名高いUIUCエンジニアリングプログラムが製造上の困難な問題に取り組む

イリノイ大学アーバナシャンペーン校（UIUC;イリノイ州アーバナ）は、機械工学および応用工学の科学において長く卓越した歴史と伝統を持っており、大学は間もなく、長期計画の数百万ドル規模の拡張の開始を祝います。その機械科学と工学（MechSE）の建物に。

UIUCには、起業家として優れた多くの著名な卒業生が住んでおり、Netscape、Advanced Micro Devices、PayPal、Oracle、Lotus Software、YouTube、TeslaMotorsなどの企業を設立しています。

改築の一環として、UIUCのTransform MEB（Mechanical Engineering Building）プログラムには、AppleiPadを製造するコンピューターおよびスマートフォンメーカーのFoxconnInterconnect（台湾）の会長兼CEOである卒業生のSidney Lu（BSME '81）からの1200万ドルの寄付が含まれています。とiPhone。

東棟の追加は、Lu Center for LearningandInnovationとして知られています。このプロジェクトには、MEBの東に5階建ての増築、北に1階建ての増築が含まれ、教育、革新、およびUIUCによると、コミュニティ。

拡張に加えて、2017年10月にUIUC MechSEは、大学が全米科学財団から材料研究科学工学センター（MRSEC）を授与され、このセンターが新しいナノ材料に焦点を当てた6年間の1560万ドルの助成金によって支援されたと発表しました。この発表は、MechSEのAndrewAlleyne教授が率いる新しいNSFエンジニアリング研究センターに対してNSFがUIUCに1850万ドルを授与したことに続きます。このセンターは、電熱システムの電力最適化（POETS）と呼ばれ、単一システムとしてのモバイル電子機器と車両設計を取り巻く熱的および電気的課題に焦点を当てています。

「私たちは、車両の総出力密度を10倍から100倍に増やしたいと考えています。これは、数十億リットルの燃料を節約し、電気自動車の航続距離をほぼ2倍にすることになります」とMechSEのラルフ＆キャサリンフィッシャー教授であるAlleyneは声明で述べています。 「今日の電気技術は熱の限界にあります。システムアプローチは、現在の最先端技術を超える唯一の方法です。」

製造工学との最近の議論で、UIUCのプラシッドマシューフェレイラ、Tungchao Julia Lu教授および元MechSE部門長、およびグレイスウィコールゴーティエ議長で機械科学および工学の教授であるShiv Gopal Kapoorは、部門。

「私たちは機械科学と工学のためにMechSEと呼ばれています。これは、しばらく前に機械工学部門と理論および応用力学部門が統合されたためです」とフェレイラ氏は述べています。 「この部門は、機械科学と機械工学にまたがっており、より基本的なもの、つまり力学、輸送現象、固体力学、流体力学、制御理論、運動学、ダイナミクスなどの機械工学の理論的基礎から、ICエンジンなどのより応用分野にまで及びます。 、メカトロニクス、空調および冷凍、ロボット工学、製造プロセス、製造システム、生体力学、および材料の挙動。

「これは非常に幅広いグループであり、この機械科学と工学のエコシステムでは、製造プロセスの側面と製造システムの側面の両方から、製造がかなり重要な役割を果たしています」とフェレイラ氏は続けます。 「私たちは、弾性波、ダイナミクスと制御の観点からの凝固プロセスなど、部門内の理論的専門知識を活用しています。それらをモデリングや製造プロセス、工作機械の設計、製造プロセスの制御に落とし込みます。クラウド製造にも取り組んでいます。私たちは計算科学の側面を取り入れて、製造プロセスのシミュレーションに入ります。」

この幅広いアプローチは、プロセスのモデリングやシミュレーションのための計算流体力学など、さまざまな製造分野を網羅する部門の専門知識を活用しているとフェレイラ氏は付け加えました。 「[これは]たとえば、機械加工プロセスを見ているときの材料の挙動や、製造システムクラウドのこれらの領域に向かっている場所を理解するのに役立ちます。これをサイバーシステムと呼んでいます。」

クラウドおよびサイバーフィジカル製造の進歩

UIUCのコンピューター研究とシミュレーションのリソースの歴史により、学部は大学のキャンパスと米国の他の場所の両方にあるスーパーコンピューターの能力を活用できます。大学は、最初のグラフィカルWebブラウザであるMosaicを作成したNational Center for Supercomputing Applications（NCSA）をホストしています。

「イリノイに来ると、その歴史とともに、機械加工の熱的側面の最初の分析を行った研究者からの製造に非常に長い貢献をしてきたことに気づきます」とカプール氏は述べ、切削工具などでのそのような実験の重要性を指摘しました。機械加工プロセスの熱科学。 Journal of Manufacturing Processesの編集長であるKapoor 、フェレイラとノースウェスタン大学（イリノイ州エバンストン）の他の教授は、UIラボのデジタルマニュファクチャリングアンドデザインイノベーションインスティテュート（DMDII;シカゴ）と3つの進行中のプロジェクトを持っています。

「あるプロジェクトでは、サイバーフィジカル製造用のオペレーティングシステムと呼ばれるものを開発しています」とフェレイラ氏は述べています。 「別のプロジェクトでは、CaterpillarおよびMissouri Science and Technologyと協力して、機械加工プロセスのばらつきを減らしています。そして3番目のプロジェクトでは、ダイカストプロセスにおける不確実性の定量化と不確実性の低減のためのフレームワークを開発しています。」

サイバーフィジカルオペレーティングシステムプロジェクトの場合、フェレイラ氏は、グループは研究に約1年しかかからないと述べましたが、そのリーダーは、オペレーティングシステムで動作する工作機械を持ち込むように他の人に求め始めました。

産業界との協力は、研究を進め、新しい技術を市場に投入することで大きな成果を上げます。 「私たちはCaterpillarなどの産業パートナーと非常に多くのレベルで協力しています」とFerreiraは述べ、B.T。などのUIUCの初期の研究者の主な貢献を引用しました。 Chao、Kenneth Trigger、Klaus J. Weinmann、Subbiah Ramalingam、そして最近ではShivKapoor。 「彼らは、業界で広く使用されているもの、業界が実際に適用して使用できる機械加工プロセスの具体的なモデルを作成し、機械加工中に予想される力と、プロセス力学を通じて表面仕上げにどのようにさまざまなエラーが現れるかを理解しようとしました。 」

大学の研究の多くは、自動車サプライヤーやOEMが直面する問題の解決から始まりました。 「私たちはフォード、GM、およびそれらのサプライヤーとの仕事を始めました」と彼は言いました。 「Caterpillar、John Deere、そして工作機械メーカーもあり、非常に早い段階でIngersoll、フライス盤会社、DMGMoriなどと協力しています。」

約12年間、UIUC部門は、機械加工および工作機械システムに焦点を当てたセンターも運営していました。フェレイラは、2003年から2010年まで、ナノスケール化学-電気-機械製造システム-NSFナノスケール科学工学センター（Nano-CEMMS）のディレクターであり、現在はUIUCのマイクロナノテクノロジー研究所の関連会社です。

「私たちはそこから、イリノイ州がリーダーであったマイクロおよびナノ製造の時代に移行しました」とフェレイラ氏は述べています。 「私たちは、ナノスケールですべての製造を定義するために特別に着手したかなり大きなセンターを持っていました。そして、マイクロマシニング、マイクロフォーミング、マイクロEDMに至るまで多くのプロセスを取りました。」

—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。

ロボットフライス盤でのチャタリング回避

ジョージア工科大学（アトランタ）のジョージW.ウッドラフ機械工学部のLejunCenとShreyesN. Melkoteは、彼らの記事「ロボットフライス盤でのCCTベースのモード結合チャタリング回避」で、ロボットによって生成されるチャタリングの問題を調べています。フライス盤。 Journal of Manufacturing Processesの第29巻に掲載されている彼らの論文 、https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035で入手できます。

現在、大型の航空宇宙構造物は、大型の多軸CNCマシニングセンターを使用して加工されています。比較すると、複数自由度（DOF）の多関節ロボットアームを使用したフライス盤には、コストが低く、汎用性があるため、いくつかの利点があります。ただし、関節式アームロボットの剛性が低いため、機械加工中に深刻な低周波数モードのカップリングチャタリングが発生します。

以前の研究では、結果として生じる平均切削力方向とロボットの最大主剛性の方向との間の角度を最小化することにより、このようなびびりを抑制できることが示されています。このアプローチは、許容されるロボットの動きの範囲を制限し、したがってその使用の柔軟性を制限します。この論文では、工具の送り方向やワークの向きを変更する必要のない、保守的な合同変換（CCT）剛性モデルを使用して、ロボットフライス盤のモード結合チャタリングを回避するための新しい方法を紹介します。ロボットによるフライス盤の実験では、このアプローチを使用すると、モード結合のチャタリングが大幅に減少することが示されています。

大型航空機部品のフライス盤は、非常に剛性が高く正確な大型で高価なCNCマシニングセンターを使用して日常的に実行されます。これらの工作機械は、多くの場合、工場フロアの大きな作業スペースを占めます。対照的に、多軸関節式アームベースのロボットフライス盤システムは、大型航空機部品の機械加工に高度な柔軟性を提供します。以前の研究では、産業用CNCマシニングセンターと比較して、ロボットフライス盤システムは生産作業スペースの要件を40％削減し、同時により大きな柔軟性を提供できることが示されています。ロボットによるフライス盤は、危険な環境にも適しています。ただし、関節式アームロボットの実際のアプリケーションは、マテリアルハンドリング、組み立て、溶接、バリ取りなどの低力アプリケーションに制限されることがよくあります。

アトマイズベースの切削液でTi-6AL-4Vの旋削を終了

新しい噴霧切削液スプレーシステムは、チタンの粗旋削を改善する可能性を秘めています。これは、著者のチャンドラナスと著者による論文「噴霧ベースの切削液（ACF）スプレーシステムによるTi-6Al-4Vの旋削の仕上げ」で説明されています。イリノイ大学アーバナシャンペーン校（UIUC;イリノイ州アーバナ）の機械科学工学部のShiv G. Kapoor、およびテキサス大学パンアメリカン校（テキサス州エディンバーグ）のAnilK.Srivastava。 Journal of Manufacturing Processesの第28巻に掲載された記事 、https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020で入手できます。

製品の品質と生産性は、製造業、特にチタンのような扱いにくい材料を扱う場合に重要な要素です。関連する金属加工液塗布システムによって提供される冷却および潤滑効果は、特に仕上げ切削中に、これらの要因を決定する上で重要な役割を果たします。最近、ACFスプレーシステムは、マクロスケールでのチタンの荒削り中に有望な冷却および潤滑効果を示しましたが、仕上げ切削中（例えば、切削深さおよび送り速度0.2mm以下）にはまだ検討されていません。

この論文は、Ti-6Al-4Vの仕上げ旋削中の加工性能に及ぼすACFスプレーシステムの影響を研究することを目的としています。最初の一連の実験では、2つのスプレーパラメータ（つまり、ガス速度と流量）と切削パラメータ（つまり、切削速度、送り速度、切削深さ）を変化させて、アプリケーションに最適な条件を選択します。 ACFスプレーシステム。加工出力は、ノーズ摩耗、切削温度、表面粗さ、真円度誤差、切りくずの形態、および部品の硬度の観点から評価されます。次に、別の一連の実験を実行して、ACFスプレーシステムの性能を圧縮空気（乾燥）およびフラッドクーラントの状態と比較します。より低いガス速度で1.5mL/ min（10％体積）のより低い流体流量でも、スプレーシステムは他の2つの冷却剤条件よりも優れているため、環境に優しい製造プロセスのパフォーマンスがさらに向上することがわかります。 。

希土類磁石の回収率のモデリング

彼らの論文では、「供給と需要の不確実性の下での希土類永久磁石回収のための操作と在庫のモデリング」、著者、パデュー大学（ウェストラファイエット、インディアナ州）のインダストリアルエンジニアリングのHongyueJinとYuehwernYih、および環境とジョンW.サザーランドPurdueのエコロジカルエンジニアリングでは、モデリングシミュレーションを使用して在庫戦略に関連する要因について話し合います。

希土類永久磁石（REPM）は、再生可能エネルギーの生産や航空宇宙および防衛関連製品など、さまざまなアプリケーションで重要な役割を果たします。ネオジムやジスプロシウムなどの希土類元素（REE）はREPMで使用されており、これらのREEの供給には変動があります。このリスクを軽減するために、REEは、コンピューターのハードディスクドライブ（HDD）などの保守終了（EOL）製品から回復される場合があります。

このペーパーでは、不確実な市場供給の下で、需要も重大な不確実性に直面しているさまざまな値での収益性を調査するための運用および在庫管理戦略を開発します。この論文は、2018年1月号のVol。 Journal of Manufacturing Systemsの46 、https：//www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437で入手できます。

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