Практический подход UNCC к исследованиям в области производства

Начиная с этого месяца, TechFront использует новый формат, в котором освещаются программы исследований в области производства в ключевых университетах, а затем публикуются сводки последних исследований в Journal of Manufacturing Systems SME. , Журнал производственных процессов и Производственные письма , все опубликовано Elsevier Ltd.

В этом месяце в центре внимания университетов находится Университет Северной Каролины в Шарлотте (UNCC). Инженеры-технологи взяли интервью у профессоров UNCC Тони Л. Шмитца и Криса Эванса о масштабах образовательных и исследовательских программ UNCC для студентов и аспирантов.

В UNCC упор делается на получение студентами практического опыта работы в студенческом и последипломном производстве. Инженерный колледж Уильяма Стейтса Ли городского университета, расположенный в городе Шарлотт, в самом сердце страны NASCAR, включает в себя исследования Центра точной метрологии, Центра оптики произвольной формы и Лаборатории Siemens для крупных производственных решений в области производства энергии. и инфраструктурный центр (EPIC).

«Центр точной метрологии — старейший исследовательский центр в кампусе, — сказал Крис Эванс, профессор машиностроения и директор Центра точной метрологии (см. https://cpm.uncc.edu/). «Мы поддерживаем образование, как для выпускников, так и для студентов, но особенно для выпускников, где в течение двухлетнего цикла у нас есть около 15 занятий по аспектам метрологии, производства и проектирования прецизионных машин. Все они преподаются преподавателями машиностроения или оптики, потому что эти центры междисциплинарны».

Обладая современной лабораторией метрологии измерений с оборудованием от поставщиков, включая Hexagon Metrology, Центр точной метрологии поддерживает исследования преподавателей в области метрологии и производства. «Я думаю, что у нас лучший метрологический центр среди всех университетов США», — заявил Эванс. В дополнение к своему междисциплинарному подходу UNCC сотрудничает с промышленностью и имеет программу промышленных филиалов, в которую входят такие компании, как Caterpillar, Cummins и Intel.

«Члены [филиала] приезжают в кампус, чтобы посмотреть презентации студентов, которые выполняют конкурентоспособные промышленные программы развития исследований, выбранные самими филиалами, — добавил Эванс, — так что в основном взносы, которые они платят за членство, финансируют студентов. Это отличная информационная программа, позволяющая сделать наших студентов заметными для потенциальных работодателей».

Рабочий цех, совместная работа

Практическое обучение является ключевым направлением деятельности UNCC. «Я горжусь тем, что я человек с грязными ногтями», — сказал Эванс. «Каждый из наших студентов, изучающих машиностроение, на втором курсе должен пройти курс по производственным системам, который включает в себя как их первое знакомство с проектированием, так и посещение цеха».

Этот опыт показывает студентам UNCC, как работать с ручными станками, и требует, чтобы они создали набор отпечатков, которые полностью соответствуют допускам с помощью GD&T для одноцилиндрового пневматического двигателя без уплотнения, которое должно работать, чтобы они прошли курс, Эванс. сказал. «Они узнают в начале своей карьеры, что им нужно запачкать руки и делать реальные вещи, а не только симуляции», — добавил он. «Они изучают значение допусков».

По словам Эванса, в кампусе UNCC, в котором обучается 29 000 студентов, более 1000 студентов обучаются по программе машиностроения, которая растет примерно на 8 % в год.

В Лаборатории решений для крупного производства Siemens Energy UNCC, возглавляемой профессором Джоном Зигертом, проводятся исследования метрологического оборудования, приобретенного на грант Siemens Energy в размере 2 миллионов долларов. Центральным элементом лаборатории, расположенным в блоке EPIC, является КИМ Leitz PMM-F 30-20-16, которая может принимать большие и тяжелые компоненты очень сложной геометрии и быстро измерять все размеры, углы и радиусы с точностью до нескольких микрометров. КИМ была предоставлена ​​компанией Hexagon, активным партнером лаборатории Siemens, и размещена в специально разработанной климатической камере, которая поддерживает температуру до 20 ± 0,5 °C. Кроме того, в лаборатории есть три лазерных трекера и доступ к КИМ с шарнирной рукой.

Предоставление практического опыта, а также знакомство с ключевыми промышленными лидерами окупается для студентов, посещающих производственные программы UNCC. «Как правило, у них есть более одного предложения, особенно у наших местных студентов», — сказал Тони Шмитц, FSME, заместитель председателя UNCC по программам для выпускников и профессор машиностроения и инженерных наук.

Другие преимущества заключаются в тесном сотрудничестве университета с другими производственными исследовательскими институтами. Центр оптики произвольной формы (https://centerfreeformoptics.org/) является результатом сотрудничества UNCC и Университета Рочестера. UNCC также работает над совместным проектом штата Северная Каролина в области аддитивного производства металлов с Университетом штата Северная Каролина (Роли) и над порошковой металлургией с Университетом Северной Каролины в Гринсборо.

«Что мне нравится в «Шарлотте», так это то, что в воздухе витает дух сотрудничества. Мы не конкурентоспособны внутри компании», — сказал Эванс. Это важно, добавил Шмитц. «Многие преподаватели этого факультета работали в других университетах и ​​имели другой опыт работы в национальных лабораториях и т. д., — сказал Шмитц. «По моему опыту, это самая коллегиальная среда для исследовательской организации, которую я наблюдал. Мне нравится говорить:«У нас здесь работают взрослые».

Передовые исследования

Исследователи факультета UNCC участвуют в текущих программах производственных исследований, включая работу в Центре оптики произвольной формы над производственными процессами для этой оптики на основе инструментов из монокристаллического алмаза и сверхточной обработки. Другую работу возглавляет профессор UNCC Герт Гох, эксперт в области производства зубчатых колес и метрологии производства зубчатых колес, чья группа недавно разработала способ использования пространственного описания зубьев зубчатых колес в метрологических исследованиях.

На SOUTH-TEC 2017 в Гринвилле, Южная Каролина, Шмитц представил участникам футуристический взгляд на производственный потенциал. Он повторил свой доклад SME NAMRC-45, основанный на его отмеченном наградами конкурсе Blue Sky Competition, который был сосредоточен на поиске будущих производственных приложений в рамках биологических процессов, встречающихся в природе. Доклад Шмитца под названием «Биомиметическое производство» показал, как биологические системы могут давать сигналы для возможных будущих производственных инноваций. Его работа, победитель первой премии NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award, названной в честь покойного профессора Дэвида Дорнфельда из Калифорнийского университета в Беркли, представила захватывающий взгляд на то, что могут придумать будущие исследователи в области производства, если они смогут «учитывать возмутительное» с помощью открытые умы.

«Нам нужно принять новые вызовы и подходы», — сказал Шмитц о конкурсе SME Blue Sky Competition. «Существует большой риск/вознаграждение». Объяснение Шмитца биомиметического производства показало, как внимательное изучение деревьев, ростков фасоли, термитов, зубов бобра и даже вируса Зика может дать футуристам подсказки для разработки новых подходов к производству.

Например, исследуя зубы бобра, Шмитц сказал, что самозатачивающиеся резцы в конечном итоге станут слишком большими для рта бобра, если он перестанет постоянно жевать. Среди вопросов Шмитца были:«Можем ли мы воспользоваться преимуществами геометрии? Можно ли разработать режущий инструмент, который эволюционирует, чтобы приспосабливаться, а не минимизировать износ? Могут ли новые конструкции «расти» с соответствующей скоростью вместо новой технологии материалов покрытия? … Существует много возможностей для исследований на стыке производства и биологии».

— старший редактор Патрик Ваужиняк

Технические статьи из журналов SME и производственных писем

Эти резюме, выдержки и веб-ссылки взяты из последних статей, опубликованных в журнале SME Journal of Manufacturing Systems. , Журнал производственных процессов и Производственные письма , напечатанные Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) и используемые здесь с разрешения.

Соединение листового алюминия с литым магнием

В своей статье «Соединение листового алюминия AA6061-T4 с литым магнием AM60B с помощью сварки с испаряющей фольгой:входная энергия, интерфейс и прочность» авторы Берт Лю, Анупам Вивек и Гленн С. Даэн из Департамента материаловедения и инженерии в Университете штата Огайо (Колумбус) изучили методы успешной сварки алюминия с литьем магния, чтобы помочь автопроизводителям в их стремлении к созданию все более легких автомобильных платформ, обеспечивающих большую топливную экономичность. Документ, опубликованный в Журнале производственных процессов. , Том. 30 декабря 2017 г., доступно по адресу http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

Неоднородное соединение листового алюминия AA6061-T4 с литым магнием AM60B было достигнуто с помощью электросварки с испарительной фольгой (VFAW). Использовались три уровня входной энергии (6, 8 и 10 кДж), и, как правило, более высокие входные энергии приводили к постепенному увеличению скорости полета, более выраженным межфазным волнистым особенностям, большим зонам сварки, более высокой прочности на отрыв и более высокой энергии отрыва. Во всех случаях на поперечном сечении шва выявлялась прочно связанная граница раздела, характеризующаяся хорошо развитыми волнистыми элементами, отсутствием пустот и сплошных слоев интерметаллических соединений (ИМС). При подводимой энергии 10 кДж были получены скорость полета 820 м/с, прочность на отрыв 22,4 Н/мм и энергия отрыва 5,2 Дж.

При сдвиге внахлест в листовке AA6061-T4 произошло разрушение при 97% пиковой растягивающей нагрузки основного материала. Образцы отрыва разрушились вдоль границы раздела сварных швов, а на стороне AM60B поверхности излома были видны тонкие, равномерно расположенные линии остатков алюминия, которые были вырваны из основы AA6061-T4 податливым образом и перенесены на сторону AM60B. что указывает на очень сильную связь AA6061-T4/AM60B в этих областях. Эта работа демонстрирует способность VFAW соединять разнородные легкие металлы, такие как Al/Mg.

Моделирование геометрии изношенной поверхности для ремонта лопаток двигателя

В 15-м томе Письма о производстве за январь 2018 года авторы Синьчан Чжан, Вэй Ли и Фрэнк Лю с факультета машиностроения и аэрокосмической техники Университета науки и технологии Миссури (Ролла, Миссури) пишут об использовании моделирования для ремонта поврежденных лопаток турбинных двигателей с помощью прямого осаждения металла. Их статья «Моделирование геометрии изношенной поверхности для ремонта лопаток двигателя с использованием процесса лазерного прямого осаждения металла» доступна по адресу http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

Ремонт лопатки двигателя требует получения зоны износа и создания соответствующей траектории для наплавки. В данной работе предложен автоматизированный метод моделирования изношенной поверхности для восстановления недостающего объема поврежденных лопаток. Для реконструкции моделей лопастей использовался обратный инжиниринг. Реконструированная поврежденная модель лучше всего соответствовала номинальной модели. Для обнаружения поврежденных слоев использовали метод сравнения площади поперечного сечения. Метод лучевого литья был использован для пересечения поврежденных слоев и извлечения недостающего объема. Была создана траектория инструмента и проведен ремонтный эксперимент с использованием лазерного прямого осаждения металла для проверки предложенного метода.

Два подхода к обработке тонких ребер

В «Аналитических решениях для динамики неподвижной балки при обработке тонких ребер» авторы Тони Л. Шмитц и Эндрю Ханикатт из Департамента машиностроения и технических наук Университета Северной Каролины в Шарлотте представляют два различных аналитических подхода для прогнозирования тонкой реберной балки без фиксированных ребер. динамики с различной геометрией. Этот Журнал производственных процессов , том 30, статья за декабрь 2017 г. доступна по адресу http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.

Первый подход использует метод Рэлея для определения эффективной массы для основной формы изгиба балок ступенчатой ​​толщины и теорему Кастильяно для расчета жесткости как на свободном конце балки, так и при изменении толщины. Во втором методе используется анализ подструктуры связи приемной способности (RCSA) для прогнозирования приемных способностей луча (или функций частотной характеристики) в тех же двух местах путем жесткого соединения приемных способностей, описывающих отдельные ступенчатые сечения балки, где приемовые сопротивления получены из модели балки Тимошенко.

Сравнения с расчетами методом конечных элементов завершены для проверки двух методов. Отмечено, что предсказания RCSA более точно согласуются с результатами конечных элементов. Также проводятся эксперименты, в которых толщина ступенчатой ​​балки изменяется за несколько проходов обработки, а между проходами проводятся измерения приемной способности. Прогнозы RCSA сравниваются с экспериментальными результатами для собственной частоты и жесткости. Сообщается о совпадении собственных частот с точностью до нескольких процентов.

Принципы бережливого производства ускоряют процесс поставок плутония

В своей статье «Применение принципов бережливого производства для улучшения концептуального процесса поставки плутония-238 (Pu238)» авторы Томси Томас, Стивен Р. Шерман и Рапиндер С. Сони из Департамента промышленного и системного проектирования Университета Теннесси ( Ноксвилл) и Группа радиохимической науки и техники, Отдел ядерной безопасности и изотопных технологий, Окриджская национальная лаборатория (ORNL; Ок-Ридж, Теннесси), описывают, как бережливые процессы могут ускорить процесс поставки Pu238. Статья опубликована в 46-м томе журнала Journal of Manufacturing Systems за январь 2018 г. и доступен по адресу https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

Проект Министерства энергетики США по поставке Pu-238 направлен на восстановление возможностей США по производству Pu-238 в килограммовом масштабе. Этот радиоизотоп используется НАСА для питания зондов дальнего космоса, и его запасы истощаются. Последний раз он производился в США в 1988 году. Концептуальный проект процесса подачи Pu238 описан с использованием существующих процессов и оборудования в Центре развития радиохимической инженерии ORNL.

Секция ограничения скорости концептуального процесса была проанализирована с использованием моделирования системы дискретных событий для определения ожидаемой производительности, узких мест и влияния временных задержек на производительность. На основе принципов бережливого производства были созданы альтернативные процессы, которые были изучены и сравнены с исходным процессом с использованием моделирования для определения лучших операционных стратегий.

Редактирует TechFront старший редактор Патрик Ваужиняк.