インタビュー：ラフバラ大学のイアン・キャンベル教授

Ian Campbell教授は、ラフバラ大学の教授であり、積層造形研究の設計分野を開拓しています。キャンベル教授は、デザインエンジニアリングの幅広いバックグラウンドを持ち、40を超える学術雑誌の記事を発表し、ラピッドプロトタイピングジャーナルの編集者であり、2014年からWohlersAssociatesのアソシエイトコンサルタントを務めています。

キャンベル教授と一緒に座り、積層造形の設計の重要性、AMにおける自動化の役割、マスカスタマイゼーションとハイブリッド製造が業界をどのように変革できるかについて話し合うことができてうれしく思います。

Q：AMに最初に参加したきっかけは何ですか？

私がステレオリソグラフィーに最初に気付いたのは1993年にウォーリック大学で修士号を取得していましたが、その年の後半にノッティンガム大学に引っ越して初めて、大学のステレオリソグラフィー装置を利用できるようになり、博士号の研究を始めました。 、これは、設計と、当時私たちが呼んでいたラピッドプロトタイピングとの間のリンクに焦点を当てていました。

当時の私の前提は、ラピッドプロトタイピングが生産プロセスになるということでした。これは1990年代には人々が実際に想像することはできませんでした。しかし、私はそうしました。ラピッドプロトタイピングが生産プロセスに変わるのであれば、そのための設計方法を学ぶ必要があると思いました。そしてそれが私の博士号が焦点を当てたものです。

Q：皮肉なことに、今日の積層造形の設計は大きな論点です。それはどこにあり、どのような進歩を遂げる必要がありますか？

現時点では少し無計画だと思います。特定の企業には確かに専門知識があり、一部の設計者は、軽量化、複雑な内部構造、またはトポロジ最適化の使用などの観点から積層造形の可能性を実際に理解しています。これは特に航空宇宙企業の場合です。

しかし、全体として、私たちのデザインコミュニティには少し知識のギャップがあると思います。多くのデザイナーは、積層造形を十分に理解していないか、考える機会が与えられていません。それが彼らのデザインの仕方をどのように変えることができるか。

これは、現在その教育を受けている大学を卒業した新世代のデザイナーによって変わる可能性があります。しかし、しばらくの間練習している設計者にとって、製造プロセスとして積層造形を使用することに直接直面する必要がない限り、彼らはおそらくそれが彼らに与えることができる利点について考えていませんでした。ですから、それを前進させるチャンスは間違いなくあると思います。それは、私たちが立ち上げた新しい修士プログラムで達成しようとしていることの1つです。

Q：5年間のAMのデザインはどこにあると思いますか？

第一に、生産プロセスとしての可能性を認識する人が増えると思います。そのため、特に新世代のデザイナーと一緒に、そのための設計方法を学ぶ必要があります。その多くは、積層造形に気づいています。

私が期待しているもう1つのことは、設計の自動化が進んだことと、設計者がAMを最大限に活用するために必要な巧妙なことを実行できるようにするためのより専門的なツールの出現です。現在、これらのツールのいくつかは、たとえばトポロジー最適化のように、すでに存在しています。また、内部格子構造を自動的に開発することを目的としたソフトウェアが他にもあることを知っています。これにより、誰かが座ってCAD上でそれらを作成する必要がなくなります。アディティブマニュファクチャリングは、複雑なジオメトリを作成するという点で驚くべきことを行うことができますが、1人またはチームでさえ座ってそのようなジオメトリを作成することを期待すると、すべてが従来のツールを使用して行われた場合、本当のボトルネックが生じます。

最終的には、従う必要のあるプロセスの一部を自動化するために、より幅広いツールを利用できるようにする必要があると思います。

Q：現在、自動化はAMの重要なトレンドです。 AMの自動化はどのように進化していると思いますか？

現在、AM内で人間の労働力を集中的に利用するプロセスはかなりたくさんあります。自動化は多くの点で役立ちます。自動化ソフトウェアを使用してビルドプラットフォームのどこにパーツを配置するかを決定したり、ビルド時間を自動的に計算したりするのと同じくらい簡単です。使用する方向に応じて作成される表面仕上げのシミュレーションを自動化することもできます。

また、さまざまなパラメーターで試行錯誤するのではなく、自動化を使用してマシンを実行するための正しいパラメーターを選択することも想像できます。この点で、積層造形システム内により多くのフィードバックループがあり、ビルド中の品質も向上させるのに役立ちます。

また、設計に関する限り、最近、設計のハードポイント（コンポーネントが他のコンポーネントに接触する必要があるポイント）に加えて、設計のハードポイント（コンポーネントが他のコンポーネントに接触する必要があるポイント）を入力できる興味深いソフトウェアをいくつか見ました。ジオメトリが自動的に拡大されるように、コンポーネントに適用されます。したがって、マテリアルを取り除くトポロジ最適化とは異なります。それ自体は非常に興味深いものですが、実際には、自動化されたソフトウェアを使用してパーツを拡張する必要があります。

全体として、製品がどのように見えるかを理解してから、完成した部品を機械から取り出すまで、バリューチェーン全体でさらに自動化する余地は大きいと思います。

Q：あなたは現在、自動車業界向けのカスタマイズに関する研究プロジェクトを主導しています。もっと教えていただけますか？

このプロジェクトの目的は、ルーマニアのパートナーと協力して、多くの研究分野を特定することです。その1つは、多くの自動車部品サプライヤーが使用するカスタマイズ部品の設計と使用です。

さまざまな運転スタイルに合わせてサスペンションをカスタマイズするなど、より機能的な部品であろうと、物事をカスタマイズするより美的な側面であろうと、設計とカスタマイズが自動車業界に役立つと思われるパイロット調査をいくつか実施しました。ギアチェンジレバーのハンドル、ステアリングホイールの形状、ダッシュボードで使用されるいくつかの制御要素などです。これらは、私たちが注目している分野のほんの一部です。

Q：パイロットスタディから何を達成したいと思っていますか？

これらのパイロット研究から私たちが見たいのは、私たち自身ですでにいくつかの開発作業を開始していることです。マスカスタマイゼーションツールキットです。このツールキットでは、完全に標準的な製品を使用して、いくつかのパラメーターを調整して、次のように変換できます。カスタマイズされた製品。これを行うのは私たちだけではありません。その一例は、主にジュエリーを対象とした神経系です。完全に標準的なデザインを採用し、さまざまなパラメータを試して形状を変更してから、独自のバージョンを3Dプリントすることができます。

私たちは、人々が使用するのが好きなさまざまな種類のインターフェース、デザインを変えるという観点から処理できるパラメーターの数、そして誰かにいくつかのことを許可したときに製品にどれだけの価値を追加できるかについて研究してきました自分自身のためのカスタマイズ。

最終的には、マスカスタマイゼーションツールキットを設計するための最良の方法を見つけることができる段階に到達したいと考えています。これは、設計者が標準または未完成の設計を作成するためにいくつかの作業を行うことから始まります。しかし、その後、お客様がやって来て、その設計を自分で仕上げることを想定しています。つまり、それは共同作成されたデザインの形式になり、メーカーやデザインハウスからの入力だけでなく、エンドユーザーからの入力もあります。

Q：この形式の「共創」は、将来3Dプリントでより一般的になるものだと思いますか？

すでにある程度は起こっています。たとえば、Miniではすでにカスタマイズされた製品を選択できます。しかし、私たちが模索している製品の形を実際に変えるという点では、特に機能的な製品では、この面ではあまり起こっていません。

また、自動車などの業界では、顧客が形状を変更できるようにする場合でも、製品の安全性、機能性、経済性を確保する必要があります。ユーザーが製品をカスタマイズできるようにする前に、この点に関してさらに多くの調査を行う必要があります。場合によっては、ユーザーがデザインをカスタマイズすることを許可しない企業もあります。しかし、エンドユーザーがある程度のバリエーションを持ち込めるように準備している他の企業と話をしました。

ヘアドライヤーを例にとると、カスタマイズは、ヘアドライヤーのハンドルグリップを特定のサイズの手に合わせるのと同じくらい簡単です。あなたは、何らかの方法であなた自身の個人的な特徴のいくつかを製品に埋め込むことができるあなたのスタイルのヘアドライヤーを作ることさえできます。そして、それは私たちが調査しているもう1つの研究分野です。人々がこの種の共同設計に従事する場合、製品への感情的な愛着を築く可能性があると考えています。これは、彼らがそれに対してもう少しお金を払う準備ができていて、もう少し長くそれを保持する準備ができているかもしれないことを意味します。これは、ラフバラでの私たちの研究のもう1つの側面であり、持続可能なデザインです。

Q：ラフバラ大学は、「ハイブリッドおよびマルチシステムAM」と呼ばれるものを開拓しています。これが何を意味するのか説明できますか？

ハイブリッドについて話すときは、同じ機械内での加法製造と減法製造の統合された組み合わせを指します。ラフバラでは、金属システムとポリマーシステムの両方を検討しています。

Q：このハイブリッド製造アプローチは金属システムでどのように機能しますか？

金属システムについては、松浦やDMG森などの企業からすでにいくつかの機械が入手可能です — 彼らは、ある種の堆積プロセスを通じて材料を追加し、次に工具交換を行う機械を作成しました。そのため、蒸着ヘッドを使用する代わりに、CNCフライス盤を使用して、材料の一部を除去し、表面仕上げを改善したり、一部の機能の精度を向上させたりします。それが完了したら、別のツールの変更を行い、追加プロセスに戻って、作業したばかりの領域をカバーするためにいくつかの材料を追加することができます。そして、あなたは好きなだけ2つを切り替えることができます。

これが意味するのは、積層造形の幾何学的な自由をすべて得ることができるということですが、より高い精度またはより良い表面仕上げが必要な場合（エンジニアリングコンポーネントの場合によくあることです）、これは外装だけでなく達成できますしかし、一度にすべてを構築した場合にはアクセスできない内面でも。

これにより、1台の機械でCADパーツをダウンロードでき、それ以上の機械加工を必要とせずに、そのマシンから完成したパーツを完成させるという、ワンストップ生産の新しい可能性が開かれると考えています。このタイプの金属ハイブリッド製造は、システムに入れる必要のあるコンポーネントの数を減らし、組み立てコストを削減し、必要な材料の量を減らすことができるため、高度に設計されたコンポーネントに非常に役立ちます。これは、航空宇宙アプリケーションでは特に重要です。数キログラムを節約するだけでも、燃料費を大幅に削減できるからです。

Q：ポリマーのハイブリッド製造プロセスはそれとはまったく異なりますか？

プロセスは実際には非常に似ており、堆積とそれに続く機械加工を使用します。違いは、ポリマーの場合、すべてがはるかに低い温度で発生することです。ここで私たちが目指しているのは、コストを抑えながら、AMポリマー部品の幾何学的な自由度と精度を高めることです。したがって、金属側の推進力はハイエンドのエンジニアリング製品に関するものですが、ポリマー側の推進力は日常使用の製品に対するものです。

Q：ラフバラ大学で他にどのような研究プロジェクトが予定されていますか？

さて、私たちは複合材料のいくつかの積層造形も検討しています。ここで私たちが目指しているのは、複合部品内の繊維の方向性を制御して、繊維をより強く、より堅く、より軽くすること、またはその他の工学的利点にすることです。これは最近開始されたばかりで、多くの国際的なパートナーが関与しています。

Q：ラフバラ大学の新しい修士課程についてもう少し教えてください。

これは、添加剤製造の設計と呼ばれ、3学期で1年間実行されます。アディティブマニュファクチャリングとは何かを学生に説明し、その特異点と利点のいくつかを実行します。

アディティブマニュファクチャリングの再設計方法を検討するマイナープロジェクトがあり、続いて製品をゼロから設計して再設計するメジャープロジェクトがあります。また、トポロジー最適化などの積層造形に適した高レベルのコンピューター支援設計ツールのいくつかや、ボクセルモデリングなどの利用可能なさまざまなタイプのモデリングについても見ていきます。 CAD内でのさまざまな作業方法。

Q：最後に、あなたが最も興奮しているAMの次のトレンドは何ですか？

本当にエキサイティングなことの1つは、マシンが大きくなっていることです。これは、アプリケーションの範囲が拡大していることを意味します。アディティブマニュファクチャリングについて考えていたときは、0.5メートルの立方体に収まる部品を考えていましたが、現在は急速に変化しています。これは、住宅のようなものを作り始めることができる積層造形の建築用途で見ることができます。しかし、より一般的には、建物内に入るいくつかの興味深い構造を作成し始めることができます。航空宇宙でもこの影響が見られ、大型の航空機部品がこれらの大型機械に組み込まれています。

しばらく前から存在しているもう1つの傾向は、メタマテリアルを作成するというアイデアです。これにより、ジオメトリを操作することで、マテリアルの動作を変えることができます。たとえば、オーセティック構造と呼ばれるものを作成できます。通常、パーツを押して一方向に絞ると、他の方向に広がります。たとえば、ボールを垂直方向に絞ると、水平方向。しかし、積層造形といくつかの非常に巧妙な設計を使用して、垂直方向にそれらを絞ると、水平方向にも収縮する構造を作成することが可能です。これは、複雑なジオメトリの非常に巧妙な使用法です。

人々はまた、温度勾配に対して異なる反応を示す部品を作成するなど、他の側面も検討しています。たとえば、4D印刷では、加熱後に形状が変化したり、膨張したりする可能性のあるパーツを作成できます。したがって、ボールの中で宇宙に送るものを作成する場合、太陽の熱がそれに当たると、理論的にはある種のアンテナに開く可能性があります。したがって、パーツに構築している複雑なジオメトリのためにマテリアルの動作を変えることができるのは非常にエキサイティングです。つまり、マテリアルの塊だけでなく、スマートマテリアルも処理しているということです。

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