todas as informações – esse é o futuro. Ele supera aquele controlador CNC dos anos 80 que ainda se parece com o meu primeiro PC!

Sua loja adotou a usinagem de 5 eixos? Quais desafios você enfrenta – e você estaria aberto a programar máquinas com geradores automáticos de percurso? Deixe-nos saber na seção de comentários abaixo.