UNCC's praktische benadering van productieonderzoek

Vanaf deze maand heeft TechFront een nieuw format waarin onderzoeksprogramma's op het gebied van fabricage aan belangrijke universiteiten worden belicht, gevolgd door samenvattingen van recent onderzoek in het Journal of Manufacturing Systems van het MKB. , Journal of Manufacturing Processes en Vervaardigingsbrieven , allemaal uitgegeven door Elsevier Ltd.

De universitaire focus van deze maand ligt op de University of North Carolina Charlotte (UNCC). Manufacturing Engineering interviewde UNCC-professoren Tony L. Schmitz en Chris Evans over de reikwijdte van UNCC's onderwijs- en onderzoeksprogramma's op het gebied van fabricage op bachelor- en masterniveau.

Bij UNCC ligt de nadruk op studenten die praktische ervaring op de werkvloer opdoen in niet-gegradueerde en afgestudeerde productie. Het William States Lee College of Engineering van de stedelijke universiteit, gelegen in de stad Charlotte, in het hart van NASCAR-land, omvat het onderzoek van het Center for Precision Metrology, het Center for Freeform Optics en het Siemens Large Manufacturing Solutions Laboratory in de energieproductie en Infrastructuurcentrum (EPIC).

"Het Center for Precision Metrology is het oudste onderzoekscentrum hier op de campus", zegt Chris Evans, hoogleraar werktuigbouwkunde en directeur van het Center for Precision Metrology (zie https://cpm.uncc.edu/). "We ondersteunen onderwijs, zowel afgestudeerd als niet-gegradueerd, maar vooral graduate onderwijs waar we over een cyclus van twee jaar ongeveer 15 lessen hebben in aspecten van metrologie, productie en precisiemachineontwerp. Ze worden allemaal door faculteiten onderwezen in werktuigbouwkunde of optische wetenschappen, omdat de centra multidisciplinair zijn.”

Met een state-of-the-art dimensionaal metrologisch laboratorium, met apparatuur van leveranciers, waaronder Hexagon Metrology, ondersteunt het Centre for Precision Metrology facultair onderzoek op het gebied van metrologie en productie. "Ik denk dat we de beste metrologische faciliteit hebben van alle universiteiten in de VS", aldus Evans. Naast de interdisciplinaire benadering werkt UNCC samen met de industrie en heeft het een industrieel filiaalprogramma met bedrijven als Caterpillar, Cummins en Intel.

"De [aangesloten] leden komen naar de campus om presentaties te zien van studenten die competitieve, industrieel gedreven onderzoeksontwikkelingsprogramma's uitvoeren die door de aangesloten ondernemingen zelf zijn geselecteerd," voegde Evans eraan toe, "dus eigenlijk financieren de vergoedingen die ze betalen om lid te zijn de studenten. Dat is een uitstekend programma om onze studenten zichtbaar te maken voor potentiële werkgevers.”

Winkelvloer, samenwerkingsfocus

Hands-on training staat centraal bij UNCC. "Ik ben trots een 'vuile vingernagels' type persoon," zei Evans. "Al onze studenten werktuigbouwkunde als tweedejaarsstudent moeten een cursus productiesystemen volgen waarbij ze zowel hun eerste ontwerpblootstelling als het naar de winkel gaan."

Deze ervaring laat UNCC-studenten zien hoe ze handmatige werktuigmachines moeten bedienen, en het vereist dat ze een reeks afdrukken bouwen die volledig zijn getolereerd met GD&T voor een eencilinder luchtmotor zonder zegel die moet lopen om de cursus te halen, Evans gezegd. "Ze leren al vroeg in hun carrière dat ze hun handen vuil moeten maken en echte dingen moeten doen, niet alleen simulaties", voegde hij eraan toe. "Ze leren de betekenis van toleranties."

De UNCC-campus met 29.000 studenten heeft meer dan 1000 studenten in het werktuigbouwkundeprogramma, dat met ongeveer 8% per jaar groeit, zei Evans.

In het Siemens Energy Large Manufacturing Solutions Laboratory van UNCC, onder leiding van professor John Ziegert, wordt onderzoek gedaan naar meetapparatuur die is gekocht met een subsidie ​​van $ 2 miljoen van Siemens Energy. Het middelpunt van het laboratorium, dat zich in de EPIC-eenheid bevindt, is een Leitz PMM-F 30-20-16 CMM die grote, zware componenten met een zeer complexe geometrie kan accepteren en snel elke afmeting, hoek en straal kan meten met een nauwkeurigheid van enkele micrometers. De CMM is geschonken door Hexagon, een actieve partner in het Siemens-lab, en is ondergebracht in een speciaal ontworpen klimaatkamer die de temperatuur regelt tot 20 ±0,5 °C. Daarnaast heeft het lab drie lasertrackers en toegang tot een scharnierarm CMM.

Het bieden van praktische ervaring, samen met blootstelling aan belangrijke industriële leiders, loont de moeite voor studenten die de productieprogramma's van UNCC bijwonen. "Ze hebben over het algemeen meer dan één aanbod, met name onze binnenlandse studenten", zegt Tony Schmitz, FSME, UNCC associate chair for graduate programmes en professor in werktuigbouwkunde en technische wetenschappen.

Andere voordelen liggen in de uitgebreide samenwerking van de universiteit met andere onderzoeksinstellingen op het gebied van productie. Het Center for Freeform Optics (https://centerfreeformoptics.org/) is een samenwerking tussen UNCC en de University of Rochester. UNCC werkt ook aan een in-state samenwerking om de wetenschap van additieve fabricage van metalen te bevorderen met NC State University (Raleigh), en een andere aan poedermetallurgie met UNC Greensboro.

“Een ding dat ik leuk vind aan het zijn in Charlotte, is dat er samenwerking in de lucht hangt. We zijn intern niet competitief', zei Evans. Dat is belangrijk, voegde Schmitz eraan toe. "Veel van de faculteiten van deze afdeling hebben op de faculteit van andere universiteiten gezeten en andere ervaringen gehad, in nationale laboratoria, enzovoort," zei Schmitz. “In al mijn ervaringen is dit de meest collegiale omgeving voor een onderzoeksorganisatie die ik heb gezien. Ik zeg graag:'Er werken hier volwassenen.'”

Geavanceerd onderzoek

Faculteitsonderzoekers van de UNCC zijn betrokken bij lopende onderzoeksprogramma's op het gebied van fabricage, waaronder werk bij het Center for Freeform Optics aan productieprocessen voor deze optica op basis van diamantgereedschap met één kristal en ultraprecisiebewerking. Een andere inspanning wordt geleid door UNCC-professor Gert Goch, een expert in tandwielproductie en tandwielproductie-metrologie, wiens groep onlangs een manier heeft ontwikkeld om de gebiedsbeschrijving van tandwieltanden te gebruiken in metrologisch onderzoek.

Op SOUTH-TEC 2017 in Greenville, SC, gaf Schmitz de aanwezigen een futuristische kijk op het potentieel van de productie. Hij hernam zijn SME NAMRC-45-lezing, gebaseerd op zijn Blue Sky Competition bekroonde onderzoek dat zich richtte op het vinden van toekomstige productietoepassingen binnen biologische processen in de natuur. Schmitz' lezing, getiteld "Biomimetic Manufacturing", liet zien hoe biologische systemen aanwijzingen kunnen geven voor mogelijke toekomstige productie-innovaties. Zijn werk, winnaar van de inaugurele NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award genoemd naar wijlen University of California, Berkeley, professor David Dornfeld, gaf een fascinerende kijk op wat toekomstige productieonderzoekers kunnen bedenken als ze "het schandalige" kunnen overwegen met open geest.

"We moeten nieuwe uitdagingen en benaderingen aangaan", zei Schmitz over de SME Blue Sky Competition. "Er is een groot risico / beloning." Schmitz' uitleg van biomimetische productie schetste hoe nauwkeurig kijken naar bomen, taugé, termieten, bevertanden en zelfs het Zika-virus futuristen aanwijzingen kan geven voor het ontwikkelen van nieuwe productiebenaderingen.

Bij het onderzoeken van bevertanden, bijvoorbeeld, zei Schmitz dat de zelfslijpende snijtanden uiteindelijk te groot zouden worden voor de mond van de bever als hij stopte met constant kauwen. Een van de vragen van Schmitz was:"Kunnen we profiteren van de geometrie? Kan er een snijgereedschap worden ontworpen dat evolueert om slijtage te accommoderen in plaats van te minimaliseren? Kunnen nieuwe ontwerpen in plaats van nieuwe coatingmateriaaltechnologie in een passend tempo 'groeien'? … Er zijn veel onderzoeksmogelijkheden op het snijvlak van fabricage en biologie.”

—Hoofdredacteur Patrick Waurzyniak

Tech Papers van MKB-tijdschriften en productiebrieven

Deze samenvattingen, uittreksels en weblinks zijn afkomstig uit recente artikelen die zijn gepubliceerd in het SME Journal of Manufacturing Systems , Journal of Manufacturing Processes , en Vervaardigingsbrieven , die zijn gedrukt door Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) en hier met toestemming worden gebruikt.

Aluminium verbinden om magnesium te gieten

In hun artikel "Aluminium AA6061-T4 verbinden om magnesium AM60B te gieten door folie-actuatorlassen te verdampen:ingangsenergie, interface en sterkte", auteurs Bert Liu, Anupam Vivek en Glenn S. Daehn, van de afdeling Materials Science and Engineering aan de Ohio State University (Columbus), onderzocht technieken voor het succesvol lassen van aluminium om magnesium te gieten om autofabrikanten te helpen bij hun zoektocht naar steeds lichtere autoplatforms die een grotere brandstofefficiëntie bereiken. De krant, die verschijnt in hetJournal of Manufacturing Processes , vol. 30 december 2017, is beschikbaar op http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

Een ongelijke verbinding van aluminiumplaat AA6061-T4 tot gegoten magnesium AM60B werd bereikt door folie-actuatorlassen (VFAW) te verdampen. Er werden drie ingangsenergieniveaus gebruikt (6, 8 en 10 kJ), en als trend resulteerden hogere ingangsenergieën in steeds hogere vliegsnelheden, meer uitgesproken golvende grensvlakken, grotere laszones, hogere afpelsterkten en hogere afpelenergieën. In alle gevallen onthulde de lasdwarsdoorsnede een solide gebonden interface die wordt gekenmerkt door goed ontwikkelde golvende kenmerken en het ontbreken van holtes en continue lagen van intermetallische verbindingen (IMC's). Bij een ingangsenergie van 10 kJ werden een vliegsnelheid van 820 m/s, een afpelsterkte van 22,4 N/mm en een afpelenergie van 5,2 J verkregen.

Bij lap-shear trad een storing op in de AA6061-T4-flyer bij 97% van de maximale trekbelasting van het basismateriaal. Afpelmonsters faalden langs de lasinterface en de AM60B-zijde van het breukoppervlak vertoonde dunne, gelijkmatig verdeelde lijnen van Al-residuen die op een kneedbare manier uit de basis AA6061-T4 waren gescheurd en overgebracht naar de AM60B-zijde, wat wijst op een zeer sterke AA6061-T4/AM60B-binding in deze gebieden. Dit werk demonstreert het vermogen van VFAW om ongelijksoortige lichtgewicht metalen zoals Al/Mg te verbinden.

Modelleren van versleten oppervlaktegeometrie voor motorbladreparatie

In Volume 15 van Manufacturing Letters voor januari 2018 schrijven auteurs Xinchang Zhang, Wei Li en Frank Liou van het Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Missouri University of Science and Technology (Rolla, MO), over het gebruik van modellering om beschadigde turbinemotorbladen te helpen repareren met behulp van directe metaalafzetting. Hun paper, "Modeling van versleten oppervlaktegeometrie voor motorbladreparatie met behulp van het Laser-aided Direct Metal Deposition-proces", is beschikbaar op http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

Reparatie van het motorblad vereist het verkrijgen van het versleten gebied en het genereren van het bijbehorende gereedschapspad voor afzetting. In dit artikel werd een geautomatiseerde modelleringsmethode voor het versleten oppervlak voorgesteld om het ontbrekende volume van beschadigde bladen terug te winnen. Reverse engineering werd gebruikt om modellen van bladen te reconstrueren. Het gereconstrueerde beschadigde model paste het best bij het nominale model. De vergelijkingsmethode voor dwarsdoorsneden werd gebruikt om de beschadigde lagen te detecteren. De straalgietmethode werd toegepast om de beschadigde lagen te doorsnijden om het ontbrekende volume te extraheren. Het gereedschapspad is gegenereerd en het reparatie-experiment is uitgevoerd met behulp van Laser-aided Direct Metal Deposition om de voorgestelde methode te valideren.

Twee benaderingen voor dunne-ribbewerking

In "Analytical solutions for fixed-free beam dynamics in thin rib machinale bewerking", presenteren auteurs Tony L. Schmitz en Andrew Honeycutt van de UNC Charlotte Department of Mechanical Engineering and Engineering Science twee verschillende analytische benaderingen voor het voorspellen van dunne-rib, fixed-free beam dynamiek met verschillende geometrieën. Dit Journal of Manufacturing Processes , Volume 30, paper van december 2017 is beschikbaar op http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.

De eerste benadering gebruikt de Rayleigh-methode om de effectieve massa te bepalen voor de fundamentele buigmodus van de getrapte diktebalken en de stelling van Castigliano om de stijfheid te berekenen, zowel aan het vrije uiteinde van de balk als bij de verandering in dikte. De tweede methode maakt gebruik van ontvangstkoppelingssubstructuuranalyse (RCSA) om de bundelontvangsten (of frequentieresponsfuncties) op dezelfde twee locaties te voorspellen door ontvangsten die de individuele getrapte bundelsecties beschrijven, star met elkaar te verbinden, waarbij de ontvangsten zijn afgeleid van het Timoshenko-bundelmodel.

Vergelijkingen met eindige-elementenberekeningen worden gemaakt om de twee technieken te verifiëren. Opgemerkt wordt dat de RCSA-voorspellingen meer overeenkomen met de eindige-elementenresultaten. Er worden ook experimenten uitgevoerd waarbij de getrapte bundeldikte wordt gewijzigd door meerdere bewerkingsgangen, en ontvangstmetingen worden uitgevoerd tussen de passages. De RCSA-voorspellingen worden vergeleken met experimentele resultaten voor natuurlijke frequentie en stijfheid. Overeenkomst in natuurlijke frequentie tot op enkele procenten wordt gerapporteerd.

Lean-principes versnellen het leveringsproces van plutonium

In hun paper "Application of lean manufacturing principles to verbetering a conceptual plutonium 238 (Pu238) supply process", schrijven Tomcy Thomas, Steven R. Sherman en Rapinder S. Sawhney van het Department of Industrial and Systems Engineering, University of Tennessee ( Knoxville) en de Radiochemical Science and Engineering Group, Nuclear Security and Isotope Technology Division, Oak Ridge National Laboratory (ORNL; Oak Ridge, TN), schetsen hoe lean processen het leveringsproces van Pu238 kunnen versnellen. Het artikel verschijnt in deel 46 van januari 2018 van het Journal of Manufacturing Systems , en is beschikbaar op https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

Het Pu-238 Supply Project van het Amerikaanse ministerie van Energie heeft tot doel de Amerikaanse capaciteit te herbouwen om Pu238 op kilogramschaal te produceren. Deze radio-isotoop wordt door NASA gebruikt om ruimtesondes van stroom te voorzien, en het aanbod slinkt. Het werd voor het laatst geproduceerd in de VS in 1988. Een conceptueel ontwerp van een Pu238-toevoerproces wordt beschreven met behulp van bestaande processen en faciliteiten in het Radiochemical Engineering Development Center van ORNL.

Het snelheidsbeperkende gedeelte van het conceptuele proces werd geanalyseerd met behulp van discrete-eventsysteemsimulatie om verwachte productiesnelheden, knelpunten en de effecten van tijdvertragingen op de productiesnelheid te bepalen. Procesalternatieven werden gegenereerd op basis van lean manufacturing-principes en deze werden onderzocht en vergeleken met het oorspronkelijke proces met behulp van simulatie om betere operationele strategieën te identificeren.

TechFront wordt bewerkt door hoofdredacteur Patrick Waurzyniak.