製造研究に対するUNCCの実践的アプローチ

今月から、TechFrontは主要大学の製造研究プログラムにスポットライトを当てる新しい形式になり、その後にSMEの Journal of Manufacturing Systemsでの最近の研究の要約が続きます。 、 Journal of Manufacturing Processes および製造レター 、すべてElsevierLtd.が発行

今月の大学の焦点は、ノースカロライナ大学シャーロット校（UNCC）です。 Manufacturing Engineeringは、UNCCの学部および大学院レベルの製造教育および研究プログラムの範囲について、UNCCのTonyL.Schmitz教授とChrisEvans教授にインタビューしました。

UNCCでは、学生が学部および大学院の製造業で実際の製造現場での経験を積むことに重点を置いています。 NASCARの国の中心部にあるシャーロット市に位置する都市大学のウィリアムステートリー工科大学には、精密計測センター、自由形状光学センター、およびエネルギー生産におけるシーメンス大規模製造ソリューション研究所の研究が含まれています。およびインフラストラクチャセンター（EPIC）。

「精密計測センターは、ここキャンパスで最も古い研究センターです」と、機械工学の教授であり、精密計測センターのディレクターであるクリスエヴァンスは述べています（https://cpm.uncc.edu/を参照）。 「私たちは大学院と学部の両方の教育をサポートしていますが、特に大学院教育では、2年間のサイクルで、計測、製造、精密機械設計の面で約15のクラスがあります。センターは学際的であるため、これらはすべて機械工学または光学科学工学のいずれかの教員によって教えられています。」

Center for Precision Metrologyは、Hexagon Metrologyなどのサプライヤーからの機器を備えた最先端の次元計測ラボを備えており、計測と製造の教員研究をサポートしています。 「私たちは、米国のどの大学の中でも最高の計測施設を持っていると思います」とエバンスは述べました。学際的なアプローチに加えて、UNCCは業界と協力しており、Caterpillar、Cummins、Intelなどの企業を含む業界関連プログラムがあります。

「[アフィリエイト]メンバーは、アフィリエイト自身が選択した競争力のある産業主導の研究開発プログラムを実行している学生によるプレゼンテーションを見るためにキャンパスに来ます」とエバンスは付け加えました。これは、学生を潜在的な雇用主に見えるようにするという点で、優れたアウトリーチプログラムです。」

ショップフロア、コラボレーションフォーカス

実践的なトレーニングは、UNCCの重要な焦点です。 「私は誇らしげに「汚い指の爪」タイプの人です」とエバンスは言いました。 「2年生としての私たちの機械工学の学部生は全員、最初の設計の公開と店への入室の両方を含む製造システムのクラスを受講する必要があります。」

この経験は、UNCCの学部生が手動工作機械を操作する方法を示しており、コースを通過するために実行する必要のあるシールのない単気筒エアエンジンのGD＆Tで完全に許容される一連のプリントを作成する必要があります。言った。 「彼らはキャリアの早い段階で、シミュレーションだけでなく、手を汚して実際のことをしなければならないことを学びます」と彼は付け加えました。 「彼らは公差の意味を学びます。」

29,000人の学生のUNCCキャンパスには、機械工学プログラムに1000人以上の学生がおり、年間約8％成長しているとエバンス氏は述べています。

JohnZiegert教授が率いるUNCCのSiemensEnergyLarge Manufacturing Solutions Laboratoryでは、SiemensEnergyから200万ドルの助成金を受けて購入した計測機器の研究が行われています。 EPICユニットにあるラボの目玉はLeitzPMM-F30-20-16 CMMで、非常に複雑な形状の大きくて重いコンポーネントを受け入れ、数マイクロメートル以内の精度ですべての寸法、角度、半径をすばやく測定できます。 CMMは、SiemensラボのアクティブパートナーであるHexagonから寄贈され、温度を20±0.5°Cに制御するカスタム設計の環境チャンバーに収容されています。さらに、ラボには3つのレーザートラッカーがあり、関節式アームCMMにアクセスできます。

実践的な経験を提供することは、主要な産業リーダーとの接触とともに、UNCCの製造プログラムに参加する学生に利益をもたらします。 「彼らは一般的に複数のオファーを持っています、特に私たちの国内の学生」と、大学院プログラムのUNCCアソシエイトチェアで機械工学と工学科学の教授であるFSMEのトニーシュミッツは言いました。

他の利点は、他の製造研究機関との大学の広範なコラボレーションにあります。 Center for Freeform Optics（https://centerfreeformoptics.org/）は、UNCCとロチェスター大学のコラボレーションです。 UNCCはまた、ノースカロライナ州立大学（ローリー）との金属添加剤製造科学を推進する州内の協力、およびUNCグリーンズボロとの粉末冶金に関する別の協力にも取り組んでいます。

「シャーロットにいることで私が気に入っていることの1つは、空中でのコラボレーションです。私たちは内部的に競争力がありません」とエバンスは言いました。それは重要だ、とシュミッツは付け加えた。 「この学部の教員の多くは、他の大学の教員であり、国立研究所などで他の経験をしました」とシュミッツ氏は述べています。 「私のすべての経験において、これは私が観察した研究組織にとって最も合議的な環境です。 「私たちはここで大人たちが働いています」と言いたいです。」

最先端の研究

UNCCの教員研究者は、単結晶ダイヤモンド工具と超精密機械加工に基づくこれらの光学部品の製造プロセスに関するフリーフォーム光学センターでの作業を含む、進行中の製造研究プログラムに関与しています。もう1つの取り組みは、歯車製造と歯車製造計測の専門家であるUNCC教授のGert Gochが率いています。彼のグループは最近、計測研究で歯車の歯の面積記述を使用する方法を開発しました。

サウスカロライナ州グリーンビルで開催されたSOUTH-TEC2017で、シュミッツは参加者に製造業の可能性について未来的な見方をしました。彼は、自然界に見られる生物学的プロセス内で将来の製造アプリケーションを見つけることに焦点を当てた、ブルースカイコンペティションの受賞歴のある研究に基づいて、SMENAMRC-45の講演を再演しました。 「BiomimeticManufacturing」と題されたSchmitzの講演では、生物学的システムが将来の製造革新の手がかりをどのように与えることができるかを示しました。カリフォルニア大学バークレー校の故DavidDornfeld教授にちなんで名付けられた最初のNAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Awardの受賞者である彼の作品は、将来の製造研究者が「とんでもないことを考える」ことができれば、何を考え出すことができるかについての魅力的な考察を示しました。心を開いてください。

「私たちは新しい挑戦とアプローチをとる必要があります」とシュミッツはSMEブルースカイコンペティションについて語った。 「大きなリスク/報酬があります。」シュミッツによる生体模倣製造の説明では、樹木、もやし、シロアリ、ビーバーの歯、さらにはジカウイルスでさえも、未来派に新しい製造アプローチを開発する手がかりを与えることができる方法について概説しました。

たとえば、ビーバーの歯を調べる際に、シュミッツ氏は、絶え間ない咀嚼を止めた場合、自己研ぎ切歯は最終的にビーバーの口に対して大きくなりすぎると述べました。 Schmitzの質問には、次のようなものがありました。「ジオメトリを利用できますか？摩耗を最小限に抑えるのではなく、それに対応するように進化する切削工具を設計できますか？新しいコーティング材料技術の代わりに、新しいデザインは適切な速度で「成長」することができますか？ …製造業と生物学の交差点には多くの研究の可能性があります。」

—主任編集者Patrick Waurzyniak

SMEジャーナルおよび製造レターからの技術論文

これらの要約、抜粋、およびWebリンクは、SME Journal of Manufacturing Systemsに掲載された最近の論文からのものです。 、 Journal of Manufacturing Processes 、および製造レター 、Elsevier Ltd.（www.elsevier.com）によって印刷され、許可を得てここで使用されています。

シートアルミニウムを接合してマグネシウムを鋳造する

彼らの記事では、「フォイルアクチュエータ溶接を気化させることによってマグネシウムAM60Bを鋳造するためのシートアルミニウムAA6061-T4の結合：入力エネルギー、インターフェース、および強度」、材料科学工学部の著者Bert Liu、Anupam Vivek、Glenn S. Daehnオハイオ州立大学（コロンバス）で、アルミニウムを溶接してマグネシウムを鋳造する技術を検討し、自動車メーカーがより優れた燃料効率を実現するより軽量な自動車プラットフォームを模索するのを支援しました。 Journal of Manufacturing Processesに掲載されている論文 、Vol。 2017年12月30日、http：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#！で入手できます。

シートアルミニウムAA6061-T4の鋳造マグネシウムAM60Bへの異なる接合は、ホイルアクチュエータ溶接（VFAW）を気化させることによって達成されました。 3つの入力エネルギーレベル（6、8、および10 kJ）が使用され、傾向として、入力エネルギーが高くなると、フライヤー速度が徐々に高くなり、界面の波状の特徴がより顕著になり、溶接ゾーンが大きくなり、剥離強度が高くなり、剥離エネルギーが高くなります。すべての場合において、溶接断面は、十分に発達した波状の特徴と、金属間化合物（IMC）のボイドおよび連続層の欠如を特徴とするしっかりと結合した界面を明らかにしました。 10 kJの入力エネルギーで、820 m / sのフライヤー速度、22.4 N / mmの剥離強度、および5.2Jの剥離エネルギーが得られました。

重ねせん断では、AA6061-T4フライヤーで、母材のピーク引張荷重の97％で破損が発生しました。剥離サンプルは溶接界面に沿って破損し、破面のAM60B側は、延性のある方法でベースAA6061-T4から引き裂かれ、AM60B側に移されたAl残留物の細い等間隔の線を示しました。これらの領域で非常に強いAA6061-T4/AM60B結合を示しています。この作業は、Al/Mgなどの異種の軽量金属を接合するVFAWの機能を示しています。

エンジンブレード修理のための摩耗した表面形状のモデリング

Manufacturing Lettersの第15巻 2018年1月、ミズーリ科学技術大学（ミズーリ州ローラ）の機械航空宇宙工学科の著者Xinchang Zhang、Wei Li、Frank Liouが、直接金属蒸着を使用して損傷したタービンエンジンブレードを修復するためのモデリングの使用について書いています。彼らの論文「レーザー支援直接金属蒸着プロセスを使用したエンジンブレード修理のための摩耗面形状のモデリング」は、http：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072Xで入手できます。

エンジンブレードの修理には、摩耗領域を取得し、堆積のための対応するツールパスを生成する必要があります。この論文では、損傷したブレードの失われた体積を取り戻すために、自動摩耗面モデリング法を提案した。ブレードのモデルを再構築するためにリバースエンジニアリングが利用されました。再構築された損傷モデルは、公称モデルに最もよく適合しました。断面積比較法を使用して、損傷した層を検出した。損傷した層を交差させて欠落したボリュームを抽出するために、レイキャスティング法が採用されました。ツールパスが生成され、レーザー支援直接金属蒸着を使用して修復実験が実行され、提案された方法が検証されました。

カルビ加工への2つのアプローチ

「シンリブ加工における固定フリービームダイナミクスの解析ソリューション」では、UNCシャーロット機械工学工学部の著者Tony L.SchmitzとAndrewHoneycuttが、シンリブ固定フリービームを予測するための2つの異なる解析アプローチを紹介しています。さまざまな形状のダイナミクス。このJournalof Manufacturing Processes 、第30巻、2017年12月の論文は、http：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554？via％3Dihubで入手できます。

最初のアプローチでは、レイリー法を使用して、階段状の厚さの梁の基本曲げモードの有効質量を決定し、カスチリアノの定理を使用して、梁の自由端と厚さの変化の両方で剛性を計算します。 2番目の方法では、受容結合下部構造解析（RCSA）を使用して、個々の階段状ビームセクションを表す受容を厳密に接続することにより、同じ2つの場所でのビーム受容（または周波数応答関数）を予測します。受容は、ティモシェンコビームモデルから導出されます。

2つの手法を検証するために、有限要素計算との比較が完了します。 RCSAの予測は、有限要素の結果とより密接に一致することが観察されています。複数の加工パスによって段付きビームの厚さが変化する実験も行われ、パス間で受容性測定が実行されます。 RCSAの予測は、固有振動数と剛性の実験結果と比較されます。固有振動数が数パーセント以内で一致していることが報告されています。

リーン原則がプルトニウム供給プロセスをスピードアップ

彼らの論文「概念的なプルトニウム238（Pu238）供給プロセスを改善するためのリーン製造原理の適用」では、テネシー大学産業システム工学科のトムシー・トーマス、スティーブン・R・シャーマン、ラピンダー・S・ソーニー（ノックスビル）とオークリッジ国立研究所（ORNL;オークリッジ、テネシー大学）の核セキュリティおよび同位体技術部門の放射化学科学および工学グループは、リーンプロセスがどのようにPu238供給プロセスをスピードアップできるかを概説しています。この論文は、 Journal of Manufacturing Systemsの2018年1月の第46巻に掲載されています。 、https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413で入手できます。

米国エネルギー省のPu-238供給プロジェクトは、キログラム規模でPu238を生産する米国の能力を再構築することを目的としています。この放射性同位元素は、NASAが深宇宙探査機に電力を供給するために使用しており、供給は減少しています。これは1988年に米国で最後に製造されました。Pu238供給プロセスの概念設計は、ORNLの放射化学工学開発センターの既存のプロセスと設備を使用して説明されています。

概念プロセスのレート制限セクションは、離散イベントシステムシミュレーションを使用して分析され、予想される生産レート、ボトルネック、および生産レートに対する時間遅延の影響が決定されました。リーン生産方式に基づいて代替プロセスが生成され、シミュレーションを使用してそれらが調査され、元のプロセスと比較されて、より優れた運用戦略が特定されました。

TechFrontはシニアエディターのPatrickWaurzyniakによって編集されています。