Das berühmte UIUC-Engineering-Programm bewältigt schwierige Fertigungsprobleme

Die University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL) hat eine lange, bemerkenswerte Geschichte und Tradition in den Bereichen Maschinenbau und angewandte Ingenieurwissenschaften, und die Universität wird bald die Eröffnung einer seit langem geplanten, mehrere Millionen Dollar teuren Erweiterung feiern zu seinem Gebäude für mechanische Wissenschaft und Technik (MechSE).

Die UIUC war die Heimat vieler bemerkenswerter Alumni, die sich als Unternehmer hervorgetan haben und Unternehmen wie Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube und Tesla Motors gegründet haben, um nur einige zu nennen.

Als Teil des Facelifts umfasst das Transform MEB-Programm (Mechanical Engineering Building) der UIUC eine Spende in Höhe von 12 Millionen US-Dollar von Alumnus Sidney Lu (BSME '81), Vorsitzender und CEO des Computer- und Smartphone-Herstellers Foxconn Interconnect (Taiwan), der Apple iPads baut und iPhones.

Der Anbau im Ostflügel wird als Lu Center for Learning and Innovation bekannt sein. Dieses Projekt umfasst einen fünfstöckigen Anbau im Osten des MEB, einen einstöckigen Anbau im Norden und 66.000 ft² (20.117 m²) bestehender Flächen, die neu konzipiert, umgestaltet und für Bildung, Innovation und optimiert wurden Gemeinschaft gemäß UIUC.

Neben der Erweiterung gab UIUC MechSE im Oktober 2017 bekannt, dass die Universität von der National Science Foundation ein Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) erhalten hat, wobei das Zentrum durch einen sechsjährigen Zuschuss in Höhe von 15,6 Millionen US-Dollar unterstützt wird, der sich auf neue Nanomaterialien konzentriert. Dieser Ankündigung folgte die Vergabe der NSF an die UIUC in Höhe von 18,5 Millionen US-Dollar für ein neues NSF Engineering Research Center unter der Leitung von MechSE-Professor Andrew Alleyne. Dieses Zentrum mit dem Namen Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS) konzentriert sich auf die thermischen und elektrischen Herausforderungen rund um mobile Elektronik und Fahrzeugdesign als ein einziges System.

„Wir wollen die Gesamtleistungsdichte in Fahrzeugen um das 10- bis 100-fache steigern. Das würde Milliarden Liter Kraftstoff einsparen und die Reichweite eines Elektroautos fast verdoppeln“, sagte Alleyne, Ralph &Catherine Fisher Professor in MechSE, in einer Erklärung. „Heutige elektrische Technologien sind am thermischen Limit. Ein Systemansatz ist der einzige Weg, wie wir über den aktuellen Stand der Technik hinausgehen können.“

In einer kürzlich geführten Diskussion mit Manufacturing Engineering beschrieben Matthew Ferreira von der UIUC, Julia Lu-Professor Tungchao und ehemaliger MechSE-Abteilungsleiter, und Shiv Gopal Kapoor, Grayce-Wicall-Gauthier-Lehrstuhlinhaber und Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen, das breite Spektrum der Forschung bei die Abteilung.

„Wir heißen MechSE, für Mechanical Science and Engineering, weil sich vor einiger Zeit die Abteilung für Maschinenbau und die Abteilung für theoretische und angewandte Mechanik zusammengeschlossen haben“, sagte Ferreira. „Die Abteilung umfasst mechanische Wissenschaften und Maschinenbau und reicht von den grundlegenderen – den theoretischen Grundlagen für den Maschinenbau wie Mechanik, Transportphänomene, Festkörpermechanik, Strömungsmechanik, Steuerungstheorie, Kinematik, Dynamik – bis hin zu eher angewandten Bereichen wie Verbrennungsmotoren , Mechatronik, Klimatisierung und Kühlung, Robotik, Fertigungsprozesse, Fertigungssysteme, Biomechanik und Materialverhalten.

„Es ist eine sehr breite Gruppe, und in diesem Ökosystem der mechanischen Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften spielt die Fertigung eine ziemlich wichtige Rolle, sowohl in Bezug auf die Aspekte der Herstellungsprozesse als auch der Aspekte der Fertigungssysteme“, fuhr Ferreira fort. „Wir greifen auf das theoretische Know-how innerhalb der Abteilung zu Themen wie Festkörpermechanik, Erstarrungsprozesse in Bezug auf Dynamik und Regelung zurück. Wir bringen diese Dinge in Modellierungs- oder Herstellungsprozesse, die Konstruktion von Werkzeugmaschinen und die Steuerung von Herstellungsprozessen ein. Wir gehen sogar in die Cloud-Fertigung. Wir nehmen die Aspekte der Computerwissenschaften und steigen in die Simulation von Fertigungsprozessen ein.“

Dieser breite Ansatz nutzt das Fachwissen der Abteilung, das verschiedene Fertigungsdisziplinen umfasst, wie etwa Computational Fluid Dynamics für die Prozessmodellierung und -simulation, fügte Ferreira hinzu. „[Dies hilft uns], das Materialverhalten zu verstehen, wenn wir beispielsweise den Bearbeitungsprozess betrachten, und auch, wohin wir uns in diesen Bereichen in der Cloud der Fertigungssysteme bewegen; wir nennen es Cyber-Systeme.“

Cloud und cyberphysische Fertigungsfortschritte

Mit der Geschichte der UIUC in Bezug auf Computerforschung und Simulationsressourcen kann die Abteilung die Verfügbarkeit von Supercomputerleistung nutzen, die sich sowohl auf dem Universitätscampus als auch anderswo in den USA befindet. Die Universität beherbergt das National Center for Supercomputing Applications (NCSA), das Mosaic, den ersten grafischen Webbrowser, entwickelt hat.

„Wenn Sie nach Illinois kommen, erkennen Sie, dass es mit seiner Geschichte einen sehr langen Beitrag zur Fertigung von Forschern geleistet hat, die die ersten Analysen der thermischen Aspekte bei der Bearbeitung durchgeführt haben“, sagte Kapoor und wies auf die Bedeutung solcher Experimente an Schneidwerkzeugen und anderen hin die thermische Wissenschaft des Bearbeitungsprozesses. Kapoor, Chefredakteur des Journal of Manufacturing Processes , Ferreira und andere Professoren der Northwestern University (Evanston, IL) haben drei laufende Projekte mit dem Digital Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII; Chicago) in den UI Labs.

„In einem Projekt entwickeln wir ein sogenanntes Betriebssystem für die cyberphysische Fertigung“, sagte Ferreira. „In einem anderen Projekt arbeiten wir mit Caterpillar und Missouri Science and Technology zusammen, um die Variabilität von Bearbeitungsprozessen zu reduzieren. Und dann entwickeln wir in einem dritten Projekt einen Rahmen zur Unsicherheitsquantifizierung und Unsicherheitsreduzierung in Druckgussprozessen.“

Im Fall des cyberphysischen Betriebssystemprojekts sagte Ferreira, dass die Gruppe erst etwa ein Jahr in der Forschung ist, aber ihre Leiter haben begonnen, andere zu bitten, ihre Werkzeugmaschinen einzubringen, um mit dem Betriebssystem zu arbeiten.

Die Zusammenarbeit mit der Industrie zahlt sich immens aus, um die Forschung voranzutreiben und neue Technologien auf den Markt zu bringen. „Wir arbeiten auf so vielen Ebenen mit Industriepartnern wie Caterpillar und anderen zusammen“, sagte Ferreira und verwies auf die wichtigsten Beiträge früherer Forscher am UIUC, wie B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam und in jüngerer Zeit Shiv Kapoor. „Sie schufen Dinge, die in der Industrie weit verbreitet waren, greifbare Modelle von Bearbeitungsprozessen, die die Industrie tatsächlich anwenden und nutzen konnte, und versuchten herauszufinden, welche Kräfte während der Bearbeitung zu erwarten waren und wie sich verschiedene Fehler durch die Prozessmechanik der Oberflächenbeschaffenheit aussetzen würden. ”

Ein Großteil der universitären Forschung begann mit der Lösung von Problemen, mit denen Automobilzulieferer und OEMs konfrontiert waren. „Wir haben die Arbeit mit Ford, GM und ihren Zulieferern begonnen“, sagte er. „Wir haben auch Caterpillar, John Deere und dann die Werkzeugmaschinenhersteller, die sehr früh mit Ingersoll, dem Fräsmaschinenhersteller, DMG Mori und anderen zusammengearbeitet haben.“

Etwa 12 Jahre lang betrieb die UIUC-Abteilung auch ein Zentrum, das sich auf Zerspanung und Werkzeugmaschinensysteme konzentrierte. Ferreira war von 2003 bis 2010 Direktor des Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems-NSF Nanoscale Science and Engineering Center (Nano-CEMMS) und ist derzeit ein Partner des Micro-Nanotechnology Laboratory an der UIUC.

„Wir sind von dort in die Ära der Mikro- und Nanoherstellung übergegangen, in der Illinois führend war“, sagte Ferreira. „Wir hatten ein ziemlich großes Zentrum, das sich speziell zum Ziel gesetzt hatte, die gesamte Fertigung im Nanomaßstab zu definieren, und wir haben viele Prozesse auf Mikrobearbeitung, Mikroformung und Mikro-EDM reduziert.“

—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.

Rattervermeidung beim Roboterfräsen

Lejun Cen und Shreyes N. Melkote von der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology (Atlanta), untersuchen in ihrem Artikel „CCT-basierte Modenkopplungsrattervermeidung beim Roboterfräsen“ Probleme mit durch Roboter erzeugtem Rattern Mahlen. Ihre Arbeit, die in Band 29 des Journal of Manufacturing Processes veröffentlicht wurde , ist verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035.

Derzeit werden große Luft- und Raumfahrtstrukturen mit großen mehrachsigen CNC-Bearbeitungszentren bearbeitet. Im Vergleich dazu hat das Fräsen mit einem Robotergelenkarm mit mehreren Freiheitsgraden (DOF) aufgrund seiner geringeren Kosten und Vielseitigkeit mehrere Vorteile. Die geringe Steifheit eines Gelenkarmroboters führt jedoch während der Bearbeitung zu starkem Kopplungsrattern im Niederfrequenzmodus.

Frühere Studien haben gezeigt, dass ein solches Rattern unterdrückt werden kann, indem der Winkel zwischen der Richtung der durchschnittlichen resultierenden Schneidkraft und der Richtung der maximalen Hauptsteifigkeit des Roboters minimiert wird. Dieser Ansatz schränkt den Bereich der zulässigen Roboterbewegung und damit seine Einsatzflexibilität ein. Dieser Beitrag stellt eine neue Methode zur Vermeidung von Modenkopplungsrattern beim Roboterfräsen unter Verwendung des Steifigkeitsmodells Conservative Congruence Transformation (CCT) vor, das keine Änderung der Werkzeugvorschubrichtung oder der Werkstückorientierung erfordert. Roboterfräsexperimente zeigen, dass Modenkopplungsrattern bei Verwendung dieses Ansatzes erheblich reduziert wird.

Das Fräsen großer Flugzeugteile wird routinemäßig unter Verwendung großer und teurer CNC-Bearbeitungszentren durchgeführt, die sehr starr und genau sind. Diese Werkzeugmaschinen nehmen oft einen großen Arbeitsbereich in der Fabrikhalle ein. Im Gegensatz dazu bietet ein mehrachsiges Gelenkarm-basiertes Roboter-Frässystem ein hohes Maß an Flexibilität für die Bearbeitung großer Flugzeugteile. Frühere Arbeiten haben gezeigt, dass Roboter-Frässysteme im Vergleich zu industriellen CNC-Bearbeitungszentren den Platzbedarf in der Produktion um 40 % reduzieren und gleichzeitig eine größere Flexibilität bieten können. Roboterfräsen ist auch besser geeignet in gefährlichen Umgebungen. Praktische Anwendungen von Knickarmrobotern beschränken sich jedoch oft auf Anwendungen mit geringer Kraft wie Materialhandhabung, Montage, Schweißen und Entgraten.

Finish Turning Ti-6AL-4V mit Schneidflüssigkeit auf Zerstäubungsbasis

Neue Zerstäubungs-Schneidflüssigkeits-Sprühsysteme haben das Potenzial, das Schruppdrehen von Titan zu verbessern, was in dem Artikel „Finish Turning of Ti-6Al-4V with the Atomization-Based Cutting Fluid (ACF) Spray System“ von den Autoren Chandra Nath und diskutiert wird Shiv G. Kapoor vom Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL) und Anil K. Srivastava von der University of Texas Rio Grande Valley (Edinburg, TX). Der Artikel, veröffentlicht in Band 28 des Journal of Manufacturing Processes , ist verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020.

Produktqualität und Produktivität sind wichtige Faktoren in der Fertigungsindustrie, insbesondere wenn es um schwerfällige Materialien wie Titan geht. Die Kühl- und Schmierwirkung des zugehörigen Kühlschmierstoff-Auftragssystems spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung dieser Faktoren, insbesondere beim Fertigschneiden. Kürzlich hat das ACF-Sprühsystem vielversprechende Kühl- und Schmiereffekte beim Schruppdrehen von Titan im Makromaßstab gezeigt, muss aber beim Fertigschneiden noch untersucht werden (z. B. Schnitttiefe und Vorschubgeschwindigkeit 0,2 mm oder weniger). P>

Dieses Papier zielt darauf ab, die Wirkung des ACF-Sprühsystems auf die Bearbeitungsleistung beim Fertigdrehen von Ti-6Al-4V zu untersuchen. In der ersten Reihe von Experimenten werden zwei Sprühparameter (nämlich Gasgeschwindigkeit und Strömungsrate) und Schneidparameter (nämlich Schneidgeschwindigkeit, Vorschubrate und Schnittiefe) variiert, um die am besten geeigneten Bedingungen für die Anwendung auszuwählen ACF-Sprühsystem. Die Bearbeitungsergebnisse werden in Bezug auf Nasenverschleiß, Schnitttemperatur, Oberflächenrauheit, Rundheitsfehler, Spanmorphologie und Teilehärte bewertet. Anschließend wird eine separate Reihe von Experimenten durchgeführt, um die Leistung des ACF-Sprühsystems gegenüber Druckluft (trocken) und Kühlmittelflutbedingungen zu vergleichen. Es hat sich herausgestellt, dass das Sprühsystem selbst bei einer niedrigeren Flüssigkeitsdurchflussrate von 1,5 ml/min (10 % Volumen) bei einer niedrigeren Gasgeschwindigkeit die anderen beiden Kühlmittelbedingungen übertrifft, wodurch die Leistung eines umweltfreundlichen Herstellungsprozesses weiter verbessert wird .

Modellierung der Rückgewinnung von Seltenerdmagneten

In ihrem Artikel „Modeling operation and Inventory for rare Earth Permanent Magnet Recovery under Supply and Demand Uncertainties“ haben die Autoren Hongyue Jin und Yuehwern Yih von Industrial Engineering, Purdue University (West Lafayette, IN) und John W. Sutherland von Environmental and Ecological Engineering bei Purdue, erörtern Sie die Faktoren, die Bestandsstrategien mit Modellierungssimulationen betreffen.

Seltenerd-Permanentmagnete (REPMs) spielen eine wesentliche Rolle in verschiedenen Anwendungen, wie z. B. der Erzeugung erneuerbarer Energien sowie Produkten für die Luft- und Raumfahrt und Verteidigung. Seltenerdelemente (REEs) wie Neodym und Dysprosium werden in REPMs verwendet, und das Angebot an diesen REEs war volatil. Um dieses Risiko zu mindern, können REEs aus End-of-Life (EOL)-Produkten wie Computerfestplatten (HDDs) zurückgewonnen werden.

Dieses Papier entwickelt eine Betriebs- und Bestandsverwaltungsstrategie, um die Rentabilität bei unsicherem Marktangebot und mit variierenden Werten zu untersuchen, deren Nachfrage ebenfalls erheblichen Unsicherheiten ausgesetzt ist. Das Papier erscheint in der Ausgabe Januar 2018, Vol. 46, des Journal of Manufacturing Systems , und ist verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437.

TechFront wird von Senior Editor Patrick Waurzyniak herausgegeben.