UIUC工学部、製造ソリューションのイノベーションをリード

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、機械および応用工学科学において長く輝かしい歴史と伝統を持ち、長年計画されてきた機械科学工学（MechSE）棟への数百万ドル規模の拡張が間もなく完了します。

UIUCは、Netscape、Advanced Micro Devices、PayPal、Oracle、Lotus Software、YouTube、Tesla Motorsなどの企業を創業した著名な卒業生を数多く輩出してきました。

今回の改修の一環として、UIUCのTransform MEB（機械工学棟）プログラムには、卒業生のSidney Lu氏（BSME '81）、コンピュータおよびスマートフォンメーカーFoxconn Interconnect（台湾）の会長兼CEO（Apple iPadとiPhoneを製造）から1,200万ドルの寄付が含まれています。

東翼増築は「Lu学習イノベーションセンター」として知られることになります。このプロジェクトには、MEB東側への5階建て増築、北側への1階建て増築、既存の66,000平方フィート（約6,132平方メートル）の空間の再構想、再設計、最適化が含まれ、教育、イノベーション、コミュニティのための場として生まれ変わります。

拡張に加えて、2017年10月、UIUC MechSEは、国立科学財団（NSF）から材料研究科学工学センター（MRSEC）の認定を受け、6年間で1,560万ドルの助成金により新しいナノ材料に焦点を当てたセンターが支援されることを発表しました。この発表は、NSFがMechSEのAndrew Alleyne教授率いる新しいNSF工学研究センターに1,850万ドルを授与したことに続きました。このセンターは、Power Optimization for Electro-Thermal Systems（POETS）と呼ばれ、モバイルエレクトロニクスと車両設計を単一システムとして捉えた際の熱と電気の課題に焦点を当てています。

「車両の総電力密度を10倍から100倍に高めたい。それは数十億リットルの燃料節約と、電気自動車の航続距離のほぼ2倍に相当します」と、MechSEのRalph & Catherine Fisher教授であるAlleyne氏は声明で述べています。「現在の電気技術は熱的限界に達しています。システムアプローチこそが、現在の技術水準を超える唯一の道です。」

Manufacturing Engineeringとの最近の対談で、UIUCのPlacid Matthew Ferreira氏（Tungchao Julia Lu教授、元MechSE学部長）とShiv Gopal Kapoor氏（Grayce Wicall Gauthier Chair、機械科学工学教授）が、学部の幅広い研究範囲について語りました。

「私たちがMechSEと呼ばれるのは、かつて機械工学部と理論応用力学部が統合されたためです」とFerreira氏は説明します。「学部は機械科学と機械工学をカバーし、力学、移動現象、固体力学、流体力学、制御理論、運動学、動力学といった機械工学の理論的基礎である基礎的な分野から、内燃機関、メカトロニクス、空調冷凍、ロボティクス、製造プロセス、製造システム、生体力学、材料挙動といった応用分野まで幅広く及んでいます。

「非常に幅広いグループであり、機械科学と工学のこのエコシステムにおいて、製造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、かなり重要な役割を果たしています」とFerreira氏は続けます。「学部内の理論的専門知識、固体力学、ダイナミクスと制御の観点からの凝固プロセスなどを活用し、それらを製造プロセスのモデリング、工作機械の設計、製造プロセスの制御に応用しています。クラウド製造にも取り組んでいます。計算科学の側面を取り入れ、製造プロセスのシミュレーションを行っています。」

この幅広いアプローチは、学部の専門知識を活用し、計算流体力学によるプロセスモデリングとシミュレーションなど、さまざまな製造分野を包含しています。Ferreira氏は付け加えます。「これにより、例えば切削加工プロセスを見る際の材料挙動を理解できるほか、製造システムクラウド、いわゆるサイバーシステムの分野でどこへ向かっているかもわかります。」

クラウドとサイバーフィジカル製造の進歩

UIUCのコンピュータ研究とシミュレーションリソースの歴史により、学部は大学キャンパス内と米国その他の場所にあるスーパーコンピュータのパワーを活用できます。大学はNational Center for Supercomputing Applications（NCSA）を擁し、最初のグラフィカルWebブラウザであるMosaicを生み出しました。

「イリノイに来れば、その歴史から、切削加工の熱的側面の最初の解析を行った研究者たちによって、製造への非常に長い貢献があったことがわかります」とKapoor氏は述べ、切削工具と切削加工の熱科学におけるこのような実験の重要性を指摘しています。Kapoor氏は『Journal of Manufacturing Processes』の編集長であり、Ferreira氏、ノースウェスタン大学（イリノイ州エバンストン）の他の教授たちとともに、Digital Manufacturing and Design Innovation Institute（DMDII；シカゴ）のUI Labsで3つの進行中のプロジェクトを持っています。

「1つのプロジェクトでは、サイバーフィジカル製造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Ferreira氏は言います。「別のプロジェクトでは、Caterpillarとミズーリ科学技術大学と協力して、機械加工プロセスのばらつきを低減しています。そして3つ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低減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OSプロジェクトの場合、研究は約1年しか経っていませんが、リーダーたちは他の研究者たちに工作機械を持ち込んでOSと連携させるよう要請し始めています。

産業界との協力は、研究の前進と新技術の市場投入に多大な成果をもたらします。「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氏は述べ、B.T. Chao、Kenneth Trigger、Klaus J. Weinmann、Subbiah Ramalingam、そして最近ではShiv KapoorといったUIUCの先行研究者たちの多大な貢献を挙げています。「彼らは業界で広く使用された、業界が実際に適用・活用でき、加工中にどのような力が予想されるか、さまざまなエラーがプロセスメカニクスを通じてどのように仕上げ面に現れるかを把握できる、加工プロセスの具体的なモデルを作り出しました。」

大学の研究の多くは、自動車サプライヤーとOEMが直面する問題の解決から始まりました。「Ford、GM、およびそれらのサプライヤーとの仕事から始めました」と同氏は言います。「Caterpillar、John Deere、そして工作機械メーカー、非常に早期にIngersoll（フライス盤会社）、DMG Moriなどとも協力しました。」

約12年間、UIUC学部は機械加工と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。Ferreira氏は、2003年から2010年までNanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems-NSF Nanoscale Science and Engineering Center（Nano-CEMMS）の所長を務め、現在はUIUCのMicro-Nanotechnology Laboratoryのアフィリエイトです。

「そこからマイクロおよびナノ製造の時代へと移行し、イリノイはリーダー的存在でした」とFerreira氏は述べています。「ナノスケールでのすべての製造を定義することを目的としたかなり大規模なセンターがあり、多くのプロセスをマイクロマシニング、マイクロフォーミング、マイクロEDMまで落とし込みました。」

—シニアエディター Patrick Waurzyniak

SMEジャーナルとManufacturing Lettersからの技術論文

これらの要約、抜粋、Webリンクは、Elsevier Ltd.（www.elsevier.com）発行の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、許可を得てここに使用しています。

ロボットフライス加工におけるチャッター回避

「CCTベースのモード結合チャッター回避によるロボットフライス加工」と題する論文で、Georgia Institute of Technology（アトランタ）George W. Woodruff School of Mechanical EngineeringのLejun Cen氏とShreyes N. Melkote氏が、ロボットフライス加工で発生するチャッターの問題を検討しています。彼らの論文は『Journal of Manufacturing Processes』第29巻に掲載され、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035で入手可能です。

現在、大型航空宇宙構造物は大型多軸CNCマシニングセンターで加工されています。これに対し、多自由度（DOF）関節型ロボットアームによるフライス加工は、低コストと汎用性という利点があります。しかし、関節型アームロボットの低剛性は、加工中に深刻な低周波モード結合チャッターを引き起こします。

先行研究では、平均合力切削力方向とロボットの最大主剛性方向の角度を最小化することで、このようなチャッターを抑制できることが示されています。しかし、このアプローチはロボット運動の許容範囲を制限し、その使用の柔軟性を制約します。本論文では、工具送り方向やワーク姿勢を変更することなく、Conservative Congruence Transformation（CCT）剛性モデルを用いてロボットフライス加工におけるモード結合チャッターを回避する新しい方法を提示しています。ロボットフライス加工実験では、このアプローチを使用することでモード結合チャッター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加工は、通常、非常に剛性が高く精密な大型CNCマシニングセンターを使用して日常的に行われます。これらの工作機械は工場床面の広い作業スペースを占有することが多いです。対照的に、多軸関節アームベースのロボットフライス加工システムは、大型航空機部品の加工に高い柔軟性を提供します。先行研究では、産業用CNCマシニングセンターと比較して、ロボットフライス加工システムは生産作業スペース要件を40%削減し、同時により高い柔軟性を提供できることが示されています。ロボットフライス加工は危険な環境にもより適しています。しかし、関節アームロボットの実用的な応用は、マテリアルハンドリング、組立、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多いです。

アトマイゼーションベース切削液によるTi-6AL-4Vの仕上げ旋削

新しいアトマイゼーション切削液スプレーシステムが、チタンの荒旋削改善の可能性を秘めていることが、「アトマイゼーションベース切削液（ACF）スプレーシステムによるTi-6Al-4Vの仕上げ旋削」と題する論文で議論されています。著者は、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）機械科学工学部のChandra Nath氏とShiv G. Kapoor氏、テキサス州リオグランデバレー大学（エディンバーグ）のAnil K. Srivastava氏です。この記事は『Journal of Manufacturing Processes』第28巻に掲載され、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020で入手可能です。

製品品質と生産性は製造業における重要な要素であり、特にチタンのような扱いにくい材料を扱う際には顕著です。関連する金属加工液塗布システムが提供する冷却と潤滑効果は、これらの要素を決定する上で重要な役割を果たし、特に仕上げ切削において顕著です。最近、ACFスプレーシステムはマクロスケールでのチタン荒旋削において有望な冷却と潤滑効果を示していますが、仕上げ切削（切込み深さと送り速度0.2mm以下）での検証はまだ行われていません。

本論文は、Ti-6Al-4Vの仕上げ旋削におけるACFスプレーシステムの加工性能への影響を研究することを目的としています。最初の実験セットでは、2つのスプレー パラメータ（ガス速度と流量）と切削パラメータ（切削速度、送り速度、切込み深さ）を変化させ、ACFスプレーシステムの適用に最も適した条件を選択しました。加工出力は、ノーズ摩耗、切削温度、表面粗さ、真円度誤差、チップ形態、部品硬度の観点から評価されました。次に、ACFスプレーシステムの性能を圧縮空気（ドライ）とフラッドクーラント条件と比較する別の実験セットを実施しました。その結果、1.5mL/分（体積比10%）という低い流量と低いガス速度でも、スプレーシステムが他の2つの冷却条件を上回る性能を発揮することが判明し、環境に優しい製造プロセスの性能をさらに向上させることがわかりました。

希土類磁石回収のモデリング

「供給と需要の不確実性下における希土類永久磁石回収の操業と在庫のモデリング」と題する論文で、Purdue大学（インディアナ州ウェストラファイエット）産業工学のHongyue Jin氏とYuehwern Yih氏、同大学環境生態工学のJohn W. Sutherland氏が、モデリングシミュレーションを用いた在庫戦略の要因について議論しています。

希土類永久磁石（REPM）は、再生可能エネルギー生産、航空宇宙、防衛関連製品など、さまざまな用途で不可欠な役割を果たしています。ネオジムやジスプロシウムなどの希土類元素（REE）がREPMに使用されており、これらのREEの供給は変動を経験してきました。このリスクを軽減するため、コンピュータハードディスクドライブ（HDD）などの使用済み製品（EOL）からREEを回収することが可能です。

この論文は、不確実な市場供給と、需要も大きな不確実性に直面する変動する価値の下で、収益性を探るための操業と在庫管理戦略を開発しています。この論文は『Journal of Manufacturing Systems』2018年1月号、Vol.46に掲載され、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437で入手可能です。

TechFrontはシニアエディターPatrick Waurzyniakが編集しています。