UNCC mène la recherche manufacturière pratique de pointe

À partir de ce mois, TechFront a un nouveau format qui met en lumière les programmes de recherche manufacturière dans les universités clés, suivis de résumés de recherches récentes dans le Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes et Manufacturing Letters de SME, tous publiés par Elsevier Ltd.

L'accent universitaire de ce mois est sur l'Université de Caroline du Nord à Charlotte (UNCC). Manufacturing Engineering a interviewé les professeurs Tony L. Schmitz et Chris Evans d'UNCC sur la portée des programmes d'éducation et recherche manufacturière de premier et deuxième cycle à UNCC.

À UNCC, l'accent est mis sur l'acquisition d'expérience pratique en atelier par les étudiants en fabrication de premier et deuxième cycle. Située dans la ville de Charlotte, au cœur du pays de la NASCAR, l'université urbaine William States Lee College of Engineering inclut la recherche du Center for Precision Metrology, du Center for Freeform Optics, et du Siemens Large Manufacturing Solutions Laboratory dans l'Energy Production and Infrastructure Center (EPIC).

« Le Center for Precision Metrology est le plus ancien centre de recherche ici sur le campus », dit Chris Evans, professeur de génie mécanique et directeur du Center for Precision Metrology (voir https://cpm.uncc.edu/). « Nous soutenons l'éducation, tant de premier que de deuxième cycle, mais particulièrement l'éducation de deuxième cycle où sur un cycle de deux ans nous avons environ 15 cours en aspects de métrologie, fabrication, et conception de machines de précision. Ils sont tous enseignés par des professeurs soit en génie mécanique soit en génie des sciences optiques, car les centres sont multidisciplinaires. »

Doté d'un laboratoire de métrologie dimensionnelle à la pointe, avec des équipements de fournisseurs incluant Hexagon Metrology, le Center for Precision Metrology soutient la recherche professorale en métrologie et fabrication. « Je pense qu'on a la meilleure installation de métrologie de toute université aux US », affirme Evans. En plus de son approche transversale, UNCC collabore avec l'industrie, et a un programme d'affiliés industriels qui inclut des entreprises comme Caterpillar, Cummins et Intel.

« Les [affiliés] membres viennent sur le campus pour voir des présentations par des étudiants qui effectuent des programmes de recherche développement compétitifs pilotés par l'industrie sélectionnés par les affiliés eux-mêmes », ajoute Evans, « donc essentiellement les frais qu'ils paient pour être membre financent les étudiants. C'est un excellent programme de rayonnement, en termes de rendre nos étudiants visibles pour des employeurs potentiels. »

Focus atelier, collaboratif

La formation pratique est un focus clé à UNCC. « Je suis fièrement un type "ongles sales" », dit Evans. « Chacun de nos étudiants de premier cycle en génie mécanique en deuxième année doit suivre un cours de systèmes de fabrication qui implique à la fois leur première exposition au design et aller en atelier. »

Cette expérience montre aux étudiants de premier cycle d'UNCC comment opérer des machines-outils manuelles, et les oblige à construire selon un ensemble de plans qui sont pleinement tolérés avec GD&T pour un moteur à air monocylindre sans joint qui doit tourner pour qu'ils passent le cours, dit Evans. « Ils apprennent tôt dans leur carrière qu'ils doivent se salir les mains et faire de vraies choses, pas juste des simulations », ajoute-t-il. « Ils apprennent la signification des tolérances. »

Le campus UNCC de 29 000 étudiants a plus de 1000 étudiants dans le programme de génie mécanique, qui croît d'environ 8 % par an, dit Evans.

Au Siemens Energy Large Manufacturing Solutions Laboratory d'UNCC, dirigé par le professeur John Ziegert, la recherche est menée sur de la métrologie achetée avec une subvention de 2 millions $ de Siemens Energy. Situé dans l'unité EPIC, la pièce maîtresse du laboratoire est une MMT Leitz PMM-F 30-20-16 qui peut accepter de gros composants lourds avec une géométrie très complexe et mesurer rapidement chaque dimension, angle et rayon avec une précision dans quelques micromètres. La MMT a été donnée par Hexagon, un partenaire actif dans le laboratoire Siemens, et est logée dans une chambre environnementale conçue sur mesure qui contrôle les températures à 20 ±0,5 °C. En plus, le laboratoire a trois traceurs laser et accès à une MMT à bras articulé.

Fournir de l'expérience pratique, avec l'exposition à des leaders industriels clés, paie pour les étudiants fréquentant les programmes manufacturiers d'UNCC. « Ils ont généralement plus d'une offre, particulièrement nos étudiants domestiques », dit Tony Schmitz, FSME, vice-président adjoint aux programmes de deuxième cycle et professeur de génie mécanique et science de l'ingénierie à UNCC.

D'autres avantages résident dans la collaboration extensive de l'université avec d'autres institutions de recherche manufacturière. Le Center for Freeform Optics (https://centerfreeformoptics.org/) est une collaboration entre UNCC et l'Université de Rochester. UNCC travaille aussi sur une collaboration intra-État faisant avancer la science de la fabrication additive métallique avec NC State University (Raleigh), et une autre sur la métallurgie des poudres avec UNC Greensboro.

« Une chose que j'aime à être à Charlotte, c'est qu'il y a de la collaboration dans l'air. On n'est pas en compétition interne », dit Evans. C'est important, ajoute Schmitz. « Beaucoup de professeurs de ce département ont été sur le corps professoral d'autres universités et ont eu d'autres expériences, dans des laboratoires nationaux et ainsi de suite », dit Schmitz. « Dans toutes mes expériences, c'est l'environnement le plus collégial pour une organisation de recherche que j'ai observé. J'aime dire : "On a des adultes qui travaillent ici." »

Recherche de pointe

Les chercheurs professoraux d'UNCC sont impliqués dans des programmes de recherche manufacturière en cours, y compris le travail au Center for Freeform Optics sur les procédés de fabrication pour ces optiques basés sur l'outillage diamant monocristallin et l'usinage d'ultra-précision. Un autre effort est dirigé par le professeur Gert Goch d'UNCC, expert en fabrication d'engrenages et métrologie de fabrication d'engrenages, dont le groupe a récemment développé une façon d'utiliser la description aréolaire des dents d'engrenage en recherche de métrologie.

À SOUTH-TEC 2017 à Greenville, SC, Schmitz a donné aux participants un regard futuriste sur le potentiel de la fabrication. Il a repris son discours SME NAMRC-45, basé sur sa recherche primée au Blue Sky Competition qui se concentrait sur la recherche d'applications manufacturières futures dans les processus biologiques trouvés dans la nature. Le discours de Schmitz, intitulé « Fabrication Biomimétique », montrait comment les systèmes biologiques peuvent donner des indices pour d'éventuelles innovations manufacturières futures. Son travail, lauréat du premier prix NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award nommé d'après le défunt professeur de l'Université de Californie, Berkeley, David Dornfeld, présentait un regard fascinant sur ce que les chercheurs manufacturiers futurs peuvent inventer s'ils peuvent « considérer l'outré » avec des esprits ouverts.

« Nous avons besoin de relever de nouveaux défis et approches », dit Schmitz du SME Blue Sky Competition. « Il y a un gros risque/récompense. » L'explication de Schmitz sur la fabrication biomimétique décrivait comment regarder de près les arbres, pousses de haricots, termites, dents de castor, et même le virus Zika peut donner des indices aux futuristes pour développer de nouvelles approches manufacturières.

En examinant les dents de castor, par exemple, Schmitz a dit que les incisives auto-affûtantes finiraient par devenir trop grandes pour la bouche du castor s'il arrêtait son rongement constant. Parmi les questions de Schmitz : « Peut-on tirer avantage de la géométrie ? Un outil de coupe pourrait-il être conçu qui évolue pour accommoder, plutôt que minimiser l'usure ? Au lieu de nouvelle technologie de matériau de revêtement, de nouveaux designs pourraient-ils "pousser" à un taux approprié ? ... Il y a beaucoup de possibilités de recherche à l'intersection entre fabrication et biologie. »

— Rédacteur en chef principal Patrick Waurzyniak

Articles techniques des revues SME et Manufacturing Letters

Ces résumés, extraits, et liens web sont d'articles récents publiés dans le Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes, et Manufacturing Letters de SME, qui sont imprimés par Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) et utilisés ici avec permission.

Assemblage tôle aluminium à 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 Department of Materials Science and Engineering à Ohio State University (Columbus), ont examiné des techniques pour souder avec succès l'aluminium au magnésium coulé pour aider les constructeurs automobiles dans leur quête de plateformes automobiles toujours plus légères qui atteignent une plus grande efficacité énergétique. L'article, qui paraît dans le Journal of Manufacturing Processes, Vol. 30, décembre 2017, est disponible à https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

L'assemblage dissemblable de tôle aluminium AA6061-T4 à magnésium coulé AM60B a été réalisé par soudage par actionneur à feuillard vaporisé (VFAW). Trois niveaux d'énergie d'entrée ont été utilisés (6, 8, et 10 kJ), et comme tendance, des énergies d'entrée plus élevées ont résulté en vitesses de projectile progressivement plus élevées, caractéristiques d'interface ondulées plus prononcées, zones de soudure plus grandes, résistances au pelage plus élevées, et énergies de pelage plus élevées. Dans tous les cas, la section transversale de soudure a révélé une interface solidement liée caractérisée par des caractéristiques ondulées bien développées et l'absence de vides et couches continues de composés intermétalliques (CIM). À 10 kJ d'énergie d'entrée, vitesse de projectile de 820 m/s, résistance au pelage de 22,4 N/mm, et énergie de pelage de 5,2 J ont été obtenus.

En cisaillement par recouvrement, la rupture s'est produite dans le projectile AA6061-T4 à 97 % de la charge de traction maximale du matériau de base. Les échantillons de pelage ont échoué le long de l'interface de soudure, et le côté AM60B de la surface de fracture a montré des lignes minces, uniformément espacées de résidus Al qui avaient été arrachés du AA6061-T4 de base de façon ductile et transférés du côté AM60B, indiquant une liaison très forte AA6061-T4/AM60B dans ces zones. Ce travail démontre la capacité du VFAW à assembler des métaux légers dissemblables tels que Al/Mg.

Modélisation géométrie surface usée pour réparation aube moteur

Dans le Volume 15 de Manufacturing Letters pour janvier 2018, les auteurs Xinchang Zhang, Wei Li et Frank Liou du Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Missouri University of Science and Technology (Rolla, MO), écrivent sur l'utilisation de la modélisation pour aider à réparer des aubes de turbine endommagées en utilisant le dépôt direct de métal au laser. Leur article, « Modeling of worn surface geometry for engine blade repair using Laser-aided Direct Metal Deposition process », est disponible à https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

La réparation d'aube de moteur nécessite d'obtenir la zone usée et de générer la trajectoire d'outil correspondante pour le dépôt. Dans cet article, une méthode de modélisation de surface usée automatisée a été proposée pour regagner le volume manquant d'aubes endommagées. L'ingénierie inverse a été utilisée pour reconstruire des modèles d'aubes. Le modèle endommagé reconstruit a été ajusté au mieux avec le modèle nominal. La méthode de comparaison de section transversale a été utilisée pour détecter les couches endommagées. La méthode de lancer de rayons a été adoptée pour intersecter les couches endommagées et extraire le volume manquant. La trajectoire d'outil a été générée et l'expérience de réparation réalisée en utilisant le Laser-aided Direct Metal Deposition pour valider la méthode proposée.

Deux approches pour l'usinage de nervures minces

Dans « Analytical solutions for fixed-free beam dynamics in thin rib machining », les auteurs Tony L. Schmitz et Andrew Honeycutt du Department of Mechanical Engineering and Engineering Science d'UNC Charlotte présentent deux approches analytiques différentes pour prédire la dynamique de poutre encastrée-libre à nervure mince avec géométries variables. Cet article Journal of Manufacturing Processes, Volume 30, de décembre 2017 est disponible à https://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 échelonnée et le théorème de Castigliano pour calculer la raideur à la fois à l'extrémité libre de la poutre et au changement d'épaisseur. La seconde méthode utilise l'analyse de sous-structure par couplage de réceptance (RCSA) pour prédire les réceptances (ou fonctions de réponse en fréquence) aux mêmes deux emplacements en connectant rigidement des réceptances qui décrivent les sections de poutre échelonnées individuelles, où les réceptances sont dérivées du modèle de poutre Timoshenko.

Des comparaisons avec des calculs par éléments finis sont complétées pour vérifier les deux techniques. On observe que les prédictions RCSA s'accordent plus étroitement avec les résultats par éléments finis. Des expériences sont aussi effectuées où l'épaisseur de poutre échelonnée est changée par plusieurs passes d'usinage, et des mesures de réceptance sont effectuées entre les passes. Les prédictions RCSA sont comparées aux résultats expérimentaux pour fréquence naturelle et raideur. Un accord en fréquence naturelle à quelques pourcents près est rapporté.

Principes Lean accélèrent le processus d'approvisionnement en Plutonium

Dans leur article, « Application of lean manufacturing principles to improve a conceptual plutonium 238 (Pu238) supply process », les auteurs Tomcy Thomas, Steven R. Sherman, et Rapinder S. Sawhney du Department of Industrial and Systems Engineering, University of Tennessee (Knoxville) et du Radiochemical Science and Engineering Group, Nuclear Security and Isotope Technology Division, Oak Ridge National Laboratory (ORNL ; Oak Ridge, TN), décrivent comment les processus lean 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 à https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

Le Pu-238 Supply Project du US Department of Energy vise à reconstruire la capacité US de produire du Pu238 à l'échelle du kilogramme. Ce radioisotope est utilisé par la NASA pour alimenter des sondes spatiales profondes, et l'approvisionnement diminue. Il a été produit pour la dernière fois aux US en 1988. Une conception conceptuelle d'un processus d'approvisionnement en Pu238 est décrite en utilisant les processus et installations existants au Radiochemical Engineering Development Center d'ORNL.

La section limitant le taux du processus conceptuel a été analysée en utilisant la simulation de système à événements discrets pour déterminer les taux de production attendus, goulots d'étranglement, et effets des délais sur le taux de production. Des alternatives de processus ont été générées basées sur les principes de fabrication lean, et celles-ci ont été examinées et comparées au processus original en utilisant la simulation pour identifier de meilleures stratégies d'exploitation.

TechFront est édité par le rédacteur en chef principal Patrick Waurzyniak.