ジョージア工科大学Thomas Kurfess教授が語る5軸CNC加工の未来

ジョージア工科大学の加工専門家・研究者であるDr. Thomas Kurfess氏は、5軸機械の生産性を劇的に向上させる自動工具パス生成アルゴリズムを開発しました。ここではKurfess氏に、業界の最新進展と加工の行方について語ってもらいました。

数十年前、単次元加工は比較的単純なプロセスで、移動量、送り、速度を決めるだけでした。今日のCNC機器の能力はさらに進んでいます。5軸加工では、切削工具を5つの異なる軸に沿って同時に動かせるため、非常に複雑な部品と設計を作れます。

そしてイノベーションはまだ拡大し始めたばかりだと、ジョージア工科大学の教授兼HUSCO/Ramirez流体動力・運動制御特別講座保持者のDr. Thomas Kurfess氏は見つけました。彼の研究は、複雑な製品生産と最適化をターゲットにした先進製造システムの設計開発に焦点を当てています。

ユーザーインタラクションと工具パス準備時間を削減し、生産性を劇的に向上させる5軸機械向け自動工具パス生成アルゴリズムを研究してきました。また、先進工具形状における工具摩耗定量化の不十分さを浮き彫りにする研究にも取り組んできました。さらに、ホワイトハウスでの公務経験もあります。2012〜2013年、オバマ大統領の下で科学技術政策局の先進製造担当副局長を務めました。

Kurfess氏に、多軸加工の現状と未来について語ってもらいました。

5軸機械の自動工具パス生成について研究されています。過去、現在、未来の課題についてあなたの見解を聞かせてください。

KURFESS氏： 私は小さな機械加工ショップで育ちました。当時はNC、数値制御の時代でした。未来へ早送りすると、今は5軸加工の時代です。2軸や3軸フライスは比較的単純ですが、5軸では物事がさまざまな角度で動き回り、プログラミングが難しいことがあります。正直なところ、1980年代から機械上のプログラミング能力は必ずしも向上しておらず、依然として多くの経験を持つ高度に訓練されたプログラマーを必要とする非常に複雑なタスクです。これは、ファイルをダウンロードしてプリントするだけと認識されている3Dプリントと対照的です。私の学生はよく「なぜ3Dプリントで部品を作らないのか？」と尋ねます。しかし、数百万ドルの工作機械がある実際のプラントに入れば、それらの工作機械はそこにあり、簡単に、または安価には置き換えられないため、それらを活用することになります。したがって、業界にはまだ進むべき距離があります。さらに、アディティブ製造は通常プラスチック部品を作ります。金属で構造物を作ることもできますが、制約があります。先進工作機械プログラミングのためのイネーブリングテクノロジーの一つが、グラフィック処理ユニット、すなわちGPUです。

GPUについてもう少し詳しく教えていただけますか？

KURFESS氏： グラフィックボード付きコンピュータを買えば、GPUが搭載されています。ゲームが主要市場ですが、我々はその能力を5軸加工軌道生成に利用しています…GPUは小さなスーパーコンピュータのようで、ゲームのようなインターフェースでプログラミングができ、人間プログラマーの認知的負荷を大幅に軽減します。GPUのスーパーコンピューティング能力で、専門プログラマーが検討する時間のない幅広いシナリオや見込みをすべて見ることができます。Gコードはここまで私たちを導きましたが、限界があり、このテクノロジーは我々を今見えているものよりはるか彼方へ急速に進めるでしょう。

多軸加工と加工全般の未来をどう見ていますか？

KURFESS氏： いくつか具体的に予測します。第一に、工作機械をよりプログラミングしやすくする方向に進むでしょう。第二に、多くの人は完全自動化になると言いますが、私は必ずしもそうは思いません。誰かが食洗機の例えを出しました。私の人生で、食洗機が自動で食器を棚にしまうことはないでしょう。食器の出し入れには専門知識と複雑さが関わるからです。工作機械も同じです。どの工具を使うか、完全5軸連続モードでどの姿勢をプログラムするかなど、プログラマーが選択しやすくする支援が必要です。最後に、ゲームシステムで体験するようなグラフィカルユーザーインターフェースへの移行が見込まれます。それらのインターフェースは生産性を高め、今の労働力、私の子供たちのように、それらのゲームインターフェースを使いこなすのが得意だからです。

これらの機械で今日、活用されていない側面はありますか？ これらの機械を最大限に活用するためのアドバイスは？

KURFESS氏： ハイエンド機械を最大限に活用することが問題で、そこで大きな課題になるのがトレーニングです。近隣のコミュニティカレッジやテクニカルカレッジと密接に連携していますが、彼らがこれらの複雑な工作機械の準学士レベルトレーニングを提供するのは困難でコストがかかります。教育ラボに50万ドルの工作機械を置くのはコスト面でかなり厳しいですが、トレーニングは極めて重要です、特に多軸加工では。企業が個人を訓練するのも難しいです。一度上手くなると、引き留めるのが難しいからです。シンプルに言えば、彼らは引く手あまたなのです。

自動工具パス生成に役立つアルゴリズム開発の研究をされています。その研究と克服しようとした課題について教えてください。成果は？ 自動工具パス生成は今どこにあり、どこへ向かっていると思いますか？

KURFESS氏： 工具パス生成に関して、ピクセルではなくボクセルで作業します。3Dピクセルであるボクセルで、設計をボクセル化します。デジタル体積処理を行い、これはGPUの自然なフォーマットです。CADモデルの部品設計を取り出し、ボクセル化してGPUで処理できるようにします。このアプローチは部品加工と、工作機械上のアディティブを組み合わせたハイブリッド機械（アディティブとサブトラクティブ製造）に適しています。企業はより高度な問題でボクセルをますます使用し始めています。ゆっくりですが確実に、ボクセルは多様な製品に降りてきています。ジョージア工科大学の2年生設計製作コースでは、学生がクラウドベースの高性能コンピューティングプラットフォームとボクセルベースツールを使って旋削部品を設計し、彼らはそれを気に入りました。彼らが使うシステムは、世に出ているものより桁違いに速く、部品が現在インストールされている工具パッケージで旋盤で生産可能かどうか、部品を描いている最中にリアルタイムでフィードバックを得られます。

複雑な形状における工具摩耗の定量化についても研究されています。その研究と発見について教えてください。

KURFESS氏： この分野でかなりの仕事をしていますが、最大の成果を話しましょう。非常に先進的なニッケル基超合金の加工を行いましたが、これは加工がひどく困難でした。目標幾何学形状の達成が難しく、部品の結晶粒構造を損傷させないことも懸念でした。加工中、熱による表面損傷（クラック、サブサーフェスダメージ等）を与える可能性があります。これは熱関連の問題から生じます。熱が最もダメージを与えるからです。このケースでは、新しいセラミックインサートを試すよう渡され、常識外れの高速切削条件が提示されました。工作機械パートナーに相談し、より高速なスピンドルへの交換を依頼するほどでした。セラミックを使うため、熱衝撃でインサートが割れるのを防ぐためクーラントを使わない必要がありました。その高速にもかかわらず、クーラントなしで信じられないほどうまくいきました。実際、熱伝達率を上回る速さで加工できたのです。つまり、熱が部品に伝わる前に加工が完了したのです。加工後に部品に触れると、冷たかったです。これによりサブサーフェスダメージを最小限に抑えられました。熱による部品損傷を排除し、大幅に高い材料除去率で加工し、クーラントを含まないチップはリサイクルがはるかに容易になりました。

製造業のスキルギャップについてどう思われますか？ どう捉え、どう改善できると思いますか？ あらゆる規模のメーカーが将来必要な人材を見つけるためにどんな対策を取るべきですか？

KURFESS氏： スキルギャップは現実です。今の子供たちは、20〜30年前の私たちのようにGコードプログラミングに夢中になりません。もちろん、私たちの先進ビデオゲームはポンで、パンチテープを穿っていました！ 次世代労働力はよりグラフィカル志向で、異なるスキルセットを持っています。よりグラフィカルなインターフェースへの移行が、この次世代を本当に惹きつける助けになります。機械技師やエンジニアになるにはスーパー数学天才でなければならないと感じる人が多いですが、現実は天才である必要はありません。うまくやり、好きでなければなりません。さらに、私はSME会長を務めていますが、Tooling U-SMEのような次世代トレーニング製品が、操作技術トレーニングと開発において次世代と現世代の労働力をいかに惹きつけているかを見ています。採用されているアプローチは最先端で、魅力的で、非常に効果的です。さらに、このトレーニングはターゲットを絞り、パーソナライズされつつあります。機械があなたが適切に訓練されているかを知り、機械の運用と活用を改善するためのトレーニングを推奨する領域に入ってきています。さらに、3軸機械でのパフォーマンスに基づき、5軸機械への訓練と昇格を機械が推奨する日も遠くありません。

メーカーがスキルギャップ縮小のために果たすべき役割をどう考えますか？

KURFESS氏： 生涯学習にかかっています。労働者と雇用主の両方が、継続的かつ生涯にわたるトレーニングこそが、より収益性の高い運営と長く、安全で、成功するキャリアへの道だと理解する文化変革が必要です。継続的なトレーニングが良いことだと皆をそのモードに持っていく必要があります。現実的に言えば、30年間何も学んでいなければ、あなたは技術的な恐竜になります。恐竜がどうなったかは知っていますよね！ スキルを最新に保つことは、時代に合わせるために極めて重要です。

あなたの経歴には自動車セクターでの勤務もあります。それについて、行った仕事、現在の自動車産業、そして将来についてどう見ていますか？

KURFESS氏： 1994年から2005年までジョージア工科大学にいました。2005年、クレムゾン大学国際自動車研究センターで学術研究プログラムを開始しました。一般的に、2軸・3軸加工でシンプルな部品を作るのは比較的単純でした。しかし、5軸部品になると、我々は本当に違いを生み出していました。再び、ハイエンドでより複雑な仕事こそが、高度に訓練された個人が真に輝き、高給を得る領域だったのです！

他に注目している特定の垂直業界イノベーションはありますか？ 今日および近未来にクロスオーバーしてインパクトを与える製造イノベーションは何ですか？ メーカーが本当に注目すべきことは何ですか？

KURFESS氏： オバマ大統領の先進製造技術担当として科学技術政策局で働いたとき、素晴らしい視点を得ました。両党とも製造業を重要視しています。数週間前、ある小委員会で証言し、製造業におけるモノのインターネットの重要性を強調しました。機械が製品とプロセスについて大量の情報を抽出するようになっています。これは、より良い製品と効率的なプロセスを作るだけでなく、雇用機会と現代労働力の競争力を向上させます。その小委員会のすべての議員がこれを理解し、このタイプの技術と能力の前進を支持していました。

自動化の観点から、技術の進歩がより少ない労働者でスキルギャップを埋める助けになると思いますか？

KURFESS氏： 自動化が進めば、より高いスキルセットを持つ、より少ない人数で済むようになります。従業員がハイエンド軸プログラミングをするようになれば、企業は理解するでしょう。これらの機械は優れており、もっと買うだろう、そして最終的にもっと多くの人が必要になる。とはいえ、仕事の中心には依然として人間が必要です。プログラミングをするのは人間だからです。労働力全般であれ個人であれ、生涯学習とこれらの機械を理解することが、誰かを次の能力レベルへ導きます。ロースキルジョブは消えますが、はるかに高い賃金のハイエンドジョブが大幅に拡大するでしょう！

最後に、高性能加工について少し議論しましょう。その分野で新しい革新的な開発はありますか？

KURFESS氏： すべてはコントローラーにかかっています。使いやすさ、接続性…すべての情報をまとめること…それが未来です。私の最初のPCのように見える80年代のCNCコントローラーをはるかに凌駕します！

貴社のショップは5軸加工を導入しましたか？ どんな課題に直面していますか？ 自動工具パス生成で機械をプログラミングすることにオープンですか？ 下のコメント欄でお知らせください。