L'ingénierie de l'UIUC pilote l'innovation dans les solutions manufacturières

L'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign (UIUC ; Urbana, Illinois) possède une longue et distinguée histoire dans les sciences de l'ingénierie mécanique et appliquée, et l'université célébrera bientôt l'ouverture d'une extension de plusieurs millions de dollars, planifiée de longue date, de son bâtiment de Mechanical Science and Engineering (MechSE).

L'UIUC a vu passer de nombreux anciens élèves notables devenus entrepreneurs, créant des entreprises telles que Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube et Tesla Motors, pour n'en citer que quelques-unes.

Dans le cadre de cette rénovation, le programme Transform MEB (Mechanical Engineering Building) de l'UIUC inclut un don de 12 millions de dollars de l'ancien élève Sidney Lu (BSME 1981), président-directeur général de Foxconn Interconnect (Taïwan), fabricant d'ordinateurs et de smartphones qui assemble les iPad et iPhone d'Apple.

L'aile est sera connue sous le nom de Lu Center for Learning and Innovation. Ce projet comprend une extension de cinq étages à l'est du MEB, une extension d'un étage au nord, et 6 130 m² (66 000 pi²) d'espace existant repensé, réinventé et optimisé pour l'éducation, l'innovation et la communauté, selon l'UIUC.

Centres de recherche majeurs financés par la NSF

Outre l'extension, en octobre 2017, le département MechSE de l'UIUC a annoncé que l'université avait obtenu un Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) de la National Science Foundation, soutenu par une subvention de six ans de 15,6 millions de dollars axée sur de nouveaux nanomatériaux. Cette annonce a suivi l'octroi par la NSF de 18,5 millions de dollars à l'UIUC pour un nouveau NSF Engineering Research Center dirigé par le professeur Andrew Alleyne du MechSE. Ce centre, appelé Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS), se concentre sur les défis thermiques et électriques entourant l'électronique mobile et la conception de véhicules comme un système unique.

Nous voulons augmenter la densité de puissance totale dans les véhicules de 10 à 100 fois. Cela se traduirait par des milliards de litres de carburant économisés et près du double de l'autonomie d'une voiture électrique, déclare Alleyne, professeur Ralph & Catherine Fisher en MechSE. Les technologies électriques d'aujourd'hui sont à leur limite thermique. Une approche systémique est le seul moyen de repousser l'état de l'art actuel.

Dans une discussion récente avec Manufacturing Engineering, Placid Matthew Ferreira, professeur Tungchao Julia Lu et ancien chef du département MechSE, et Shiv Gopal Kapoor, chaire Grayce Wicall Gauthier et professeur de mechanical science and engineering, ont décrit l'étendue des recherches du département.

Nous sommes appelés MechSE, pour Mechanical Science and Engineering, parce qu'il y a quelque temps le département de génie mécanique et le département de mécanique théorique et appliquée ont fusionné, explique Ferreira. Le département couvre les sciences mécaniques et le génie mécanique, allant du plus fondamental — la base théorique du génie mécanique comme la mécanique, les phénomènes de transport, la mécanique des solides, la mécanique des fluides, la théorie du contrôle, la cinématique, la dynamique — aux domaines plus appliqués comme les moteurs à combustion interne, la mécatronique, la climatisation et la réfrigération, la robotique, les procédés de fabrication, les systèmes de fabrication, la biomécanique et le comportement des matériaux.

C'est un groupe très large, et dans cet écosystème de sciences et d'ingénierie mécaniques, la fabrication joue un rôle plutôt important, tant du côté des procédés que des systèmes de fabrication, poursuit Ferreira. Nous exploitons l'expertise théorique du département en mécanique des solides, processus de solidification en termes de dynamique et contrôle. Nous faisons descendre ces éléments dans la modélisation des procédés de fabrication, la conception de machines-outils, le contrôle des procédés de fabrication. Nous allons même jusqu'à la fabrication dans le cloud. Nous reprenons les aspects de sciences computationnelles pour simuler les procédés de fabrication.

Cette approche large tire parti de l'expertise du département, englobant diverses disciplines de fabrication, comme la dynamique des fluides computationnelle pour la modélisation et la simulation de procédés, ajoute Ferreira. Cela nous aide à comprendre le comportement du matériau lors du processus d'usinage, par exemple, et aussi où nous allons dans ces domaines sur les systèmes de fabrication cloud ; nous appelons cela les systèmes cyber.

Avancées dans la fabrication cloud et cyberphysique

Avec son histoire en recherche informatique et ressources de simulation, le département peut exploiter la puissance de supercalculateurs, situés à la fois sur le campus et ailleurs aux États-Unis. L'université héberge le National Center for Supercomputing Applications (NCSA), qui a créé Mosaic, le premier navigateur web graphique.

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

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

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

La collaboration avec l'industrie porte immensément ses fruits pour faire avancer la recherche et mettre les nouvelles technologies sur le marché. Nous travaillons avec des partenaires industriels, comme Caterpillar et d'autres, à tant de niveaux, dit Ferreira, citant les contributions majeures de chercheurs antérieurs à l'UIUC, tels que B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam, et plus récemment, Shiv Kapoor. Ils ont créé des choses largement utilisées dans l'industrie, des modèles tangibles de processus d'usinage que l'industrie pouvait réellement appliquer et utiliser pour déterminer quelles forces attendre pendant l'usinage et comment différentes erreurs s'exposeraient à travers la mécanique du processus à la finition de surface.

Une grande partie de la recherche universitaire a commencé par résoudre des problèmes rencontrés par les équipementiers et sous-traitants automobiles. Nous avons commencé le travail avec Ford, GM et leurs fournisseurs, dit-il. Nous avons aussi Caterpillar, John Deere, et les constructeurs de machines-outils, très tôt avec Ingersoll, l'entreprise de fraiseuses, DMG Mori et autres.

Pendant environ 12 ans, le département de l'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 est actuellement affilié au Micro-Nanotechnology Laboratory de l'UIUC.

Nous avons transitionné de là vers l'ère de la micro et nano-fabrication, où l'Illinois a été un leader, dit Ferreira. Nous avions un centre assez important qui s'était spécifiquement fixé pour mission de définir toute la fabrication à l'échelle nanométrique, et nous avons descendu beaucoup de procédés jusqu'au micro-usinage, micro-formage et micro-ÉDF.

— Rédacteur en chef principal Patrick Waurzyniak

Articles techniques des revues SME et Manufacturing Letters

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

Évitement du chatter en fraisage robotique

Dans leur article « CCT-based mode coupling chatter avoidance 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 chatter générés par le fraisage robotique. Leur article, publié dans le Volume 29 du Journal of Manufacturing Processes, est disponible à https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035.

Actuellement, les grandes structures aérospatiales sont usinées sur de grands centres d'usinage CNC multi-axes. En comparaison, le fraisage avec un bras robotique articulé à multiples degrés de liberté (DDL) présente plusieurs avantages grâce à son coût inférieur et sa polyvalence. La faible rigidité d'un bras robotique articulé engendre cependant un chatter sévère de couplage de modes à basse fréquence pendant l'usinage.

Des études antérieures ont montré qu'un tel chatter peut être supprimé en minimisant l'angle entre la direction de la force de coupe résultante moyenne et la direction de rigidité principale maximale du robot. Cette approche limite la gamme de mouvements permis du robot, et donc sa flexibilité d'utilisation. Cet article présente une nouvelle méthode pour éviter le chatter de couplage de modes en fraisage robotique en utilisant le modèle de rigidité Conservative Congruence Transformation (CCT), qui ne nécessite pas de changer la direction d'avance de l'outil ni l'orientation de la pièce. Les expériences de fraisage robotique montrent que le chatter de couplage de modes est significativement réduit avec cette approche.

Le fraisage de grandes pièces d'avion est routinièrement effectué sur de grands centres d'usinage CNC multi-axes très rigides et précis. Ces machines-outils occupent souvent un grand espace au sol. En contraste, un système de fraisage robotique multi-axes à bras articulé offre un haut degré de flexibilité pour l'usinage de grandes pièces d'avion. Des travaux antérieurs ont montré que, comparés aux centres d'usinage CNC industriels, les systèmes de fraisage robotique peuvent réduire les besoins d'espace de production de 40 % tout en offrant une plus grande flexibilité. Le fraisage robotique est aussi plus adapté aux environnements dangereux. Cependant, les applications pratiques des bras robotiques articulés sont souvent limitées aux applications à faible effort comme la manutention, l'assemblage, le soudage et l'ébavurage.

Tournage de finition Ti-6Al-4V avec fluide de coupe par atomisation

De nouveaux systèmes de pulvérisation de fluide de coupe par atomisation offrent un potentiel pour améliorer le tournage brut du titane, discuté dans l'article « Finish turning of Ti-6Al-4V with the atomization-based cutting fluid (ACF) spray system », par Chandra Nath et Shiv G. Kapoor du Department of Mechanical Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC ; Urbana, IL), et Anil K. Srivastava de la University of Texas Rio Grande Valley (Edinburg, TX). L'article, publié dans le Volume 28 du Journal of Manufacturing Processes, est disponible à https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020.

La qualité produit et la productivité sont des facteurs cruciaux dans l'industrie manufacturière, surtout avec des matériaux difficiles comme le titane. Les effets de refroidissement et lubrification offerts par le système d'application de fluide de coupe jouent un rôle vital dans la détermination de ces facteurs, surtout lors de la coupe de finition. Récemment, le système de pulvérisation ACF a montré des effets prometteurs de refroidissement et lubrification lors du tournage brut de titane à l'échelle macro, mais n'avait pas encore été examiné en coupe de finition (ex. : profondeur de passe et avance 0,2 mm ou moins).

Cet article étudie l'effet du système de pulvérisation ACF sur les performances d'usinage lors du tournage de finition de Ti-6Al-4V. Dans un premier ensemble d'expériences, deux paramètres de pulvérisation (vitesse du gaz et débit) et paramètres de coupe (vitesse de coupe, avance, profondeur de passe) sont variés pour sélectionner la condition la plus adaptée à l'application du système ACF. Les résultats sont évalués en termes d'usure du nez, température de coupe, rugosité de surface, erreur de rondeur, morphologie du copeau et dureté de la pièce. Un second ensemble d'expériences compare les performances du système ACF contre l'air comprimé (sec) et le refroidissement par inondation. Il apparaît qu'à un débit de fluide plus faible de 1,5 mL/min (10 % en volume) à une vitesse de gaz plus faible, le système de pulvérisation surpasse les deux autres conditions de refroidissement, améliorant encore la performance d'un processus de fabrication respectueux de l'environnement.

Modélisation de la récupération d'aimants en terres rares

Dans leur article « Modeling operation and inventory for rare earth permanent magnet recovery under supply and demand uncertainties », Hongyue Jin et Yuehwern Yih, de Industrial Engineering, Purdue University (West Lafayette, IN), et John W. Sutherland de Environmental and Ecological Engineering à Purdue, discutent des facteurs impliquant des stratégies d'inventaire par simulations de modélisation.

Les aimants permanents en terres rares (REPM) jouent un rôle essentiel dans diverses applications, comme la production d'énergie renouvelable et les produits aérospatiaux et de défense. Les éléments de terres rares (REE) comme le néodyme et le dysprosium sont utilisés dans les REPM, et l'approvisionnement de ces REE a connu de la volatilité. Pour atténuer ce risque, les REE peuvent être récupérés depuis des produits en fin de vie (EOL) comme les disques durs d'ordinateur (HDD).

Cet article développe une stratégie de gestion des opérations et d'inventaire pour explorer la rentabilité sous approvisionnement de marché incertain et avec des valeurs variables dont la demande fait aussi face à d'importantes incertitudes. L'article paraît dans le numéro de janvier 2018, Vol. 46, du Journal of Manufacturing Systems, disponible à https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437.

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