UNCC возглавляет передовой практический производственный исследовательский процесс

Начиная с этого месяца, TechFront имеет новый формат, который подсвечивает исследовательские программы производства в ключевых университетах, за которыми следуют резюме недавних исследований в Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes и Manufacturing Letters SME, все опубликованные Elsevier Ltd.

Фокус этого месяца — на Университете Северной Каролины Шарлотт (UNCC). Manufacturing Engineering 인터뷰ровал профессоров UNCC Тони Л. Шмица и Криса Эванса о масштабе программ подготовительного и последипломного производственного образования и исследований UNCC.

В UNCC акцент делается на получении студентов практического опыта на заводском полу в подготовительном и последипломном производстве. Расположенный в городе Шарлотт, в сердце страны NASCAR, городской университет William States Lee College of Engineering включает исследования Центра точной метрологии, Центра свободных оптик и лаборатории Siemens Large Manufacturing Solutions в Центре энергетического производства и инфраструктуры (EPIC).

«Центр точной метрологии — старейший исследовательский центр здесь на кампусе», — сказал Крис Эванс, профессор механической инженерии и директор Центра точной метрологии (см. https://cpm.uncc.edu/). «Мы поддерживаем образование, как подготовительное, так и последипломное, но особенно последипломное, где за цикл в два года у нас около 15 классов в аспектах метрологии, производства и проектирования точных станков. Все они преподаются преподавателями либо в механической инженерии, либо в оптической науке инженерии, потому что центры междисциплинарны».

С современной лабораторией размерной метрологии, с оборудованием от поставщиков, включая Hexagon Metrology, Центр точной метрологии поддерживает преподавательские исследования в метрологии и производстве. «Я думаю, у нас лучшее метрологическое оборудование из любого университета в США», — заявил Эванс. Помимо своего междисциплинарного подхода, UNCC сотрудничает с промышленностью и имеет программу промышленных аффилированных компаний, включающую такие компании, как Caterpillar, Cummins и Intel.

«[Аффилированные] члены приходят на кампус, чтобы увидеть презентации студентов, выполняющих конкурентоспособные, промышленно ориентированные программы исследовательской разработки, выбранные самими аффилированными», — добавил Эванс, — «так что по сути сборы, которые они платят за членство, финансируют студентов. Это отличная программа аутрича с точки зрения видимости наших студентов для потенциальных работодателей».

Фокус на заводском полу и сотрудничестве

Практическое обучение — ключевой фокус в UNCC. «Я гордо отношусь к типу «грязные ногти»», — сказал Эванс. «Каждый наш студент-механик подготовительного уровня в софоморе должен пройти класс производственных систем, который включает как их первый опыт проектирования, так и поход в цех».

Этот опыт показывает студентам UNCC, как работать с ручными станками, и требует от них построить по набору чертежей, полностью допущенным с ГД&T для одноцилиндрового воздушного двигателя без уплотнения, который должен работать, чтобы они прошли курс, сказал Эванс. «Они рано в своей карьере узнают, что им нужно пачкать руки и делать реальные вещи, а не просто симуляции», — добавил он. «Они узнают значение допусков».

Кампус UNCC на 29 000 студентов имеет более 1000 студентов в программе механической инженерии, которая растет примерно на 8% в год, сказал Эванс.

В лаборатории Siemens Energy Large Manufacturing Solutions UNCC, возглавляемой профессором Джоном Зигертом, проводятся исследования на метрологическом оборудовании, приобретенном с грантом в 2 млн долларов от Siemens Energy. Расположенная в блоке EPIC, центральной частью лаборатории является КИМ Leitz PMM-F 30-20-16, который может принимать крупные, тяжелые компоненты с очень сложной геометрией и быстро измерять каждый размер, угол и радиус с точностью в несколько микрометров. КИМ была подарена Hexagon, активным партнером в лаборатории Siemens, и размещена в специально спроектированной экологической камере, контролирующей температуру 20 ±0,5 °C. Кроме того, в лаборатории есть три лазерных трекера и доступ к рукотворной КИМ.

Предоставление практического опыта вместе с воздействием ключевых промышленных лидеров окупается для студентов, посещающих производственные программы UNCC. «Они обычно имеют более одного предложения, особенно наши домашние студенты», — сказал Тони Шмиц, FSME, заместитель председателя по последипломным программам и профессор механической инженерии и инженерных наук UNCC.

Другие преимущества лежат в обширном сотрудничестве университета с другими исследовательскими институтами производства. Центр свободных оптик (https://centerfreeformoptics.org/) — сотрудничество между UNCC и Университетом Роучестера. UNCC также работает над штатным сотрудничеством, продвигающим науку аддитивного производства металлов с Университетом штата Северная Каролина (Роли), и другим по порошковой металлургии с UNC Greensboro.

«Одна вещь, которая мне нравится в Шарлотте, — это сотрудничество в воздухе. Мы не внутренне конкурентоспособны», — сказал Эванс. Это важно, добавил Шмиц. «Многие преподаватели этого департамента были на факультете других университетов и имели другие опыт, в национальных лабораториях и так далее», — сказал Шмиц. «Во всех моих переживаниях это наиболее коллегиальная среда для исследовательской организации, которую я наблюдал. Я люблю говорить: «У нас здесь работают взрослые люди»».

Передовая исследовательская работа

Преподаватели-исследователи UNCC вовлечены в текущие исследовательские программы производства, включая работу в Центре свободных оптик над процессами производства для этих оптик на основе однохрустального алмазного инструмента и ультраточной обработки. Другое усилие возглавляет профессор UNCC Герт Гох, эксперт по производству шестерен и метрологии производства шестерен, чья группа недавно разработала способ использования ареального описания зубьев шестерен в метрологических исследованиях.

На SOUTH-TEC 2017 в Гринвилле, штат Южная Каролина, Шмиц дал участникам футуристический взгляд на потенциал производства. Он повторил свою беседу SME NAMRC-45, основанную на его награжденной исследований Blue Sky Competition, которые фокусировались на поиске будущих производственных применений внутри биологических процессов, найденных в природе. Беседа Шмица, под названием «Биомиметическое производство», показала, как биологические системы могут давать подсказки для возможных будущих производственных инноваций. Его работа, победитель inaugural NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award, названного в честь покойного профессора Калифорнийского университета, Беркли, Дэвида Дорнфельда, представила увлекательный взгляд на то, что будущие исследователи производства могут придумать, если они могут «рассмотреть безумное» с открытым умом.

«Нам нужно брать новые вызовы и подходы», — сказал Шмиц о SME Blue Sky Competition. «Там большой риск/награда». Объяснение Шмица биомиметического производства описало, как тщательное изучение деревьев, бобовых прорастов, термитов, зубов бобра и даже вируса Зика может дать футуристам подсказки для разработки новых производственных подходов.

Изучая зубы бобра, например, Шмиц сказал, что самоточащиеся резьбы в конечном счете вырастут слишком большими для рта бобра, если он прекратит свое постоянное жевание. Среди вопросов Шмица были: «Можем ли мы воспользоваться геометрией? Может ли режущий инструмент быть спроектирован так, чтобы он эволюционировал для приспособления, а не минимизации износа? Вместо новой технологии покрытий, могут ли новые дизайны «расти» в подходящем темпе? ... Есть много исследовательских возможностей на пересечении производства и биологии».

— Старший редактор Патрик Ваурзыняк

Технические статьи из журналов SME и Manufacturing Letters

Эти резюме, отрывки и веб-ссылки из недавних статей, опубликованных в SME Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes и Manufacturing Letters, которые печатаются Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) и используются здесь с разрешения.

Сварка листового алюминия с литым магнием

В своей статье «Сварка листового алюминия AA6061-T4 с литым магнием AM60B актуатором испаряемой фольги: входная энергия, интерфейс и прочность», авторы Берт Лю, Анупам Вивек и Гленн С. Дэн, Департамента материаловедения и инженерии Огайо-стейт-университета (Колумбус), изучили техники для успешной сварки алюминия с литым магнием, чтобы помочь автопроизводителям в их поиске всё более легких автомобильных платформ, достигающих большей топливной эффективности. Статья, появляющаяся в Journal of Manufacturing Processes, Т. 30, декабрь 2017, доступна по адресу https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

Разнородное соединение листового алюминия AA6061-T4 с литым магнием AM60B было достигнуто сваркой актуатором испаряемой фольги (VFAW). Использовались три уровня входной энергии (6, 8 и 10 кДж), и как тенденция, более высокие входные энергии приводили к постепенно более высоким скоростям летящей пластины, более выраженным волнистым интерфейсным особенностям, более большим зонам сварки, более высоким прочностям на отслаивание и более высоким энергиям отслаивания. Во всех случаях поперечный сечение шва 드러내ло надежно связанный интерфейс, характеризующийся хорошо развитыми волнистыми особенностями и отсутствием пустот и непрерывных слоев интерметаллических соединений (IMC). При 10 кДж входной энергии, скорость летящей пластины 820 м/с, прочность на отслаивание 22,4 Н/мм и энергия отслаивания 5,2 Дж были получены.

В сдвиге на сдвиг, разрушение произошло в летящей пластине AA6061-T4 на 97% пиковой нагрузки на растяжение базового материала. Образцы на отслаивание разрушились вдоль интерфейса шва, и сторона AM60B поверхности разлома показала тонкие, равномерно распределенные линии остатков Al, которые были вырваны из базового AA6061-T4 в вязком стиле и перенесены на сторону AM60B, указывая на очень сильную связь AA6061-T4/AM60B в этих областях. Эта работа демонстрирует способность VFAW соединять разнородные легкие металлы, такие как Al/Mg.

Моделирование изношенной геометрии поверхности для ремонта лопаток двигателя

В Т. 15 Manufacturing Letters за январь 2018 года авторы Синьчан Чжан, Вэй Ли и Фрэнк Лиоу из Департамента механической и аэрокосмической инженерии, Мицурского университета науки и технологий (Ролла, штат Миссури), пишут об использовании моделирования для помощи в ремонте поврежденных лопаток турбинного двигателя с использованием прямого металлического наплавления. Их статья «Моделирование изношенной геометрии поверхности для ремонта лопатки двигателя с использованием лазерного прямого металлического наплавления» доступна по адресу https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

Ремонт лопатки двигателя требует получения изношенной области и генерации соответствующей траектории инструмента для наплавления. В этой статье был предложен автоматизированный метод моделирования изношенной поверхности для восстановления потерянного объема поврежденных лопаток. Обратная инженерия использовалась для реконструкции моделей лопаток. Реконструированная поврежденная модель была лучше всего подогнана к номинальной модели. Метод сравнения площади поперечного сечения использовался для обнаружения поврежденных слоев. Метод лучевого бросания был принят для пересечения поврежденных слоев для извлечения отсутствующего объема. Траектория инструмента была сгенерирована и эксперимент по ремонту выполнен с использованием лазерного прямого металлического наплавления для валидации предложенного метода.

Два подхода к обработке тонких ребер

В «Аналитических решениях для динамики консольной балки с фиксированным концом в обработке тонких ребер», авторы Тони Л. Шмиц и Эндрю Ханикатт из Департамента механической инженерии и инженерных наук UNC Charlotte представляют два разных аналитических подхода для предсказания динамики тонких ребер, консольных балок с переменными геометриями. Эта статья Journal of Manufacturing Processes, Т. 30, декабрь 2017 доступна по адресу https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.

Первый подход использует метод Рэлея для определения эффективной массы для фундаментального режима изгиба ступенчатых балок и теорему Кастилиано для расчета жесткости как на свободном конце балки, так и в месте изменения толщины. Второй метод использует анализ подструктуры рецептансного сцепления (RCSA) для предсказания рецептансов (или функций частотного отклика) в тех же двух местах путем жесткого соединения рецептансов, описывающих отдельные ступенчатые секции балки, где рецептансы получены из модели балки Тимошенко.

Сравнения с расчетами конечных элементов завершены для верификации двух техник. Наблюдается, что предсказания RCSA более точно согласуются с результатами конечных элементов. Эксперименты также выполняются, где толщина ступенчатой балки меняется множественными проходами обработки, и измерения рецептансов проводятся между проходами. Предсказания RCSA сравниваются с экспериментальными результатами для естественной частоты и жесткости. Согласие в естественной частоте в пределах нескольких процентов сообщается.

Принципы Lean ускоряют процесс поставки плутония

В своей статье «Применение принципов бережливого производства для улучшения концептуального процесса поставки плутония-238 (Pu238)», авторы Томци Томас, Стивен Р. Шерман и Рапиндер С. Сауни из Департамента промышленной и системной инженерии, Университета Теннесси (Ноксвилл) и Группы радиохимической науки и инженерии, Отдела ядерной безопасности и изотопных технологий, Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL; Оук-Ридж, штат Теннесси), описывают, как бережливые процессы могут ускорить процесс поставки Pu238. Статья появляется в январском 2018 Т. 46 Journal of Manufacturing Systems и доступна по адресу https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

Проект поставки Pu-238 Министерства энергетики США нацелен на восстановление способности США производить Pu238 в килограммовом масштабе. Этот радиоизотоп используется NASA для питания глубококосмических зондов, и запасы истощаются. Последний раз он производился в США в 1988 году. Концептуальный дизайн процесса поставки Pu238 описан с использованием существующих процессов и объектов в Центре разработки радиохимической инженерии ORNL.

Ограничивающий по скорости участок концептуального процесса был проанализирован с использованием дискретно-событийной системной симуляции для определения ожидаемых темпов производства, узких мест и влияния временных задержек на темп производства. Альтернативы процесса были сгенерированы на основе принципов бережливого производства, и те были изучены и сравнены с исходным процессом с использованием симуляции для выявления лучших операционных стратегий.

TechFront редактирует старший редактор Патрик Ваурзыняк.