UNCC Pimpin Riset Manufaktur Modern Praktis
Mulai bulan ini, TechFront memiliki format baru yang menyoroti program riset manufaktur di universitas kunci, diikuti oleh ringkasan riset terbaru di Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes, dan Manufacturing Letters, semuanya diterbitkan oleh Elsevier Ltd.
Fokus universitas bulan ini adalah University of North Carolina Charlotte (UNCC). Manufacturing Engineering mewawancarai Profesor UNCC Tony L. Schmitz dan Chris Evans tentang cakupan program pendidikan dan riset manufaktur tingkat sarjana dan pasca sarjana UNCC.
Di UNCC, penekanan adalah pada pemerolehan pengalaman praktis di lantai produksi bagi mahasiswa sarjana dan pasca sarjana manufaktur. Terletak di kota Charlotte, di tengah wilayah NASCAR, universitas perkotaan ini melalui William States Lee College of Engineering mencakup riset dari Center for Precision Metrology, Center for Freeform Optics, dan Siemens Large Manufacturing Solutions Laboratory di Energy Production and Infrastructure Center (EPIC).
“Center for Precision Metrology adalah pusat riset tertua di kampus ini,” kata Chris Evans, profesor teknik mekanik dan direktur Center for Precision Metrology (lihat https://cpm.uncc.edu/). “Kami mendukung pendidikan, baik sarjana maupun pasca sarjana, namun khususnya pendidikan pasca sarjana di mana selama siklus dua tahun kami memiliki sekitar 15 kelas dalam aspek metrologi, manufaktur, dan desain mesin presisi. Semuanya diajarkan oleh dosen baik di teknik mekanik atau teknik ilmu optik, karena pusat-pusat ini bersifat multidisciplinary.”
Dilengkapi laboratorium metrologi dimensi terbaru dengan peralatan dari pemasok termasuk Hexagon Metrology, Center for Precision Metrology mendukung riset dosen dalam metrologi dan manufaktur. “Saya pikir kami memiliki fasilitas metrologi terbaik dari semua universitas di AS,” ungkap Evans. Selain pendekatan lintas disiplin ilmu, UNCC bekerjasama 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 menjalankan program pengembangan riset yang dikembangkan industri dan dipilih oleh anggota afiliasi itu sendiri,” tambah Evans, “jadi dasarnya biaya yang mereka bayar untuk menjadi anggota mendanai mahasiswa. Itu adalah program outreach yang baik, dalam hal membuat mahasiswa kami terlihat oleh potensi pemberi kerja.”
Fokus Kolaborasi Lantai Produksi
Pelatihan praktis adalah fokus utama di UNCC. “Saya dengan bangga merupakan tipe orang ‘berkuku-kotor,’” kata Evans. “Setiap mahasiswa teknik mekanik kami sebagai sophomore harus mengambil kelas sistem manufaktur yang melibatkan paparan desain pertama mereka dan pergi ke bengkel.”
Pengalaman ini menunjukkan kepada mahasiswa sarjana UNCC cara mengoperasikan mesin perkakas manual, dan mewajibkan mereka untuk membangun sesuai dengan satu set cetak biru yang sepenuhnya ditoleransi dengan GD&T untuk mesin udara silinder tunggal tanpa seal yang harus berjalan agar mereka lulus kelas, kata Evans. “Mereka belajar sejak awal karir mereka bahwa mereka harus mengkotori tangan dan melakukan hal-hal nyata, bukan hanya simulasi,” tambahnya. “Mereka belajar arti toleransi.”
Kampus UNCC dengan 29.000 mahasiswa memiliki lebih dari 1000 mahasiswa di program teknik mekanik, yang tumbuh sekitar 8% setahun, kata Evans.
Di Siemens Energy Large Manufacturing Solutions Laboratory UNCC, dipimpin oleh Profesor John Ziegert, riset dilakukan pada peralatan metrologi gear yang dibeli dengan dana hibah $2 juta dari Siemens Energy. Terletak di unit EPIC, pusat perhatian laboratorium adalah CMM Leitz PMM-F 30-20-16 yang dapat menerima komponen besar dan berat dengan geometri yang sangat kompleks dan dengan cepat mengukur setiap dimensi, sudut, dan jari-jari dengan akurasi dalam beberapa mikrometer. CMM disumbangkan oleh Hexagon, mitra aktif di laboratorium Siemens, dan ditempatkan di kamar lingkungan buatan khusus yang mengontrol suhu ke 20 ±0,5°C. Selain itu, laboratorium memiliki tiga pelacak laser dan akses ke CMM lengan bersendian.
Menyediakan pengalaman praktis, bersama dengan paparan kepada pemimpin industri kunci, menguntungkan mahasiswa yang menghadiri program manufaktur UNCC. “Mereka umumnya memiliki lebih dari satu tawaran, khususnya mahasiswa domestik kami,” kata Tony Schmitz, FSME, wakil ketua program pasca sarjana UNCC dan profesor teknik mekanik dan ilmu teknik.
Keuntungan lainnya terletak pada kolaborasi luas universitas dengan lembaga riset manufaktur lainnya. Center for Freeform Optics (https://centerfreeformoptics.org/) adalah kolaborasi antara UNCC dan University of Rochester. UNCC juga bekerja pada kolaborasi dalam negeri yang memajukan ilmu manufaktur aditif logam dengan NC State University (Raleigh), dan yang lain pada metalurgi bubuk dengan UNC Greensboro.
“Satu hal yang saya sukai tentang berada di Charlotte adalah ada kolaborasi di udara. Kami tidak saling bersaing secara internal,” kata Evans. Itu penting, tambah Schmitz. “Banyak dosen di departemen ini pernah menjadi dosen di universitas lain dan memiliki pengalaman lain, di laboratorium nasional dan sebagainya,” kata Schmitz. “Dalam semua pengalaman saya, ini adalah lingkungan yang paling kolegial untuk organisasi riset yang pernah saya amati. Saya suka berkata, ‘Kami memiliki orang dewasa yang bekerja di sini.’”
Riset Modern
Dosen peneliti UNCC terlibat dalam program riset manufaktur yang berlangsung, termasuk pekerjaan di Center for Freeform Optics pada proses manufaktur untuk optik ini berdasarkan perkakas berlian kristal tunggal dan pemesinan ultrapresisi. Upaya lainnya dipimpin oleh Profesor UNCC Gert Goch, ahli dalam manufaktur gear dan metrologi manufaktur gear, yang kelompoknya baru-baru ini mengembangkan cara menggunakan deskripsi areal gigi gear dalam riset metrologi.
Di SOUTH-TEC 2017 di Greenville, SC, Schmitz memberikan penampilan futuristik tentang potensi manufaktur kepada peserta. Ia menyampaikan kembali pidatonya di SME NAMRC-45, berdasarkan risenya yang memenangkan penghargaan Blue Sky Competition yang berfokus pada menemukan aplikasi manufaktur masa depan dalam proses biologis yang ditemukan di alam. Pidato Schmitz, berjudul “Biomimetic Manufacturing,” menunjukkan bagaimana sistem biologis dapat memberikan petunjuk untuk inovasi manufaktur masa depan yang mungkin. Pekerjaannya, pemenang penghargaan NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award pertama yang dinamai berdasarkan Profesor Universitas California, Berkeley, yang telah meninggal David Dornfeld, menyajikan pandangan menarik tentang apa yang dapat dihasilkan peneliti manufaktur masa depan jika mereka dapat “mempertimbangkan hal-hal yang tidak wajar” dengan pikiran terbuka.
“Kami perlu mengambil tantangan dan pendekatan baru,” kata Schmitz tentang SME Blue Sky Competition. “Ada risiko/imbal yang besar.” Penjelasan Schmitz tentang biomimetic manufacturing menguraikan bagaimana memeriksa pohon, tunas kacang, rayap, gigi castor, dan bahkan virus Zika dapat memberikan petunjuk bagi futuris dalam mengembangkan pendekatan manufaktur baru.
Said examining gigi castor, misalnya, Schmitz berkata insisor yang menajamkan diri sendiri akan akhirnya terlalu besar untuk mulut castor jika ia berhenti mengunyah tanpa henti. Di antara pertanyaan Schmitz adalah: “Dapatkah kita memanfaatkan geometrinya? Dapatkah alat pemotong dirancang sehingga berevolusi untuk menyesuaikan, bukan meminimalkan aus? Alih-alih teknologi bahan lapisan baru, apakah desain baru dapat ‘tumbuh’ dengan laju yang sesuai? … Ada banyak kemungkinan riset di persimpangan antara manufaktur dan biologi.”
—Editor Senior Patrick Waurzyniak
Kertas Teknis dari Jurnal SME dan Manufacturing Letters
Ringkasan, cuplikan, dan tautan web ini berasal dari kertas terbaru yang diterbitkan di SME Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes, dan Manufacturing Letters, yang dicetak oleh Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) dan digunakan di sini dengan izin.
Menggabungkan Aluminium Lem dengan Magnesium Cetak
Dalam artikel mereka, “Joining sheet aluminum AA6061-T4 to cast magnesium AM60B by vaporizing foil actuator welding: Input energy, interface, and strength,” penulis Bert Liu, Anupam Vivek dan Glenn S. Daehn, dari Department of Materials Science and Engineering di Ohio State University (Columbus), mengkaji teknik untuk berhasil memajok aluminium dengan magnesium cetak untuk membantu pembuat mobil dalam pencarian mereka akan platform otomotif yang semakin ringan yang mencapai efisiensi bahan bakar yang lebih besar. Kertas, yang muncul di Journal of Manufacturing Processes, Vol. 30, Desember 2017, tersedia di https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.
Penggabungan yang berbeda antara lem aluminium AA6061-T4 dan magnesium cetak AM60B dicapai dengan vaporizing 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 progresif lebih tinggi, fitur gelombang antarmuka yang lebih jelas, zona pengelasan yang lebih besar, kekuatan pelupukan yang lebih tinggi, dan energi pelupukan yang lebih tinggi. Dalam semua kasir, potongan lintang pengelasan mengungkapkan antarmuka yang terikat dengan baik yang ditandai dengan fitur gelombang yang berkembang dengan baik dan kurangnya rongga serta lapisan berkelanjutan senyawa antar logam (IMCs). Pada energi input 10 kJ, kecepatan flyer 820 m/s, kekuatan pelupukan 22,4 N/mm, dan energi pelupukan 5,2 J diperoleh.
Dalam lap-shear, kegagalan terjadi pada flyer AA6061-T4 pada 97% beban regangan puncak bahan dasar. Sampel pelupukan gagal sepanjang antarmuka pengelasan, dan sisi AM60B dari permukaan breakage menunjukkan garis residu Al yang tipis, berjarak merata yang telah dicabut dari bahan dasar AA6061-T4 dengan cara duktil dan dipindahkan ke sisi AM60B, menunjukkan ikatan AA6061-T4/AM60B yang sangat kuat di area-area ini. Pekerjaan ini menunjukkan kemampuan VFAW dalam menggabungkan logam ringan yang berbeda seperti Al/Mg.
Memodelkan Geometri Permukaan yang Aus untuk Perbaikan Mesin Turbin
Dalam Volume 15 dari Manufacturing Letters untuk Januari 2018, penulis Xinchang Zhang, Wei Li dan Frank Liou dari Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Missouri University of Science and Technology (Rolla, MO), menulis tentang penggunaan pemodelan untuk membantu memperbaiki pengorok mesin turbin yang rusak menggunakan direct metal deposition. Kertas mereka, “Modeling of worn surface geometry for engine blade repair using Laser-aided Direct Metal Deposition process,” tersedia di https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.
Perbaikan pengorok mesin memerlukan pengambilan area yang aus dan pembuatan toolpath yang sesuai untuk penyetoran. Dalam kertas ini, sebuah metode pemodelan permukaan yang aus secara otomatis diusulkan untuk memulihkan volume yang hilang dari pengorok yang rusak. Reverse engineering digunakan untuk merekonstruksi model pengorok. Model rusak yang direkonstruksi dicocokkan secara terbaik dengan model nominal. Metode perbandingan area lintang digunakan untuk mendeteksi lapisan yang rusak. Metode ray casting diadopsi untuk memotong lapisan yang rusak untuk mengekstrak volume yang hilang. Toolpath dihasilkan dan eksperimen perbaikan dilakukan menggunakan Laser-aided Direct Metal Deposition untuk memvalidasi metode yang diusulkan.
Dua Pendekatan Pemesinan Rib Tipis
Dalam “Analytical solutions for fixed-free beam dynamics in thin rib machining,” penulis Tony L. Schmitz dan Andrew Honeycutt dari UNC Charlotte Department of Mechanical Engineering and Engineering Science menyajikan dua pendekatan analitik yang berbeda untuk memprediksi dinamika balok fixed-free rib tipis dengan geometri yang bervariasi. Kertas Journal of Manufacturing Processes, Volume 30, dari Desember 2017 ini tersedia di https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.
Pendekatan pertama menggunakan metode Rayleigh untuk menentukan massa efektif untuk mode lentur dasar balok ketebalan bertingkat dan teorema Castigliano untuk menghitung kekakuan baik di ujung bebas balok maupun di perubahan ketebalan. Metode kedua menggunakan analisis substruktur coupling reseptansi (RCSA) untuk memprediksi reseptansi balok (atau fungsi respons frekuensi) di dua lokasi yang sama dengan menyambungkan reseptansi yang menggambarkan bagian balok bertingkat individu secara kaku, di mana reseptansi berasal dari model balok Timoshenko.
Perbandingan dengan perhitungan elemen hingga diselesaikan untuk memverifikasi dua teknik. Terlihat bahwa prediksi RCSA setuju lebih dekat dengan hasil elemen hingga. Eksperimen juga dilakukan di mana ketebalan balok bertingkat diubah dengan beberapa pass pemesinan, dan pengukuran reseptansi dilakukan antara pass. Prediksi RCSA dibandingkan dengan hasil eksperimental untuk frekuensi alami dan kekakuan. Kesetujuan dalam frekuensi alami dalam beberapa persen dilaporkan.
Prinsip Lean Mempercepat Proses Pasokan Plutonium
Dalam kertas mereka, “Application of lean manufacturing principles to improve a conceptual plutonium 238 (Pu238) supply process,” penulis Tomcy Thomas, Steven R. Sherman, dan Rapinder S. Sawhney dari Department of Industrial and Systems Engineering, University of Tennessee (Knoxville) dan Radiochemical Science and Engineering Group, Nuclear Security and Isotope Technology Division, Oak Ridge National Laboratory (ORNL; Oak Ridge, TN), menguraikan bagaimana proses lean dapat mempercepat proses pasokan Pu238. Kertas 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 pada skala kilogram. Radioisotop ini digunakan oleh NASA untuk mendorong son antarik dalam, dan pasokannya menipis. Ini terakhir diproduksi di AS pada 1988. Sebuah desain konseptual proses pasokan Pu238 dijelaskan menggunakan proses dan fasilitas yang ada di Radiochemical Engineering Development Center ORNL.
Bagian yang membatasi laju dari proses konseptual dianalisis menggunakan simulasi sistem diskrit-event untuk menentukan laju produksi yang diharapkan, bottleneck, dan efek keterlambatan waktu pada laju produksi. Alternatif proses dihasilkan berdasarkan prinsip manufaktur lean, dan itu diperiksa serta dibandingkan dengan proses asli menggunakan simulasi untuk mengidentifikasi strategi operasi yang lebih baik.
TechFront disunting oleh Editor Senior Patrick Waurzyniak.
