UIUC Engineering Leidt Innovatie in Productieoplossingen

De University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL) heeft een lange, gedistingeerde geschiedenis en traditie in mechanische en toegepaste ingenieurswetenschappen, en de universiteit zal binnenkort de opening vieren van een langgeplande, multi-miljoen dollar uitbreiding van het Mechanical Science and Engineering (MechSE) gebouw.

UIUC is thuis geweest voor veel bekende alumni die uiteenkwamen als entrepreneurs, met het oprichten van bedrijven zoals Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube en Tesla Motors, om er een paar te noemen.

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

De oostelijke vleugeluitbreiding zal bekend worden als het Lu Center for Learning and Innovation. Dit project omvat een vijfverdiepingen hoge toevoeging aan de oostkant van de MEB, een eenverdiepings hoge toevoeging aan de noordkant, en 66.000 ft² (20.117 m²) bestaande ruimte die herontworpen, herontwikkeld en geoptimaliseerd is voor onderwijs, innovatie en gemeenschap, aldus UIUC.

Naast de uitbreiding, kondigde UIUC MechSE in oktober 2017 aan dat de universiteit een Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) was toegekend door de National Science Foundation, ondersteund door een zesjarig subsidie van $15,6 miljoen gericht op nieuwe nanomaterialen. Deze aankondiging volgde de NSF-toekenning van $18,5 miljoen aan UIUC voor een nieuw NSF Engineering Research Center geleid door MechSE-professor Andrew Alleyne. Dat centrum, Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS) genoemd, richt zich op de thermische en elektrische uitdagingen rondom mobiele elektronica en voertuigontwerp als een enkel systeem.

“We willen de totale energiedichtheid in voertuigen met 10 tot 100 keer vergroten. Dat zou zich vertalen in miljarden liters brandstofbesparing en bijna het dubbele van de actieradius van een elektrische auto,” zei Alleyne, de Ralph & Catherine Fisher Professor in MechSE, in een verklaring. “Vandaag zijn elektrische technieken aan hun thermische limiet. Een systeembenadering is de enige manier om verder te gaan dan de huidige stand van de techniek.”

In een recent gesprek met Manufacturing Engineering beschreven UIUC's Placid Matthew Ferreira, Tungchao Julia Lu Professor en voormalig MechSE-afdelingshoofd, en Shiv Gopal Kapoor, Grayce Wicall Gauthier Chair en professor mechanische wetenschap en techniek, de brede reikwijdte van onderzoek bij de afdeling.

“We heten MechSE, voor Mechanical Science and Engineering, omdat de mechanische engineering-afdeling en de theoretische en toegepaste mechanica-afdeling enige tijd geleden zijn samengevoegd,” zei Ferreira. “De afdeling bestrijkt mechanische wetenschappen en mechanische engineering, gaande van het meer fundamentele - de theoretische basis voor mechanische engineering zoals mechanica, transportverschijnselen, vastestofmechanica, vloeistofmechanica, regeltechniek, kinematica, dynamica - tot meer toegepaste gebieden zoals IC-motoren, mechatronica, airconditioning en koeltechniek, robotica, productieprocessen, productiesystemen, biomechanica en materialengedrag.

“Het is een zeer brede groep, en in dit ecosysteem van mechanische wetenschappen en engineering speelt productie een tamelijk belangrijke rol, zowel vanuit de productieprocessen als de productiesystemen,” vervolgde Ferreira. “We grijpen in op de theoretische expertise binnen de afdeling in dingen zoals vastestofmechanica, verstijvingsprocessen in termen van dynamica en regeltechniek. We brengen die dingen terug in modellering of productieprocessen, ontwerp van werktuigmachines, en controle van productieprocessen. We gaan zelfs in op cloud manufacturing. We nemen de computationele wetenschappen-aspecten en gaan in op simulatie van productieprocessen.”

Deze brede benadering tikt in op de expertise in de afdeling, die diverse productiedisciplines omvat, zoals computationele vloeistofdynamica voor procesmodellering en simulatie, voegde Ferreira toe. “[Dit helpt ons] het materiaalgedrag te begrijpen wanneer we kijken naar het freesproces, bijvoorbeeld, en ook waar we heen gaan in deze gebieden op productiesystemen cloud; we noemen het cyber-systemen.”

Cloud- en Cyberfysieke Productievooruitgang

Met UIUC's geschiedenis in computeronderzoek en simulatiebronnen, kan de afdeling de beschikbaarheid van supercomputerkracht benutten, gelegen zowel op de universitaire campus als elders in de VS. De universiteit herbergt het National Center for Supercomputing Applications (NCSA), dat Mosaic creëerde, de eerste grafische webbrowser.

“Wanneer je naar Illinois komt, besef je dat met zijn geschiedenis, het een heel lange bijdrage aan productie heeft geleverd van onderzoekers die de eerste analyses deden van thermische aspecten in frezen,” zei Kapoor, met nadruk op het belang van dergelijke experimenten op snijgereedschappen en op de thermische wetenschap van het freesproces. Kapoor, editor-in-chief van het Journal of Manufacturing Processes, Ferreira en andere professoren aan Northwestern University (Evanston, IL) hebben drie lopende projecten met het Digital Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII; Chicago) bij UI Labs.

“In één project ontwikkelen we wat bekend staat als een besturingssysteem voor cyberfysieke productie,” zei Ferreira. “In een ander project werken we met Caterpillar en Missouri Science and Technology om de variabiliteit van freesprocessen te verminderen. En in een derde project ontwikkelen we een framework voor onzekerheidskwantificering en onzekerheidsreductie in drukgieterij-processen.”

In het geval van het cyberfysieke besturingssysteemproject, zei Ferreira dat de groep maar ongeveer een jaar in het onderzoek zit, maar de leiders hebben al begonnen anderen te vragen hun werktuigmachines mee te brengen om mee te werken met het besturingssysteem.

Samenwerken met de industrie levert immens op in het vooruitbrengen van onderzoek en het brengen van nieuwe technologieën naar de markt. “We werken met industriële partners, zoals Caterpillar en anderen, op zoveel niveaus,” zei Ferreira, met verwijzing naar de grote bijdragen van eerdere onderzoekers bij UIUC, zoals B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam, en meer recent, Shiv Kapoor. “Ze creëerden dingen die breed in de industrie werden gebruikt, tastbare modellen van freesprocessen die de industrie daadwerkelijk kon toepassen en gebruiken om te bepalen welke krachten te verwachten waren tijdens frezen en hoe verschillende fouten zich zouden manifesteren door de procesmechanica tot het oppervlakteafwerk.”

Veel van het universitair onderzoek begon met het oplossen van problemen die door automobielleveranciers en OEM's werden tegengehouden. “We begonnen het werk met Ford, GM, en hun leveranciers,” zei hij. “We hebben ook Caterpillar, John Deere, en dan de werktuigmachinebouwers, heel vroeg werkend met Ingersoll, de freesmachine-maatschappij, DMG Mori en anderen.”

Ongeveer 12 jaar liep de UIUC-afdeling ook een centrum gericht op frezen en werktuigmachinesystemen. Ferreira was directeur van de Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems-NSF Nanoscale Science and Engineering Center (Nano-CEMMS), van 2003-2010, en is momenteel een affiliate van het Micro-Nanotechnology Laboratory bij UIUC.

“We zijn overgegaan van daar naar de micro- en nano-productietijdperk, waar Illinois een leider is geweest,” zei Ferreira. “We hadden een tamelijk groot centrum dat specifiek uitging om alle productie op nanoschaal te definiëren, en we brachten veel processen terug naar micromachining, microvorming en micro-EDM.”

—Senior Editor Patrick Waurzyniak

Tech Papers uit SME Journals en Manufacturing Letters

Deze samenvatten, uittreksels en weblinks stammen 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 worden.

Chatter Vermijding bij Robotfrezen

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

Op dit moment worden grote luchtvaartstructuren gefreesd met grote multiaxiale CNC-freescentra. In vergelijking heeft frezen met een multiaxiale, gelenkige robotarm verschillende voordelen vanwege de lagere kosten en veelzijdigheid. De lage stijfheid van een gelenkige armrobot geeft echter aanleiding tot ernstige lage-frequentie mode-koppeling chatter tijdens bewerking.

Eerdere studies hebben aangetoond dat dergelijke chatter onderdrukt kan worden door de hoek tussen de gemiddelde resulterende snijkrachtrichting en de richting van de maximale hoofdstijfheid van de robot te minimaliseren. Deze benadering beperkt het bereik van toelaatbare robotbeweging, en daarmee zijn flexibiliteit van gebruik. Dit paper presenteert een nieuwe methode voor het vermijden van mode-koppeling chatter in robotfrezen met behulp van het Conservative Congruence Transformation (CCT) stijfheidsmodel, dat niet vereist de voedingsrichting van het gereedschap of de werkstukoriëntatie te veranderen. Robotfreexperimenten tonen aan dat mode-koppeling chatter aanzienlijk wordt verminderd bij gebruik van deze benadering.

Freesen van grote vliegtuigonderdelen wordt routinematig uitgevoerd met grote en dure CNC-freescentra die zeer stijf en nauwkeurig zijn. Deze werktuigmachines nemen vaak een grote werkruimte op de fabriekvloer in beslag. In tegenstelling biedt een multiaxiale gelenkige arm-gebaseerd robotfreesysteem een hoge mate van flexibiliteit voor bewerking van grote vliegtuigonderdelen. Eerder werk heeft aangetoond dat, vergeleken met industriële CNC-freescentra, robotfreesystemen de productiewerkruimte-eisen met 40% kunnen verminderen en tegelijkertijd meer flexibiliteit bieden. Robotfrezen is ook meer geschikt in gevaarlijke omgevingen. Toch worden praktische toepassingen van gelenkige armrobots vaak beperkt tot lage-krachttoepassingen zoals materiaalhandling, assemblage, lassen en afgraten.

Afwerkfrezen van Ti-6AL-4V met Verstuiving-gebaseerd Koelvloeistof-systeem

Nieuwe verstuivings-koelvloeistof-spraysystemen houden potentiële verbetering in voor ruwfrezen van titanium, wat besproken wordt in het paper, “Finish turning of Ti-6Al-4V with the atomization-based cutting fluid (ACF) spray system,” door auteurs Chandra Nath en Shiv G. Kapoor van de Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL), en Anil K. Srivastava van de University of 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 productie-industrieën, vooral bij lastige materialen zoals titanium. Koel- en smeringseffecten geboden door het bijbehorende metaalbewerkingsvloeistof-toepassingssysteem spelen een vitale rol bij het bepalen van deze factoren, vooral tijdens afwerksnijden. Onlangs heeft het ACF-spraysysteem veelbelovende koel- en smeringseffecten getoond tijdens ruwfrezen van titanium op macro-schaal, maar is nog niet onderzocht tijdens afwerksnijden (bijv. snijdiepte en voeding 0,2 mm of lager).

Deze paper bestudeert het effect van het ACF-spraysysteem op de bewerkingsprestaties tijdens afwerkfrezen van Ti-6Al-4V. In de eerste set experimenten worden twee sproeiparameters (viz., gasnelheid en stroomsnelheid) en snijparameters (viz., snijsnelheid, voeding en snijdiepte) gevarieerd om de meest geschikte toestand voor toepassing van het ACF-spraysysteem te selecteren. Bewerkingsoutputs worden geëvalueerd in termen van neusslijtage, snijtemperatuur, oppervlakteruwigheid, roundheid-fout, chip-morfologie en deelhoogte. Een afzonderlijke set experimenten wordt vervolgens uitgevoerd om de prestaties van het ACF-spraysysteem te vergelijken met gecomprimeerde lucht (droog) en vloekoelingscondities. Er wordt gevonden dat, zelfs bij een lagere vloeistofstroomsnelheid van 1,5 mL/min (10% volume) bij een lagere gasnelheid, het spraysysteem de andere twee koelcondities uitpresteert, wat de prestaties van een milieuvriendelijk productieproces verder verbetert.

Modellering van Herwinning van Zeldzame-aarde Magneten

In hun paper, “Modeling operation and inventory for rare earth permanent magnet recovery under supply and demand uncertainties,” bespreken 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, de factoren die betrekking hebben op voorraadsstrategieën met behulp van modelleringssimulaties.

Zeldzame-aarde permanentmagneten (REPMs) spelen een essentiële rol in diverse toepassingen, zoals hernieuwbare energieproductie en luchtvaart- en defensiegerelateerde producten. Zeldzame-aarde elementen (REEs) zoals neodymium en dysprosium worden gebruikt in REPMs, en de voorraad van deze REEs heeft volatiliteit ervaren. Om dit risico te mitigeren, kunnen REEs herwonnen worden uit end-of-life (EOL) producten zoals computer harde schijven (HDDs).

Deze paper ontwikkelt een operatie- en voorraadsmanagementstrategie om de winstgevendheid te verkennen onder onzekere marktvoorwaarden en met wisselende waarden waarvan de vraag ook significante onzekerheden kent. Het paper verschijnt in de januari 2018-uitgave, Vol. 46, van het Journal of Manufacturing Systems, en is beschikbaar op https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437.

TechFront is geëdit door Senior Editor Patrick Waurzyniak.