Der praktische Ansatz der UNCC zur Fertigungsforschung

Ab diesem Monat hat TechFront ein neues Format, das Fertigungsforschungsprogramme an wichtigen Universitäten in den Mittelpunkt rückt, gefolgt von Zusammenfassungen der jüngsten Forschung im Journal of Manufacturing Systems von SME , Journal of Manufacturing Processes und Manufacturing Letters , alle veröffentlicht von Elsevier Ltd.

Der Universitäts-Schwerpunkt dieses Monats liegt auf der University of North Carolina Charlotte (UNCC). Manufacturing Engineering interviewte die UNCC-Professoren Tony L. Schmitz und Chris Evans über den Umfang der Fertigungsausbildungs- und Forschungsprogramme der UNCC für Grund- und Hochschulabsolventen.

Bei UNCC liegt der Schwerpunkt darauf, dass Studenten praktische Erfahrungen in der Fertigung in der Fertigung von Studenten und Hochschulabsolventen sammeln. Das William States Lee College of Engineering der städtischen Universität in der Stadt Charlotte, im Herzen des NASCAR-Landes, umfasst die Forschung des Center for Precision Metrology, des Center for Freeform Optics und des Siemens Large Manufacturing Solutions Laboratory in der Energieerzeugung und Infrastrukturzentrum (EPIC).

„Das Center for Precision Metrology ist das älteste Forschungszentrum hier auf dem Campus“, sagte Chris Evans, Professor für Maschinenbau und Direktor des Center for Precision Metrology (siehe https://cpm.uncc.edu/). „Wir unterstützen die Ausbildung, sowohl für Hochschulabsolventen als auch für Studenten, aber insbesondere für Hochschulabsolventen, bei denen wir über einen Zyklus von zwei Jahren etwa 15 Kurse zu Aspekten der Metrologie, Fertigung und Konstruktion von Präzisionsmaschinen anbieten. Sie werden alle von der Fakultät entweder in Maschinenbau oder optischer Wissenschaftstechnik unterrichtet, da die Zentren multidisziplinär sind.“

Das Zentrum für Präzisionsmetrologie verfügt über ein hochmodernes Labor für dimensionale Messtechnik mit Geräten von Zulieferern wie Hexagon Metrology und unterstützt die Fakultätsforschung in Messtechnik und Fertigung. „Ich denke, wir haben die beste Metrologie-Einrichtung aller Universitäten in den USA“, sagte Evans. Zusätzlich zu seinem interdisziplinären Ansatz arbeitet UNCC mit der Industrie zusammen und verfügt über ein Industriepartnerprogramm, das Unternehmen wie Caterpillar, Cummins und Intel umfasst.

„Die [angeschlossenen] Mitglieder kommen auf den Campus, um Präsentationen von Studenten zu sehen, die wettbewerbsfähige, industriell betriebene Forschungsentwicklungsprogramme durchführen, die von den angegliederten Organisationen selbst ausgewählt wurden“, fügte Evans hinzu, „also finanzieren die Gebühren, die sie als Mitglied zahlen, im Grunde die Studenten. Das ist ein hervorragendes Outreach-Programm, um unsere Studenten für potenzielle Arbeitgeber sichtbar zu machen.“

Werkstatt, kollaborativer Fokus

Praktisches Training ist ein Schwerpunkt bei UNCC. „Ich bin stolz ein Mensch mit schmutzigen Fingernägeln“, sagte Evans. „Jeder unserer Maschinenbau-Studenten im zweiten Studienjahr muss einen Kurs zu Fertigungssystemen belegen, der sowohl ihre erste Designerfahrung als auch den Gang in die Werkstatt umfasst.“

Diese Erfahrung zeigt UNCC-Studenten, wie man manuelle Werkzeugmaschinen bedient, und sie müssen nach einer Reihe von Drucken bauen, die vollständig mit GD &T für einen Einzylinder-Luftmotor ohne Dichtung toleriert sind, der laufen muss, damit sie den Kurs bestehen, Evans sagte. „Sie lernen früh in ihrer Karriere, dass sie sich die Hände schmutzig machen und echte Dinge tun müssen, nicht nur Simulationen“, fügte er hinzu. „Sie lernen die Bedeutung von Toleranzen.“

Der UNCC-Campus mit 29.000 Studenten hat mehr als 1.000 Studenten im Maschinenbauprogramm, das jährlich um etwa 8 % wächst, sagte Evans.

Im Siemens Energy Large Manufacturing Solutions Laboratory der UNCC unter der Leitung von Professor John Ziegert wird an Messgeräten geforscht, die mit einem Zuschuss von 2 Millionen US-Dollar von Siemens Energy erworben wurden. Das Herzstück des Labors, das sich in der EPIC-Einheit befindet, ist ein Leitz PMM-F 30-20-16 CMM, das große, schwere Komponenten mit sehr komplexer Geometrie aufnehmen und schnell jede Dimension, jeden Winkel und jeden Radius mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern messen kann. Das CMM wurde von Hexagon, einem aktiven Partner im Siemens-Labor, gespendet und ist in einer speziell entwickelten Klimakammer untergebracht, die die Temperatur auf 20 ±0,5 °C regelt. Darüber hinaus verfügt das Labor über drei Lasertracker und Zugang zu einem KMG mit Gelenkarm.

Die Bereitstellung praktischer Erfahrung sowie der Kontakt zu wichtigen Industrieführern zahlt sich für Studenten aus, die an den Fertigungsprogrammen der UNCC teilnehmen. „Sie haben im Allgemeinen mehr als ein Angebot, insbesondere unsere einheimischen Studenten“, sagte Tony Schmitz, FSME, UNCC Associate Chair für Graduiertenprogramme und Professor für Maschinenbau und Ingenieurwissenschaften.

Weitere Vorteile liegen in der intensiven Zusammenarbeit der Universität mit anderen Fertigungsforschungseinrichtungen. Das Center for Freeform Optics (https://centerfreeformoptics.org/) ist eine Zusammenarbeit zwischen UNCC und der University of Rochester. UNCC arbeitet auch an einer innerstaatlichen Zusammenarbeit zur Förderung der Wissenschaft der additiven Metallherstellung mit der NC State University (Raleigh) und an einer weiteren zur Pulvermetallurgie mit UNC Greensboro.

„Eine Sache, die ich an Charlotte mag, ist, dass Zusammenarbeit in der Luft liegt. Wir sind intern nicht wettbewerbsfähig“, sagte Evans. Das sei wichtig, fügte Schmitz hinzu. „Viele der Fakultäten dieser Abteilung waren an anderen Universitäten tätig und hatten andere Erfahrungen, an nationalen Labors und so weiter“, sagte Schmitz. „Nach all meinen Erfahrungen ist dies das kollegialste Umfeld für eine Forschungsorganisation, das ich beobachtet habe. Ich sage gerne:‚Wir haben Erwachsene, die hier arbeiten.‘“

Spitzenforschung

Forscher der UNCC-Fakultät sind an laufenden Fertigungsforschungsprogrammen beteiligt, einschließlich der Arbeit am Center for Freeform Optics an Herstellungsprozessen für diese Optiken auf der Grundlage von Einkristall-Diamantwerkzeugen und Ultrapräzisionsbearbeitung. Ein weiterer Versuch wird von UNCC-Professor Gert Goch geleitet, einem Experten für Zahnradherstellung und Zahnradherstellungsmetrologie, dessen Gruppe kürzlich eine Möglichkeit entwickelt hat, die Flächenbeschreibung von Zahnradzähnen in der Metrologieforschung zu verwenden.

Auf der SOUTH-TEC 2017 in Greenville, SC, gab Schmitz den Teilnehmern einen futuristischen Einblick in das Potenzial der Fertigung. Er wiederholte seinen SME NAMRC-45-Vortrag, basierend auf seiner preisgekrönten Forschung des Blue Sky Competition, die sich darauf konzentrierte, zukünftige Herstellungsanwendungen innerhalb biologischer Prozesse zu finden, die in der Natur vorkommen. Schmitz‘ Vortrag mit dem Titel „Biomimetic Manufacturing“ zeigte, wie biologische Systeme Hinweise auf mögliche zukünftige Fertigungsinnovationen geben können. Seine Arbeit, Gewinner des ersten NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award, benannt nach dem verstorbenen University of California, Berkeley, Professor David Dornfeld, bot einen faszinierenden Einblick, was zukünftige Fertigungsforscher entwickeln können, wenn sie „das Unverschämte in Betracht ziehen“ können offen.

„Wir müssen neue Herausforderungen und Wege gehen“, sagte Schmitz über den Mittelstandswettbewerb Blauer Himmel. „Es gibt ein großes Risiko/eine große Belohnung.“ Schmitz‘ Erläuterung der biomimetischen Herstellung skizzierte, wie die genaue Betrachtung von Bäumen, Sojasprossen, Termiten, Biberzähnen und sogar des Zika-Virus Futuristen Hinweise zur Entwicklung neuer Herstellungsansätze geben kann.

Bei der Untersuchung von Biberzähnen sagte Schmitz zum Beispiel, dass die selbstschärfenden Schneidezähne für das Maul des Bibers irgendwann zu groß werden würden, wenn er sein ständiges Kauen einstellen würde. Zu den Fragen von Schmitz gehörten:„Können wir uns die Geometrie zunutze machen? Könnte ein Schneidwerkzeug entwickelt werden, das sich anpasst, anstatt den Verschleiß zu minimieren? Könnten anstelle einer neuen Beschichtungsmaterialtechnologie neue Designs mit angemessener Geschwindigkeit „wachsen“? … An der Schnittstelle zwischen Fertigung und Biologie gibt es viele Forschungsmöglichkeiten.“

—Chefredakteur Patrick Waurzyniak

Tech Papers aus KMU-Journalen und Manufacturing Letters

Diese Zusammenfassungen, Auszüge und Weblinks stammen aus kürzlich im SME Journal of Manufacturing Systems veröffentlichten Artikeln , Journal of Manufacturing Processes , und Manufacturing Letters , die von Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) gedruckt und hier mit Genehmigung verwendet werden.

Verbindung von Aluminiumblech mit Magnesiumguss

Die Autoren Bert Liu, Anupam Vivek und Glenn S. Daehn vom Department of Materials Science and Engineering schreiben in ihrem Artikel „Joining sheet aluminium AA6061-T4 to cast Magnesium AM60B by vaporizing foil actuator Welding:Input energy, interface, and strength“. an der Ohio State University (Columbus), untersuchte Techniken zum erfolgreichen Schweißen von Aluminium an Magnesiumguss, um Autoherstellern bei ihrer Suche nach immer leichteren Automobilplattformen zu helfen, die eine höhere Kraftstoffeffizienz erreichen. Das Papier, das im Journal of Manufacturing Processes erscheint , Bd. Dezember 2017, ist verfügbar unter http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

Die unterschiedliche Verbindung von Aluminiumblech AA6061-T4 mit gegossenem Magnesium AM60B wurde durch Verdampfungsfolien-Aktuatorschweißen (VFAW) erreicht. Es wurden drei Eingangsenergieniveaus verwendet (6, 8 und 10 kJ), und tendenziell führten höhere Eingangsenergien zu fortschreitend höheren Flyergeschwindigkeiten, ausgeprägteren welligen Grenzflächenmerkmalen, größeren Schweißzonen, höheren Schälfestigkeiten und höheren Schälenergien. In allen Fällen zeigte der Schweißnahtquerschnitt eine solide gebundene Grenzfläche, die durch gut entwickelte wellige Merkmale und das Fehlen von Hohlräumen und kontinuierlichen Schichten intermetallischer Verbindungen (IMCs) gekennzeichnet war. Bei 10 kJ Eingangsenergie wurden eine Flügelgeschwindigkeit von 820 m/s, eine Schälfestigkeit von 22,4 N/mm und eine Schälenergie von 5,2 J erhalten.

Bei Überlappungsscherung trat ein Versagen im AA6061-T4-Flyer bei 97 % der Spitzenzugbelastung des Grundmaterials auf. Schälproben versagten entlang der Schweißschnittstelle, und die AM60B-Seite der Bruchfläche zeigte dünne, gleichmäßig beabstandete Linien von Al-Resten, die auf duktile Weise aus der Basis AA6061-T4 herausgerissen und auf die AM60B-Seite übertragen worden waren. was auf eine sehr starke AA6061-T4/AM60B-Bindung in diesen Bereichen hinweist. Diese Arbeit demonstriert die Fähigkeit von VFAW, unterschiedliche Leichtmetalle wie Al/Mg zu verbinden.

Modellierung der Geometrie abgenutzter Oberflächen für die Reparatur von Triebwerksschaufeln

In Band 15 der Manufacturing Letters für Januar 2018 schreiben die Autoren Xinchang Zhang, Wei Li und Frank Liou vom Department of Mechanical and Aerospace Engineering der Missouri University of Science and Technology (Rolla, MO) über die Verwendung von Modellen zur Reparatur beschädigter Turbinentriebwerksschaufeln durch direkte Metallabscheidung. Ihr Artikel „Modeling of weared surface geometry for engine blade repair using Laser-aided Direct Metal Deposition process“ ist verfügbar unter http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

Die Triebwerksschaufelreparatur erfordert das Erhalten des verschlissenen Bereichs und das Erzeugen des entsprechenden Werkzeugwegs für die Abscheidung. In diesem Artikel wurde ein automatisiertes Verfahren zur Modellierung abgenutzter Oberflächen vorgeschlagen, um das fehlende Volumen beschädigter Schaufeln wiederzugewinnen. Reverse Engineering wurde verwendet, um Modelle von Schaufeln zu rekonstruieren. Das rekonstruierte beschädigte Modell war am besten an das nominale Modell angepasst. Die Querschnittsflächenvergleichsmethode wurde verwendet, um die beschädigten Schichten zu erkennen. Das Ray-Casting-Verfahren wurde angewendet, um die beschädigten Schichten zu schneiden und das fehlende Volumen zu extrahieren. Der Werkzeugweg wurde generiert und ein Reparaturexperiment mit lasergestützter direkter Metallabscheidung durchgeführt, um die vorgeschlagene Methode zu validieren.

Zwei Ansätze zur Dünnrippenbearbeitung

In „Analytical Solutions for Fixed-Free Beam Dynamics in Thin Rib Machining“ stellen die Autoren Tony L. Schmitz und Andrew Honeycutt vom UNC Charlotte Department of Mechanical Engineering and Engineering Science zwei unterschiedliche Analyseansätze zur Vorhersage von Thin-Rib, Fixed-Free Beam vor Dynamik mit unterschiedlichen Geometrien. Dieses Journal of Manufacturing Processes , Band 30, Papier vom Dezember 2017, ist verfügbar unter http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.

Der erste Ansatz verwendet das Rayleigh-Verfahren zur Bestimmung der effektiven Masse für den Grundbiegemodus der Träger mit abgestufter Dicke und das Castigliano-Theorem zur Berechnung der Steifigkeit sowohl am freien Ende des Trägers als auch bei der Änderung der Dicke. Das zweite Verfahren verwendet die Receptance Coupling Substructure Analysis (RCSA), um die Strahlrezeptionen (oder Frequenzgangfunktionen) an denselben beiden Stellen vorherzusagen, indem die Rezeptionen, die die einzelnen abgestuften Balkenabschnitte beschreiben, starr verbunden werden, wobei die Rezeptionen aus dem Timoshenko-Balkenmodell abgeleitet werden.

Vergleiche mit Finite-Elemente-Berechnungen werden durchgeführt, um die beiden Techniken zu verifizieren. Es wird beobachtet, dass die RCSA-Vorhersagen besser mit den Finite-Elemente-Ergebnissen übereinstimmen. Es werden auch Experimente durchgeführt, bei denen die Dicke des abgestuften Balkens durch mehrere Bearbeitungsdurchgänge geändert wird, und zwischen den Durchgängen werden Empfangsmessungen durchgeführt. Die RCSA-Vorhersagen werden mit Versuchsergebnissen für Eigenfrequenz und Steifigkeit verglichen. Es wird eine Übereinstimmung in der natürlichen Frequenz innerhalb weniger Prozent gemeldet.

Lean-Prinzipien beschleunigen Plutoniumversorgungsprozess

Die Autoren Tomcy Thomas, Steven R. Sherman und Rapinder S. Sawhney vom Department of Industrial and Systems Engineering, University of Tennessee ( Knoxville) und die Radiochemical Science and Engineering Group, Nuclear Security and Isotope Technology Division, Oak Ridge National Laboratory (ORNL; Oak Ridge, TN), skizzieren, wie schlanke Prozesse den Pu238-Lieferprozess beschleunigen können. Das Papier erscheint im Januar 2018, Band 46 des Journal of Manufacturing Systems , und ist verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

Das Pu-238-Versorgungsprojekt des US-Energieministeriums zielt darauf ab, die US-Kapazität zur Produktion von Pu238 im Kilogramm-Maßstab wieder aufzubauen. Dieses Radioisotop wird von der NASA verwendet, um Weltraumsonden mit Energie zu versorgen, und die Versorgung schwindet. Es wurde zuletzt 1988 in den USA hergestellt. Ein konzeptionelles Design eines Pu238-Versorgungsprozesses wird unter Verwendung bestehender Prozesse und Einrichtungen im Radiochemical Engineering Development Center des ORNL beschrieben.

Der ratenbegrenzende Abschnitt des konzeptionellen Prozesses wurde mithilfe einer Systemsimulation mit diskreten Ereignissen analysiert, um erwartete Produktionsraten, Engpässe und die Auswirkungen von Zeitverzögerungen auf die Produktionsrate zu bestimmen. Prozessalternativen wurden basierend auf Lean-Manufacturing-Prinzipien generiert und diese wurden untersucht und mit dem ursprünglichen Prozess unter Verwendung von Simulationen verglichen, um bessere Betriebsstrategien zu identifizieren.

TechFront wird von Senior Editor Patrick Waurzyniak herausgegeben.