NAMRI/SME ehrt Durchbrüche in der Fertigungsforschung auf 45. NAMRC-Konferenz

Fertigungsakademiker wurden für ihre Dienste, Beiträge und herausragende Fertigungsforschung während der jährlichen North American Manufacturing Research Conference (NAMRC) geehrt, veranstaltet von der North American Manufacturing Research Institution of SME (NAMRI/SME). Die diesjährige 45. jährliche Veranstaltung wurde von der University of Southern California in Los Angeles ausgerichtet.

Während der jährlichen Preisverleihung wurden 21 Auszeichnungen an Forscher, Studenten und Industrieprofis vergeben. NAMRC ist das führende internationale Forum für angewandte Forschung und industrielle Anwendungen in Fertigung und Design. NAMRI/SME bringt Forscher aus aller Welt zusammen, um die wissenschaftliche Grundlage der diskreten Teilefertigung voranzutreiben.

„Fertigung ist eine Branche außergewöhnlicher Chancen, getrieben von Forschung, die die Grenzen des Möglichen verschiebt“, sagte NAMRI/SME-Präsident Dean Bartles, PhD, FSME. „Die heute Geehrten treiben diese Forschung und unsere Branche in einer Weise voran, die jahrzehntelang einen Unterschied machen wird.“

Die NAMRI/SME-Preisträger 2017 umfassen:

• NAMRI/SME S.M. Wu Research Implementation Award, Ajay Malshe, PhD, University of Arkansas/NanoMech Inc., Springdale, Arkansas.
• NAMRI/SME Outstanding Lifetime Service Award, Neil Duffie, PhD, FSME, CMfgE, PE, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin.

Der NAMRI/SME Outstanding Paper Award wurde für drei Arbeiten verliehen:

• „Adaptive Learning Control for Thermal Error Compensation of 5-Axis Machine Tools“
• „A Virtual Sensing Based Augmented Particle Filter for Tool Condition Prognosis“
• „Highly Removable Water Support for Stereolithography“

Der erstmalige NAMRI/SME David Dornfeld Manufacturing Vision Award und Blue Sky Competition, finanziert von der National Science Foundation, wurde ebenfalls auf der NAMRC verliehen. Der David Dornfeld Manufacturing Vision Award soll wirklich visionäre Konzepte von Forschung und Ausbildung fördern und wird an die beste Präsentation vergeben, wie vom Programmkomitee bestimmt.

„Fertigung macht mehr als drei Viertel aller privaten Forschung und Entwicklung in den USA aus“, sagte Scott Smith, PhD, FSME, Professor an der University of North Carolina-Charlotte und ehemaliger Präsident von NAMRI/SME. „Dieser Wettbewerb sucht das Radikale, Herausfordernde, das die Grenzen dessen verschiebt, was Fertigungs-Zukunft sein kann.“

Finanziert von der National Science Foundation, waren Abstracts für den erstmaligen Wettbewerb Teil eines speziellen „Blue Sky Ideas“-Tracks auf der Konferenz. Einreichungen wurden von einem Komitee danach beurteilt, wie sie bestehende Annahmen in Frage stellen und inwieweit sie die Möglichkeiten und Horizonte des Feldes erweitern.

Der erstmalige NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award ist nach dem verstorbenen Professor der University of California at Berkeley benannt, der als globaler Führer in nachhaltiger Fertigung und Smart Manufacturing galt. Der Preis würdigt herausragende Vision und Führung in der Fertigungsgemeinschaft. „Wir sind geehrt, Professor Dornfeld, einen Fellow und ehemaligen Direktor von SME sowie einen Gründer der NAMRC, für seine Beiträge zur Fertigung zu würdigen“, sagte Smith. „Sein Vermächtnis wird in den zukünftigen Branchenpionieren und dem Engagement fortleben, das sie für den Fortschritt unserer Branche eingehen.“

Der Preis ging an Tony Schmitz, PhD, FSME, University of North Carolina at Charlotte, für seine Präsentation „Biomimetic Manufacturing“. Nächstgeneration-Fertigungsinnovation wird teilweise durch Nachahmung biologischer Systeme in Produktionsumgebungen ermöglicht. In seiner Präsentation skizzierte Schmitz neue Forschung im Bereich biomimetischer Fertigung.

Don Lucca, PhD, FSME, CMfgE, Regents Professor und Herrington Chair in Advanced Materials an der Oklahoma State University, hielt die NAMRI/SME Founders Lecture mit dem Titel „On the Path to Ultraprecision Machining“.

Die NAMRC 46 wird vom 18. bis 22. Juni 2018 an der Texas A&M University in College Station, Texas, stattfinden.

Lasertechnik macht Graphen aus Holz

Ein Wissenschaftlerteam an der Rice University (Houston) hat Holz in einen elektrischen Leiter verwandelt, indem es seine Oberfläche in Graphen umwandelte.

Das Forschungsteam, geleitet von Rice-Chemiker James Tour, nutzte einen Laser, um ein dünnes Film-Muster auf einen Kiefernholzblock zu brennen. Das Muster ist laserinduziertes Graphen (LIG), eine Form des atomdünnen Kohlenstoffmaterials, das 2014 an der Rice entdeckt wurde.

„Es ist eine Vereinigung des Archaischen mit dem neuesten Nanomaterial in einer einzigen Kompositstruktur“, sagte Tour in einer Erklärung. Das Material könnte für biologisch abbaubare Elektronik verwendet werden. Die Entdeckung ist diesen Monat in Advanced Materials detailliert, siehe Webseite https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201702211/full. Frühere Iterationen von LIG wurden durch Erhitzen eines Polyimid-Blatts, eines kostengünstigen Kunststoffs, mit einem Laser hergestellt. Anstatt eines flachen Blatts hexagonaler Kohlenstoffatome ist LIG ein Schaum aus Graphenschichten mit einer Kante, die an der darunterliegenden Oberfläche haftet, und chemisch aktiven Kanten, die der Luft ausgesetzt sind.

Nicht jedes Polyimid würde LIG produzieren, sagte Tour. Das Forschungsteam, geleitet von Rice-Graduierten Ruquan Ye und Yieu Chyan, probierte Birke und Eiche, fand aber, dass Kieferns vernetzte Lignocellulose-Struktur es besser für die Produktion von hochwertigem Graphen geeignet macht als Hölzer mit geringerem Lignin-Gehalt. Lignin ist der komplexe organische Polymer, der starre Zellwände im Holz bildet.

Ye sagte, die Umwandlung von Holz in Graphen eröffne neue Wege für die Synthese von LIG aus Nicht-Polyimid-Materialien. „Für einige Anwendungen, wie dreidimensionales Graphen-Drucken, ist Polyimid möglicherweise kein ideales Substrat“, sagte er. „Zudem ist Holz reichlich und erneuerbar.“

Wie bei Polyimid findet der Prozess mit einem Standard-Industrielaser bei Raumtemperatur und -druck und in einer inerten Argon- oder Wasserstoffatmosphäre statt. Ohne Sauerstoff verbrennt die Laserhitze das Kiefernholz nicht, sondern transformiert die Oberfläche in gefaltete Graphenflocken, die schaumartig an die Holzoberfläche gebunden sind. Die Änderung der Laserleistung veränderte auch die chemische Zusammensetzung und thermische Stabilität des resultierenden LIG. Bei 70 % Leistung erzeugte der Laser die höchste Qualität von „P-LIG“, wobei P für „Kiefer“ steht.

Das Labor ging einen Schritt weiter und wandelte P-LIG in Elektroden zur Wasserspaltung in Wasserstoff und Sauerstoff sowie in Superkondensatoren zur Energiespeicherung um. Für erstere schichteten sie Kobalt und Phosphor oder Nickel und Eisen auf P-LIG auf, um ein Paar Elektrokatalysatoren mit großer Oberfläche herzustellen, die sich als langlebig und effektiv erwiesen.

Das Aufbringen von Polyanilin auf P-LIG verwandelte es in einen energiebewahrenden Superkondensator mit nutzbaren Leistungsmetriken, so Tour. „Es gibt mehr Anwendungen zu erforschen“, sagte Ye. „Zum Beispiel könnten wir P-LIG in die Integration von Solarenergie für Photosynthese einsetzen. Wir glauben, dass diese Entdeckung Wissenschaftler inspirieren wird, darüber nachzudenken, wie wir natürliche Ressourcen in besser funktionierende Materialien umwandeln können.“ Der Prozess würde auch biologisch abbaubare Elektronik schaffen.

Koautoren des Papers sind die Rice-Graduierten Jibo Zhang und Yilun Li; Xiao Han, der eine komplementäre Anstellung an der Rice hat und Graduierter an der Beihang University, Peking, China, ist; und Rice-Forschungwissenschaftler Carter Kittrell. Tour ist T.T. und W.F. Chao Chair in Chemistry sowie Professor für Informatik und Materialwissenschaften und Nanoengineering an der Rice.

Das Air Force Office of Scientific Research Multidisciplinary University Research Initiative und das NSF Nanosystems Engineering Research Center for Nanotechnology-Enabled Water Treatment unterstützten die Forschung.

Neue Nanomaterialien könnten zukünftige elektronische Geräte bauen

Forscher an der University of Chicago und dem Argonne National Laboratory haben eine neue Methode entwickelt, Nanomaterialien zu strukturieren, die helfen könnte, neue elektronische Geräte zu schaffen.

Diese Forschung, veröffentlicht in Science (siehe https://science.sciencemag.org/content/357/6349/385), könnte Wissenschaftlern ermöglichen, diese Materialien leichter für alles von LED-Displays über Handys und Photodetektoren bis hin zu Solarzellen verfügbar zu machen. Während Nanomaterialien für zukünftige Geräte vielversprechend sind, waren die Methoden, sie in komplexe Strukturen zu integrieren, bisher begrenzt und kleinmaßstäblich.

„Das ist ein Schritt, der nötig ist, um Quantenpunkte und viele andere Nanomaterialien von Proof-of-Concept-Experimenten zu echter Technologie zu bringen, die wir nutzen können“, sagte Co-Autor Dmitri Talapin, Professor für Chemie an der University of Chicago und Wissenschaftler am Center for Nanoscale Materials am Argonne, in einer Erklärung. „Es erweitert unseren Horizont wirklich.“

Transistoren, die Grundlage modernen Computens, sind extrem kleine Schalter, die durch einen Prozess namens Photolithographie milliardenfach hergestellt werden. Der Prozess, der Smartphones allgegenwärtig und günstig machte, erstellt eine Schablone aus einer Schicht des organischen Polymers, indem ein gemustertes „Mask“ aufgelegt und mit ultraviolettem Licht belichtet wird. Nachdem das neue Material aufgebracht wurde, wird die Polymerschablone abgehoben, um das Muster freizulegen. Mehrere Runden solchen Patternings bauen einen Miniaturtransistor auf dem Material auf.

Photolithographie hat ihre Grenzen. Nur wenige Materialien können so strukturiert werden. Die Methode wurde ursprünglich für Silizium entwickelt, aber da Siliziums halbes Jahrhundert Herrschaft über die Elektronik ihr Ende naht, schauen Wissenschaftler auf die nächsten Materialien. Ein solcher Weg sind Nanomaterialien – winzige Kristalle von Metallen oder Halbleitern. In diesem Maßstab können sie einzigartige und nützliche Eigenschaften haben, aber die Herstellung von Geräten aus ihnen war schwierig.

Eine neue Technik, DOLFIN genannt, macht verschiedene Nanomaterialien direkt zu „Tinte“ in einem Prozess, der die Notwendigkeit umgeht, eine Polymerschablone aufzulegen. Talapin und sein Team entwarfen chemische Beschichtungen für einzelne Partikel. Diese Beschichtungen reagieren auf Licht, sodass, wenn man Licht durch eine gemusterte Maske scheint, das Licht das Muster direkt in die darunterliegende Nanopartikelschicht überträgt – und sie in nützliche Geräte verdrahtet.

„Wir fanden, dass die Qualität der Muster mit denen vergleichbar war, die mit State-of-the-Art-Techniken hergestellt wurden“, sagte Hauptautor Yuanyuan Wang, Postdoktorandin an der University of Chicago. „Es kann mit einer breiten Palette von Materialien verwendet werden, einschließlich Halbleiter, Metalle, Oxide oder magnetische Materialien – all die in der Elektronikfertigung gängigen.“

Das Forschungsteam arbeitet an der Kommerzialisierung der DOLFIN-Technologie mit dem Polsky Center for Entrepreneurship and Innovation der University of Chicago.

Tech Front wird von Senior Editor Patrick Waurzyniak redigiert; pwaurzyniak@sme.org.