UIUC Engineering treibt Innovation in Fertigungslösungen voran

Die University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL) blickt auf eine lange, angesehene Geschichte und Tradition in den mechanischen und angewandten Ingenieurwissenschaften zurück und wird bald die Eröffnung einer lang geplanten, mehrere Millionen Dollar teuren Erweiterung ihres Mechanical Science and Engineering (MechSE)-Gebäudes feiern.

Die UIUC war Heimat vieler namhafter Absolventen, die als Unternehmer Unternehmen wie Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube und Tesla Motors gründeten, um nur einige zu nennen.

Im Rahmen der Modernisierung umfasst das UIUC-Programm Transform MEB (Mechanical Engineering Building) eine 12-Millionen-Dollar-Spende von Alumnus Sidney Lu (BSME '81), Chairman und CEO des Computer- und Smartphone-Herstellers Foxconn Interconnect (Taiwan), der Apple iPads und iPhones fertigt.

Der Ostflügel-Anbau wird als Lu Center for Learning and Innovation bekannt sein. Das Projekt umfasst einen fünfstöckigen Anbau östlich des MEB, einen einstöckigen Anbau im Norden sowie 66.000 ft² (20.117 m²) bestehenden Raum, der für Bildung, Innovation und Gemeinschaft neu gedacht, neu konzipiert und optimiert wurde, so die UIUC.

Neben der Erweiterung verkündete UIUC MechSE im Oktober 2017, dass die Universität ein Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) von der National Science Foundation erhielt, gefördert durch einen sechsjährigen 15,6-Millionen-Dollar-Zuschuss mit Fokus auf neue Nanomaterialien. Diese Ankündigung folgte auf die NSF-Bewilligung von 18,5 Millionen Dollar für ein neues NSF Engineering Research Center unter Leitung von MechSE-Professor Andrew Alleyne. Dieses Center, Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS), konzentriert sich auf die thermischen und elektrischen Herausforderungen rund um mobile Elektronik und Fahrzeugdesign als einheitliches System.

„Wir wollen die Gesamte Energiedichte in Fahrzeugen um das 10- bis 100-fache steigern. Das würde Milliarden Liter Kraftstoff einsparen und die Reichweite von Elektroautos fast verdoppeln“, sagte Alleyne, Ralph & Catherine Fisher Professor in MechSE, in einer Stellungnahme. „Heutige elektrische Technologien stoßen an ihre thermischen Grenzen. Ein Systemansatz ist der einzige Weg, den Stand der Technik zu überschreiten.“

In einem aktuellen Gespräch mit Manufacturing Engineering beschrieben UIUCs Placid Matthew Ferreira, Tungchao Julia Lu Professor und ehemaliger MechSE-Abteilungsleiter, und Shiv Gopal Kapoor, Grayce Wicall Gauthier Chair und Professor für Mechanical Science and Engineering, den breiten Forschungsumfang der Abteilung.

„Wir heißen MechSE, für Mechanical Science and Engineering, weil vor einiger Zeit die Abteilung für Maschinenbau und die Abteilung für theoretische und angewandte Mechanik zusammengelegt wurden“, sagte Ferreira. „Die Abteilung spannt den Bogen von den mechanischen Wissenschaften bis zum Maschinenbau – von den Grundlagen wie Mechanik, Transportphänomenen, Festkörpermechanik, Strömungsmechanik, Regelungstheorie, Kinematik, Dynamik bis hin zu angewandten Bereichen wie Verbrennungsmotoren, Mechatronik, Klima- und Kältetechnik, Robotik, Fertigungsprozesse, Fertigungssysteme, Biomechanik und Materialverhalten.

„Es ist eine sehr breite Gruppe, und in diesem Ökosystem aus mechanischen Wissenschaften und Ingenieurwesen spielt die Fertigung eine wichtige Rolle – sowohl im Hinblick auf Fertigungsprozesse als auch auf Fertigungssysteme“, fuhr Ferreira fort. „Wir nutzen die theoretische Expertise innerhalb der Abteilung in Bereichen wie Festkörpermechanik, Erstarrungsprozesse in Bezug auf Dynamik und Regelung. Wir bringen diese in die Modellierung von Fertigungsprozessen, den Entwurf von Werkzeugmaschinen und die Regelung von Fertigungsprozessen ein. Wir gehen sogar in Cloud Manufacturing. Wir nutzen die Aspekte der Computational Sciences und steigen in die Simulation von Fertigungsprozessen ein.“

Dieser breite Ansatz nutzt die Expertise der Abteilung und umfasst diverse Fertigungsdisziplinen, wie Computational Fluid Dynamics für Prozessmodellierung und Simulation, fügte Ferreira hinzu. „[Das hilft uns] das Materialverhalten beim Zerspanungsprozess zu verstehen, und auch, wohin wir uns in diesen Bereichen bei Fertigungssystemen in der Cloud bewegen; wir nennen es Cyber-Physische Systeme.“

Fortschritte in Cloud- und Cyber-physischer Fertigung

Mit der UIUC-Historie in Computerforschung und Simulationsressourcen kann die Abteilung die Verfügbarkeit von Supercomputer-Leistung nutzen, sowohl auf dem Campus als auch anderswo in den USA. Die Universität beherbergt das National Center for Supercomputing Applications (NCSA), das Mosaic, den ersten grafischen Webbrowser, entwickelte.

„Wenn man nach Illinois kommt, merkt man, dass es mit seiner Historie sehr lange Beiträge zur Fertigung von Forschern geleistet hat, die die ersten Analysen thermischer Aspekte beim Zerspanen durchführten“, sagte Kapoor und betonte die Bedeutung solcher Experimente an Schneidwerkzeugen und der Thermik des Zerspanprozesses. 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) an den UI Labs.

„In einem Projekt entwickeln wir ein sogenanntes Betriebssystem für cyber-physische Fertigung“, sagte Ferreira. „In einem zweiten Projekt arbeiten wir mit Caterpillar und Missouri Science and Technology daran, die Variabilität von Zerspanungsprozessen zu reduzieren. Und in einem dritten Projekt entwickeln wir einen Rahmen für Uncertainty Quantification und Unsicherheitsreduzierung in Druckgussprozessen.“

Beim Cyber-physischen Betriebssystem-Projekt ist die Gruppe erst seit etwa einem Jahr in der Forschung, aber ihre Leiter haben begonnen, andere aufzufordern, ihre Werkzeugmaschinen einzubringen, um mit dem Betriebssystem zu arbeiten.

Die Zusammenarbeit mit der Industrie zahlt sich enorm aus, um Forschung voranzutreiben und neue Technologien in den Markt zu bringen. „Wir arbeiten mit Industriepartnern wie Caterpillar und anderen auf so vielen Ebenen“, sagte Ferreira und verwies auf die bedeutenden Beiträge früherer UIUC-Forscher wie B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam und kürzlich Shiv Kapoor. „Sie schufen Dinge, die in der Industrie weit verbreitet waren – greifbare Modelle von Zerspanungsprozessen, die die Industrie tatsächlich anwenden und nutzen konnte, um zu ermitteln, welche Kräfte beim Zerspanen zu erwarten sind und wie sich verschiedene Fehler durch die Prozessmechanik auf die Oberflächenqualität auswirken.“

Viel der universitären Forschung begann mit der Lösung von Problemen, die von Automobilzulieferern und OEMs auftraten. „Wir begannen die Arbeit mit Ford, GM und deren Zulieferern“, sagte er. „Wir haben auch Caterpillar, John Deere und dann die Werkzeugmaschinenbauer – sehr früh Zusammenarbeit mit Ingersoll, der Fräsmaschinenfirma, DMG Mori und anderen.“

Seit etwa 12 Jahren betrieb die UIUC-Abteilung auch ein Zentrum mit Fokus auf Zerspanung und Werkzeugmaschinensysteme. Ferreira war Direktor des Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems-NSF Nanoscale Science and Engineering Center (Nano-CEMMS) von 2003-2010 und ist derzeit assoziiert mit dem Micro-Nanotechnology Laboratory an der UIUC.

„Wir gingen von dort in das Mikro- und Nano-Fertigungszeitalter über, in dem Illinois führend war“, sagte Ferreira. „Wir hatten ein ziemlich großes Zentrum, das speziell darauf ausgerichtet war, alle Fertigung im Nanomaßstab zu definieren, und wir brachten viele Prozesse auf Mikrozerspanung, Microforming und Micro-EDM herunter.“

– Senior Editor Patrick Waurzyniak

Tech Papers aus SME Journals und Manufacturing Letters

Diese Zusammenfassungen, Auszüge und Weblinks stammen aus aktuellen Papers, veröffentlicht in den SME Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes und Manufacturing Letters, gedruckt von Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) und hier mit Genehmigung verwendet.

Chatter-Vermeidung beim Roboterschruppen

In ihrem Artikel „CCT-based mode coupling chatter avoidance in robotic milling“ untersuchen Lejun Cen und Shreyes N. Melkote von der George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology (Atlanta), Probleme mit Chatter beim Roboterschruppen. Ihr Paper, veröffentlicht in Volume 29 des Journal of Manufacturing Processes, ist verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035.

Derzeit werden große Luftfahrtstrukturen mit großen Mehrachs-CNC-Bearbeitungszentren bearbeitet. Im Vergleich dazu bietet das Fräsen mit einem mehrgradigen-freiheitsgradigen (DOF) gelenkigen Roboterarm mehrere Vorteile durch geringere Kosten und Vielseitigkeit. Die geringe Steifigkeit eines gelenkigen Roboterarms führt jedoch zu schwerem niederfrequentem Mode-Coupling-Chatter während der Bearbeitung.

Frühere Studien zeigten, dass solcher Chatter durch Minimierung des Winkels zwischen der durchschnittlichen resultierenden Schneidkraft-Richtung und der Richtung der maximalen Hauptsteifigkeit des Roboters unterdrückt werden kann. Dieser Ansatz schränkt den zulässigen Bewegungsbereich des Roboters ein und damit seine Flexibilität. Dieses Paper stellt eine neue Methode zur Vermeidung von Mode-Coupling-Chatter beim Roboterschruppen unter Verwendung des Conservative Congruence Transformation (CCT)-Steifigkeitsmodells vor, die weder die Werkzeugvorschubrichtung noch die Werkstückausrichtung ändern muss. Roboterschruppen-Experimente zeigen, dass Mode-Coupling-Chatter mit diesem Ansatz signifikant reduziert wird.

Das Fräsen großer Flugzeugteile erfolgt routinemäßig mit großen, teuren CNC-Bearbeitungszentren, die sehr steif und präzise sind. Diese Werkzeugmaschinen beanspruchen oft großen Platz auf dem Shopfloor. Im Gegensatz dazu bietet ein mehrachsiger gelenkiger Roboterarm-basiertes Frässystem hohe Flexibilität für die Bearbeitung großer Flugzeugteile. Vorangegangene Arbeiten zeigten, dass robotergestütztes Fräsen im Vergleich zu industriellen CNC-Bearbeitungszentren die Produktionsflächenanforderungen um 40 % reduzieren und gleichzeitig größere Flexibilität bieten kann. Roboterschruppen eignet sich auch besser für gefährliche Umgebungen. Praktische Anwendungen gelenkiger Roboterarme sind jedoch oft auf niedrigkraftige Anwendungen wie Materialhandling, Montage, Schweißen und Entgraten beschränkt.

Finish-Drehen von Ti-6AL-4V mit Zerstäubungsbasierter Kühlschmierstoff-Sprayanlage

Neue Zerstäubungs-Kühlschmierstoff-Spraysysteme bergen Potenzial zur Verbesserung des Schruppdrehens von Titan, was im Paper „Finish turning of Ti-6Al-4V with the atomization-based cutting fluid (ACF) spray system“ von Chandra Nath und Shiv G. Kapoor, Department of Mechanical Science and Engineering, UIUC, und Anil K. Srivastava, University of Texas Rio Grande Valley (Edinburg, TX), diskutiert wird. Der Artikel, veröffentlicht in Volume 28 des Journal of Manufacturing Processes, ist verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020.

Produktqualität und Produktivität sind entscheidende Faktoren in der Fertigungsindustrie, besonders bei schwierigen Materialien wie Titan. Kühl- und Schmiereffekte des Metallbearbeitungsfluid-Applikationssystems spielen eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung dieser Faktoren, insbesondere beim Finish-Schneiden. Kürzlich zeigte das ACF-Spraysystem vielversprechende Kühl- und Schmiereffekte beim Schruppdrehen von Titan im Makrobereich, wurde jedoch noch nicht beim Finish-Schneiden (z. B. Schnitttiefe und Vorschub 0,2 mm oder niedriger) untersucht.

Dieses Paper untersucht den Effekt des ACF-Spraysystems auf die Bearbeitungsleistung beim Finish-Drehen von Ti-6Al-4V. Im ersten Experimentssatz werden zwei Sprühparameter (Gasgeschwindigkeit und Durchflussrate) und Schneidparameter (Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Schnitttiefe) variiert, um die geeignetste Bedingung für die ACF-Sprayanwendung zu ermitteln. Bearbeitungsergebnisse werden hinsichtlich Schneidenverschleiß, Schneidtemperatur, Oberflächenrauheit, Rundheitsfehler, Spänemorphologie und Werkzeughärte bewertet. Ein separater Experimentssatz vergleicht dann die Leistung des ACF-Spraysystems gegen Druckluft (trocken) und Flutkühlung. Es zeigt sich, dass das Spraysystem selbst bei niedrigerer Flüssigkeitsdurchflussrate von 1,5 ml/min (10 % Volumen) bei niedrigerer Gasgeschwindigkeit die beiden anderen Kühlbedingungen übertrifft und damit die Leistung eines umweltfreundlichen Fertigungsprozesses weiter steigert.

Modellierung der Rückgewinnung von Selten-Erd-Magneten

In ihrem Paper „Modeling operation and inventory for rare earth permanent magnet recovery under supply and demand uncertainties“ diskutieren die Autoren Hongyue Jin und Yuehwern Yih, Industrial Engineering, Purdue University (West Lafayette, IN), und John W. Sutherland, Environmental and Ecological Engineering an der Purdue, Faktoren von Inventarstrategien mittels Modellierungssimulationen.

Selten-Erd-Permanentmagnete (REPMs) spielen eine wesentliche Rolle in verschiedenen Anwendungen, wie erneuerbare Energieerzeugung und Luft- und Raumfahrt- sowie Verteidigungsprodukte. Selten-Erd-Elemente (REEs) wie Neodym und Dysprosium werden in REPMs verwendet, und die Versorgung dieser REEs war volatil. Um dieses Risiko zu mindern, können REEs aus End-of-Life-(EOL)-Produkten wie Computerfestplatten (HDDs) zurückgewonnen werden.

Dieses Paper entwickelt eine Operations- und Inventarmanagement-Strategie, um die Rentabilität unter unsicherer Marktversorgung und mit variierenden Werten, deren Nachfrage ebenfalls erheblichen Unsicherheiten unterliegt, zu erforschen. Das Paper erscheint in der Januar-2018-Ausgabe, Vol. 46, des Journal of Manufacturing Systems, und ist verfügbar unter https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437.

TechFront wird redigiert von Senior Editor Patrick Waurzyniak.