Интервью с профессором Яном Кэмпбелл: пионер дизайна для аддитивного производства в Лоугбороском университете

Профессор Ян Кэмпбелл — ведущий исследователь в Лоугбороском университете, где программа Design for Additive Manufacturing (DAM) переопределяет, как сложные детали конципируются и производятся. С более чем сорока рецензируемых публикаций, он служит редактором Rapid Prototyping Journal и консультантом Wohlers Associates с 2014 года.

В этом интервью мы исследуем эволюцию аддитивного производства (AM), роль автоматизации и обещание массовой кастомизации и гибридного производства.

Q: Как вы впервые вовлечились в AM?

Я начал свой путь во время магистерской программы в Уорвикском университете в 1993 году, когда стереолитография была еще зарождающейся технологией. Переезд в Ноттингемский университет позже того года дал мне доступ к стереолитографическому станку кампуса, и я сфокусировал свой PhD на отношениях между дизайном и быстрым прототипированием.

Моя премонация была в том, что быстрое прототипирование эволюционирует в полноценный производственный процесс — видение, которое немногие могли вообразить в 1990-х. Если бы это было правдой, дизайнерам пришлось бы учиться проектировать специально для него. Это стало ядром моего докторского исследования.

Q: Иронично, сегодня дизайн для аддитивного производства — огромная тема для обсуждения. Где мы с этим, и какой прогресс нужен?

Прогресс неравномерен. Отдельные компании, особенно в авиакосмике, уже используют сильные стороны AM для облегчения, сложных внутренних геометрий и топологической оптимизации. Однако многие дизайнеры все еще не имеют глубокого понимания возможностей AM и не имели возможности переосмыслить свои рабочие процессы вокруг него.

Существует заметный пробел в знаниях по дизайну по сообществу. Новые выпускники теперь получают образование, включающее AM, но опытные профессионалы часто нуждаются в экспозиции к технологии для разблокировки ее выгод.

Этот пробел — ключевой фокус новой магистерской программы, которую мы недавно запустили, которая оснащает студентов как теоретическими знаниями, так и практическим опытом.

Q: Где вы видите дизайн для AM через пять лет?

Через пять лет я предвижу более широкое признание AM как жизнеспособного производственного маршрута, побуждающее массовое принятие принципов дизайн-для-AM — особенно среди следующего поколения дизайнеров, которые будут обучаться технологии с первого дня.

Мы также ожидаем всплеск дизайн-автоматизации. Инструменты вроде топологической оптимизации уже существуют, и الناشющий софт может автоматически генерировать решетчатые структуры, устраняя бутылочное горлышко ручного создания геометрии. Богатая экосистема инструментов автоматизации будет необходима для полной эксплуатации потенциала AM.

В конечном счете, комплексный набор автоматизированных дизайнерских инструментов оптимизирует весь рабочий процесс, от концепции до готовой детали.

Q: Автоматизация — ключевой тренд в AM прямо сейчас. Как вы видите эволюцию автоматизации для AM?

Текущие AM-процессы все еще сильно полагаются на ручной труд. Автоматизация может оптимизировать размещение детали, предсказывать время сборки и симулировать шероховатость поверхности на основе ориентации. Будущие системы будут иметь замкнутую обратную связь, автоматически корректируя параметры для улучшения качества в середине сборки.

Недавний софт позволяет дизайнерам вводить критические ограничения — контактные точки, силовые нагрузки — и иметь CAD-систему автономно растущую геометрию, дополняя традиционную топологическую оптимизацию, удаляющую материал.

Существует существенная возможность расширить автоматизацию по всей цепочке создания стоимости, от идеации до постобработки.

Q: Вы сейчас ведете исследовательский проект по кастомизации для автомобильной отрасли. Можете рассказать больше?

Проект партнерится с румынскими поставщиками для исследования кастомизированных компонентов для автомобильных приложений. Пилотные исследования рассматривают функциональную кастомизацию — такую как настройка подвески для стилей вождения — и эстетическую кастомизацию, вроде эргономических ручек или контуров панели приборов.

Q: чего вы надеетесь достичь от пилотных исследований?

Наша цель — разработать инструментарии масс-кастомизации, позволяющие производителям создавать стандартную деталь и затем позволять конечным пользователям настраивать параметры, результатом чего становится ко-креированный продукт. Мы исследуем дизайн интерфейса, пределы параметров и воспринимаемую потребителями добавленную ценность.

Мы стремимся сдвинуть дизайн-процесс так, чтобы производитель поставлял базовый или незаконченный дизайн, а клиент финализировал его — подход, способствующий вовлеченности пользователя и владению продуктом.

Q: Видите ли вы эту форму «ко-креации» как что-то, что станет более обычной в 3D-печати в будущем?

Ко-креация уже присутствует в ограниченных формах — например, опции кастомизации продукта Mini. Однако полностью кастомизируемые функциональные детали все еще редки, в значительной степени потому, что производители должны обеспечивать безопасность, функциональность и стоимоэффективность. Непрерывные исследования нужны для преодоления этого разрыва.

В секторах вроде автомобильной, позволяя пользователям менять форму детали, требует строгой валидации. Некоторые компании открыты к ограниченной вариации, в то время как другие могут ограничить кастомизацию полностью.

Кастомизируемая эргономика — такой как ручка фена, адаптированная под размер руки — может углубить эмоциональную привязанность и поощрять более длительные жизненные циклы продукта, выстраиваясь в линию с целями устойчивого дизайна.

Q: Лоугбороский университет пионерствует в так называемом «гибридном и мультисистемном AM». Можете объяснить, что это значит?

Гибридное производство сливает аддитивные и вычитающие процессы в единой машине. В Лоугборо мы исследуем как металлические, так и полимерные системы.

Q: Как этот гибридный подход производства работает для металлических систем?

Компании вроде Matsuura и DMG Mori теперь предлагают машины, которые могут добавлять материал через депонирование и затем переключаться на ЧПУ-фрезерные инструменты для отделки. Этот цикл может повторяться по необходимости, позволяя точные внутренние и внешние поверхности без дополнительных шагов механической обработки.

Гибридное металлическое AM поддерживает one-stop производство: CAD-файл загружается в единственную машину, доставляющую готовую деталь. Для авиакосмики это переводится в меньше компонентов, ниже сборочные затраты и экономию веса, снижающую расход топлива.

Q: Гибридный производственный процесс для полимеров довольно отличается тогда?

Принцип тот же — депонирование с последующей обработкой — но полимерные процессы работают при более низких температурах. Наша цель — объединить геометрическую свободу с высокой точностью и стоимоэффективностью для повседневных продуктов.

Q: Какие другие исследовательские проекты на горизонте в Лоугбороском университете?

Мы расширяемся в аддитивное производство композитных материалов, контролируя ориентацию волокон для усиления прочности, жесткости и веса. Эта инициатива включает несколько международных партнеров.

Q: Можете рассказать немного больше о новой магистерской программе в Лоугбороском университете?

Одногодичная, трехсеместровая программа Design for Additive Manufacture погружает студентов в основы AM, передовые CAD-инструменты и практические проекты. Курс включает топологическую оптимизацию, воксельное моделирование и капитальный проект, перепроектирующий или создающий продукт с нуля.

Q: Наконец, какой следующий тренд в AM вас больше всего волнует?

Одно захватывающее развитие — масштаб AM-машин. По мере роста объемов сборки за пределы полуметрового куба, мы свидетельствуем приложения от архитектурных фасадов до крупных авиационных компонентов. Эта масштабируемость разблокирует новые дизайнерские возможности.

Метаматериалы — материалы, спроектированные для демонстрации свойств, не найденных в природе — другая граница. Используя сложные геометрии, мы можем создавать оксетические структуры, расширяющиеся боково при сжатии, или проектировать детали, предсказуемо реагирующие на термические градиенты. 4D-печать, где изменение формы движимо стимулами вроде тепла, может позволить адаптивные компоненты для космоса или потребительских продуктов.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше об Исследовательской группе аддитивного производства (AMRG) в Лоугбороском университете. Посмотрите наше недавнее интервью с доктором Ричардом Басвеллом из Лоугбороского университета.