L'approche pratique de l'UNCC en matière de recherche manufacturière

À partir de ce mois-ci, TechFront a un nouveau format qui met en lumière les programmes de recherche sur la fabrication dans les principales universités, suivi de résumés des recherches récentes dans le Journal of Manufacturing Systems des PME. , Journal des processus de fabrication et Lettres de fabrication , tous publiés par Elsevier Ltd.

L'université de ce mois-ci se concentre sur l'Université de Caroline du Nord à Charlotte (UNCC). Manufacturing Engineering a interrogé les professeurs de l'UNCC Tony L. Schmitz et Chris Evans sur la portée des programmes d'enseignement et de recherche en fabrication de premier cycle et de deuxième cycle de l'UNCC.

À l'UNCC, l'accent est mis sur les étudiants qui acquièrent une expérience pratique en atelier dans la fabrication de premier cycle et des cycles supérieurs. Situé dans la ville de Charlotte, au cœur du pays NASCAR, le William States Lee College of Engineering de l'université urbaine comprend les recherches du Center for Precision Metrology, du Center for Freeform Optics et du Siemens Large Manufacturing Solutions Laboratory dans le Energy Production. et Centre d'Infrastructures (EPIC).

« Le Center for Precision Metrology est le plus ancien centre de recherche ici sur le campus », a déclaré Chris Evans, professeur de génie mécanique et directeur du Center for Precision Metrology (voir https://cpm.uncc.edu/). « Nous soutenons l'éducation, à la fois universitaire et de premier cycle, mais en particulier l'enseignement supérieur où, sur un cycle de deux ans, nous avons environ 15 classes dans les aspects de la métrologie, de la fabrication et de la conception de machines de précision. Ils sont tous enseignés par des professeurs en génie mécanique ou en génie des sciences optiques, car les centres sont multidisciplinaires. »

Doté d'un laboratoire de métrologie dimensionnelle à la pointe de la technologie, avec des équipements de fournisseurs tels que Hexagon Metrology, le Centre de métrologie de précision soutient la recherche des professeurs en métrologie et en fabrication. "Je pense que nous avons la meilleure installation de métrologie de toutes les universités aux États-Unis", a déclaré Evans. En plus de son approche interdisciplinaire, l'UNCC collabore avec l'industrie et dispose d'un programme d'affiliation industrielle comprenant des sociétés telles que Caterpillar, Cummins et Intel.

"Les membres [affiliés] viennent sur le campus pour voir des présentations d'étudiants qui exécutent des programmes de développement de la recherche compétitifs et axés sur l'industrie sélectionnés par les affiliés eux-mêmes", a ajouté Evans, "donc, fondamentalement, les frais qu'ils paient pour être membre financent les étudiants. C'est un excellent programme de sensibilisation, en termes de visibilité de nos étudiants auprès d'employeurs potentiels. »

Atelier, focus collaboratif

La formation pratique est un objectif clé à l'UNCC. "Je suis fièrement du genre à avoir les ongles sales", a déclaré Evans. "Chacun de nos étudiants de premier cycle en génie mécanique en deuxième année doit suivre un cours sur les systèmes de fabrication qui implique à la fois leur première exposition à la conception et l'entrée en atelier."

Cette expérience montre aux étudiants de premier cycle de l'UNCC comment utiliser des machines-outils manuelles, et cela les oblige à créer un ensemble d'impressions entièrement tolérées avec GD&T pour un moteur pneumatique monocylindre sans joint qui doit fonctionner pour qu'ils réussissent le cours, Evans a dit. "Ils apprennent tôt dans leur carrière qu'ils doivent se salir les mains et faire de vraies choses, pas seulement des simulations", a-t-il ajouté. "Ils apprennent le sens des tolérances."

Le campus de l'UNCC, qui compte 29 000 étudiants, compte plus de 1 000 étudiants dans le programme de génie mécanique, qui augmente d'environ 8 % par an, a déclaré Evans.

Au Siemens Energy Large Manufacturing Solutions Laboratory de l'UNCC, dirigé par le professeur John Ziegert, des recherches sont menées sur des équipements de métrologie achetés grâce à une subvention de 2 millions de dollars de Siemens Energy. Située dans l'unité EPIC, la pièce maîtresse du laboratoire est une MMT Leitz PMM-F 30-20-16 qui peut accepter des composants volumineux et lourds avec une géométrie très complexe et mesurer rapidement chaque dimension, angle et rayon avec une précision de quelques micromètres. Le CMM a été offert par Hexagon, un partenaire actif du laboratoire Siemens, et est logé dans une chambre environnementale conçue sur mesure qui contrôle les températures à 20 ± 0,5 °C. De plus, le laboratoire dispose de trois laser trackers et d'un accès à une MMT à bras articulé.

Offrir une expérience pratique, ainsi qu'une exposition à des leaders industriels clés, est payant pour les étudiants qui suivent les programmes de fabrication de l'UNCC. "Ils ont généralement plus d'une offre, en particulier nos étudiants nationaux", a déclaré Tony Schmitz, FSME, président associé de l'UNCC pour les programmes d'études supérieures et professeur de génie mécanique et de sciences de l'ingénieur.

D'autres avantages résident dans la collaboration étroite de l'université avec d'autres instituts de recherche manufacturière. Le Center for Freeform Optics (https://centerfreeformoptics.org/) est une collaboration entre l'UNCC et l'Université de Rochester. L'UNCC travaille également sur une collaboration nationale faisant progresser la science de la fabrication additive métallique avec la NC State University (Raleigh) et une autre sur la métallurgie des poudres avec l'UNC Greensboro.

"Une chose que j'aime dans le fait d'être à Charlotte, c'est qu'il y a de la collaboration dans l'air. Nous ne sommes pas compétitifs en interne », a déclaré Evans. C'est important, a ajouté Schmitz. "Beaucoup de professeurs de ce département ont fait partie du corps professoral d'autres universités et ont eu d'autres expériences, dans des laboratoires nationaux, etc.", a déclaré Schmitz. « Dans toutes mes expériences, c'est l'environnement le plus collégial pour une organisation de recherche que j'ai observé. J'aime dire :"Nous avons des adultes qui travaillent ici."

Recherche de pointe

Les chercheurs du corps professoral de l'UNCC sont impliqués dans des programmes de recherche en cours sur la fabrication, y compris des travaux au Center for Freeform Optics sur les processus de fabrication de ces optiques basés sur l'outillage au diamant monocristallin et l'usinage d'ultraprécision. Un autre effort est dirigé par le professeur de l'UNCC, Gert Goch, un expert en fabrication d'engrenages et en métrologie de fabrication d'engrenages, dont le groupe a récemment développé un moyen d'utiliser la description surfacique des dents d'engrenage dans la recherche en métrologie.

Au SOUTH-TEC 2017 à Greenville, SC, Schmitz a donné aux participants un regard futuriste sur le potentiel de fabrication. Il a repris sa conférence SME NAMRC-45, basée sur ses recherches primées au Blue Sky Competition qui se concentraient sur la recherche de futures applications de fabrication dans les processus biologiques trouvés dans la nature. La conférence de Schmitz, intitulée "Fabrication biomimétique", a montré comment les systèmes biologiques peuvent donner des indices pour d'éventuelles futures innovations de fabrication. Son travail, lauréat du premier NAMRI / SME Dornfeld Manufacturing Vision Award du nom de feu l'Université de Californie à Berkeley, le professeur David Dornfeld, a présenté un regard fascinant sur ce que les futurs chercheurs en fabrication peuvent proposer s'ils peuvent «considérer le scandaleux» avec ouvrir l'esprit.

"Nous devons relever de nouveaux défis et adopter de nouvelles approches", a déclaré Schmitz à propos du concours SME Blue Sky. "Il y a un gros risque / récompense." L'explication de Schmitz sur la fabrication biomimétique a souligné comment regarder de près les arbres, les germes de soja, les termites, les dents de castor et même le virus Zika peut donner aux futuristes des indices pour développer de nouvelles approches de fabrication.

En examinant les dents du castor, par exemple, Schmitz a déclaré que les incisives auto-affûtées finiraient par devenir trop grandes pour la bouche du castor s'il arrêtait sa mastication constante. Parmi les questions de Schmitz figuraient :« Pouvons-nous tirer parti de la géométrie ? Pourrait-on concevoir un outil de coupe qui évolue pour s'adapter, plutôt que de minimiser l'usure ? Au lieu d'une nouvelle technologie de matériau de revêtement, les nouvelles conceptions pourraient-elles « se développer » à un rythme approprié ? … Il existe de nombreuses possibilités de recherche à l'intersection entre la fabrication et la biologie.”

—Rédacteur principal Patrick Waurzyniak

Articles techniques de revues de PME et de lettres de fabrication

Ces résumés, extraits et liens Web proviennent d'articles récents publiés dans le SME Journal of Manufacturing Systems , Journal des processus de fabrication , et Lettres de fabrication , qui sont imprimés par Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) et utilisés ici avec permission.

Assemblage d'une feuille d'aluminium à du magnésium coulé

Dans leur article, "Joining sheet aluminum AA6061-T4 to cast magnesium AM60B by vaporizing foil actuator welding:Input energy, interface, and Strength", les auteurs Bert Liu, Anupam Vivek et Glenn S. Daehn, du Département de science et génie des matériaux à l'Université d'État de l'Ohio (Columbus), a examiné des techniques permettant de souder avec succès de l'aluminium à du magnésium coulé afin d'aider les constructeurs automobiles dans leur quête de plates-formes automobiles toujours plus légères qui atteignent une plus grande efficacité énergétique. L'article, qui apparaît dans le Journal of Manufacturing Processes , Vol. 30 décembre 2017, est disponible sur http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

Un assemblage différent de la tôle d'aluminium AA6061-T4 au magnésium coulé AM60B a été réalisé par vaporisation du soudage de l'actionneur de feuille (VFAW). Trois niveaux d'énergie d'entrée ont été utilisés (6, 8 et 10 kJ), et en tant que tendance, des énergies d'entrée plus élevées ont entraîné des vitesses de flyer progressivement plus élevées, des caractéristiques ondulées interfaciales plus prononcées, des zones de soudure plus grandes, des résistances au pelage plus élevées et des énergies de pelage plus élevées. Dans tous les cas, la section transversale de la soudure a révélé une interface solidement liée caractérisée par des caractéristiques ondulées bien développées et un manque de vides et de couches continues de composés intermétalliques (IMC). À une énergie d'entrée de 10 kJ, une vitesse de vol de 820 m/s, une résistance au pelage de 22,4 N/mm et une énergie de pelage de 5,2 J ont été obtenues.

En cisaillement par recouvrement, une rupture s'est produite dans le dépliant AA6061-T4 à 97 % de la charge de traction maximale du matériau de base. Des échantillons de pelage se sont rompus le long de l'interface de soudure et le côté AM60B de la surface de rupture présentait des lignes fines et régulièrement espacées de résidus d'Al qui avaient été arrachés de la base AA6061-T4 de manière ductile et transférés sur le côté AM60B, indiquant une très forte liaison AA6061-T4/AM60B dans ces zones. Ce travail démontre la capacité de VFAW à assembler des métaux légers différents tels que Al/Mg.

Modélisation de la géométrie de surface usée pour la réparation d'aubes de moteur

Dans le volume 15 des lettres de fabrication pour janvier 2018, les auteurs Xinchang Zhang, Wei Li et Frank Liou du Département de génie mécanique et aérospatial de l'Université des sciences et technologies du Missouri (Rolla, MO), écrivent sur l'utilisation de la modélisation pour aider à réparer les aubes de moteur à turbine endommagées par dépôt direct de métal. Leur article, "Modélisation de la géométrie de surface usée pour la réparation des aubes de moteur à l'aide du procédé de dépôt direct de métal assisté par laser", est disponible sur http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

La réparation d'une aube de moteur nécessite d'obtenir la zone usée et de générer le parcours d'outil correspondant pour le dépôt. Dans cet article, une méthode automatisée de modélisation de surface usée a été proposée pour retrouver le volume manquant des aubes endommagées. L'ingénierie inverse a été utilisée pour reconstruire des modèles de pales. Le modèle endommagé reconstruit correspondait le mieux au modèle nominal. La méthode de comparaison de la section transversale a été utilisée pour détecter les couches endommagées. La méthode de coulée de rayons a été adoptée pour croiser les couches endommagées afin d'extraire le volume manquant. Le parcours d'outil a été généré et l'expérience de réparation réalisée à l'aide du dépôt direct de métal assisté par laser pour valider la méthode proposée.

Deux approches de l'usinage à nervures minces

Dans «Solutions analytiques pour la dynamique des faisceaux libres fixes dans l'usinage des nervures minces», les auteurs Tony L. Schmitz et Andrew Honeycutt du département de génie mécanique et des sciences de l'ingénieur de l'UNC Charlotte présentent deux approches analytiques différentes pour prédire les faisceaux libres fixes à nervures minces. dynamique avec des géométries variées. Ce Journal des processus de fabrication , Volume 30, article de décembre 2017 est disponible sur http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.

La première approche utilise la méthode de Rayleigh pour déterminer la masse effective pour le mode de flexion fondamental des poutres à épaisseur étagée et le théorème de Castigliano pour calculer la rigidité à la fois à l'extrémité libre de la poutre et au changement d'épaisseur. La deuxième méthode utilise l'analyse de la sous-structure de couplage de réceptance (RCSA) pour prédire les réceptances de faisceau (ou fonctions de réponse en fréquence) aux deux mêmes emplacements en reliant de manière rigide les réceptances qui décrivent les sections de faisceau étagées individuelles, où les réceptances sont dérivées du modèle de faisceau de Timoshenko.

Des comparaisons avec des calculs par éléments finis sont complétées pour vérifier les deux techniques. On observe que les prédictions RCSA concordent plus étroitement avec les résultats des éléments finis. Des expériences sont également réalisées lorsque l'épaisseur du faisceau étagé est modifiée par plusieurs passes d'usinage, et des mesures de réceptance sont effectuées entre les passes. Les prédictions du RCSA sont comparées aux résultats expérimentaux pour la fréquence naturelle et la rigidité. Un accord en fréquence naturelle à quelques pour cent près est signalé.

Les principes Lean accélèrent le processus d'approvisionnement en plutonium

Dans leur article, « Application des principes de fabrication allégée pour améliorer un processus d'approvisionnement conceptuel en plutonium 238 (Pu238) », les auteurs Tomcy Thomas, Steven R. Sherman et Rapinder S. Sawhney du Département de génie industriel et des systèmes de l'Université du Tennessee ( Knoxville) et le Groupe des sciences et de l'ingénierie radiochimiques, Division de la sécurité nucléaire et des technologies isotopiques, Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL ; Oak Ridge, TN), expliquent comment les processus allégés peuvent accélérer le processus d'approvisionnement en Pu238. L'article paraît dans le volume 46 de janvier 2018 du Journal of Manufacturing Systems , et est disponible sur https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

Le projet d'approvisionnement en Pu-238 du département américain de l'Énergie vise à reconstruire la capacité des États-Unis à produire du Pu238 à l'échelle du kilogramme. Ce radio-isotope est utilisé par la NASA pour alimenter des sondes spatiales lointaines, et l'approvisionnement diminue. Il a été produit pour la dernière fois aux États-Unis en 1988. Une conception conceptuelle d'un processus d'approvisionnement en Pu238 est décrite à l'aide de processus et d'installations existants au Centre de développement du génie radiochimique de l'ORNL.

La section de limitation de débit du processus conceptuel a été analysée à l'aide d'une simulation de système à événements discrets pour déterminer les taux de production attendus, les goulots d'étranglement et les effets des retards sur le taux de production. Des alternatives de processus ont été générées sur la base des principes de fabrication allégée, et celles-ci ont été examinées et comparées au processus d'origine à l'aide de la simulation pour identifier de meilleures stratégies d'exploitation.

TechFront est édité par le rédacteur en chef Patrick Waurzyniak.