Le programme d'ingénierie de l'UIUC s'attaque aux problèmes de fabrication difficiles

L'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign (UIUC ; Urbana, IL) a une longue et distinguée histoire et tradition dans les sciences de l'ingénierie mécanique et appliquée, et l'université célébrera bientôt l'ouverture d'une expansion planifiée de longue date de plusieurs millions de dollars. à son bâtiment des sciences et de l'ingénierie mécaniques (MechSE).

L'UIUC a accueilli de nombreux anciens élèves notables qui ont excellé en tant qu'entrepreneurs, créant des entreprises telles que Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube et Tesla Motors, pour n'en nommer que quelques-unes.

Dans le cadre du lifting, le programme Transform MEB (Mechanical Engineering Building) de l'UIUC comprend un don de 12 millions de dollars de l'ancien élève Sidney Lu (BSME '81), président-directeur général du fabricant d'ordinateurs et de smartphones Foxconn Interconnect (Taiwan), qui construit des iPad Apple. et iPhone.

L'ajout de l'aile est sera connu sous le nom de Centre Lu pour l'apprentissage et l'innovation. Ce projet comprend un ajout de cinq étages à l'est du MEB, un ajout d'un étage au nord et 66 000 pi² (20 117 m²) d'espace existant repensé, repensé et optimisé pour l'éducation, l'innovation et communauté, selon l'UIUC.

Outre l'expansion, en octobre 2017, l'UIUC MechSE a annoncé que l'université avait reçu un centre de recherche sur les sciences et l'ingénierie des matériaux (MRSEC) de la National Science Foundation, le centre étant soutenu par une subvention de 15,6 millions de dollars sur six ans axée sur les nouveaux nanomatériaux. Cette annonce fait suite à l'attribution par la NSF de 18,5 millions de dollars à l'UIUC pour un nouveau centre de recherche en ingénierie NSF dirigé par le professeur MechSE Andrew Alleyne. Ce centre, appelé Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS), se concentre sur les défis thermiques et électriques liés à l'électronique mobile et à la conception de véhicules en tant que système unique.

« Nous voulons multiplier par 10 à 100 la densité de puissance totale des véhicules. Cela se traduirait par des milliards de litres de carburant économisés et presque le double de l'autonomie d'une voiture électrique », a déclaré Alleyne, professeur Ralph &Catherine Fisher à MechSE, dans un communiqué. « Les technologies électriques d'aujourd'hui sont à leur limite thermique. Une approche systémique est le seul moyen d'aller au-delà de l'état actuel de l'art. »

Lors d'une récente discussion avec l'ingénierie de fabrication, Placid Matthew Ferreira de l'UIUC, professeur Tungchao Julia Lu et ancien chef du département MechSE, et Shiv Gopal Kapoor, titulaire de la chaire Grayce Wicall Gauthier et professeur de science et d'ingénierie mécaniques, ont décrit le vaste champ de recherche à le département.

"Nous nous appelons MechSE, pour Mechanical Science and Engineering, car il y a quelque temps, le département de génie mécanique et le département de mécanique théorique et appliquée se sont réunis", a déclaré Ferreira. "Le département couvre les sciences mécaniques et le génie mécanique, allant des plus fondamentaux - les bases théoriques du génie mécanique telles que la mécanique, les phénomènes de transport, la mécanique des solides, la mécanique des fluides, la théorie du contrôle, la cinématique, la dynamique - à des domaines plus appliqués tels que les moteurs à combustion interne. , mécatronique, climatisation et réfrigération, robotique, procédés de fabrication, systèmes de fabrication, biomécanique et comportement des matériaux.

"C'est un groupe très large, et dans cet écosystème de sciences mécaniques et d'ingénierie, la fabrication joue un rôle assez important, tant du point de vue des processus de fabrication que des aspects des systèmes de fabrication", a poursuivi Ferreira. « Nous puisons dans l'expertise théorique du département dans des domaines tels que la mécanique des solides, les processus de solidification en termes de dynamique et de contrôle. Nous intégrons ces éléments dans les processus de modélisation ou de fabrication, la conception de machines-outils et le contrôle des processus de fabrication. Nous entrons même dans la fabrication en nuage. Nous prenons les aspects des sciences informatiques et entrons dans la simulation des processus de fabrication.”

Cette approche large tire parti de l'expertise du département, englobant diverses disciplines de fabrication, telles que la dynamique des fluides computationnelle pour la modélisation et la simulation des processus, a ajouté Ferreira. « [Cela nous aide] à comprendre le comportement des matériaux lorsque nous examinons le processus d'usinage, par exemple, et également vers où nous nous dirigeons dans ces domaines sur le cloud des systèmes de fabrication ; nous appelons cela des cyber-systèmes.”

Progrès dans le cloud et la fabrication cyberphysique

Avec l'histoire de l'UIUC en matière de recherche informatique et de ressources de simulation, le département peut tirer parti de la disponibilité de la puissance des superordinateurs, situés à la fois sur le campus universitaire et ailleurs aux États-Unis. L'université héberge le National Center for Supercomputing Applications (NCSA), qui a créé Mosaic, le premier navigateur Web graphique.

"Lorsque vous venez dans l'Illinois, vous vous rendez compte qu'avec son histoire, il a eu une très longue contribution à la fabrication des chercheurs qui ont fait les premières analyses des aspects thermiques de l'usinage", a déclaré Kapoor, notant l'importance de telles expériences sur les outils de coupe et sur la science thermique du processus d'usinage. Kapoor, rédacteur en chef du Journal of Manufacturing Processes , Ferreira et d'autres professeurs de la Northwestern University (Evanston, IL) ont trois projets en cours avec le Digital Manufacturing and Design Innovation Institute (DMDII ; Chicago) des UI Labs.

"Dans un projet, nous développons ce que l'on appelle un système d'exploitation pour la fabrication cyberphysique", a déclaré Ferreira. « Dans un autre projet, nous travaillons avec Caterpillar et Missouri Science and Technology pour réduire la variabilité des processus d'usinage. Et puis, dans un troisième projet, nous développons un cadre pour la quantification et la réduction de l'incertitude dans les processus de moulage sous pression."

Dans le cas du projet de système d'exploitation cyberphysique, Ferreira a déclaré que le groupe n'en était qu'à environ un an de la recherche, mais ses dirigeants ont commencé à demander à d'autres d'apporter leurs machines-outils pour travailler avec le système d'exploitation.

La collaboration avec l'industrie rapporte énormément pour faire avancer la recherche et mettre de nouvelles technologies sur le marché. "Nous travaillons avec des partenaires industriels, comme Caterpillar et d'autres, à de nombreux niveaux", a déclaré Ferreira, citant les contributions majeures d'anciens chercheurs de l'UIUC, tels que B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam et, plus récemment, Shiv Kapoor. "Ils ont créé des choses qui étaient largement utilisées dans l'industrie, des modèles tangibles de processus d'usinage que l'industrie pourrait réellement appliquer et utiliser et essayer de comprendre à quelles forces s'attendre lors de l'usinage et comment différentes erreurs s'exposeraient à travers la mécanique du processus jusqu'à la finition de surface. ”

Une grande partie de la recherche universitaire a commencé par résoudre les problèmes rencontrés par les fournisseurs automobiles et les équipementiers. "Nous avons commencé le travail avec Ford, GM et leurs fournisseurs", a-t-il déclaré. "Nous avons également Caterpillar, John Deere, puis les constructeurs de machines-outils, qui ont très tôt travaillé avec Ingersoll, la société de fraiseuses, DMG Mori et d'autres."

Pendant une douzaine d'années, le département UIUC a également dirigé un centre axé sur l'usinage et les systèmes de machines-outils. Ferreira a été directeur du Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems-NSF Nanoscale Science and Engineering Center (Nano-CEMMS), de 2003 à 2010, et il est actuellement affilié au Laboratoire de micro-nanotechnologie de l'UIUC.

"Nous sommes passés de là à l'ère de la micro et de la nano-fabrication, où l'Illinois a été un leader", a déclaré Ferreira. "Nous avions un centre assez important qui visait spécifiquement à définir toute la fabrication à l'échelle nanométrique, et nous avons réduit de nombreux processus au micro-usinage, au microformage et à la micro-électroérosion."

—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.

Évitement des broutages dans le fraisage robotisé

Dans leur article, « CCT-based mode couplage chatter escape in robotic milling », Lejun Cen et Shreyes N. Melkote de la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology (Atlanta), examinent les problèmes de bavardage générés par la robotique. fraisage. Leur article, publié dans le volume 29 du Journal of Manufacturing Processes , est disponible sur https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035.

Actuellement, les grandes structures aérospatiales sont usinées à l'aide de grands centres d'usinage CNC multi-axes. En comparaison, le fraisage avec un bras robotique articulé à plusieurs degrés de liberté (DOF) présente plusieurs avantages en raison de son faible coût et de sa polyvalence. Cependant, la faible rigidité d'un robot à bras articulé donne lieu à de graves vibrations de couplage en mode basse fréquence pendant l'usinage.

Des études antérieures ont montré qu'un tel broutage peut être supprimé en minimisant l'angle entre la direction de la force de coupe résultante moyenne et la direction de la rigidité principale maximale du robot. Cette approche limite la plage de mouvement autorisée du robot, et donc sa flexibilité d'utilisation. Cet article présente une nouvelle méthode pour éviter le broutage de couplage de mode dans le fraisage robotisé à l'aide du modèle de rigidité de la transformation conservatrice de la congruence (CCT), qui ne nécessite pas de modifier la direction d'alimentation de l'outil ou l'orientation de la pièce. Les expériences de fraisage robotique montrent que le broutage de couplage de mode est considérablement réduit lors de l'utilisation de cette approche.

Le fraisage de grandes pièces d'avion est régulièrement effectué à l'aide de grands centres d'usinage CNC coûteux, très rigides et précis. Ces machines-outils occupent souvent un grand espace de travail sur le sol de l'usine. En revanche, un système de fraisage robotisé à bras articulé multi-axes offre un degré élevé de flexibilité pour l'usinage de grandes pièces d'avion. Des travaux antérieurs ont montré que, par rapport aux centres d'usinage CNC industriels, les systèmes de fraisage robotisés peuvent réduire de 40 % les besoins en espace de travail de production et offrir simultanément une plus grande flexibilité. Le fraisage robotisé est également plus adapté aux environnements dangereux. Cependant, les applications pratiques des robots à bras articulés sont souvent limitées à des applications à faible force telles que la manutention, l'assemblage, le soudage et l'ébavurage.

Tournage de finition Ti-6AL-4V avec fluide de coupe à base d'atomisation

Les nouveaux systèmes de pulvérisation de fluide de coupe par atomisation ont le potentiel d'améliorer le tournage rugueux du titane, qui est discuté dans l'article, "Finir le tournage du Ti-6Al-4V avec le système de pulvérisation de fluide de coupe basé sur l'atomisation (ACF)", par les auteurs Chandra Nath et Shiv G. Kapoor du Département des sciences et de l'ingénierie mécaniques de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign (UIUC ; Urbana, IL) et Anil K. Srivastava de l'Université du Texas Rio Grande Valley (Édimbourg, TX). L'article, publié dans le volume 28 du Journal of Manufacturing Processes , est disponible sur https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020.

La qualité et la productivité des produits sont des facteurs importants dans les industries manufacturières, en particulier lorsqu'il s'agit de matériaux encombrants comme le titane. Les effets de refroidissement et de lubrification offerts par le système d'application de fluide de travail des métaux associé jouent un rôle essentiel dans la détermination de ces facteurs, en particulier lors de la coupe de finition. Récemment, le système de pulvérisation ACF a montré des effets de refroidissement et de lubrification prometteurs lors du tournage d'ébauche du titane à grande échelle, mais n'a pas encore été examiné lors de la coupe de finition (par exemple, profondeur de coupe et vitesse d'avance de 0,2 mm ou moins).

Cet article vise à étudier l'effet du système de pulvérisation ACF sur les performances d'usinage lors du tournage de finition de Ti-6Al-4V. Dans la première série d'expériences, deux paramètres de pulvérisation (à savoir, la vitesse du gaz et le débit) et les paramètres de coupe (à savoir, la vitesse de coupe, la vitesse d'alimentation et la profondeur de coupe) sont variés pour sélectionner la condition la plus appropriée pour l'application du Système de pulvérisation ACF. Les sorties d'usinage sont évaluées en termes d'usure du nez, de température de coupe, de rugosité de surface, d'erreur de circularité, de morphologie des copeaux et de dureté de la pièce. Un ensemble distinct d'expériences est ensuite effectué pour comparer les performances du système de pulvérisation ACF par rapport aux conditions d'air comprimé (sec) et de liquide de refroidissement. Il a été constaté que, même à un débit de fluide inférieur de 1,5 mL/min (10 % en volume) à une vitesse de gaz inférieure, le système de pulvérisation surpasse les deux autres conditions de liquide de refroidissement, améliorant ainsi davantage les performances d'un processus de fabrication respectueux de l'environnement. .

Modélisation de la récupération d'aimants en terres rares

Dans leur article, "Modélisation de l'opération et de l'inventaire pour la récupération des aimants permanents de terres rares sous les incertitudes de l'offre et de la demande", les auteurs Hongyue Jin et Yuehwern Yih, de l'ingénierie industrielle, Université Purdue (West Lafayette, IN), et John W. Sutherland de l'environnement et Ingénierie écologique chez Purdue, discutez des facteurs impliquant des stratégies d'inventaire à l'aide de simulations de modélisation.

Les aimants permanents de terres rares (REPM) jouent un rôle essentiel dans diverses applications, telles que la production d'énergie renouvelable et les produits liés à l'aérospatiale et à la défense. Les éléments de terres rares (REE) tels que le néodyme et le dysprosium sont utilisés dans les REPM, et l'offre de ces REE a connu une volatilité. Pour atténuer ce risque, les REE peuvent être récupérés à partir de produits en fin de vie (EOL) tels que les disques durs d'ordinateurs (HDD).

Cet article développe une stratégie de gestion des opérations et des stocks pour explorer la rentabilité dans des conditions d'approvisionnement incertaines du marché et avec des valeurs variables dont la demande est également confrontée à des incertitudes importantes. L'article paraît dans le numéro de janvier 2018, Vol. 46, du Journal des systèmes de fabrication , et est disponible sur https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437.

TechFront est édité par le rédacteur en chef Patrick Waurzyniak.