Инженерный UIUC лидирует в инновациях производственных решений

Университет штата Иллинойс в Урбане-Шампейне (UIUC; Урбана, штат Иллинойс) имеет долгую славную историю и традиции в механических и прикладных инженерных науках, и скоро университет отпразднует открытие давно планируемого многомиллионного расширения здания Mechanical Science and Engineering (MechSE).

UIUC дал миру многих известных выпускников-предпринимателей, создавших компании вроде Netscape, AMD, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube, Tesla Motors.

В рамках обновления программа Transform MEB включает донат $12 млн от выпускника Сиднея Лу (BSME '81), председателя и CEO Foxconn Interconnect (Тайвань), производителя iPad и iPhone для Apple.

Восточное крыло будет известно как Lu Center for Learning and Innovation. Проект включает пятиэтажное пристройку к востоку от MEB, одноэтажное пристройку к северу и 66 000 кв. футов (6132 кв. м) существующего пространства, переосмысленного, перепроектированного и оптимизированного для образования, инноваций и сообщества.

Помимо расширения, в октябре 2017 UIUC MechSE объявил о получении гранта National Science Foundation на создание Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) — шестилетний грант $15,6 млн на новые наноматериалы. Это последовало за наградой NSF в $18,5 млн для нового Engineering Research Center под руководством проф. Эндрю Аллейна из MechSE. Центр Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS) фокусируется на тепловых и электрических вызовах мобильной электроники и дизайна транспортных средств как единой системы.

«Мы хотим увеличить общую плотность мощности в транспорте в 10–100 раз. Это переведется в миллиарды литров сэкономленного топлива и почти удвоение пробега электромобиля», — сказал Аллейн, профессор MechSE имени Ральфа и Кэтрин Фишер. «Сегодняшние электрические технологии на тепловом пределе. Системный подход — единственный способ выйти за текущее состояние искусства».

В недавнем разговоре с Manufacturing Engineering проф. Плэсид Мэттью Феррейра, профессор имени Тунгчао Джулии Лу и бывший заведующий MechSE, и Шив Гопал Капур, профессор им. Грейс Уикол Готие и профессор механических наук и инженерии, описали широкую область исследований кафедры.

«Мы называемся MechSE — Mechanical Science and Engineering — потому что некоторое время назад кафедра механического инженерии и кафедра теоретической и прикладной механики объединились», — сказал Феррейра. «Кафедра охватывает механические науки и инженерию: от фундаментального — теоретической базы механического инженерии: механики, явлений переноса, механики твердого тела, гидромеханики, теории управления, кинематики, динамики — до прикладных: ДВС, мехатроника, кондиционирование и холодильники, робототехника, производственные процессы, производственные системы, биомеханика, поведение материалов.

«Это очень широкая группа, и в этой экосистеме механических наук и инженерии производство играет важную роль — и с точки зрения процессов, и систем», — продолжил Феррейра. «Мы опираемся на теоретическую экспертизу кафедры в твердой механике, процессах отвердевания, динамике и управлении. Переносим это в моделирование производственных процессов, проектирование станков, управление производственными процессами. Даже в облачное производство. Берем вычислительные науки и идем в симуляцию производственных процессов».

Такой широкий подход использует экспертизу кафедры, охватывая различные производственные дисциплины, такие как вычислительная гидравлика для моделирования и симуляции процессов. «[Это помогает] понять поведение материала при фрезеровке, например, и куда мы движемся в производственных системах облака; мы называем это кибер-системами».

Прогресс в облачном и киберфизическом производстве

С историей компьютерных исследований и ресурсов симуляции UIUC может использовать суперкомпьютерную мощь на кампусе и в других местах США. Университет хостит National Center for Supercomputing Applications (NCSA), создавшее Mosaic — первый графический веб-браузер.

«Когда приезжаешь в Иллинойс, понимаешь, что с его историей у него очень долгий вклад в производство от исследователей, сделавших первые анализы тепловых аспектов в резании», — сказал Капур, подчеркивая важность таких экспериментов для режущих инструментов и тепловой науки резания. Капур, главный редактор Journal of Manufacturing Processes, Феррейра и другие проф. Northwestern University (Эванстон, штат Иллинойс) ведут три проекта с Digital Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII; Чикаго) в UI Labs.

«В одном проекте разрабатываем так называемую операционную систему для киберфизического производства», — сказал Феррейра. «В другом работаем с Caterpillar и Missouri Science and Technology над снижением вариативности процессов резания. В третьем — фреймворк для квантификации и снижения неопределенности в процессах литья под давлением».

В проекте киберфизической ОС группа примерно год в исследовании, но лидеры уже просят других принести свои станки для работы с ОС.

Сотрудничество с промышленностью дает огромный возврат в продвижении исследований и выводе новых технологий на рынок. «Мы работаем с промышленными партнерами, вроде Caterpillar и других, на множестве уровней», — сказал Феррейра, цитируя вклад ранних исследователей UIUC: Б.Т. Чао, Кеннет Триггер, Клаус Я. Вайнман, Суббиай Рамалингам и недавно Шив Капур. «Они создали вещи, широко использовавшиеся в промышленности, осязаемые модели процессов резания, которые промышленность могла реально применять и пытаться понять, какие силы ожидать при резании и как разные ошибки проявляются через механику процесса в чистоту поверхности».

Много университетских исследований начиналось с решений проблем автозаводов и их поставщиков. «Начали работу с Ford, GM и их поставщиками», — сказал он. «Также Caterpillar, John Deere, и станкостроители, очень рано работали с Ingersoll, фрезерной компанией, DMG Mori и другими».

Около 12 лет кафедра UIUC также вела центр фокусирующийся на резании и системах станков. Феррейра был директором Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems-NSF Nanoscale Science and Engineering Center (Nano-CEMMS) в 2003–2010, сейчас аффилирован с Micro-Nanotechnology Laboratory в UIUC.

«Мы перешли оттуда к эре микро- и нано-производства, где Иллинойс был лидером», — сказал Феррейра. «Был довольно крупный центр, задача которого — определить все производство в нано-масштабе, и мы спустили много процессов до микрообработки, микроштамповки, микро-ЭРС».

— Старший редактор Патрик Ваурзыняк

Технологические статьи из журналов SME и Manufacturing Letters

Эти суммары, выдержки и ссылки из недавних статей, опубликованных в SME Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes и Manufacturing Letters, печатаемых Elsevier Ltd. (www.elsevier.com), используются с разрешения.

Избегание треска при роботизированном фрезеровании

В статье «CCT-based mode coupling chatter avoidance in robotic milling» Леджун Цзэн и Шрейес Н. Мелкоте из George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology (Атланта) рассматривают проблемы треска при роботизированном фрезеровании. Статья в томе 29 Journal of Manufacturing Processes, доступна по ссылке.

В настоящее время крупные аэрокосмические конструкции обрабатываются на больших многокоординатных ЦНЦ-центрах. В сравнении, фрезерование многocoординатным манипулятором робота имеет преимущества: меньшая стоимость и универсальность. Низкая жесткость манипулятора порождает серьезный низкочастотный режим сцепления треска при обработке.

Предыдущие исследования показали, что такой треск можно подавить, минимизируя угол между средним направлением результирующей режущей силы и направлением максимальной главной жесткости робота. Этот подход ограничивает диапазон допустимого движения робота и его гибкость. Статья представляет новый метод избегания режима сцепления треска при роботизированном фрезеровании с использованием модели жесткости Conservative Congruence Transformation (CCT), не требующей изменения направления подачи инструмента или ориентации заготовки. Эксперименты показывают значительное снижение треска при этом подходе.

Фрезерование крупных авиационных деталей обычно выполняется на больших и дорогих ЦНЦ-центрах, очень жестких и точных. Эти станки часто занимают большую площадь. В противовес, роботизированная система на базе многокоординатного манипулятора дает высокую гибкость для обработки крупных деталей. Предыдущие работы показывали, что по сравнению с промышленными ЦНЦ-центрами роботизированные системы могут снизить потребность в производственной площади на 40% и дать большую гибкость. Роботизированное фрезерование также более подходит для опасных сред. Однако практические применения манипуляторов часто ограничены низкосиловыми приложениями: манипулирование материалами, сборка, сварка, зачистка.

Доготочное точение Ti-6Al-4V с распылением АКЖ на основе атомизации

Новые системы распыления режущей жидкости на основе атомизации обещают улучшить грубое точение титана, обсуждается в статье «Finish turning of Ti-6Al-4V with the atomization-based cutting fluid (ACF) spray system», авторы Чандра Нат и Шив Г. Капур из Department of Mechanical Science and Engineering, UIUC, и Анил К. Шривастава из University of Texas Rio Grande Valley (Эдинбург, Техас). Статья в томе 28 Journal of Manufacturing Processes.

Качество продукта и продуктивность — важные факторы, особенно при сложных материалах вроде титана. Охлаждение и смазка от системы подачи металлообрабатывающей жидкости играют ключевую роль, особенно при чистовой резке. Недавно система распыления АКЖ показала многообещающие эффекты охлаждения и смазки при грубом точении титана в макро-масштабе, но еще не изучалась при чистовой резке (глубина резания и подача 0,2 мм или ниже).

Статья изучает эффект системы распыления АКЖ на обработку при чистовом точении Ti-6Al-4V. В первом наборе экспериментов варьировались два параметра распыления (скорость газа и расход) и параметры резания (скорость, подача, глубина) для выбора наиболее подходящего условия. Оценка по износу носа, температуре резания, шероховатости, ошибке округлости, морфологии стружки, твердости детали. Второй набор — сравнение АКЖ с компрессированным воздухом (сухое) и флуд-охлаждением. Обнаружено: даже при меньшем расходе жидкости 1,5 мл/мин (10% объема) при меньшей скорости газа система распыления превосходит два других условия, усиливая экологичность процесса.

Моделирование восстановления редкоземельных магнитов

В статье «Modeling operation and inventory for rare earth permanent magnet recovery under supply and demand uncertainties» авторы Хонгюэ Цзинь и Юэхверн Йих из Industrial Engineering, Purdue University (Вест-Лафайетте, Индиана), и Джон У. Сазерленд из Environmental and Ecological Engineering в Purdue обсуждают факторы стратегий запасов с моделированием симуляций.

Редкоземельные постоянные магниты (REPM) играют ключевую роль в приложениях: возобновляемая энергия, аэрокосмос, оборона. Редкоземельные элементы (REE) — неодим, диспрозий — используются в REPM, их поставки волатильны. Для снижения риска REE можно восстанавливать из списанных продуктов (EOL), таких как жесткие диски (HDD).

Статья разрабатывает стратегию управления операциями и запасами для изучения рентабельности при неопределенном рыночном предложении и меняющемся спросе. Опубликована в январь 2018, том 46 Journal of Manufacturing Systems.

TechFront редактирует старший редактор Патрик Ваурзыняк.