Expertengespräch mit Professor Ian Campbell von der Loughborough University

Professor Ian Campbell ist Professor an der Universität Loughborough, die Pionierarbeit auf dem Gebiet der Forschung im Bereich der additiven Fertigung leistet. Mit seinem umfangreichen Hintergrund im Bereich Design-Engineering hat Professor Campbell über 40 wissenschaftliche Zeitschriftenartikel veröffentlicht, ist Redakteur des Rapid Prototyping Journal und ist seit 2014 Associate Consultant für Wohlers Associates.

Wir freuen uns, dass wir uns mit Professor Campbell zusammensetzen konnten und über die Bedeutung von Design für die additive Fertigung, die Rolle der Automatisierung bei AM und die Frage, wie Massenanpassung und Hybridfertigung die Industrie verändern könnten, erörtern konnten.

F: Wie wurden Sie zuerst in AM involviert?

Ich machte 1993 einen Master-Abschluss an der Warwick University, als ich mich der Stereolithographie bewusst wurde, aber erst als ich später im selben Jahre an die Nottingham University kam, hatte ich Zugriff auf die Stereolithographie-Maschine der Universität und begann mit meiner Doktorarbeit. Dabei ging es um den Zusammenhang zwischen Design und, wie wir es damals nannten, Rapid Prototyping.

Meine damalige Prämisse war es, Rapid Prototyping zu einem Produktionsprozess zu machen, das konnten sich die Menschen in den 90er Jahren  aber nicht wirklich vorstellen. Aber ich tat es trotzdem und dachte, wenn das Rapid Prototyping zu einem Produktionsprozess wird, müssen wir lernen, wie wir es entwickeln können. Und darauf hat sich meine Doktorarbeit dann konzentriert.

F: Ironischerweise ist Design für die additive Fertigung heute ein großer Diskussionspunkt. Wo stehen wir jetzt und welche Fortschritte müssen gemacht werden?

Ich denke, das Ganze ist im Moment ein bisschen planlos. In manchen Unternehmen gibt es sicherlich das Know-how, wobei einige Konstrukteure die Möglichkeiten der additiven Fertigung im Hinblick auf Leichtbau, komplexe interne Strukturen oder Topologieoptimierung usw. verstehen – und dies gilt insbesondere für die Unternehmen der Luft- und Raumfahrt.

Aber im Großen und Ganzen glaube ich, dass es innerhalb unserer Design-Community einige Wissenslücken gibt, da viele Designer die additive Fertigung vielleicht nicht gut genug verstehen oder nicht die Möglichkeit hatten, darüber nachzudenken, wie es die Art und Weise in der sie gestalten, verändern könnten.

Dies kann sich aber auch mit der neuen Generation von Designern ändern, die jetzt durch die Universität kommen und diese Ausbildung erhalten. Aber die Designer, die schon eine Weile praktizieren, haben wahrscheinlich nicht an die Vorteile gedacht, die sich ihnen bieten können, es sei denn, sie haben die additive Fertigung persönlich als Fertigungsprozess betrachtet. Ich denke, es gibt definitiv eine Gelegenheit dieses voranzutreiben, und das ist eines der Dinge, die wir mit dem neuen Master-Programm, das wir eingeführt haben, erreichen wollen.

 Q: Wo sehen Sie Design für AM in fünf Jahren?

Erstens glaube ich schon daran, dass immer mehr Menschen das Potenzial des Produktionsprozess erkennen werden und deshalb lernen müssen, wie man diesen entwickelt, insbesondere mit der neuen Generation von Designern, von denen viele auf die additive Fertigung aufmerksam gemacht wurden.

Desweiteren erwarte ich eine größere Design-Automatisierung und das Aufkommen von spezialisierten Werkzeugen, die Designern helfen, einige der cleveren Dinge zu tun, die benötigt werden, um AM voll auszunutzen. Einige dieser Werkzeuge existieren bereits, wie zum Beispiel die topologische Optimierung, und ich weiß, dass es andere Software gibt, die darauf abzielt, interne Gitterstrukturen automatisch zu entwickeln, so dass es nicht notwendig ist, dass sich jemand hinsetzen muss und diese selbst auf CAD erstellen muss. Die additive Fertigung kann im Bezug auf die Erstellung komplexer Geometrien unglaubliche Dinge erzielen. Wenn sich aber eine Person oder sogar ein Team shinsetzen und diese Art von Geometrie erstellen muss, würde dies einen echten Engpass darstellen, wenn alles mit herkömmlichen Werkzeugen durchgeführt werden muss.

Letztendlich denke ich, dass es eine größere Auswahl an Tools geben muss, um einige der Prozesse zu automatisieren, denen wir folgen.

F: Automatisierung ist momentan ein wichtiger Trend in AM. Wie sehen Sie die Automatisierung für AM?

Im Moment gibt es eine ganze Reihe von Prozessen, die die menschliche Arbeit innerhalb AM intensiv nutzen. Automatisierung kann in vielerlei Hinsicht hilfreich sein – es ist leicht mittels Automatisierungssoftware zu entscheiden, wohin die Teile auf der Build-Plattform gehen sollen, oder die Erstellungszeit automatisch berechnen. Wir könnten sogar die Simulation der Oberflächenbeschaffenheit automatisieren, die abhängig von der verwendeten Ausrichtung erzeugt wird.

Ich kann mir auch vorstellen Automatisierung auszuwählen, um die richtigen Parameter für den Betrieb der Maschine zu wählen, anstatt mit verschiedenen Parametern zu experimentieren zu müssen.. In diesem Zusammenhang wird es innerhalb der additiven Fertigungssysteme mehr Rückkopplungsschleifen geben, die uns helfen werden, die Qualität während des Baus zu verbessern.

Und was das Design angeht, habe ich kürzlich eine interessante Software gesehen, die es Ihnen ermöglicht, die harten Punkte des Designs (die Punkte, an denen Ihre Komponente andere Komponenten berühren muss) zusätzlich zu den Stärken in Ihr CAD-System einzugeben und sich so auf Ihre Komponente ausübt, so dass die Geometrie automatisch wächst. Es ist also nicht wie eine topologische Optimierung, die Material wegnimmt, obwohl das an sich sehr interessant ist, es bedeutet tatsächlich, das Teil durch automatisierte Software wachsen zu lassen.

Insgesamt glaube ich, dass es große Möglichkeiten für eine weitere Automatisierung über die gesamte Wertschöpfungskette gibt, von der Vorstellung, wie unser Produkt aussehen wird, bis hin zu dem Punkt wo wir die fertigen Teile von der Maschine nehmen.
 

F: Sie leiten derzeit ein Forschungsprojekt zur Anpassung an die Automobilindustrie. Können Sie mir mehr erzählen?

Ziel des Projekts ist es, in Zusammenarbeit mit unseren Partnern in Rumänien eine Reihe von Forschungsbereichen zu identifizieren, deren Gegenstand es ist die Konstruktion und Verwendung von kundenspezifischen Teilen für eine Reihe von Automobilzulieferern zu entwickeln.

Wir haben einige Pilotstudien durchgeführt, in denen wir der Ansicht sind, dass Design und Individualisierung der Automobilindustrie helfen könnten, sei es bei den funktionelleren Teilen wie das Anpassen der Aufhängung für unterschiedliche Fahrstile oder im ästhetischen Bereich bei der Sie Dinge anpassen können wie der Griff an Ihrem Schalthebel, die Form Ihres Lenkrads oder sogar einige der Steuerungsaspekte Ihres Armaturenbretts. Das sind nur einige der Bereiche, die wir in Betrachtung haben.

F: Was erhoffen Sie sich von den Pilotstudien?

Was wir aus diesen Pilotstudien gerne entnehmen würden – und wir haben bereits selbst mit der Entwicklung begonnen -, sind Mass Customization Toolkits, in denen Sie ein vollständig standardisiertes Produkt nehmen und dann einige der Parameter optimieren, um es dann in ein maßgeschneidertes Produkt zu transformieren. Wir sind nicht die Einzigen, die dies tun – ein Beispiel ist das Nervensystem das hauptsächlich auf Schmuckdesign ausgerichtet ist. Sie können ein vollständig standardisiertes Design wählen, mit verschiedenen Parametern herumspielen, die Form ändern und dann Ihre eigene Version drucken.

Wir haben Studien über die verschiedenen Arten von Schnittstellen, die Menschen gerne verwenden, die Anzahl von Parametern, die sie in Bezug auf die Variation ihres Designs handhaben können, und darüber, wie viel Wert einem Produkt hinzugefügt werden kann, wenn wir es jemandem erlauben, es anzupassen.

Letztendlich wollen wir zu dem Punkt kommen, wo wir ein Mass Customization Toolkit entwickeln. Dies würde damit beginnen, dass der Designer etwas Arbeit leistet, um ein Standard- oder sogar ein unfertiges Design erstellt. Aber dann stellen wir uns vor, dass der Kunde auch tätig wird und dieses Design selbst erledigt. So kommt es zu einer Form von gemeinsam kreiertem Design, bei dem sowohl vom Hersteller oder Designer als auch vom Endverbraucher Eingaben gemacht werden.

F: Sehen Sie diese Form der “Co-Creation” als etwas, das in Zukunft beim 3D-Drucken alltäglicher wird?

Das passiert im gewissem Maße schon jetzt. Zum Beispiel können Sie bei Mini bereits benutzerdefinierte Produkte auswählen. Aber in Bezug auf die tatsächliche Veränderung der Form des Produkts, das wir gerade erforschen, passiert an dieser Front wirklich nicht viel, besonders wenn es um funktionale Produkte geht.

Und in Branchen wie der Automobilindustrie müssen Sie sicherstellen, dass, wenn Sie Ihren Kunden erlauben, Änderungen an der Form vorzunehmen, das Produkt immer noch sicher, funktional und wirtschaftlich herzustellen ist. In dieser Hinsicht muss noch viel mehr Forschung betrieben werden, bevor die Unternehmen bereit sind, den Nutzern die Anpassung ihrer Produkte zu erlauben – und in einigen Fällen werden bestimmte Unternehmen den Nutzern möglicherweise nie erlauben, ihre Designs anzupassen. Aber wir haben mit anderen Unternehmen gesprochen, die schon bereit wären, ihren Endnutzern ein gewisses Maß an Variation zu ermöglichen.

Wenn ich das Beispiel eines Haartrockners nehme: Anpassung könnte so einfach sein, wie den Handgriff des Haartrockners einer bestimmten Handgröße anzupassen. Sie könnten sogar einen Stil von Haartrockner entwickeln, der in irgendeiner Weise einige Ihrer persönlichen Eigenschaften im Produkt beinhaltet. Und das ist ein weiterer Bereich unserer Forschung – wir denken, dass Menschen, die sich an einem solchen Co-Design beteiligen, eine emotionale Bindung zu dem Produkt aufbauen können. Das bedeutet, dass sie bereit sein könnten, ein bisschen mehr Geld dafür zu zahlen und es auch ein bisschen länger zu behalten, damit wir nicht so viel Müll auf die Müllhalde werfen. Dies ist ein weiterer Aspekt unserer Forschung in Loughborough – nachhaltiges Design.

F: Die Universität in Loughborough leistet Pionierarbeit in Sachen “Hybrid- und Multi-System AM“. Können Sie erklären, was das bedeutet?

Wenn wir über Hybrid sprechen, beziehen wir uns auf die integrierte Kombination von additiven und subtraktiven Fertigungsverfahren innerhalb derselben Maschine. In Loughborough beschäftigen wir uns sowohl mit Metallsystemen als auch mit Polymersystemen.

F: Wie funktioniert dieser hybride Fertigungsansatz für Metallsysteme?

Für Metallsysteme gibt es bereits einige Maschinen von Firmen wie Matsuura und DMG Mori – sie haben Maschinen geschaffen, die Material durch einen Abscheideprozess hinzufügen und dann einen Werkzeugwechsel durchführen. Anstatt einen Auftragskopf zu haben, bringen Sie ein CNC-Fräswerkzeug mit, das einen Teil des Materials entfernt, entweder um eine bessere Oberflächengüte zu geben oder um die Genauigkeit einiger der Merkmale zu verbessern. Sobald dies erledigt ist, können Sie einen weiteren Werkzeugwechsel durchführen und zum additiven Prozess zurückkehren und etwas Material hinzufügen, um den Bereich abzudecken, an dem Sie gerade gearbeitet haben. Und Sie können beliebig oft zwischen den beiden wechseln.

Das bedeutet, dass Sie die gesamte geometrische Freiheit der additiven Fertigung erhalten können. Wenn Sie jedoch eine höhere Genauigkeit oder eine bessere Oberflächengüte benötigen (was bei technischen Bauteilen häufig der Fall ist), kann dies nicht nur äußerlich erzielt werden sonder auch auf den Innenseiten die sonst nicht zugänglich gewesen wären, wenn man das Ganze in einem Zug gebaut hätte.

Wir denken, dass dies neue Möglichkeiten für die One-Stop-Produktion eröffnen wird, wo Sie eine Maschine haben, das CAD-Teil herunterladen können und Sie mit einem fertigen Teil von dieser Maschine aufhören, ohne weitere Bearbeitung zu benötigen. Diese Art der Metallhybridfertigung wird für hochentwickelte Komponenten sehr nützlich sein, da Sie so die Anzahl der Komponenten reduzieren können, die Sie in Ihr System einbringen müssen. Dadurch reduzieren Sie Ihre Montagekosten und reduzieren die Menge an Material, die Sie benötigen. Dies ist besonders in der Luft- und Raumfahrtanwendung wichtig, da die Einsparung von nur ein paar Kilogramm die Kraftstoffkosten stark reduzieren kann. 

F: Ist der hybride Herstellungsprozess für Polymere denn sehr anders?

Das Verfahren ist tatsächlich ziemlich ähnlich, da es eine Ablagerung gefolgt von einer maschinellen Bearbeitung verwenden wird. Der Unterschied ist, dass bei Polymeren alles bei einer viel niedrigeren Temperatur abläuft. Was wir hier erreichen wollen, ist den AM-Polymerteilen größere geometrische Freiheit und Genauigkeit zu verleihen und gleichzeitig die Kosten niedrig zu halten. Während es auf der Metallseite mehr umHigh-End-Produkte aus dem Bereich Maschinenbau geht, sind es auf der Polymerseite mehr Produkte des täglichen Bedarfs.
 

F: Welche anderen Forschungsprojekte sind an der Loughborough University in Sicht?

Nun, wir betrachten auch die additive Fertigung von Verbundwerkstoffen. Was wir hier erreichen wollen, ist die Steuerung der Ausrichtung der Fasern in Verbundstoffteilen, um sie stärker, steifer oder leichter oder mit anderen technische Vorteilen gestalten. Das wurde erst kürzlich gestartet und involviert eine Reihe internationaler Partner.
 

F: Können Sie uns etwas mehr über das Programm des neuen Masters an der Universität Loughborough erzählen?

Es heißt Design for Additive Manufacture und läuft über Jahr, in drei Semestern. Wir führen Studenten vor  was Additive Manufacturing ist und durchlaufen einige ihrer Singularitäten und Vorteile.

Es gibt ein kleines Projekt, das untersucht, wie wir die additive Fertigung umgestalten können, gefolgt von einem Großprojekt, bei dem ein Produkt von Grund auf neu entworfen und neu gestaltet wird. Wir werfen auch einen Blick auf einige der höherwertigen Computer Aided Design Tools, die gut zur additiven Fertigung passen, wie die topologische Optimierung sowie einige der verschiedenen Arten von Modellierung, die zur Verfügung stehen, wie zum Beispiel Voxel – Modellierung als unterschiedliche Arbeitsweise innerhalb von CAD.

F: Was ist der neueste Trend in AM, der Sie am meisten begeistert?

Eine Sache, die wirklich aufregend ist, ist, dass Maschinen immer größer werden, was bedeutet, dass die Anzahl der Anwendungen wächst. Wenn man früher an additive Fertigung dachte, dachte man an Teile, die in einen halben Meter großen Würfel passten, aber das änderte sich ziemlich schnell. Wir können dies in den architektonischen Anwendungen der additiven Fertigung sehen, wo wir beginnen, Dinge wie Häuser zu schaffen. Aber typischer noch, Sie können beginnen einige interessante Strukturen zu schaffen die sich innerhalb von Gebäuden befinden. Wir können diese Auswirkungen auch in der Luft- und Raumfahrt beobachten, da mit diesen großen Maschinen große Flugzeugteile gebaut werden können.

Ein weiterer Trend, den es schon seit einiger Zeit gibt, ist die Idee, Metamaterialien zu kreieren, bei denen sich Ihr Material beim Spielen mit Geometrie anders verhalten könnte. Zum Beispiel können Sie eine sogenannte auxetische Struktur erstellen, bei der normalerweise, wenn wir auf ein Teil drücken und in eine Richtung drücken, dieser in die anderen Richtungen expandiert, zum Beispiel wenn Sie einen Ball in die vertikale Richtung drücken, expandiert er in die horizontale Richtung. Durch additive Fertigung und ein sehr cleveres Design ist es möglich, Strukturen zu schaffen, bei denen, wenn man sie in vertikaler Richtung zusammendrückt, sie auch in horizontaler Richtung schrumpfen. Es ist eine sehr clevere Verwendung komplexer Geometrie.
 
Die Leute schauen auch auf andere Aspekte, wie das Erstellen von Teilen die auf Temperaturgradienten reagieren. Beim 4D-Drucken können Sie beispielsweise ein Teil erstellen, das seine Form ändern oder erweitern kann, nachdem Sie es aufgewärmt haben. Wenn Sie also etwas schaffen würden, das in einem Ball in den Weltraum geschickt wird, könnte es theoretisch, sobald die Hitze der Sonne darauf trifft, zu einer Art Antenne werden. Es ist wirklich aufregend zu sehen wie Materialien ihr Verhalten aufgrund der komplexen Geometrie, die Sie in Teile einbauen, ändern – und das bedeutet, dass wir es nicht nur mit einem Klumpen Material zu tun haben, sondern mit intelligentem Material.

Klicken Sie hier, um mehr über die AMRG (Additive Manufacturing Research Group) an der Loughborough University zu erfahren.

Schauen Sie sich unser Interview mit Dr. Richard Buswell von der Loughborough University an.