Pendekatan Praktis UNCC untuk Riset Manufaktur

Mulai bulan ini, TechFront memiliki format baru yang menyoroti program penelitian manufaktur di universitas-universitas utama, diikuti dengan ringkasan penelitian terbaru di Journal of Manufacturing Systems SME , Jurnal Proses Manufaktur dan Surat Pembuatan , semua diterbitkan oleh Elsevier Ltd.

Fokus universitas bulan ini adalah pada University of North Carolina Charlotte (UNCC). Teknik Manufaktur mewawancarai Profesor UNCC Tony L. Schmitz dan Chris Evans tentang ruang lingkup program pendidikan dan penelitian manufaktur tingkat sarjana dan pascasarjana UNCC.

Di UNCC, penekanannya adalah pada siswa yang mendapatkan pengalaman praktis di bidang manufaktur sarjana dan pascasarjana. Terletak di kota Charlotte, di jantung negara NASCAR, universitas perkotaan William States Lee College of Engineering mencakup penelitian Pusat Metrologi Presisi, Pusat Optik Bentuk Bebas, dan Laboratorium Solusi Manufaktur Besar Siemens di Produksi Energi dan Pusat Infrastruktur (EPIC).

“Pusat Metrologi Presisi adalah pusat penelitian tertua di kampus ini,” kata Chris Evans, profesor teknik mesin dan direktur Pusat Metrologi Presisi (lihat https://cpm.uncc.edu/). “Kami mendukung pendidikan, baik pascasarjana maupun sarjana, tetapi khususnya pendidikan pascasarjana di mana selama siklus dua tahun kami memiliki sekitar 15 kelas dalam aspek metrologi, manufaktur, dan desain mesin presisi. Semuanya diajarkan oleh fakultas baik dalam teknik mesin atau teknik ilmu optik, karena pusatnya multidisiplin.”

Menampilkan laboratorium metrologi dimensional yang canggih, dengan peralatan dari pemasok termasuk Metrologi Hexagon, Center for Precision Metrology mendukung penelitian fakultas di bidang metrologi dan manufaktur. “Saya pikir kami memiliki fasilitas metrologi terbaik dari universitas mana pun di AS,” kata Evans. Selain pendekatan lintas disiplin, UNCC berkolaborasi dengan industri, dan memiliki program afiliasi industri yang mencakup perusahaan seperti Caterpillar, Cummins, dan Intel.

“Anggota [afiliasi] datang ke kampus untuk melihat presentasi oleh mahasiswa yang melakukan program pengembangan penelitian yang kompetitif dan didorong oleh industri yang dipilih oleh afiliasi itu sendiri,” tambah Evans, “jadi pada dasarnya biaya yang mereka bayarkan untuk menjadi anggota mendanai mahasiswa. Itu adalah program penjangkauan yang sangat baik, dalam hal membuat siswa kami terlihat oleh calon pemberi kerja.”

Lantai Toko, Fokus Kolaboratif

Pelatihan langsung adalah fokus utama di UNCC. "Saya bangga menjadi tipe orang yang 'kuku jari kotor'," kata Evans. “Setiap mahasiswa sarjana teknik mesin kami sebagai mahasiswa tahun kedua harus mengambil kelas sistem manufaktur yang melibatkan paparan desain pertama mereka dan masuk ke toko.”

Pengalaman ini menunjukkan kepada mahasiswa UNCC cara mengoperasikan peralatan mesin manual, dan itu mengharuskan mereka untuk membuat satu set cetakan yang sepenuhnya ditoleransi dengan GD&T untuk mesin udara satu silinder tanpa segel yang harus dijalankan agar mereka lulus kursus, Evans dikatakan. “Mereka belajar di awal karir mereka bahwa mereka harus mengotori tangan mereka dan melakukan hal-hal nyata, bukan hanya simulasi,” tambahnya. “Mereka belajar arti toleransi.”

Kampus UNCC dengan 29.000 mahasiswa memiliki lebih dari 1000 mahasiswa dalam program teknik mesin, yang tumbuh sekitar 8% per tahun, kata Evans.

Di Laboratorium Solusi Manufaktur Besar Energi Siemens UNCC, yang dipimpin oleh Profesor John Ziegert, penelitian dilakukan pada peralatan metrologi yang dibeli dengan hibah $2 juta dari Siemens Energy. Terletak di unit EPIC, bagian tengah lab adalah Leitz PMM-F 30-20-16 CMM yang dapat menerima komponen besar dan berat dengan geometri yang sangat kompleks dan dengan cepat mengukur setiap dimensi, sudut, dan radius dengan akurasi dalam beberapa mikrometer. CMM disumbangkan oleh Hexagon, mitra aktif di lab Siemens, dan ditempatkan di ruang lingkungan yang dirancang khusus yang mengontrol suhu hingga 20 ±0,5°C. Selain itu, lab memiliki tiga pelacak laser dan akses ke CMM lengan artikulasi.

Memberikan pengalaman praktis, bersama dengan paparan para pemimpin industri utama, terbayar bagi siswa yang menghadiri program manufaktur UNCC. “Mereka umumnya memiliki lebih dari satu tawaran, terutama mahasiswa domestik kami,” kata Tony Schmitz, FSME, ketua asosiasi UNCC untuk program pascasarjana dan profesor teknik mesin dan ilmu teknik.

Keuntungan lain terletak pada kolaborasi ekstensif universitas dengan lembaga penelitian manufaktur lainnya. Pusat Optik Bentuk Bebas (https://centerfreeformoptics.org/) adalah kolaborasi antara UNCC dan Universitas Rochester. UNCC juga bekerja pada kolaborasi di negara bagian yang memajukan ilmu manufaktur aditif logam dengan NC State University (Raleigh), dan satu lagi pada metalurgi serbuk dengan UNC Greensboro.

“Satu hal yang saya suka tentang berada di Charlotte adalah ada kolaborasi di udara. Kami tidak kompetitif secara internal, ”kata Evans. Itu penting, tambah Schmitz. “Banyak dari fakultas departemen ini pernah menjadi fakultas di universitas lain dan memiliki pengalaman lain, di laboratorium nasional dan sebagainya,” kata Schmitz. “Dalam semua pengalaman saya, ini adalah lingkungan paling kolegial untuk organisasi penelitian yang pernah saya amati. Saya suka mengatakan, 'Kami memiliki orang dewasa yang bekerja di sini.'”

Penelitian Mutakhir

Peneliti fakultas UNCC terlibat dalam program penelitian manufaktur yang sedang berlangsung, termasuk bekerja di Pusat Optik Bentuk Bebas pada proses manufaktur untuk optik ini berdasarkan perkakas berlian kristal tunggal dan pemesinan ultrapresisi. Upaya lain dipimpin oleh profesor UNCC Gert Goch, seorang ahli di bidang manufaktur roda gigi dan metrologi manufaktur roda gigi, yang kelompoknya baru-baru ini mengembangkan cara menggunakan deskripsi area gigi roda gigi dalam penelitian metrologi.

Di SOUTH-TEC 2017 di Greenville, SC, Schmitz memberi peserta pandangan futuristik tentang potensi manufaktur. Dia mengulangi pembicaraan SME NAMRC-45-nya, berdasarkan penelitiannya yang memenangkan penghargaan Kompetisi Langit Biru yang berfokus pada menemukan aplikasi manufaktur masa depan dalam proses biologis yang ditemukan di alam. Pembicaraan Schmitz, berjudul "Manufaktur Biomimetik," menunjukkan bagaimana sistem biologis dapat memberikan isyarat untuk kemungkinan inovasi manufaktur di masa depan. Karyanya, pemenang Penghargaan Visi Manufaktur Dornfeld NAMRI/SME perdana yang dinamai mendiang University of California, Berkeley, Profesor David Dornfeld, menyajikan pandangan yang menarik tentang apa yang dapat dihasilkan oleh para peneliti manufaktur di masa depan jika mereka dapat "menganggap keterlaluan" dengan pikiran terbuka.

“Kita perlu mengambil tantangan dan pendekatan baru,” kata Schmitz tentang SME Blue Sky Competition. “Ada risiko/imbalan yang besar.” Penjelasan Schmitz tentang pembuatan biomimetik menguraikan bagaimana mengamati dari dekat pohon, tauge, rayap, gigi berang-berang, dan bahkan virus Zika dapat memberikan petunjuk bagi para futuris untuk mengembangkan pendekatan manufaktur baru.

Dalam pemeriksaan gigi berang-berang, misalnya, Schmitz mengatakan bahwa gigi seri yang menajam sendiri pada akhirnya akan tumbuh terlalu besar untuk mulut berang-berang jika ia berhenti mengunyah terus-menerus. Di antara pertanyaan Schmitz adalah:“Dapatkah kita memanfaatkan geometri? Bisakah alat pemotong dirancang yang berkembang untuk mengakomodasi, daripada meminimalkan keausan? Alih-alih teknologi bahan pelapis baru, dapatkah desain baru 'tumbuh' pada tingkat yang sesuai? … Ada banyak kemungkinan penelitian di persimpangan antara manufaktur dan biologi.”

—Editor Senior Patrick Waurzyniak

Makalah Teknologi dari Jurnal UKM dan Surat Manufaktur

Ringkasan, kutipan, dan tautan web ini berasal dari makalah terbaru yang diterbitkan di Journal of Manufacturing Systems SME , Jurnal Proses Manufaktur , dan Surat Pembuatan , yang dicetak oleh Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) dan digunakan di sini dengan izin.

Menggabungkan Lembaran Aluminium untuk Mencetak Magnesium

Dalam artikel mereka, “Menggabungkan lembaran aluminium AA6061-T4 untuk melemparkan magnesium AM60B dengan menguapkan pengelasan aktuator foil:Energi input, antarmuka, dan kekuatan,” penulis Bert Liu, Anupam Vivek dan Glenn S. Daehn, dari Departemen Ilmu dan Teknik Material di Ohio State University (Columbus), meneliti teknik untuk berhasil mengelas aluminium menjadi magnesium untuk membantu pembuat mobil dalam pencarian mereka untuk platform otomotif yang lebih ringan yang mencapai efisiensi bahan bakar yang lebih besar. Makalah, yang muncul di Jurnal Proses Manufaktur , Jil. 30 Desember 2017, tersedia di http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

Penggabungan yang berbeda dari lembaran aluminium AA6061-T4 untuk cor magnesium AM60B dicapai dengan menguapkan foil actuator welding (VFAW). Tiga tingkat energi input digunakan (6, 8, dan 10 kJ), dan sebagai tren, energi input yang lebih tinggi menghasilkan kecepatan flyer yang semakin tinggi, fitur gelombang antarmuka yang lebih menonjol, zona las yang lebih besar, kekuatan peel yang lebih tinggi, dan energi peel yang lebih tinggi. Dalam semua kasus, penampang las mengungkapkan antarmuka yang terikat erat yang ditandai dengan fitur bergelombang yang berkembang dengan baik dan kurangnya rongga dan lapisan senyawa intermetalik (IMCs) yang terus menerus. Pada energi input 10 kJ diperoleh kecepatan flyer 820 m/s, kekuatan peel 22,4 N/mm, dan energi peel 5,2 J.

Pada lap-shear, kegagalan terjadi pada flyer AA6061-T4 sebesar 97% dari beban tarik puncak material dasar. Sampel kupas gagal di sepanjang antarmuka las, dan sisi AM60B dari permukaan rekahan menunjukkan garis tipis residu Al dengan jarak yang sama yang telah dirobek dari alas AA6061-T4 dengan cara yang ulet dan dipindahkan ke sisi AM60B, menunjukkan ikatan AA6061-T4/AM60B yang sangat kuat di area ini. Karya ini menunjukkan kemampuan VFAW dalam menggabungkan logam ringan yang berbeda seperti Al/Mg.

Memodelkan Geometri Permukaan Aus untuk Perbaikan Blade Engine

Dalam Volume 15 dari Manufacturing Letters untuk Januari 2018, penulis Xinchang Zhang, Wei Li dan Frank Liou dari Departemen Teknik Mesin dan Dirgantara, Universitas Sains dan Teknologi Missouri (Rolla, MO), menulis tentang penggunaan pemodelan untuk membantu memperbaiki bilah mesin turbin yang rusak menggunakan pengendapan logam langsung. Makalah mereka, “Pemodelan geometri permukaan aus untuk perbaikan bilah mesin menggunakan proses Deposisi Logam Langsung berbantuan Laser,” tersedia di http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

Perbaikan bilah mesin memerlukan perolehan area yang aus dan menghasilkan jalur pahat yang sesuai untuk pengendapan. Dalam makalah ini, metode pemodelan permukaan aus otomatis diusulkan untuk mendapatkan kembali volume bilah yang rusak yang hilang. Rekayasa terbalik digunakan untuk merekonstruksi model bilah. Model rusak yang direkonstruksi paling cocok dengan model nominal. Metode perbandingan luas penampang digunakan untuk mendeteksi lapisan yang rusak. Metode ray casting diadopsi untuk memotong lapisan yang rusak untuk mengekstrak volume yang hilang. Jalur pahat dibuat dan eksperimen perbaikan dilakukan menggunakan Deposisi Logam Langsung berbantuan Laser untuk memvalidasi metode yang diusulkan.

Dua Pendekatan untuk Pemesinan Tulangan Tipis

Dalam “Solusi analitis untuk dinamika berkas bebas tetap dalam pemesinan rusuk tipis,” penulis Tony L. Schmitz dan Andrew Honeycutt dari Departemen Teknik Mesin dan Ilmu Teknik UNC Charlotte menyajikan dua pendekatan analitik berbeda untuk memprediksi balok tipis tanpa tulangan dinamis dengan berbagai geometri. Jurnal Proses Manufaktur , Volume 30, makalah dari Desember 2017 tersedia di http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.

Pendekatan pertama menggunakan metode Rayleigh untuk menentukan massa efektif untuk mode lentur dasar balok dengan ketebalan undakan dan teorema Castigliano untuk menghitung kekakuan baik pada ujung bebas balok maupun pada perubahan ketebalan. Metode kedua menggunakan analisis substruktur kopling penerima (RCSA) untuk memprediksi penerimaan balok (atau fungsi respons frekuensi) di dua lokasi yang sama dengan menghubungkan penerimaan secara kaku yang menggambarkan bagian balok loncatan individu, di mana penerimaan diturunkan dari model balok Timoshenko.

Perbandingan dengan perhitungan elemen hingga diselesaikan untuk memverifikasi kedua teknik tersebut. Diamati bahwa prediksi RCSA setuju lebih dekat dengan hasil elemen hingga. Eksperimen juga dilakukan di mana ketebalan balok bertahap diubah oleh beberapa lintasan pemesinan, dan pengukuran penerimaan dilakukan di antara lintasan. Prediksi RCSA dibandingkan dengan hasil eksperimen untuk frekuensi dan kekakuan alami. Kesepakatan dalam frekuensi alami hingga beberapa persen dilaporkan.

Prinsip Lean Mempercepat Proses Pasokan Plutonium

Dalam makalah mereka, “Penerapan prinsip lean manufacturing untuk meningkatkan proses pasokan plutonium 238 (Pu238) konseptual,” penulis Tomcy Thomas, Steven R. Sherman, dan Rapinder S. Sawhney dari Departemen Teknik Industri dan Sistem, Universitas Tennessee ( Knoxville) dan Radiochemical Science and Engineering Group, Nuclear Security and Isotop Technology Division, Oak Ridge National Laboratory (ORNL; Oak Ridge, TN), menguraikan bagaimana proses lean dapat mempercepat proses pasokan Pu238. Makalah ini muncul di Januari 2018 Volume 46 dari Journal of Manufacturing Systems , dan tersedia di https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

Proyek Pasokan Pu-238 Departemen Energi AS bertujuan untuk membangun kembali kemampuan AS untuk memproduksi Pu238 dalam skala kilogram. Radioisotop ini digunakan oleh NASA untuk menggerakkan probe luar angkasa, dan pasokannya semakin menipis. Ini terakhir kali diproduksi di AS pada tahun 1988. Desain konseptual dari proses pasokan Pu238 dijelaskan menggunakan proses dan fasilitas yang ada di Pusat Pengembangan Teknik Radiokimia ORNL.

Bagian pembatas laju dari proses konseptual dianalisis menggunakan simulasi sistem peristiwa-diskrit untuk menentukan laju produksi yang diharapkan, kemacetan, dan efek penundaan waktu pada laju produksi. Alternatif proses dihasilkan berdasarkan prinsip lean manufacturing, dan itu diperiksa dan dibandingkan dengan proses asli menggunakan simulasi untuk mengidentifikasi strategi operasi yang lebih baik.

TechFront diedit oleh Editor Senior Patrick Waurzyniak.