UNCC leidt avant-garde hands-on productieonderzoek

Vanaf deze maand heeft TechFront een nieuw formaat dat productieonderzoeksprogramma's op sleuteluniversiteiten in de schijnwerpers zet, gevolgd door samenvattingen van recent onderzoek in SME's Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes en Manufacturing Letters, allemaal gepubliceerd door Elsevier Ltd.

Deze maand is de universiteitsfocus op de University of North Carolina Charlotte (UNCC). Manufacturing Engineering interviewde UNCC-professoren Tony L. Schmitz en Chris Evans over de omvang van UNCC's undergraduate- en graduate-level productieonderwijs- en onderzoeksprogramma's.

Bij UNCC ligt de nadruk op studenten die praktische shopvloerervaring opdoen in undergraduate- en graduate-productie. Gevestigd in de stad Charlotte, in het hart van NASCAR-land, omvat de urban university's William States Lee College of Engineering het onderzoek van het Center for Precision Metrology, het Center for Freeform Optics, en het Siemens Large Manufacturing Solutions Laboratory in het Energy Production and Infrastructure Center (EPIC).

"Het Center for Precision Metrology is het oudste onderzoekscentrum hier op de campus," zei Chris Evans, professor mechanical engineering en directeur van het Center for Precision Metrology (zie https://cpm.uncc.edu/). "We ondersteunen onderwijs, zowel graduate als undergraduate, maar met name graduate-onderwijs waar we over een cyclus van twee jaar ongeveer 15 lessen hebben in aspecten van metrologie, productie, en precisiemachine-ontwerp. Ze worden allemaal gegeven door faculteit uit mechanical engineering of optical science engineering, omdat de centra multidisciplinair zijn."

Met een state-of-the-art dimensionale metrologie-lab, met apparatuur van leveranciers waaronder Hexagon Metrology, ondersteunt het Center for Precision Metrology faculteitsonderzoek in metrologie en productie. "Ik denk dat we de beste metrologie-faciliteit van elke universiteit in de VS hebben," stelde Evans. Naast zijn cross-disciplinaire benadering, collaboreert UNCC met de industrie, en heeft een industrial affiliates-programma dat bedrijven zoals Caterpillar, Cummins en Intel omvat.

"De [affiliate] leden komen op de campus om presentaties te zien van studenten die competitief, industriële gedreven onderzoek-ontwikkelingsprogramma's uitvoeren geselecteerd door de affiliates zelf," voegde Evans toe, "dus eigenlijk financieren de fees die ze betalen om lid te zijn de studenten. Dat is een uitstekend outreach-programma, in termen van het zichtbaar maken van onze studenten voor potentiële werkgevers."

Shopvloer-, collaboratieve focus

Hands-on training is een sleutelfocus bij UNCC. "Ik ben trots een 'dirty-fingernails' type persoon," zei Evans. "Elk van onze mechanical engineering undergraduates als sophomore moet een manufacturing systems-les volgen die zowel hun eerste ontwerpblootstelling als het gaan in de shop omvat."

Deze ervaring laat UNCC-undergraduates zien hoe handmatige werktuigmachines te bedienen, en vereist dat ze bouwen naar een set tekeningen die volledig getolereerd zijn met GD&T voor een eencylinder luchtmotor zonder afdichting die voor hen moet draaien om het vak te halen, zei Evans. "Ze leren vroeg in hun carrière dat ze hun handen vuil moeten maken en echte dingen doen, niet alleen simulaties," voegde hij toe. "Ze leren de betekenis van toleranties."

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

Bij UNCC's Siemens Energy Large Manufacturing Solutions Laboratory, onder leiding van professor John Ziegert, wordt onderzoek gedaan op metrologie-apparatuur gekocht met een $2 miljoen subsidie van Siemens Energy. Gevestigd in de EPIC-eenheid, is het hart van het lab een Leitz PMM-F 30-20-16 CMM die grote, zware componenten met heel complexe geometrie kan accepteren en snel elke dimensie, hoek en straal kan meten met nauwkeurigheid binnen een paar micrometer. De CMM werd gedoneerd door Hexagon, een actieve partner in het Siemens-lab, en is gehuisvest in een custom-ontworpen omgevingskamer die temperaturen controleert op 20 ±0,5°C. Daarnaast heeft het lab drie laser trackers en toegang tot een gegelenkde arm CMM.

Het bieden van praktische ervaring, samen met blootstelling aan sleutel industriële leiders, betaalt zich uit voor studenten die UNCC's productieprogramma's bezoeken. "Ze hebben over het algemeen meer dan één aanbod, met name onze domestic students," zei Tony Schmitz, FSME, UNCC associate chair voor graduate-programma's en professor mechanical engineering and engineering science.

Andere voordelen liggen in de universiteit's uitgebreide samenwerking met andere productie-onderzoeksinstellingen. 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 die metal additive manufacturing-wetenschap bevordert met NC State University (Raleigh), en een andere over poedermetallurgie met UNC Greensboro.

"Een ding dat ik leuk vind aan in Charlotte is dat er samenwerking in de lucht ligt. We zijn niet intern competitief," zei Evans. Dat is belangrijk, voegde Schmitz toe. "Vele van de faculteit van deze afdeling zijn op de faculteit van andere universiteiten geweest en hadden andere ervaringen, bij nationale laboratoria en zo voort," zei Schmitz. "In al mijn ervaringen is dit de meest collegiale omgeving voor een onderzoeksorganisatie die ik heb waargenomen. Ik zeg graag: 'We hebben volwassenen die hier werken.'"

Avant-garde onderzoek

UNCC-faculteitsonderzoekers zijn betrokken bij lopende productie-onderzoeksprogramma's, inclusief werk bij het Center for Freeform Optics over productieprocessen voor deze optica gebaseerd op einkristijn diamant tooling en ultraprecisie machining. Een ander initiatief wordt geleid door UNCC-professor Gert Goch, een expert in tandwielproductie en tandwielproductie-metrologie, wiens groep recent een manier ontwikkelde om areale beschrijving van tandwieltanden in metrologie-onderzoek te gebruiken.

Op SOUTH-TEC 2017 in Greenville, SC, gaf Schmitz deelnemers een futuristische blik op productie's potentieel. Hij herhaalde zijn SME NAMRC-45 talk, gebaseerd op zijn Blue Sky Competition winnaar-onderzoek dat gefocust was op het vinden van toekomstige productietoepassingen binnen biologische processen in de natuur. Schmitz' talk, getiteld "Biomimetic Manufacturing," liet zien hoe biologische systemen cues kunnen geven voor mogelijke toekomstige productie-innovaties. Zijn werk, winnaar van de inaugurale NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award genaamd naar de overleden University of California, Berkeley, professor David Dornfeld, presenteerde een fascinerende kijk in wat toekomstige productieonderzoekers kunnen bedenken als ze "de outragerijke overwegen" met open geesten.

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

Bij het onderzoeken van bevertanden, zei Schmitz, zouden de zelfscherpende snijtanden uiteindelijk te groot worden voor de bevers mond als het zijn constante kauwen stopte. Onder Schmitz' vragen waren: "Kunnen we de geometrie benutten? Kunnen we een snijgereedschap ontwerpen dat evolueert om te accommoderen, in plaats van slijtage te minimaliseren? In plaats van nieuwe coating-materiaaltechnologie, kunnen nieuwe ontwerpen 'groeien' op een geschikte snelheid? ... Er zijn veel onderzoekspossibiliteiten in een intersectie tussen productie en biologie."

—Senior Editor Patrick Waurzyniak

Tech Papers uit SME Journals en Manufacturing Letters

Deze samenvattingen, uittreksels, en weblinks zijn van recente papers gepubliceerd in de SME Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes, en Manufacturing Letters, die gedrukt worden door Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) en hier met toestemming gebruikt.

Laslassen van blad aluminium aan gegoten magnesium

In hun artikel, "Joining sheet aluminum AA6061-T4 to cast magnesium AM60B by vaporizing foil actuator welding: Input energy, interface, and strength," onderzochten auteurs Bert Liu, Anupam Vivek en Glenn S. Daehn, van de Department of Materials Science and Engineering aan Ohio State University (Columbus), technieken voor het met succes lassen van aluminium aan gegoten magnesium om automakers te helpen in hun zoektocht naar steeds lichtere auto-platforms die grotere brandstofefficiëntie bereiken. Het paper, dat verschijnt in de Journal of Manufacturing Processes, Vol. 30, december 2017, is beschikbaar op https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

Verschillend lassen van blad aluminium AA6061-T4 aan gegoten magnesium AM60B werd bereikt door vaporizing foil actuator welding (VFAW). Drie invoerniveaus werden gebruikt (6, 8, en 10 kJ), en als trend resulteerden hogere invoerenergieën in progressief hogere flyer-snelheden, meer uitgesproken interfaciale golvende kenmerken, grotere laszones, hogere peelsterktes, en hogere peelenergieën. In alle gevallen onthulde las-dwarsdoorsnede een stevig gebonden interface gekenmerkt door goed ontwikkelde golvende kenmerken en afwezigheid van gaten en continue lagen van intermetallische verbindingen (IMCs). Bij 10 kJ invoerenergie, flyer-snelheid van 820 m/s, peelsterkte van 22,4 N/mm, en peelenergie van 5,2 J werden verkregen.

In lap-shear, trad falen op in AA6061-T4 flyer bij 97% van het basismateriaal's piek-trekkingsbelasting. Peel-monsters faalden langs de lasinterface, en de AM60B-kant van het breukoppervlak liet dunne, gelijkmatig gespacieerde lijnen van Al-restanten zien die in een ductiele manier uit de basis AA6061-T4 waren gescheurd en overgebracht naar de AM60B-kant, wat een zeer sterke AA6061-T4/AM60B-binding in deze gebieden aanduidde. Dit werk demonstreert VFAW's capaciteit in het lassen van ongelijke lichtgewicht metalen zoals Al/Mg.

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 de Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Missouri University of Science and Technology (Rolla, MO), over het gebruik van modellering om beschadigde turbijnmotorbladen te repareren met direct metal deposition. Hun paper, "Modeling of worn surface geometry for engine blade repair using Laser-aided Direct Metal Deposition process," is beschikbaar op https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

Motorbladreparatie vereist het verkrijgen van het versleten gebied en het genereren van de bijbehorende toolpath voor depositie. In dit paper werd een geautomatiseerde versleten oppervlaktemodelleringsmethode 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 werd best-fit met het nominale model. Cross-section area vergelijkingsmethode werd gebruikt om de beschadigde lagen te detecteren. De ray casting-methode werd toegepast om de beschadigde lagen te intersecteren om het ontbrekende volume te extraheren. De toolpath werd gegenereerd en reparatie-experiment uitgevoerd met Laser-aided Direct Metal Deposition om de voorgestelde methode te valideren.

Twee benaderingen voor dun-rib machining

In "Analytical solutions for fixed-free beam dynamics in thin rib machining," 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 dun-rib, fixed-free balkdynamica met variërende geometrieën. Dit Journal of Manufacturing Processes, Volume 30, paper van december 2017 is beschikbaar op https://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 dikte-balken en Castigliano's theorema om de stijfheid te berekenen zowel aan het vrije einde van de balk als bij de dikteverandering. De tweede methode gebruikt receptance coupling substructure analysis (RCSA) om de balk-receptanties (of frequentieresponsfuncties) op dezelfde twee locaties te voorspellen door receptanties die de individuele getrapte balksecties beschrijven, rigid te koppelen, waar de receptanties afgeleid zijn van het Timoshenko-balkmodel.

Vergelijkingen met finite element-berekeningen zijn voltooid om de twee technieken te verifiëren. Het wordt waargenomen dat de RCSA-voorspellingen nauwer overeenkomen met finite element-resultaten. Experimenten worden ook uitgevoerd waar de getrapte balkdikte veranderd wordt door meerdere machining-passen, en receptantiemetingen worden uitgevoerd tussen passen. De RCSA-voorspellingen worden vergeleken met experimentele resultaten voor natuurlijke frequentie en stijfheid. Overeenkomst in natuurlijke frequentie tot binnen een paar procent wordt gerapporteerd.

Lean-principes versnellen plutonium-toevoerproces

In hun paper, "Application of lean manufacturing principles to improve a conceptual plutonium 238 (Pu238) supply process," schetsen auteurs Tomcy Thomas, Steven R. Sherman, en Rapinder S. Sawhney van de 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), hoe lean-processen het Pu238-toevoerproces kunnen versnellen. Het paper verschijnt in de januari 2018 Volume 46 van de Journal of Manufacturing Systems, en is beschikbaar op https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

Het US Department of Energy's Pu-238 Supply Project heeft als doel de VS-capaciteit te herstellen om Pu238 op kilogramschaal te produceren. Dit radioisotoop wordt door NASA gebruikt om dieperuimtesondes te voeden, en de voorraad krimpt. Het werd laatst in de VS in 1988 geproduceerd. Een conceptueel ontwerp van een Pu238-toevoerproces wordt beschreven met behulp van bestaande processen en faciliteiten bij ORNL's Radiochemical Engineering Development Center.

De rate-limiting sectie van het conceptuele proces werd geanalyseerd met discrete-event systeemsimulatie om verwachte productiesnelheden, knelpunten, en de effecten van tijdsvertragingen op de productiesnelheid te bepalen. Procesalternatieven werden gegenereerd op basis van lean productieprincipes, en die werden onderzocht en vergeleken met het oorspronkelijke proces met behulp van simulatie om betere operationele strategieën te identificeren.

TechFront is bewerkt door Senior Editor Patrick Waurzyniak.