UNCC führt zukunftsweisende praxisnahe Fertigungsforschung an

Ab diesem Monat hat TechFront ein neues Format, das Fertigungsforschungsprogramme an Schlüsseluniversitäten in den Fokus rückt, gefolgt von Zusammenfassungen aktueller Forschung in SMEs Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes und Manufacturing Letters, alle veröffentlicht von Elsevier Ltd.

Diesen Monat liegt der Universitätsfokus auf der University of North Carolina Charlotte (UNCC). Manufacturing Engineering interviewte UNCC-Professoren Tony L. Schmitz und Chris Evans über den Umfang von UNCCs undergraduate und graduate Fertigungsausbildungs- und Forschungsprogrammen.

An der UNCC liegt der Schwerpunkt darauf, dass Studenten praktische Shopfloor-Erfahrung in undergraduate und graduate Fertigung sammeln. In der Stadt Charlotte, im Herzen des NASCAR-Landes, umfasst die William States Lee College of Engineering die Forschung des Center for Precision Metrology, des Center for Freeform Optics und des Siemens Large Manufacturing Solutions Laboratory im Energy Production and Infrastructure Center (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 Ausbildung, sowohl graduate als auch undergraduate, aber besonders graduate Ausbildung, wo wir über einen Zyklus von zwei Jahren etwa 15 Kurse in Aspekten der Messtechnik, Fertigung und Präzisionsmaschinendesign haben. Sie werden alle von Fakultätsmitgliedern entweder im Maschinenbau oder in optischer Wissenschaft und Ingenieurwesen unterrichtet, weil die Zentren multidisziplinär sind.“

Mit einem hochmodernen dimensionalen Messtechnik-Labor, mit Ausrüstung von Lieferanten einschließlich Hexagon Metrology, unterstützt das Center for Precision Metrology Fakultätsforschung in Messtechnik und Fertigung. „Ich glaube, wir haben die beste Messtechnik-Einrichtung einer Universität in den USA“, stellte Evans fest. Neben seinem interdisziplinären Ansatz arbeitet UNCC mit der Industrie zusammen und hat ein industrielles Affiliate-Programm, das Unternehmen wie Caterpillar, Cummins und Intel umfasst.

„Die [Affiliate]-Mitglieder kommen auf den Campus, um Präsentationen von Studenten zu sehen, die wettbewerbsfähige, industriell getriebene Forschungsentwicklungsprogramme durchführen, die von den Affiliates selbst ausgewählt wurden“, fügte Evans hinzu, „so finanzieren die Gebühren, die sie für die Mitgliedschaft zahlen, im Grunde die Studenten. Das ist ein hervorragendes Outreach-Programm, um unsere Studenten potenziellen Arbeitgebern sichtbar zu machen.“

Shopfloor- und kollaborativer Fokus

Praxisnahes Training ist ein Schwerpunkt an der UNCC. „Ich bin stolz ein ‚dreckige-Fingernägel‘-Typ Mensch“, sagte Evans. „Jeder unserer Maschinenbau-Undergraduates muss als Sophomore einen Fertigungssystemkurs belegen, der sowohl ihre erste Design-Erfahrung als auch den Gang in die Werkstatt beinhaltet.“

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

Der 29.000-Studenten-Campus der UNCC hat mehr als 1000 Studenten im Maschinenbauprogramm, das etwa 8 % pro Jahr wächst, sagte Evans.

Im Siemens Energy Large Manufacturing Solutions Laboratory der UNCC, geleitet von Professor John Ziegert, wird Forschung an Messtechnik durchgeführt, die mit einem 2-Millionen-Dollar-Zuschuss von Siemens Energy gekauft wurde. Das Zentrum des Labors ist ein Leitz PMM-F 30-20-16 Koordinatenmessgerät (CMM), das große, schwere Komponenten mit sehr komplexer Geometrie aufnehmen und jede Dimension, jeden Winkel und jeden Radius mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern schnell messen kann. Das CMM wurde von Hexagon gespendet, einem aktiven Partner im Siemens-Labor, und ist in einer maßgeschneiderten Umweltkammer untergebracht, die Temperaturen auf 20 ±0,5 °C regelt. Zusätzlich verfügt das Labor über drei Lasertracker und Zugang zu einem Gelenkarm-CMM.

Die Bereitstellung praktischer Erfahrung zusammen mit Exposition gegenüber wichtigen Industrievertretern zahlt sich für Studenten aus, die UNCCs Fertigungsprogramme besuchen. „Sie haben im Allgemeinen mehr als ein Angebot, besonders unsere inländischen Studenten“, sagte Tony Schmitz, FSME, UNCC Associate Chair für Graduate Programs und Professor für Maschinenbau und Ingenieurwissenschaften.

Weitere Vorteile liegen in der umfangreichen Zusammenarbeit der Universität mit anderen Fertigungsforschungsinstitutionen. Das Center for Freeform Optics (https://centerfreeformoptics.org/) ist eine Zusammenarbeit zwischen UNCC und der University of Rochester. UNCC arbeitet auch an einer instate Zusammenarbeit zur Weiterentwicklung der Metall-Additiven Fertigungswissenschaft mit der NC State University (Raleigh) und einer weiteren zur Pulvermetallurgie mit UNC Greensboro.

„Eines, was ich an Charlotte mag, ist, dass Zusammenarbeit in der Luft liegt. Wir sind nicht intern wettbewerbsorientiert“, sagte Evans. Das ist wichtig, fügte Schmitz hinzu. „Viele Fakultätsmitglieder dieser Abteilung waren an anderen Universitäten tätig und hatten andere Erfahrungen, an National Laboratories usw.“ sagte Schmitz. „In all meinen Erfahrungen ist dies die kollegialste Umgebung für eine Forschungsorganisation, die ich beobachtet habe. Ich sage gerne: ‚Wir haben Erwachsene, die hier arbeiten.‘“

Spitzenforschung

UNCC-Fakultätsforscher sind in laufende Fertigungsforschungsprogramme involviert, einschließlich Arbeit am Center for Freeform Optics an Fertigungsprozessen für diese Optiken basierend auf Einkristall-Diamantwerkzeugen und Ultrapräzisionsbearbeitung. Ein weiteres Projekt wird von UNCC-Professor Gert Goch geleitet, einem Experten für Zahnradfertigung und Zahnradfertigungsmesstechnik, dessen Gruppe kürzlich eine Methode entwickelte, die areale Beschreibung von Zahnradzähnen in der Messtechnikforschung zu nutzen.

Auf der SOUTH-TEC 2017 in Greenville, SC, gab Schmitz den Teilnehmern einen futuristischen Blick auf das Potenzial der Fertigung. Er wiederholte seinen SME NAMRC-45-Vortrag, basierend auf seiner preisgekrönten Blue Sky Competition-Forschung, die sich auf die Suche nach zukünftigen Fertigungsanwendungen in biologischen Prozessen in der Natur konzentrierte. Schmitz' Vortrag mit dem Titel „Biomimetic Manufacturing“ zeigte, wie biologische Systeme Hinweise für mögliche zukünftige Fertigungsinnovationen geben können. Seine Arbeit, Gewinner des ersten NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award, benannt nach dem verstorbenen Professor David Dornfeld von der University of California, Berkeley, präsentierte einen faszinierenden Einblick in das, was zukünftige Fertigungsforscher entwickeln können, wenn sie „das Outrageous in Betracht ziehen“ mit offenen Geistern.

„Wir müssen neue Herausforderungen und Ansätze angehen“, sagte Schmitz zum SME Blue Sky Competition. „Es gibt ein großes Risiko/Ertrag.“ Schmitz' Erklärung der biomimetischen Fertigung skizzierte, wie das genaue Betrachten von Bäumen, Bohnensprossen, Termiten, Biberzähnen und sogar dem Zika-Virus Futuristen Hinweise auf die Entwicklung neuer Fertigungsansätze geben kann.

Bei der Untersuchung von Biberzähnen sagte Schmitz beispielsweise, dass die selbstschärfenden Schneidezähne schließlich zu groß für den Bibermund würden, wenn er sein ständiges Kauen einstellte. Zu Schmitz' Fragen gehörten: „Können wir die Geometrie nutzen? Könnte ein Schneidwerkzeug entworfen werden, das sich entwickelt, um Verschleiß zu accommodieren, anstatt ihn zu minimieren? Statt neuer Beschichtungsmaterialtechnologie könnten neue Designs ‚wachsen‘ in einer angemessenen Rate? … Es gibt viele Forschungsmöglichkeiten in der Schnittmenge zwischen Fertigung und Biologie.“

—Senior Editor Patrick Waurzyniak

Tech Papers aus SME Journals und Manufacturing Letters

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

Verbinden von Blech-Aluminium mit Guss-Magnesium

In ihrem Artikel „Joining sheet aluminum AA6061-T4 to cast magnesium AM60B by vaporizing foil actuator welding: Input energy, interface, and strength“ untersuchten die Autoren Bert Liu, Anupam Vivek und Glenn S. Daehn vom Department of Materials Science and Engineering an der Ohio State University (Columbus) Techniken zum erfolgreichen Schweißen von Aluminium zu Guss-Magnesium, um Automobilhersteller in ihrem Streben nach immer leichteren Automobilplattformen zu unterstützen, die eine höhere Kraftstoffeffizienz erreichen. Das Paper, das im Journal of Manufacturing Processes, Vol. 30, Dezember 2017, erscheint, ist verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

Das ungleiche Fügen von Blech-Aluminium AA6061-T4 zu Guss-Magnesium AM60B wurde durch Verdampfungsfolien-Aktuator-Schweißen (VFAW) erreicht. Drei Eingangsenergieniveaus wurden verwendet (6, 8 und 10 kJ), und als Trend führten höhere Eingangsenergien zu progressiv höheren Fliegergeschwindigkeiten, ausgeprägteren interfacialen Welleneigenschaften, größeren Schweißzonen, höheren Schälfestigkeiten und höheren Schälenergien. In allen Fällen zeigte der Schweißquerschnitt eine fest verbundene Grenzfläche, charakterisiert durch gut entwickelte Welleneigenschaften und Fehlen von Hohlräumen und kontinuierlichen Schichten von intermetallischen Verbindungen (IMCs). Bei 10 kJ Eingangsenergie wurden Fliegergeschwindigkeit von 820 m/s, Schälfestigkeit von 22,4 N/mm und Schälenergie von 5,2 J erzielt.

Im Scherfestigkeitsversuch erfolgte der Bruch im AA6061-T4-Flieger bei 97 % der Spitzenzugfestigkeit des Basismaterials. Schälproben brachen entlang der Schweißgrenzfläche, und die AM60B-Seite der Bruchfläche zeigte dünne, gleichmäßig verteilte Linien von Al-Rückständen, die in duktiler Weise aus dem Basismaterial 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, ungleiche Leichtmetalle wie Al/Mg zu verbinden.

Modellierung abgenutzter Oberflächengeometrie für Turbinenschaufel-Reparatur

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

Die Turbinenschaufel-Reparatur erfordert die Erfassung des abgenutzten Bereichs und die Generierung des entsprechenden Werkzeugpfads für die Ablagerung. In diesem Paper wurde eine automatisierte Abnutzungsflächen-Modellierungsmethode vorgeschlagen, um das fehlende Volumen beschädigter Schaufeln zurückzugewinnen. Reverse Engineering wurde genutzt, um Modelle von Schaufeln zu rekonstruieren. Das rekonstruierte beschädigte Modell wurde bestmöglich mit dem Nominalmodell angepasst. Die Querschnittsflächenvergleichsmethode wurde verwendet, um die beschädigten Schichten zu detektieren. Die Strahlwerfmethode wurde angewendet, um die beschädigten Schichten zu schneiden und das fehlende Volumen zu extrahieren. Der Werkzeugpfad wurde generiert und ein Reparaturexperiment mit Laser-unterstütztem Direct Metal Deposition durchgeführt, um die vorgeschlagene Methode zu validieren.

Zwei Ansätze für Dünnrippen-Bearbeitung

In „Analytical solutions for fixed-free beam dynamics in thin rib machining“ präsentieren die Autoren Tony L. Schmitz und Andrew Honeycutt von der UNC Charlotte Department of Mechanical Engineering and Engineering Science zwei verschiedene analytische Ansätze zur Vorhersage der Dynamik von dünnen Rippen, fest-freier Balken mit variierenden Geometrien. Dieses Journal of Manufacturing Processes, Volume 30, Paper aus Dezember 2017 ist verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.

Der erste Ansatz verwendet die Rayleigh-Methode, um die effektive Masse für die fundamentale Biegemodus der stufenweisen Dickenbalken zu bestimmen, und Castiglianos Theorem, um die Steifigkeit sowohl am freien Ende des Balkens als auch an der Dickenänderung zu berechnen. Die zweite Methode verwendet Rezeptanz-Kopplung-Substruktur-Analyse (RCSA), um die Rezeptanzen (oder Frequenzgangfunktionen) an denselben beiden Orten vorherzusagen, indem die Rezeptanzen, die die einzelnen stufenweisen Balkenabschnitte beschreiben, starr verbunden werden, wobei die Rezeptanzen aus dem Timoshenko-Balkenmodell abgeleitet sind.

Vergleiche mit Finite-Elemente-Berechnungen werden durchgeführt, um die beiden Techniken zu verifizieren. Es wird beobachtet, dass die RCSA-Vorhersagen enger mit Finite-Elemente-Ergebnissen übereinstimmen. Experimente werden auch durchgeführt, wo die stufenweise Balkendicke durch mehrere Bearbeitungspässe geändert wird, und Rezeptanzmessungen werden zwischen den Pässen durchgeführt. Die RCSA-Vorhersagen werden mit experimentellen Ergebnissen für Eigenfrequenz und Steifigkeit verglichen. Übereinstimmung in der Eigenfrequenz innerhalb weniger Prozent wird berichtet.

Lean-Prinzipien beschleunigen Plutonium-Versorgungsprozess

In ihrem Paper „Application of lean manufacturing principles to improve a conceptual plutonium 238 (Pu238) supply process“ skizzieren die Autoren Tomcy Thomas, Steven R. Sherman und Rapinder S. Sawhney vom Department of Industrial and Systems Engineering, University of Tennessee (Knoxville) und der Radiochemical Science and Engineering Group, Nuclear Security and Isotope Technology Division, Oak Ridge National Laboratory (ORNL; Oak Ridge, TN), wie Lean-Prozesse den Pu238-Versorgungsprozess beschleunigen können. Das Paper erscheint im Januar 2018 Volume 46 des Journal of Manufacturing Systems und ist verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

Das US Department of Energy's Pu-238 Supply Project zielt darauf ab, die US-Fähigkeit zur Produktion von Pu238 im Kilogrammmaßstab wiederherzustellen. Dieses Radioisotop wird von der NASA zur Stromversorgung von Deep-Space-Sonden verwendet, und die Vorräte schwinden. Es wurde zuletzt 1988 in den USA produziert. Ein konzeptionelles Design eines Pu238-Versorgungsprozesses wird unter Verwendung bestehender Prozesse und Einrichtungen im ORNL's Radiochemical Engineering Development Center beschrieben.

Der ratenbegrenzende Abschnitt des konzeptionellen Prozesses wurde mit diskreter Ereignissimulation analysiert, um erwartete Produktionsraten, Engpässe und die Auswirkungen von Zeitverzögerungen auf die Produktionsrate zu bestimmen. Prozestalternativen wurden basierend auf Lean-Fertigungsprinzipien generiert und diese wurden untersucht und mit dem ursprünglichen Prozess mittels Simulation verglichen, um bessere Betriebsstrategien zu identifizieren.

TechFront wird von Senior Editor Patrick Waurzyniak redigiert.