UNCC, 최첨단 실습 제조 연구 주도

이번 달부터 테크 프론트(TechFront)는 주요 대학의 제조 연구 프로그램을 조명하는 새로운 형식으로 시작하며, SME의 Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes, Manufacturing Letters에 게재된 최근 연구 요약이 이어집니다. 모두 엘스비어(Elsevier Ltd.)에서 발행합니다.

이번 달 대학 초점은 노스캐롤라이나 대학교 샬럿(UNCC)입니다. Manufacturing Engineering은 UNCC의 토니 L. 슈미츠(Tony L. Schmitz) 교수와 크리스 에반스(Chris Evans) 교수를 인터뷰하여 UNCC의 학부 및 대학원 수준 제조 교육 및 연구 프로그램의 범위에 대해 물었습니다.

UNCC에서는 학부 및 대학원 제조에서 학생들이 실제 현장 경험을 쌓는 것을 강조합니다. NASCAR의 심장부인 샬럿 시에 위치한 이 도시형 대학의 윌리엄 스테이츠 리 공과대학에는 정밀 측정 센터(Center for Precision Metrology), 자유형 광학 센터(Center for Freeform Optics), 에너지 생산 및 인프라 센터(EPIC)의 지멘스 대형 제조 솔루션 연구실의 연구가 포함됩니다.

"정밀 측정 센터는 캠퍼스에서 가장 오래된 연구 센터입니다."라고 기계 공학 교수이자 정밀 측정 센터 소장인 크리스 에반스(Chris Evans)는 말했습니다(https://cpm.uncc.edu/ 참조). "우리는 대학원과 학부 교육을 모두 지원하지만, 특히 2년 주기로 측정학, 제조, 정밀 기계 설계 측면에 대한 약 15개 수업이 있는 대학원 교육에 중점을 둡니다. 이들은 모두 기계 공학 또는 광학 과학 공학 교수진이 가르치는데, 센터가 학제 간이기 때문입니다."

헥사곤 메트롤로지 등 공급업체의 장비를 갖춘 최첨단 치수 측정 실험실을 갖춘 정밀 측정 센터는 측정학과 제조 분야의 교수 연구를 지원합니다. "미국 내 어떤 대학보다 최고의 측정 시설을 갖추고 있다고 생각합니다." 에반스가 말했습니다. 학제 간 접근 외에도 UNCC는 산업계와 협력하며, 캐터필라, 커민스, 인텔 같은 기업을 포함하는 산업 제휴 프로그램을 운영합니다.

"[제휴] 회원들은 학생들이 수행하는 경쟁력 있는 산업 주도 연구 개발 프로그램 발표를 보기 위해 캠퍼스에 옵니다. 제휴사들이 직접 선정합니다. 기본적으로 그들이 회원비로 내는 비용이 학생들에게 자금이 됩니다. 이는 잠재적 고용주에게 학생들을 가시화하는 훌륭한 아웃리치 프로그램입니다." 에반스가 덧붙였습니다.

현장 중심, 협업 초점

실습 교육은 UNCC의 핵심 초점입니다. "저는 자랑스럽게 '손톱에 때가 낀' 유형입니다." 에반스가 말했습니다. "우리의 모든 기계 공학 학부 2학년생은 첫 설계 노출과 현장 실습이 모두 포함된 제조 시스템 수업을 들어야 합니다."

이 경험은 UNCC 학부생에게 수동 공작기계 작동법을 보여주며, 완전히 공차 적용된 GD&T 도면 세트에 따라 단일 실린더 공기 엔진(씰 없음)을 제작하여 통과해야 합니다. 에반스가 말했습니다. "그들은 경력 초기에 시뮬레이션만이 아니라 실제 일을 위해 손을 더럽혀야 한다는 것을 배웁니다. 공차의 의미를 배웁니다."

29,000명 학생의 UNCC 캠퍼스에는 기계 공학 프로그램에 1,000명 이상의 학생이 있으며 연간 약 8% 성장하고 있다고 에반스는 말했습니다.

UNCC의 지멘스 에너지 대형 제조 솔루션 연구실은 존 지거트(John Ziegert) 교수가 이끌고 있으며, 지멘스 에너지의 200만 달러 기금으로 구입한 측정 장비로 연구를 수행합니다. EPIC 유닛에 위치한 이 연구실의 중심은 복잡한 기하학을 가진 대형 중량 부품을 수용하고 모든 치수, 각도, 반경을 몇 마이크로미터 이내의 정확도로 신속하게 측정할 수 있는 라이트 PMM-F 30-20-16 3차원 측정기(CMM)입니다. CMM은 지멘스 연구실의 활성 파트너인 헥사곤이 기증했으며, 온도를 20±0.5°C로 제어하는 맞춤형 환경 챔버에 보관되어 있습니다. 또한 연구실에는 세 대의 레이저 트래커와 관절 암 CMM에 접근할 수 있습니다.

실제 경험과 주요 산업 리더와의 접촉은 UNCC 제조 프로그램에 다니는 학생들에게 보상을 줍니다. "일반적으로 하나 이상의 오퍼를 받으며, 특히 국내 학생들은 그렇습니다."라고 토니 슈미츠 FSME, UNCC 대학원 프로그램 부학과장이자 기계 공학 및 공학 과학 교수는 말했습니다.

다른 이점은 대학의 다른 제조 연구 기관과의 광범위한 협력에 있습니다. 자유형 광학 센터(https://centerfreeformoptics.org/)는 UNCC와 로체스터 대학 간의 협력입니다. UNCC는 NC 주립대(롤리)와 주 내 협력으로 금속 적층 제조 과학을 발전시키고, UNC 그린즈버러와 분말 야금 협력을 하고 있습니다.

"샬럿에 있는 것의 장점 중 하나는 공기 중에 협력이 있다는 것입니다. 우리는 내부적으로 경쟁적이지 않습니다." 에반스가 말했습니다. 이는 슈미츠가 덧붙인 것처럼 중요합니다. "이 학과의 많은 교수진이 다른 대학의 교수진으로 있었고 국립 연구소 등에서 다른 경험을 했습니다. 내 모든 경험에서 이것은 내가 관찰한 연구 조직에 가장 우호적인 환경입니다. '우리는 여기서 어른들이 일한다'고 말하고 싶습니다."

최첨단 연구

UNCC 교수 연구자들은 단결정 다이아몬드 툴링과 초정밀 가공 기반의 자유형 광학 제조 공정을 포함한 자유형 광학 센터의 작업을 비롯하여 진행 중인 제조 연구 프로그램에 참여하고 있습니다. 또 다른 노력은 기어 제조와 기어 제조 측정학 전문가인 UNCC 교수 게르트 고흐(Gert Goch)가 이끌고 있으며, 그의 그룹은 최근 기어 치아의 면적 기반 설명을 측정학 연구에 사용하는 방법을 개발했습니다.

사우스캐롤라이나주 그린빌에서 열린 SOUTH-TEC 2017에서 슈미츠는 참석자들에게 제조의 잠재력에 대한 미래적 관점을 보여주었습니다. 그는 자연에서 발견되는 생물학적 공정 내 미래 제조 응용을 찾는 데 초점을 맞춘 SME 블루 스카이 대회(Blue Sky Competition) 수상 연구를 기반으로 한 NAMRC-45 강연을 재현했습니다. 슈미츠의 강연 '생체 모방 제조(Biomimetic Manufacturing)'는 생물학적 시스템이 가능한 미래 제조 혁신에 대한 단서를 줄 수 있음을 보여주었습니다. 고(故) UC 버클리 데이비드 도른펠트(David Dornfeld) 교수 이름을 딴 초대 NAMRI/SME 도른펠트 제조 비전 상(Dornfeld Manufacturing Vision Award) 수상작인 이 연구는 열린 마음으로 '터무니없는 것을 고려'할 때 미래 제조 연구자들이 무엇을 내놓을 수 있는지 매혹적으로 보여주었습니다.

"우리는 새로운 도전과 접근이 필요합니다." 슈미츠가 SME 블루 스카이 대회에 대해 말했습니다. "큰 위험/보상이 있습니다." 슈미츠의 생체 모방 제조 설명은 나무, 콩나물, 흰개미, 비버 이빨, 심지어 지카 바이러스를 자세히 살펴봄으로써 미래학자들이 새로운 제조 접근법을 개발하는 단서를 얻을 수 있음을 개괄했습니다.

예를 들어 비버 이빨을 살펴보면, 끊임없이 갉아먹지 않으면 비버 입에 너무 커질 정도로 계속 자라는 자가 연마 앞니가 있습니다. 슈미츠의 질문 중에는 "기하학을 활용할 수 있을까? 마모를 최소화하는 대신 수용하도록 진화하는 절삭 공구를 설계할 수 있을까? 새로운 코팅 소재 기술 대신 적절한 속도로 새로운 디자인이 '자라게' 할 수 있을까? ... 제조와 생물학의 교차점에는 많은 연구 가능성이 있습니다."

—선임 편집자 패트릭 와우르지니아크

SME 저널 및 매뉴팩처링 레터스의 기술 논문

이 요약, 발췌, 웹 링크는 엘스비어(www.elsevier.com)에서 인쇄한 SME Journal of Manufacturing Systems, Journal of Manufacturing Processes, Manufacturing Letters에 최근 게재된 논문에서 가져왔으며 허가를 받아 사용합니다.

시트 알루미늄과 주조 마그네슘 접합

오하이오 주립대(콜럼버스) 재료 과학 및 공학과의 버트 리우(Bert Liu), 아누팜 비벡(Anupam Vivek), 글렌 S. 데인(Glenn S. Daehn) 저자는 '증발 포일 액추에이터 용접으로 시트 알루미늄 AA6061-T4를 주조 마그네슘 AM60B에 접합: 입력 에너지, 계면, 강도'라는 기사에서 자동차 제조업체의 더 가벼운 자동차 플랫폼으로 연비 향상을 위한 알루미늄과 주조 마그네슘 성공적 용접 기술을 조사했습니다. 이 논문은 Journal of Manufacturing Processes, Vol. 30, 2017년 12월에 실렸으며 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!에서 볼 수 있습니다.

시트 알루미늄 AA6061-T4와 주조 마그네슘 AM60B의 이종 접합은 증발 포일 액추에이터 용접(VFAW)으로 달성되었습니다. 세 가지 입력 에너지 레벨(6, 8, 10 kJ)이 사용되었으며, 경향적으로 더 높은 입력 에너지는 점진적으로 더 높은 플라이어 속도, 더 두드러진 계면 파동 특징, 더 큰 용접 구역, 더 높은 필 강도, 더 높은 필 에너지를 초래했습니다. 모든 경우에서 용접 단면은 잘 발달된 파동 특징과 보이드 및 연속적인 금속간 화합물(IMC) 층의 부재로 특징지어지는 건전한 결합 계면을 드러냈습니다. 10 kJ 입력 에너지에서 플라이어 속도 820 m/s, 필 강도 22.4 N/mm, 필 에너지 5.2 J가 얻되었습니다.

랩 전단에서 파손은 기본 소재 최대 인장 하중의 97%에서 AA6061-T4 플라이어에서 발생했습니다. 필 시편은 용접 계면을 따라 파손되었고, 파단면의 AM60B 측은 연성 방식으로 기본 AA6061-T4에서 뜯겨 나온 얇고 균일하게 간격을 둔 알루미늄 잔류 라인을 보여주어 이 영역에서 매우 강한 AA6061-T4/AM60B 결합을 나타냈습니다. 이 작업은 Al/Mg와 같은 이종 경량 금속 접합에서 VFAW의 능력을 입증합니다.

엔진 블레이드 수리를 위한 마모 표면 형상 모델링

Manufacturing Letters 2018년 1월 Volume 15에서 미주리 과학 기술 대학(롤라) 기계 및 항공우주 공학과의 신창 장(Xinchang Zhang), 웨이 리(Wei Li), 프랭크 리우(Frank Liou) 저자는 레이저 보조 직접 금속 증착을 사용하여 손상된 터빈 엔진 블레이드 수리를 돕기 위한 모델링 사용에 대해 씁니다. 그들의 논문 '레이저 보조 직접 금속 증착 공정을 이용한 엔진 블레이드 수리를 위한 마모 표면 형상 모델링'은 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X에서 볼 수 있습니다.

엔진 블레이드 수리는 마모 영역을 얻고 증착을 위한 해당 툴패스를 생성해야 합니다. 이 논문에서 손상된 블레이드의 누락된 부피를 회복하기 위한 자동 마모 표면 모델링 방법이 제안되었습니다. 역설계를 사용하여 블레이드 모델을 재구성했습니다. 재구성된 손상 모델은 공칭 모델과 최적 적합되었습니다. 단면적 비교 방법이 손상 레이어 탐지에 사용되었습니다. 레이 캐스팅 방법이 손상 레이어를 교차하여 누락된 부피를 추출하는 데 채택되었습니다. 툴패스가 생성되고 레이저 보조 직접 금속 증착을 사용한 수리 실험으로 제안된 방법이 검증되었습니다.

박막 리브 가공을 위한 두 가지 접근법

'박막 리브 가공에서 고정-자유 보 역학의 해석적 해법'에서 UNC 샬럿 기계 공학 및 공학 과학과의 토니 L. 슈미츠와 앤드류 허니컷(Andrew Honeycutt)은 다양한 기하학을 가진 박막 리브, 고정-자유 보 역학을 예측하기 위한 두 가지 다른 해석적 접근법을 제시합니다. 이 Journal of Manufacturing Processes, Volume 30, 2017년 12월 논문은 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub에서 볼 수 있습니다.

첫 번째 접근법은 레일리(Rayleigh) 방법을 사용하여 계단형 두께 보의 기본 굽힘 모드에 대한 유효 질량을 결정하고 카스틸리아노(Castigliano) 정리를 사용하여 보의 자유 단과 두께 변화 지점에서의 강성을 계산합니다. 두 번째 방법은 수용성 결합 부분 구조 분석(RCSA)을 사용하여 동일한 두 위치에서 보의 수용성(또는 주파수 응답 함수)을 예측합니다. 이는 개별 계단형 보 섹션을 설명하는 수용성을 강체적으로 연결하여 수행되며, 수용성은 티모셴코(Timoshenko) 보 모델에서 파생됩니다.

유한 요소 계산과의 비교는 두 기술을 검증하기 위해 완료되었습니다. RCSA 예측이 유한 요소 결과와 더 밀접하게 일치하는 것이 관찰되었습니다. 실험도 수행되어 계단형 보 두께가 여러 가공 패스로 변경되고 패스 사이에 수용성 측정이 수행되었습니다. RCSA 예측은 자연 주파수와 강성에 대한 실험 결과와 비교되었습니다. 자연 주파수에서 몇 퍼센트 이내의 일치가 보고되었습니다.

린 원칙으로 플루토늄 공급 공정 가속화

'개념적 플루토늄 238(Pu238) 공급 공정 개선을 위한 린 제조 원칙 적용' 논문에서 테네시 대학(녹스빌) 산업 및 시스템 공학과의 톰시 토마스(Tomcy Thomas), 스티븐 R. 셔먼(Steven R. Sherman), 라핀더 S. 사우니(Rapinder S. Sawhney)와 오크리지 국립연구소(ORNL; 오크리지, 테네시) 방사화학 과학 및 공학 그룹, 핵 보안 및 동위원소 기술 부문의 저자들은 린 공정이 어떻게 Pu238 공급 공정을 가속화할 수 있는지 개괄합니다. 이 논문은 2018년 1월 Volume 46의 Journal of Manufacturing Systems에 실렸으며 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413에서 볼 수 있습니다.

미 에너지부의 Pu-238 공급 프로젝트는 킬로그램 규모에서 Pu238 생산 미국 역량을 재건하는 것을 목표로 합니다. 이 방사성 동위원소는 NASA가 심우주 탐사선에 동력을 공급하는 데 사용되며 공급이 줄어들고 있습니다. 미국에서 마지막으로 생산된 것은 1988년이었습니다. ORNL의 방사화학 공학 개발 센터의 기존 공정과 시설을 사용하여 Pu238 공급 공정의 개념적 설계가 설명됩니다.

개념적 공정의 속도 제한 구간은 이산 이벤트 시스템 시뮬레이션을 사용하여 예상 생산률, 병목 현상, 시간 지연이 생산률에 미치는 영향을 결정했습니다. 린 제조 원칙을 기반으로 공정 대안이 생성되었으며, 시뮬레이션을 사용하여 원래 공정과 비교 검토하여 더 나은 운영 전략을 식별했습니다.

테크 프론트는 선임 편집자 패트릭 와우르지니아크가 편집합니다.