UNCCが最先端の実践的製造研究を牽引

今月から、TechFrontは主要大学の製造研究プログラムをスポットライトする新形式で始まり、続いてSMEの『Journal of Manufacturing Systems』、『Journal of Manufacturing Processes』、『Manufacturing Letters』（すべてElsevier Ltd.刊）の最近の研究サマリーが続きます。

今月の大学フォーカスはノースカロライナ大学シャーロット校（UNCC）。『Manufacturing Engineering』が、UNCCのトニー・L・シュミッツ教授とクリス・エバンス教授に、UNCCの学部・大学院レベルの製造教育・研究プログラムの範囲についてインタビューしました。

UNCCでは、学部・大学院製造教育において学生が実践的なショップフロア経験を積むことを重視しています。NASCARの本拠地として知られるシャーロット市の中心部に位置するこの都市型大学のウィリアム・ステイツ・リー工学部には、精密計測センター、自由形状光学センター、エネルギー生産・インフラセンター（EPIC）内のシーメンス大型製造ソリューションラボが含まれます。

「精密計測センターは、キャンパスで最も古い研究センターです」と、機械工学教授兼精密計測センター長のクリス・エバンス氏（https://cpm.uncc.edu/参照）。「大学院・学部教育の両方を支援しますが、特に大学院教育では、2年サイクルで計測、製造、精密機械設計の側面について約15の授業があります。これらは機械工学または光学科学工学の教員によって教えられます。センターが学際的だからです。」

最先端の寸法計測ラボを備え、ヘキサゴン・メトロロジーなどのサプライヤーから機器を導入した精密計測センターは、計測と製造における教員研究を支援しています。「米国のどの大学よりも優れた計測施設を持っていると思います」とエバンス氏。学際的アプローチに加え、UNCCは産業界と協業し、キャタピラー、カミンズ、インテルなどを含む産業アフィリエイトプログラムを持っています。

「アフィリエイト会員はキャンパスに来て、会員自らが選んだ競争的で産業主導の研究開発プログラムを実施する学生たちのプレゼンテーションを見ます」とエバンス氏。「彼らが会員費として支払う費用が学生の資金になります。学生を潜在的雇用主に可視化するという点で、優れたアウトリーチプログラムです。」

ショップフロア重視、協業重視

実践的トレーニングはUNCCの核心です。「私は誇りを持って『泥だらけの爪』タイプの人間です」とエバンス氏。「機械工学部の全学部生は2年生で、最初の設計体験とショップ実習を含む製造システムクラスを履修しなければなりません。」

この経験では、UNCC学部生に手動工作機械の操作方法を教え、GD&Tで完全に公差指定された図面セットに従って、シールなし単気筒エアエンジンを製作し、それが動作しなければ単位が取れない仕組みだとエバンス氏。「彼らはキャリア早期に、シミュレーションだけでなく、手を汚して実物を作らなければならないことを学びます。公差の意味を理解します。」

29,000人の学生を擁するUNCCキャンパスには、機械工学プログラムに1,000人以上の学生が在籍し、年間約8%成長しているとエバンス氏。

UNCCのシーメンス・エナジー大型製造ソリューションラボ（ジョン・ジーガート教授主導）では、シーメンス・エナジーからの200万ドル助成で購入した計測機器で研究を行っています。EPICユニット内にあるこのラボの目玉は、Leitz PMM-F 30-20-16三次元測定機（CMM）で、非常に複雑な形状の大型重量コンポーネントを受け入れ、数ミクロンの精度であらゆる寸法、角度、半径を迅速に測定できます。このCMMはヘキサゴンから寄贈され、同社はシーメンスラボのアクティブなパートナーです。20±0.5℃に温度制御されたカスタム設計の環境チャンバー内に設置されています。さらに、レーザートラッカー3台とアーティキュレートアームCMMも利用可能です。

実践経験と主要産業リーダーへの露出を提供することで、UNCCの製造プログラムに通う学生は成果を上げています。「特に国内学生は、概ね複数のオファーを得ています」と、トニー・シュミッツ氏（FSME、UNCC大学院プログラム担当准学部長、機械工学・工学科学教授）。

他の利点は、大学の他製造研究機関との広範な協業にあります。自由形状光学センター（https://centerfreeformoptics.org/）はUNCCとロチェスター大学の協業。NC州立大学（ローリー）とは州内協業で金属アディティブ製造科学を推進し、UNCグリーンズボロとは粉末冶金で協業しています。

「シャーロットにいることの好きな点の一つは、協業が空気のようにあることです。内部競争はありません」とエバンス氏。シュミッツ氏も同調します。「この学部の多くの教員が他大学の教員経験があり、国立研究所などでの経験もあります。私のすべての経験の中で、これが研究組織として最も colegial（同僚的・協調的）な環境です。『ここには大人が働いている』と言いたくなります。」

最先端研究

UNCC教員研究者たちは、単結晶ダイヤモンド工具と超精密加工に基づく自由形状光学の製造プロセス（自由形状光学センター）、ギア製造とギア製造計測の専門家であるガート・ゴッホ教授による、ギア歯の面的記述を計測研究に用いる手法の開発など、進行中の製造研究プロジェクトに携わっています。

SOUTH-TEC 2017（サウスカロライナ州グリーンビル）で、シュミッツ氏は製造業の未来像を提示しました。SME NAMRC-45での講演を再演し、ブルースカイコンペティション受賞研究に基づき、自然界の生物学的プロセスの中に未来の製造応用を見出すことに焦点を当てました。シュミッツ氏の講演「生物模倣製造」は、生物学的システムが未来の製造イノベーションのヒントを与えることを示しました。故カリフォルニア大学バークレー校デビッド・ドルンフェルド教授にちなんで名付けられた、初回NAMRI/SMEドルンフェルド製造ビジョン賞を受賞した同氏の研究は、「型破りな発想」をオープンマインドで受け入れれば、未来の製造研究者たちが何を生み出せるか、魅力的な一端を見せました。

「新たな挑戦とアプローチが必要です」とシュミッツ氏はSMEブルースカイコンペティションについて語ります。「ハイリスク・ハイリターンです。」同氏の生物模倣製造の説明は、木、豆苗、シロアリ、ビーバーの歯、さらにはジカウイルスを詳しく観察することで、未来学者が新しい製造アプローチを開発する手がかりを得られることを示しました。

例えばビーバーの歯を調べると、常に噛み続けなければ、自己研磨切歯が最終的にビーバーの口には大きすぎるほど成長してしまうことが分かります。シュミッツ氏の問いの一つは、「この幾何学を利用できるか？ 摩耗を最小化するのではなく、対応するように『進化』する切削工具を設計できるか？ 新しいコーティング材料技術の代わりに、適切な速度で『成長』する新しい設計が可能か？……製造と生物学の交差点には多くの研究可能性があります。」

——シニアエディター、パトリック・ウォージニアック

SMEジャーナルとManufacturing Lettersからの技術論文

これらのサマリー、抜粋、ウェブリンクは、SME『Journal of Manufacturing Systems』、『Journal of Manufacturing Processes』、『Manufacturing Letters』に最近掲載された論文からのものです。これらはElsevier Ltd.（www.elsevier.com）によって印刷され、許可を得てここに使用されています。

板アルミニウムと鋳造マグネシウムの接合

論文「気化箔アクチュエータ溶接による板アルミニウムAA6061-T4と鋳造マグネシウムAM60Bの接合：投入エネルギー、界面、強度」で、オハイオ州立大学（コロンバス）材料科学工学部のバート・リウ、アヌパム・ヴィヴェク、グレン・S・ダーンの各氏は、自動車メーカーがさらなる燃費向上を実現するより軽量な自動車プラットフォームを求める中、アルミニウムと鋳造マグネシウムを成功裏に溶接する技術を検証しました。この論文は『Journal of Manufacturing Processes』Vol.30、2017年12月号に掲載。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#! で閲覧可能。

異種材料である板アルミニウムAA6061-T4と鋳造マグネシウムAM60Bの接合が、気化箔アクチュエータ溶接（VFAW）によって達成されました。3つの投入エネルギーレベル（6、8、10 kJ）が使用され、傾向として、高い投入エネルギーほど飛翔体速度が高く、界面の波状特徴が顕著になり、溶接ゾーンが大きく、剥離強度と剥離エネルギーが高くなりました。すべてのケースで、溶接断面は、よく発達した波状特徴とボイドなし、連続した金属間化合物（IMC）層を特徴とする健全な接合界面を示しました。10 kJ投入エネルギーでは、飛翔体速度820 m/s、剥離強度22.4 N/mm、剥離エネルギー5.2 Jが得られました。

ラップせん断では、AA6061-T4飛翔体側でベース材料ピーク引張荷重の97%で破壊が発生。剥離試験片は溶接界面に沿って破壊し、破面のAM60B側には薄く均等に間隔を空けたAl残留物の線が見られ、これが延性的にベースAA6061-T4から引き剥がされAM60B側に移動したことを示し、これらの領域で非常に強いAA6061-T4/AM60B結合があることを示唆しています。この研究は、Al/Mgのような異種軽量金属接合におけるVFAWの能力を実証しています。

エンジンブレード修復のための摩耗面形状モデリング

『Manufacturing Letters』Volume 15、2018年1月号で、ミズーリ科技大学（ローラ）機械航空宇宙工学部のシンチャン・チャン、ウェイ・リー、フランク・リウの各氏が、レーザー支援直接金属付加法を用いた損傷タービンエンジンブレードの修復をモデリングで支援する研究を発表しました。論文「レーザー支援直接金属付加プロセスを用いたエンジンブレード修復のための摩耗面形状モデリング」は、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X で閲覧可能。

エンジンブレード修復には、摩耗領域の取得と付加用ツールパス生成が必要です。本論文では、損傷ブレードの欠損体積を回復するための自動摩耗面モデリング手法を提案。リバースエンジニアリングでブレードモデルを再構築。再構築された損傷モデルを公称モデルに最適フィット。断面積比較法で損傷層を検出。レイキャスティング法を採用し、損傷層と交差させて欠損体積を抽出。ツールパスを生成し、レーザー支援直接金属付加で修復実験を行い、提案手法を検証しました。

薄リブ加工への二つのアプローチ

「薄リブ加工における片持ち梁ダイナミクスの解析解」で、UNCシャーロット機械工学・工学科学部のトニー・L・シュミッツとアンドリュー・ハニーカットの両氏は、幾何形状が変化する薄リブ・片持ち梁のダイナミクスを予測する二つの異なる解析アプローチを提示しています。この『Journal of Manufacturing Processes』Volume 30、2017年12月の論文は、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub で閲覧可能。

第一のアプローチは、レイリー法で段差厚みビームの基本曲げモードの有効質量を求め、カスティリアーノの定理でビーム自由端と厚み変化点の剛性を計算します。第二の方法は、レセプタンス結合部分鋼構造解析（RCSA）を用い、剛接合された個別段差ビームセクションを記述するレセプタンス（周波数応答関数）を結合することで、同じ二地点でのビームレセプタンスを予測します。レセプタンスはチモシェンコビームモデルから導出されます。

有限要素計算との比較で両手法を検証。RCSA予測が有限要素結果により近いことが観察されました。また、複数回の加工パスで段差ビーム厚みを変化させ、パス間でレセプタンス測定を行う実験も実施。RCSA予測を固有振動数と剛性について実験結果と比較。固有振動数で数パーセント以内の一致が報告されています。

リーン原則でプルトニウム供給プロセスを高速化

論文「概念的プルトニウム238（Pu238）供給プロセス改善へのリーン製造原則の適用」で、テネシー大学（ノックスビル）産業システム工学部のトムシー・トーマス、スティーブン・R・シャーマン、ラピンダー・S・サウニーの各氏と、オークリッジ国立研究所（ORNL、テネシー州オークリッジ）放射化学科学工学グループ、核セキュリティ・同位体技術部門の研究者たちが、リーンプロセスでPu238供給プロセスを高速化する方法を概説しています。この論文は『Journal of Manufacturing Systems』2018年1月号Volume 46に掲載。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413 で閲覧可能。

米国エネルギー省のPu-238供給プロジェクトは、キログラムスケールでのPu238生産能力の米国国内再構築を目指しています。この放射性同位体はNASAが深宇宙探査機の電源に使用しており、供給が枯渇しています。米国での最後の生産は1988年でした。ORNLの放射化学工学開発センターの既存プロセスと施設を用いたPu238供給プロセスの概念設計が説明されています。

概念プロセスの律速区間を離散イベントシステムシミュレーションで分析し、期待生産率、ボトルネック、時間遅延が生産率に与える影響を特定。リーン製造原則に基づきプロセス代替案を生成し、シミュレーションで元プロセスと比較検証し、より良い運用戦略を特定しました。

TechFrontはシニアエディター、パトリック・ウォージニアックが編集。