Professor Thomas Kurfess, da Georgia Tech, Revela o Futuro da Usinagem CNC de 5 Eixos

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

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

E a inovação está apenas começando a se expandir, descobre Dr. Thomas Kurfess, professor e Chair Distinguido HUSCO/Ramirez em Potência de Fluido e Controle de Movimento no ‎Instituto de Tecnologia da Geórgia. Seu trabalho foca no design e desenvolvimento de sistemas avançados de manufatura visando produção e otimização de produtos complexos.

Ele pesquisou algoritmos para máquinas de 5 eixos que permitem geração automática de trajetórias de ferramenta — uma capacidade que pode aumentar dramaticamente a produtividade reduzindo a quantidade de interação do usuário e tempo de preparação para trajetórias de ferramenta. Kurfess também trabalhou em pesquisas que destacam as inadequações de quantificar desgaste de ferramenta em geometrias avançadas de ferramentas — e ele oficialmente trabalhou para a Casa Branca. De 2012 a 2013, serviu como diretor assistente para 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 fez pesquisa sobre geração automática de trajetórias de ferramenta para máquinas de 5 eixos. Poderia nos dar sua visão sobre os desafios do passado, presente e futuro?

KURFESS: Cresci em uma pequena oficina de máquinas; antigamente era CN, ou controle numérico. Avançando para o futuro, estamos agora na era da usinagem de 5 eixos. Enquanto fresamento de 2 ou 3 eixos é relativamente simples, com 5 eixos, as coisas estão girando em ângulos diferentes e às vezes pode ser difícil programar. E, honestamente, não necessariamente melhoramos nossas capacidades de programação desde os anos 1980 na máquina, e ainda temos uma tarefa muito complexa exigindo um programador altamente treinado com uma quantidade significativa de experiência. Isso contrasta fortemente com impressão 3D — que é percebida como simplesmente baixar um arquivo e imprimir. Meus alunos frequentemente perguntavam, "Por que não apenas imprimimos a peça em 3D?" Mas quando você entra em uma fábrica real que tem milhões de dólares em máquinas-ferramenta, você vai usar essas máquinas-ferramenta porque elas estão lá e não podem ser facilmente ou baratamente substituídas. Então a indústria ainda tem alguma distância a percorrer. Além disso, manufatura aditiva tipicamente faz peças de plástico. Você pode fazer estruturas de metal, mas há limitações. Uma de nossas tecnologias habilitadoras para programação avançada de máquinas-ferramenta é a unidade de processamento gráfico, ou GPU.

Poderia entrar em mais detalhes sobre GPUs?

KURFESS: Se você comprar um computador com uma placa gráfica, ele terá uma GPU. Enquanto jogos é o mercado primário, usamos essa capacidade para gerar nossas trajetórias de usinagem de 5 eixos ... A GPU é como um pequeno supercomputador e nos dá interfaces de programação como jogos, tirando uma carga cognitiva significativa do programador humano. Com capacidades de supercomputação da GPU, podemos olhar para todas as diferentes perspectivas lá fora e uma ampla variedade de cenários que até o programador especialista não teria tempo para considerar. G-code nos levou longe, mas é limitante e esta tecnologia vai nos mover rapidamente bem além de qualquer coisa que vemos hoje.

Para onde você vê o futuro da usinagem multieixo e usinagem em geral indo?

KURFESS: Prevejo algumas coisas em particular. Primeiro, vamos nos mover para tornar máquinas-ferramenta mais fáceis de programar. Segundo, enquanto muitas pessoas dizem que seremos totalmente automatizados, eu não necessariamente acredito nisso. Há uma grande analogia de lava-louças que alguém trouxe para mim. Na minha vida, não acredito que você verá seu lava-louças descarregar automaticamente porque há expertise e complexidade que entra no carregamento e descarregamento. A mesma coisa vale para 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 uma mudança para interfaces de usuário gráficas similares ao que você experimentaria em um sistema de jogos. Essas interfaces podem ajudar a tornar você mais produtivo, e vamos encarar, a força de trabalho atual, como meus filhos, são muito hábeis em usar essas interfaces de jogos.

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

KURFESS: É uma questão de utilizar máquinas de ponta ao máximo — e o grande problema lá é treinamento. Trabalhamos de perto com faculdades comunitárias e técnicas próximas, e é difícil e caro para elas fornecer treinamento no nível de associado para essas máquinas-ferramentas complicadas. Ter uma máquina-ferramenta de $500.000 em um laboratório de ensino é bastante proibitivo em custo, mas o treinamento é crítico, especialmente com usinagem multieixo. Também é difícil para empresas treinar indivíduos, pois uma vez que alguém se torna bom nisso, mantê-los por perto é difícil. Simplificando, eles estão em alta demanda.

Você fez pesquisa para desenvolver algoritmos que beneficiariam a geração automática de trajetórias de ferramenta. 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 trajetórias de ferramenta hoje, e para onde você acha que ela está indo?

KURFESS: Em relação à geração de trajetórias de ferramenta, em vez 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. Pegamos o design da peça que está em um modelo CAD e voxelizamos para que possamos processá-lo na GPU. Esta abordagem se adapta bem a usinar peças e a máquinas híbridas, que combinam aditivo em máquinas-ferramenta (manufatura aditiva e subtrativa). Empresas estão começando a usar voxels cada vez mais com problemas de ponta. Lenta mas seguramente, voxels estão descendo para uma variedade de produtos. Na Georgia Tech, nosso curso de design e construção de 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; então, eles estão recebendo feedback em tempo real se sua peça é produzível no torno com o pacote de ferramentas atualmente instalado, enquanto estão no processo de desenhar a peça.

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

KURFESS: Estamos fazendo bastante trabalho nesta área, mas deixe-me contar sobre nossa maior vitória: Estávamos usinando uma superliga à base de níquel muito avançada que era terrível de usinar. Era difícil alcançar nossa geometria alvo, mas também estávamos preocupados em não danificar a estrutura de grão da peça. Conforme você usina, pode fazer dano térmico à superfície (trincas, dano subsuperficial, etc.). Isso surge de questões relacionadas ao calor, pois o calor causa o maior dano. Neste caso, fomos dados novos insertos cerâmicos para tentar e eles nos deram velocidades que eram loucamente altas — tanto que tivemos que ir ao nosso parceiro de máquina-ferramenta e perguntar se poderíamos trocar nossa máquina-ferramenta. Precisávamos de um fuso de velocidade muito mais alta. Como estávamos usando cerâmicas, precisávamos evitar usar refrigerante para não induzir choque térmico nos insertos e quebrá-los. Apesar da velocidade, funcionou sem refrigerante incrivelmente bem. Na verdade, conseguimos usinar tão rápido que batemos a taxa de transferência de calor — isso significa que o calor não pôde entrar na peça. Então, depois que você terminava de usinar, você sentia a peça e ela estava fria. Isso ajudou a minimizar o dano subsuperficial. Eliminamos dano térmico à peça, rodamos em taxas de remoção de material significativamente mais altas, e não tivemos cavacos carregados de refrigerante, tornando-os muito mais fáceis de reciclar.

Quais são seus pensamentos sobre a lacuna de habilidades na manufatura? Como você a vê e como acha que pode ser melhorada? Que medidas fabricantes de todos os tamanhos devem tomar para ajudar a encontrar o talento que precisarão para o futuro?

KURFESS: A lacuna de habilidades é real. Crianças hoje em dia não estão programando G-code como éramos 20 ou 30 anos atrás. Claro, nosso videogame mais avançado era Pong, e nós perfurávamos fita de papel! Nossa força de trabalho de próxima geração é mais orientada graficamente e possui um conjunto de habilidades diferente. Então, mover para interfaces mais gráficas ajuda a realmente engajar esta próxima geração. Muitas pessoas sentem que para ser um maquinista ou engenheiro você tem que ser um gênio da matemática. A realidade é que você não precisa ser um gênio ... você tem que ser bom e gostar. Além disso, sirvo como presidente da SME e vejo como os produtos de treinamento de próxima geração para operações como Tooling U-SME estão realmente engajando força de trabalho de próxima geração e atual em termos de treinamento e desenvolvimento técnico. As abordagens empregadas são de ponta, envolventes e muito eficazes. Além disso, este treinamento está começando a se tornar direcionado e personalizado. Estamos entrando no reino onde a máquina saberá se você está devidamente treinado e recomendará treinamento para você melhorar a forma como roda e utiliza a máquina. Além disso, não estamos longe de uma máquina de 3 eixos recomendar que você seja treinado e promovido para uma máquina de 5 eixos baseado no seu desempenho na máquina de 3 eixos.

Qual papel você acredita que fabricantes precisam desempenhar em ajudar a reduzir a lacuna de habilidades?

KURFESS: É sobre aprendizado ao longo da vida. Você tem que ter uma mudança de cultura tal que tanto a força de trabalho quanto empregadores entendam que treinamento contínuo e ao longo da vida são o caminho para uma operação mais rentável e uma carreira longa, segura e bem-sucedida. Você tem que colocar todos no modo de que 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 habilidades atualizadas é crítico para permanecer relevante.

Seu histórico também mostra que você passou tempo trabalhando no setor automotivo. Pode nos contar sobre isso, o trabalho que fez e onde 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 no Centro Internacional de Pesquisa Automotiva da Universidade Clemson. Em geral, produzir peças simples com usinagem de 2 e 3 eixos era relativamente simples. No entanto, quando se tratava de peças de 5 eixos, realmente estávamos fazendo a diferença. Novamente, o trabalho de ponta e mais complexo era onde indivíduos altamente treinados realmente brilhavam, e onde faziam ótimos salários!

Existem outras inovações verticais específicas da indústria que você mantém seu olho de perto? Quais inovações de manufatura você vê tendo a capacidade de cruzar e causar impacto hoje e no futuro próximo? No que fabricantes realmente deveriam prestar atenção?

KURFESS: Quando eu era o ponto técnico do Presidente Obama para manufatura avançada no Escritório de Política de Ciência e Tecnologia, ganhei uma grande perspectiva sobre as coisas. Em ambos os partidos, manufatura é crítica. Estava testemunhando a um subcomitê algumas semanas atrás onde destacamos a importância da internet das coisas para fabricantes. Estamos vendo máquinas extraindo uma grande quantidade de informação sobre o produto e o processo. Isso ajuda a não apenas fazer um produto muito melhor e um processo eficiente, mas a melhorar oportunidades de emprego e a competitividade de nossa força de trabalho moderna. Todo representante naquele subcomitê entendeu isso e foi favorável a avançar este tipo de tecnologia e capacidade.

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

KURFESS: Com automação aumentada, precisaremos de menos pessoas em um conjunto de habilidades mais alto. Uma vez que funcionários estão fazendo programação de eixos de ponta, empresas vão entender. Eles perceberão que estas máquinas são melhores e vão comprar mais delas — e, em última análise, precisarão de mais pessoas. Admitidamente, ainda precisaremos de seres humanos no centro do trabalho, pois pessoas farão toda a programação. Seja para a força de trabalho em geral ou para indivíduos, é uma questão de aprendizado ao longo da vida e entender que estas máquinas levarão alguém ao próximo nível de capacidade. Então, empregos de menor habilidade vão embora, mas veremos uma expansão significativa em empregos de maior habilidade que têm taxas de pagamento muito mais altas!

Finalmente, vamos discutir usinagem de alto desempenho por um momento. Existem novos desenvolvimentos inovadores nessa área?

KURFESS: Tudo se resume ao controlador. Facilidade de uso, conectividade ... juntar toda a informação — esse é o futuro. Bate de longe aquele controlador CNC dos anos 80 que ainda parece meu primeiro PC!

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