Интервью:профессор Ян Кэмпбелл из Университета Лафборо

Профессор Ян Кэмпбелл - профессор Университета Лафборо, который является пионером в области дизайна для исследований в области аддитивного производства. Обладая обширным опытом в области проектирования, профессор Кэмпбелл опубликовал более сорока статей в академических журналах, является редактором журнала Rapid Prototyping Journal и с 2014 года является младшим консультантом Wohlers Associates.

Мы были рады встретиться с профессором Кэмпбеллом и обсудить важность дизайна для аддитивного производства, роль автоматизации в AM и то, как массовая настройка и гибридное производство могут трансформировать отрасли.

В:Как вы впервые попали в AM?

Я получил степень магистра в Уорикском университете в 1993 году, когда я впервые узнал о стереолитографии, но только когда я переехал в Ноттингемский университет позже в том же году, у меня был доступ к университетской стереолитографической машине, и я начал исследования в своей докторской степени. , в котором основное внимание уделялось связи между дизайном и, как мы тогда называли, быстрым прототипированием.

<цитата>

В то время я исходил из того, что быстрое создание прототипов станет производственным процессом, о котором люди не могли даже мечтать в 1990-е годы. Но я это сделал и подумал, что если быстрое прототипирование превратится в производственный процесс, нам придется научиться проектировать для этого. Именно на этом и сосредоточилась моя докторская степень.

В:По иронии судьбы, сегодня дизайн для аддитивного производства - это огромная тема для разговоров. Где мы с этим находимся и какой прогресс необходимо достичь?

Я думаю, что на данный момент это немного случайно. В некоторых компаниях, безусловно, есть свои экспертные знания, и некоторые дизайнеры действительно понимают возможности аддитивного производства с точки зрения облегчения, сложной внутренней структуры или использования оптимизации топологии и т. Д. - и это особенно касается аэрокосмических компаний.

<цитата>

Но, сказав это, в целом, я думаю, что в нашем дизайнерском сообществе есть небольшой пробел в знаниях, поскольку многие дизайнеры, возможно, недостаточно хорошо разбираются в аддитивном производстве или не имеют возможности подумать о как это может изменить их дизайн.

Это может измениться с приходом в университет нового поколения дизайнеров, которые теперь получают такое образование. Но дизайнеры, которые практиковали какое-то время, если им не приходилось сталкиваться лицом к лицу с использованием аддитивного производства в качестве производственного процесса, они, вероятно, не задумывались о преимуществах, которые это может дать им. Так что я думаю, что определенно есть возможность продвинуть это вперед, и это одна из вещей, которых мы пытаемся достичь с помощью новой программы Masters, которую мы запустили.

В:Каким вы видите дизайн для AM через пять лет?

Во-первых, я считаю, что мы увидим больше людей, осознающих его потенциал как производственного процесса, и, следовательно, им придется научиться проектировать для него, особенно с новым поколением дизайнеров, многие из которых будут осведомлены об аддитивном производстве.

<цитата>

Еще одна вещь, которую я ожидаю, - это большая автоматизация проектирования и появление более специализированных инструментов, которые помогут дизайнерам делать некоторые умные вещи, необходимые для полного использования AM. Некоторые из этих инструментов уже существуют, например, топологическая оптимизация. И я знаю, что есть другое программное обеспечение, которое нацелено на автоматическую разработку внутренних решетчатых структур, так что нет необходимости, чтобы кто-то сидел и сам создавал их в САПР. Аддитивное производство может делать некоторые невероятные вещи с точки зрения создания сложной геометрии, но ожидать, что один человек или даже группа людей сядет и создаст такую ​​геометрию, создало бы настоящее узкое место, если бы все это делалось с использованием обычных инструментов.

В конечном счете, я думаю, что должен быть более широкий набор инструментов для автоматизации некоторых процессов, которым мы должны будем следовать.

В:Сейчас автоматизация - ключевая тенденция в AM. Каким вы видите развитие автоматизации для AM?

<цитата>

Прямо сейчас существует довольно много процессов, которые интенсивно используют человеческий труд внутри AM. Автоматизация может помочь по-разному - это может быть так же просто, как решить, где будут размещаться детали на платформе сборки с помощью программного обеспечения для автоматизации, или автоматически рассчитать время сборки. Мы могли бы даже автоматизировать моделирование отделки поверхности, которая будет создана в зависимости от используемой вами ориентации.

Я также могу представить себе использование автоматизации для выбора правильных параметров для работы машины, а не проб и ошибок с различными параметрами. В связи с этим в системах аддитивного производства будет больше циклов обратной связи, что также поможет нам улучшить качество во время сборки.

Что касается дизайна, то я недавно увидел интересное программное обеспечение, которое позволяет вам вводить жесткие точки проекта (точки, в которых ваш компонент должен соприкасаться с другими компонентами) в вашу систему САПР в дополнение к силам, которые будут на ваш компонент, так что геометрия автоматически увеличивается. Так что это не похоже на топологическую оптимизацию, которая отбирает материал - хотя это довольно интересно само по себе - на самом деле это связано с наращиванием детали с помощью автоматизированного программного обеспечения.

В целом, я считаю, что есть большие возможности для дальнейшей автоматизации на протяжении всей цепочки создания стоимости, от момента, когда мы получили представление о том, как будет выглядеть наш продукт, до получения готовых деталей со станка.

В:В настоящее время вы возглавляете исследовательский проект по настройке для автомобильной промышленности. Не могли бы вы рассказать мне больше?

Целью проекта является работа с нашими партнерами в Румынии для определения ряда областей исследований, одна из которых заключается в разработке и использовании индивидуальных деталей, которые будут использоваться рядом поставщиков автомобильных компонентов.

Мы провели несколько пилотных исследований, в ходе которых, по нашему мнению, дизайн и индивидуальная настройка могут помочь автомобильной промышленности, будь то в более функциональных частях, таких как настройка подвески для разных стилей вождения, или в более эстетичной части, когда вы настраиваете вещи. например, ручка на рычаге переключения передач, форма рулевого колеса или даже некоторые элементы управления, используемые на приборной панели. Это лишь некоторые из областей, на которые мы обращаем внимание.

В:Чего вы надеетесь достичь в результате экспериментальных исследований?

То, что мы хотели бы видеть в этих пилотных исследованиях - а мы уже начали некоторые работы по их разработке - это наборы инструментов для массовой настройки, в которых вы можете взять полностью стандартный продукт и настроить некоторые параметры, чтобы преобразовать его в индивидуальный продукт. Мы не единственные, кто это делает - одним из примеров является нервная система, которая в основном предназначена для ювелирных изделий, вы можете взять полностью стандартный дизайн, поэкспериментировать с различными параметрами, чтобы изменить форму, а затем распечатать свою собственную версию на 3D-принтере.

Мы изучали различные типы интерфейсов, которые люди любят использовать, количество параметров, с которыми они могут работать, изменяя свой дизайн, а также то, какую ценность можно добавить к продукту, если мы позволяем кому-то делать некоторые из настройка под себя.

<цитата>

В конечном итоге мы хотим перейти к этапу, на котором мы сможем найти лучший способ разработки набора инструментов для массовой настройки. Это начнется с того, что дизайнер сделает некоторую работу по созданию стандартного или даже незаконченного дизайна. Но затем мы предполагаем, что заказчик придет и доделает этот дизайн для себя. Таким образом, он становится формой совместно созданного дизайна, в который вносится вклад как от производителя или дизайн-центра, так и от конечного пользователя.

В:Считаете ли вы эту форму «совместного творчества» чем-то, что станет более обычным явлением в 3D-печати в будущем?

В определенной степени это уже происходит. Например, Mini уже позволяет выбирать продукты по индивидуальному заказу. Но с точки зрения фактического изменения формы продукта, что мы и изучаем, на этом фронте мало что происходит, особенно с функциональными продуктами.

<цитата>

А в таких отраслях, как автомобилестроение, вы должны быть уверены, что если вы позволите клиенту изменять форму, то продукт останется безопасным, функциональным и экономичным в производстве. В этом отношении необходимо провести гораздо больше исследований, прежде чем компании будут готовы позволить пользователям настраивать свои продукты - а в некоторых случаях некоторые компании могут никогда не разрешить пользователям настраивать свои проекты. Но мы разговаривали с другими компаниями, которые были бы готовы позволить своим конечным пользователям внести некоторую степень вариации.

Возьмем, к примеру, фен:настройка может быть такой же простой, как подгонка ручки фена к руке определенного размера. Вы даже можете создать свой стиль фена, который каким-то образом может иметь некоторые из ваших личных характеристик, встроенных в продукт. И это еще одна область исследования, которую мы изучаем - мы думаем, что если люди участвуют в такого рода совместном проектировании, у них может возникнуть эмоциональная привязанность к продукту. Это означает, что они могут быть готовы заплатить за это немного больше денег, а также продержать их немного дольше, чтобы мы не выбрасывали так много на свалку. Это еще один аспект нашего исследования в Loughborough - экологичный дизайн.

В:Университет Лафборо первым внедряет то, что он называет «гибридной и мультисистемной AM». Вы можете объяснить, что это значит?

Когда мы говорим о гибриде, мы имеем в виду интегрированную комбинацию аддитивного и субтрактивного производства в одной машине. В Loughborough мы изучаем как металлические системы, так и полимерные системы.

В:Как этот гибридный подход к производству работает для металлических систем?

Для металлических систем уже есть некоторые станки от таких компаний, как Matsuura и DMG Mori - они создали машины, которые добавляют некоторый материал в процессе осаждения, а затем меняют инструмент. Таким образом, вместо наплавочной головки вы используете фрезерный инструмент с ЧПУ, который удаляет часть материала, чтобы улучшить качество поверхности или повысить точность некоторых функций. Как только это будет сделано, вы можете еще раз сменить инструмент и вернуться к аддитивному процессу и добавить немного материала, чтобы покрыть область, над которой вы только что работали. И вы можете переключаться между ними так часто, как захотите.

Это означает, что вы можете получить всю геометрическую свободу аддитивного производства, но если вам действительно нужна более высокая точность или лучшая обработка поверхности (что часто имеет место для инженерных компонентов), это может быть достигнуто не только на внешней стороне. но даже на внутренних поверхностях, которые были бы недоступны, если бы вы построили все за один присест.

<цитата>

Мы думаем, что это откроет новые возможности для комплексного производства, когда у вас есть один станок, вы можете загрузить деталь САПР, и в итоге вы получите готовую деталь с этого станка без дополнительной обработки. Этот тип металлического гибридного производства будет очень полезен для высокотехнологичных компонентов, так как он позволит вам уменьшить количество компонентов, которые вам нужно вставить в вашу систему, тем самым сократив затраты на сборку и уменьшив количество необходимых материалов. Это особенно важно в аэрокосмической отрасли, потому что экономия даже пары килограммов может значительно снизить ваши расходы на топливо.

В:Значит ли это, что гибридный процесс производства полимеров сильно отличается?

На самом деле процесс будет очень похожим в том смысле, что он будет использовать наплавку с последующей механической обработкой. Разница в том, что для полимеров все происходит при гораздо более низкой температуре. Мы стремимся обеспечить большую геометрическую свободу и точность полимерных деталей AM при одновременном снижении затрат. Таким образом, если со стороны металла движущая сила больше связана с высокотехнологичными изделиями, то со стороны полимеров - с продуктами повседневного использования.

В:Какие еще исследовательские проекты ожидаются в университете Лафборо?

Ну, мы также изучаем аддитивное производство композитных материалов. Мы стремимся контролировать направление волокон в композитных деталях, чтобы сделать их более прочными, жесткими или легкими, а также получить другие технические преимущества. Это началось совсем недавно, и в нем участвует ряд международных партнеров.

В:Не могли бы вы рассказать нам немного больше о новой магистерской программе в Университете Лафборо?

Он называется «Дизайн для аддитивного производства» и длится год за три семестра. Мы знакомим студентов с тем, что такое аддитивное производство, и рассказываем о его особенностях и преимуществах.

Существует небольшой проект, посвященный тому, как мы можем перепроектировать аддитивное производство, за ним следует крупный проект, который включает в себя разработку продукта с нуля и его перепроектирование. Мы также рассмотрим некоторые инструменты автоматизированного проектирования более высокого уровня, которые хорошо подходят для аддитивного производства, такие как топологическая оптимизация, а также некоторые из различных доступных типов моделирования, таких как воксельное моделирование - так что другой способ работы внутри САПР.

В:И наконец, какая следующая тенденция в AM вас больше всего волнует?

<цитата>

Что действительно впечатляет, так это то, что машины становятся больше, а это означает, что спектр приложений растет. Когда-то, когда вы думали об аддитивном производстве, вы думали о деталях, которые умещаются в пределах полуметрового куба, но сейчас это меняется довольно быстро. Мы можем увидеть это в архитектурных приложениях аддитивного производства, где мы можем начать создавать такие вещи, как дома. Но, как правило, вы можете начать создавать несколько интересных структур внутри зданий. Мы также можем наблюдать это влияние в аэрокосмической сфере, где на этих больших машинах строятся крупные детали самолетов.

Еще одна тенденция, которая существует уже некоторое время, - это идея создания метаматериалов, с помощью которой вы можете заставить свой материал вести себя по-другому, играя с геометрией. Например, вы можете создать так называемую ауксетическую структуру, где обычно, когда мы нажимаем на деталь и сжимаем ее в одном направлении, она расширяется в других направлениях, например, когда вы сжимаете мяч в вертикальном направлении, он расширяется в горизонтальное направление. Но, используя аддитивное производство и очень умный дизайн, можно создавать структуры, в которых, если сжать их в вертикальном направлении, они будут сжиматься и в горизонтальном направлении. Это очень умное использование сложной геометрии.

Люди также обращают внимание на другие аспекты, например, на создание деталей, которые будут по-разному реагировать на температурные градиенты. Например, с помощью 4D-печати вы потенциально можете создать деталь, которая может изменять свою форму или расширяться после нагрева. Итак, если вы создадите что-то для отправки в космос в виде шара, как только на него попадет солнечный свет, он теоретически может открыться для какой-то антенны. Так что возможность заставить материалы действовать по-разному из-за сложной геометрии, которую вы собираете в части, действительно захватывающе - и означает, что мы имеем дело не просто с куском материала, а с умным материалом.

Нажмите здесь, чтобы узнать больше об исследовательской группе по аддитивному производству (AMRG) при университете Лафборо.

Посмотрите наше недавнее интервью с доктором Ричардом Басвеллом из Университета Лафборо.