Het legendarische UIUC-engineeringprogramma pakt moeilijke productieproblemen aan

De Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL) heeft een lange, vooraanstaande geschiedenis en traditie in mechanische en toegepaste technische wetenschappen, en de universiteit zal binnenkort de opening vieren van een lang geplande uitbreiding van meerdere miljoenen dollars naar het gebouw voor Mechanical Science and Engineering (MechSE).

UIUC is de thuisbasis van vele opmerkelijke alumni die uitblonken als ondernemers en bedrijven hebben opgericht zoals Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube en Tesla Motors, om er maar een paar te noemen.

Als onderdeel van de facelift omvat het Transform MEB-programma (Mechanical Engineering Building) van UIUC een donatie van $ 12 miljoen van alumnus Sidney Lu (BSME '81), voorzitter en CEO van computer- en smartphonefabrikant Foxconn Interconnect (Taiwan), die Apple iPads bouwt en iPhones.

De toevoeging aan de oostelijke vleugel zal bekend staan ​​als het Lu Center for Learning and Innovation. Dit project omvat een toevoeging van vijf verdiepingen aan het oosten van het CBG, een toevoeging van één verdieping aan het noorden, en 66.000 ft² (20.117 m²) bestaande ruimte opnieuw ontworpen, opnieuw ontworpen en geoptimaliseerd voor onderwijs, innovatie en gemeenschap, volgens UIUC.

Naast de uitbreiding kondigde UIUC MechSE in oktober 2017 aan dat de universiteit een Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) heeft gekregen van de National Science Foundation, waarbij het centrum wordt ondersteund door een zesjarige subsidie ​​van $ 15,6 miljoen gericht op nieuwe nanomaterialen. Deze aankondiging volgde op de NSF die UIUC $ 18,5 miljoen toekende voor een nieuw NSF Engineering Research Center onder leiding van MechSE-professor Andrew Alleyne. Dat centrum, genaamd Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS), richt zich op de thermische en elektrische uitdagingen rond mobiele elektronica en voertuigontwerp als één enkel systeem.

“We willen de totale vermogensdichtheid in voertuigen 10 tot 100 keer verhogen. Dat zou zich vertalen in miljarden liters brandstofbesparing en bijna het dubbele van het bereik van een elektrische auto", zegt Alleyne, Ralph &Catherine Fisher Professor in MechSE, in een verklaring. “De elektrische technologieën van vandaag hebben hun thermische limiet bereikt. Een systeembenadering is de enige manier om verder te gaan dan de huidige stand van de techniek.”

In een recente discussie met Manufacturing Engineering beschreven UIUC's Placid Matthew Ferreira, Tungchao Julia Lu Professor en het voormalige MechSE-afdelingshoofd, en Shiv Gopal Kapoor, Grayce Wicall Gauthier Chair en professor in mechanische wetenschappen en techniek, de brede reikwijdte van onderzoek bij de afdeling.

"We heten MechSE, voor Mechanical Science and Engineering, omdat enige tijd geleden de afdeling werktuigbouwkunde en de afdeling theoretische en toegepaste mechanica zijn samengegaan", zegt Ferreira. "De afdeling omvat mechanische wetenschappen en werktuigbouwkunde, gaande van de meer fundamentele - de theoretische basis voor werktuigbouwkunde zoals mechanica, transportverschijnselen, vaste mechanica, vloeistofmechanica, regeltheorie, kinematica, dynamica - tot meer toegepaste gebieden zoals IC-motoren , mechatronica, airconditioning en koeling, robotica, productieprocessen, productiesystemen, biomechanica en materiaalgedrag.

"Het is een zeer brede groep, en in dit ecosysteem van mechanische wetenschappen en engineering speelt productie een vrij belangrijke rol, zowel vanuit de aspecten van de productieprocessen als de aspecten van de productiesystemen", vervolgt Ferreira. “We boren de theoretische expertise binnen de afdeling aan op het gebied van onder meer solide mechanica, stollingsprocessen op het gebied van dynamiek en besturing. We brengen die dingen terug in modellerings- of productieprocessen, ontwerp van werktuigmachines en controle van productieprocessen. We gaan zelfs over op cloudproductie. We nemen de computationele wetenschappen aspecten en gaan in de simulatie van productieprocessen.”

Deze brede aanpak maakt gebruik van de expertise in de afdeling, die verschillende productiedisciplines omvat, zoals computationele vloeistofdynamica voor procesmodellering en simulatie, voegde Ferreira eraan toe. “[Dit helpt ons] het materiaalgedrag te begrijpen wanneer we bijvoorbeeld naar het bewerkingsproces kijken, en ook waar we naartoe gaan op deze gebieden in de cloud van productiesystemen; we noemen het cybersystemen.”

Vooruitgang in de cloud en cyberfysieke productie

Met de geschiedenis van UIUC op het gebied van computeronderzoek en simulatiebronnen, kan de afdeling gebruikmaken van de beschikbaarheid van supercomputerkracht, zowel op de universiteitscampus als elders in de VS. De universiteit herbergt het National Center for Supercomputing Applications (NCSA), dat Mosaic heeft gemaakt, de eerste grafische webbrowser.

"Als je naar Illinois komt, realiseer je je dat het met zijn geschiedenis een zeer lange bijdrage heeft geleverd aan de productie van onderzoekers die de eerste analyses van thermische aspecten bij machinale bewerking hebben gedaan", zei Kapoor, wijzend op het belang van dergelijke experimenten op snijgereedschappen en op de thermische wetenschap van het bewerkingsproces. Kapoor, hoofdredacteur van het Journal of Manufacturing Processes , Ferreira en andere professoren aan de Northwestern University (Evanston, IL) hebben drie lopende projecten met het Digital Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII; Chicago) bij de UI Labs.

"In één project ontwikkelen we wat bekend staat als een besturingssysteem voor cyberfysieke productie", zei Ferreira. “In een ander project werken we samen met Caterpillar en Missouri Science and Technology om de variabiliteit van bewerkingsprocessen te verminderen. En in een derde project ontwikkelen we een raamwerk voor het kwantificeren van onzekerheid en het verminderen van onzekerheid in spuitgietprocessen.”

In het geval van het cyberfysieke besturingssysteemproject, zei Ferreira dat de groep slechts ongeveer een jaar bezig is met het onderzoek, maar de leiders zijn begonnen anderen te vragen hun werktuigmachines in te zetten om met het besturingssysteem te werken.

Samenwerken met de industrie loont enorm bij het bevorderen van onderzoek en het op de markt brengen van nieuwe technologieën. "We werken op zoveel niveaus samen met industriële partners, zoals Caterpillar en anderen", zei Ferreira, verwijzend naar de belangrijke bijdragen van eerdere onderzoekers van UIUC, zoals B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam en meer recentelijk Shiv Kapoor. “Ze creëerden dingen die veel werden gebruikt in de industrie, tastbare modellen van bewerkingsprocessen die de industrie daadwerkelijk zou kunnen toepassen en gebruiken, en ze probeerden te achterhalen welke krachten ze konden verwachten tijdens de bewerking en hoe verschillende fouten zichzelf via de procesmechanica zouden blootstellen aan de oppervlakteafwerking. ”

Een groot deel van het universitaire onderzoek begon met het oplossen van problemen waarmee leveranciers van auto's en OEM's te maken kregen. "We zijn begonnen met het werk met Ford, GM en hun leveranciers", zei hij. "We hebben ook Caterpillar, John Deere en vervolgens de machinebouwers, die al heel vroeg samenwerken met Ingersoll, het freesmachinebedrijf, DMG Mori en anderen."

Gedurende ongeveer 12 jaar runde de UIUC-afdeling ook een centrum dat zich richtte op bewerkings- en werktuigmachines. Ferreira was van 2003-2010 directeur van het Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems-NSF Nanoscale Science and Engineering Center (Nano-CEMMS), en hij is momenteel een filiaal van het Micro-Nanotechnology Laboratory van UIUC.

"Van daaruit zijn we overgestapt naar het micro- en nanoproductietijdperk, waar Illinois een leider is geweest", zei Ferreira. "We hadden een vrij groot centrum dat zich specifiek richtte op het definiëren van alle fabricage op nanoschaal, en we hebben veel processen doorgevoerd tot microbewerking, microforming en micro-EDM."

—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.

Gesprekken vermijden bij robotfrezen

Lejun Cen en Shreyes N. Melkote van de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology (Atlanta) onderzoeken in hun artikel, "CCT-based mode couple chatter avoidance in robotic milling", problemen met chatter gegenereerd door robotica. frezen. Hun paper, dat is gepubliceerd in Volume 29 van het Journal of Manufacturing Processes , is beschikbaar op https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035.

Momenteel worden grote lucht- en ruimtevaartconstructies bewerkt met behulp van grote meerassige CNC-bewerkingscentra. Ter vergelijking:frezen met een scharnierende robotarm met meerdere vrijheidsgraden (DOF) heeft verschillende voordelen vanwege de lagere kosten en veelzijdigheid. De lage stijfheid van een robot met een scharnierarm geeft echter aanleiding tot hevig gebabbel van koppelingen in de lage frequentiemodus tijdens het bewerken.

Eerdere studies hebben aangetoond dat dergelijk gebabbel kan worden onderdrukt door de hoek tussen de gemiddelde resulterende snijkrachtrichting en de richting van maximale hoofdstijfheid van de robot te minimaliseren. Deze aanpak beperkt het bereik van de toegestane robotbeweging en daarmee de flexibiliteit van het gebruik. Dit artikel presenteert een nieuwe methode voor het vermijden van moduskoppelingschatter bij robotfrezen met behulp van het Conservative Congruence Transformation (CCT) stijfheidsmodel, waarvoor geen wijziging van de gereedschapsaanvoerrichting of de werkstukoriëntatie nodig is. Experimenten met robotfrees laten zien dat chatter van moduskoppeling aanzienlijk wordt verminderd bij gebruik van deze benadering.

Het frezen van grote vliegtuigonderdelen wordt routinematig uitgevoerd met behulp van grote en dure CNC-bewerkingscentra die zeer stijf en nauwkeurig zijn. Deze werktuigmachines nemen vaak een grote werkruimte in beslag op de fabrieksvloer. Daarentegen biedt een op meerdere assen gebaseerd robotfreessysteem op basis van een gelede arm een ​​hoge mate van flexibiliteit voor het bewerken van grote vliegtuigonderdelen. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat robotfreessystemen, in vergelijking met industriële CNC-bewerkingscentra, de benodigde werkruimte voor de productie met 40% kunnen verminderen en tegelijkertijd meer flexibiliteit kunnen bieden. Robotfrezen is ook meer geschikt in gevaarlijke omgevingen. Praktische toepassingen van knikarmrobots zijn echter vaak beperkt tot toepassingen met weinig kracht, zoals materiaalbehandeling, montage, lassen en ontbramen.

Afwerking Ti-6AL-4V met op verneveling gebaseerde snijvloeistof

Nieuwe verstuivingssystemen voor snijvloeistof hebben potentieel om het ruwdraaien van titanium te verbeteren, wat wordt besproken in het artikel "Finish draaien van Ti-6Al-4V met het op atomisering gebaseerde snijvloeistof (ACF) spuitsysteem", door auteurs Chandra Nath en Shiv G. Kapoor van de afdeling Mechanische Wetenschappen en Engineering, Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL), en Anil K. Srivastava van de Universiteit van Texas Rio Grande Valley (Edinburg, TX). Het artikel, gepubliceerd in Volume 28 van het Journal of Manufacturing Processes , is beschikbaar op https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020.

Productkwaliteit en productiviteit zijn belangrijke factoren in de verwerkende industrie, vooral als het gaat om omslachtige materialen zoals titanium. De koel- en smeereffecten van het bijbehorende aanbrengsysteem voor metaalbewerkingsvloeistof spelen een cruciale rol bij het bepalen van deze factoren, vooral tijdens het afsnijden. Onlangs heeft het ACF-spuitsysteem veelbelovende koel- en smeereffecten laten zien tijdens het voorbewerken van titanium op macroschaal, maar het moet nog worden onderzocht tijdens het afsnijden (bijv. snedediepte en voedingssnelheid 0,2 mm of lager).

Dit artikel heeft tot doel het effect van het ACF-spuitsysteem op de bewerkingsprestaties tijdens het nadraaien van Ti-6Al-4V te bestuderen. In de eerste reeks experimenten worden twee sproeiparameters (nl. gassnelheid en stroomsnelheid) en snijparameters (nl. snijsnelheid, voedingssnelheid en snedediepte) gevarieerd om de meest geschikte conditie te selecteren voor de toepassing van de ACF sproeisysteem. Bewerkingsresultaten worden geëvalueerd in termen van neusslijtage, snijtemperatuur, oppervlakteruwheid, rondheidsfout, spaanmorfologie en onderdeelhardheid. Vervolgens wordt een afzonderlijke reeks experimenten uitgevoerd om de prestaties van het ACF-spuitsysteem te vergelijken met de condities van perslucht (droog) en overstromingskoelmiddel. Het is gebleken dat, zelfs bij een lagere vloeistofstroomsnelheid van 1,5 ml/min (10% volume) bij een lagere gassnelheid, het sproeisysteem beter presteert dan de andere twee koelvloeistofcondities, waardoor de prestaties van een milieuvriendelijk productieproces verder worden verbeterd .

Het modelleren van herstel van zeldzame-aardemagneten

In hun paper, "Modeling van de werking en inventaris voor het herstel van permanente magneet van zeldzame aarde onder onzekerheden van vraag en aanbod", schrijven de auteurs Hongyue Jin en Yuehwern Yih, van Industrial Engineering, Purdue University (West Lafayette, IN), en John W. Sutherland van Environmental and Ecological Engineering bij Purdue, bespreek de factoren met betrekking tot voorraadstrategieën met behulp van modelsimulaties.

Zeldzame aarde permanente magneten (REPM's) spelen een essentiële rol in verschillende toepassingen, zoals de productie van hernieuwbare energie en lucht- en ruimtevaart- en defensiegerelateerde producten. Zeldzame aardelementen (REE's) zoals neodymium en dysprosium worden gebruikt in REPM's, en het aanbod van deze REE's heeft een volatiliteit gekend. Om dit risico te verkleinen, kunnen REE's worden hersteld van end-of-life (EOL) producten, zoals harde schijven (HDD's) van computers.

Dit document ontwikkelt een operatie- en voorraadbeheerstrategie om de winstgevendheid te onderzoeken bij een onzeker marktaanbod en met variërende waarden waarvan de vraag ook met aanzienlijke onzekerheden te maken heeft. Het papier verschijnt in het januari 2018 nummer, Vol. 46, van het Journal of Manufacturing Systems , en is beschikbaar op https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437.

TechFront wordt bewerkt door hoofdredacteur Patrick Waurzyniak.