UIUC 공대, 제조 솔루션 혁신 선도

일리노이 대학교 어바나-샴페인 캠퍼스(UIUC; 일리노이주 어바나)는 기계 및 응용 공학 과학 분야에서 오랜 명성과 전통을 가지고 있으며, 곧 기계 과학 및 공학(MechSE) 건물의 오래전 계획된 수백만 달러 규모 확장을 기념할 예정입니다.

UIUC는 기업가로서 탁월한 많은 동문을 배출했으며, Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube, Tesla Motors 등의 회사를 설립했습니다.

이번 리모델링의 일환으로 UIUC의 Transform MEB(기계 공학 건물) 프로그램에는 동문 Sidney Lu(BSME '81), 대만 Foxconn Interconnect 회장 겸 CEO로부터 1,200만 달러 기부가 포함되었습니다. Foxconn Interconnect는 Apple iPad와 iPhone을 제조하는 컴퓨터 및 스마트폰 제조업체입니다.

동관 증축은 Lu Center for Learning and Innovation으로 알려질 예정입니다. 이 프로젝트에는 MEB 동쪽에 5층 증축, 북쪽에 1층 증축, 기존 66,000 ft²(20,117 m²) 공간의 재구상, 재설계, 교육, 혁신, 커뮤니티를 위한 최적화가 포함된다고 UIUC는 밝혔습니다.

확장 외에도, 2017년 10월 UIUC MechSE는 국립과학재단으로부터 Materials Research Science and Engineering Center(MRSEC) 수상을 발표했습니다. 이 센터는 새로운 나노소재에 초점을 맞춘 6년간 1,560만 달러 보조금으로 지원됩니다. 이 발표는 NSF가 MechSE Andrew Alleyne 교수 주도의 새로운 NSF 공학 연구 센터에 1,850만 달러를 수여한 데 이은 것입니다. 이 센터는 Power Optimization for Electro-Thermal Systems(POETS)라고 불리며, 모바일 전자기기와 차량 설계를 단일 시스템으로 볼 때의 열 및 전기적 과제에 초점을 맞춥니다.

"차량의 총 전력 밀도를 10배에서 100배 늘리고 싶습니다. 이는 수십억 리터의 연료 절약과 전기차 주행거리의 거의 2배 증가로 이어질 것입니다."라고 Alleyne은 MechSE의 Ralph & Catherine Fisher 교수 자격으로 성명에서 말했습니다. "오늘날의 전기 기술은 열적 한계에 도달했습니다. 시스템 접근 방식만이 현재 기술 수준을 넘어설 수 있는 유일한 길입니다."

최근 Manufacturing Engineering과의 논의에서 UIUC의 Placid Matthew Ferreira, Tungchao Julia Lu 교수 겸 전 MechSE 학과장, Shiv Gopal Kapoor, Grayce Wicall Gauthier Chair 겸 기계 과학 및 공학 교수는 학과의 광범위한 연구 범위를 설명했습니다.

"우리는 기계 공학과와 이론 및 응용 역학과가 합쳐진 지 오래되었기 때문에 MechSE, 즉 기계 과학 및 공학이라고 불립니다."라고 Ferreira는 말했습니다. "학과는 기계 과학과 기계 공학을 아우르며, 역학, 이동 현상, 고체 역학, 유체 역학, 제어 이론, 운동학, 역학 등 기계 공학의 이론적 기초인 더 근본적인 것부터 IC 엔진, 메카트로닉스, 공조 및 냉동, 로봇공학, 제조 공정, 제조 시스템, 생체역학, 재료 거동 등 더 응용된 영역까지 다룹니다.

"매우 광범위한 그룹이며, 기계 과학 및 공학의 이 생태계에서 제조는 제조 공정 측면과 제조 시스템 측면 모두에서 상당히 중요한 역할을 합니다."라고 Ferreira는 계속했습니다. "우리는 고체 역학, 역학 및 제어 측면에서의 응고 공정 등 학과 내 이론적 전문성을 활용합니다. 우리는 이러한 것들을 제조 공정 모델링, 공작기계 설계, 제조 공정 제어로 가져옵니다. 클라우드 제조까지도 다룹니다. 계산 과학 측면을 취해 제조 공정 시뮬레이션에 들어갑니다."

Ferreira는 이 광범위한 접근 방식이 학과의 전문성을 활용하며, 공정 모델링 및 시뮬레이션을 위한 계산 유체 역학 등 다양한 제조 분야를 포함한다고 덧붙였습니다. "[이는] 가공 공정을 볼 때 재료 거동을 이해하는 데 도움이 되며, 제조 시스템 클라우드, 즉 사이버 시스템으로 향하는 방향에서도 그렇습니다."

클라우드 및 사이버물리 제조 발전

UIUC의 컴퓨터 연구 및 시뮬레이션 자원 역사 덕분에, 학과는 대학 캠퍼스와 미국 내 다른 곳에 위치한 슈퍼컴퓨터 성능을 활용할 수 있습니다. 대학은 최초의 그래픽 웹 브라우저인 Mosaic을 만든 National Center for Supercomputing Applications(NCSA)를 보유하고 있습니다.

"일리노이에 오면 그 역사와 함께, 가공의 열적 측면에 대한 최초의 분석을 수행한 연구원들로부터 제조에 매우 오랜 기여를 해왔음을 깨닫게 됩니다."라고 Kapoor는 말하며, 절삭 공구와 가공 공정의 열 과학에 대한 그러한 실험의 중요성을 언급했습니다. Kapoor는 Journal of Manufacturing Processes 편집장이며, Ferreira와 Northwestern University(일리노이주 에반스턴)의 다른 교수들은 UI Labs의 Digital Manufacturing and Design Innovation Institute(DMDII; 시카고)에서 세 가지 진행 중인 프로젝트를 가지고 있습니다.

"한 프로젝트에서는 사이버물리 제조를 위한 운영 체제로 알려진 것을 개발하고 있습니다."라고 Ferreira는 말했습니다. "또 다른 프로젝트에서는 Caterpillar와 Missouri Science and Technology와 협력하여 가공 공정의 변동성을 줄이고 있습니다. 그리고 세 번째 프로젝트에서는 다이캐스팅 공정의 불확실성 정량화 및 불확실성 감소를 위한 프레임워크를 개발하고 있습니다."

사이버물리 운영 체제 프로젝트의 경우, Ferreira는 그룹이 연구에 약 1년 정도 진입했지만 리더들이 다른 사람들에게 공작기계를 가져와 운영 체제와 작업해보라고 요청하기 시작했다고 말했습니다.

산업과의 협업은 연구 발전과 신기술의 시장 진입에 엄청난 성과를 가져옵니다. "우리는 Caterpillar 등 산업 파트너들과 많은 수준에서 협업하고 있습니다."라고 Ferreira는 말하며, UIUC의 초기 연구자들이 만든 주요 기여를 인용했습니다. B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam, 그리고 최근에는 Shiv Kapoor. "그들은 산업에서 널리 사용되고, 산업이 실제로 적용하고 사용하여 가공 중 예상 힘을 파악하고 다양한 오류가 공정 역학을 통해 표면 마감에 어떻게 드러나는지 알아내려 시도할 수 있는 가공 공정의 가시적 모델을 만들었습니다."

대학 연구의 많은 부분이 자동차 공급업체와 OEM이 직면한 문제 해결로 시작되었습니다. "우리는 Ford, GM 및 그들의 공급업체들과 작업을 시작했습니다."라고 그는 말했습니다. "Caterpillar, John Deere, 그리고 공작기계 제조업체들, 아주 초기에 Ingersoll, 밀링 머신 회사, DMG Mori 등과도 협력했습니다."

약 12년 동안 UIUC 학과는 가공 및 공작기계 시스템에 초점을 맞춘 센터도 운영했습니다. Ferreira는 2003-2010년 Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems-NSF Nanoscale Science and Engineering Center(Nano-CEMMS)의 소장이었으며, 현재 UIUC의 Micro-Nanotechnology Laboratory의 계열사입니다.

"우리는 거기서 마이크로 및 나노 제조 시대로 전환했으며, 일리노이는 리더였습니다."라고 Ferreira는 말했습니다. "나노스케일에서 모든 제조를 구체적으로 정의하기 위해 꽤 큰 센터가 있었고, 우리는 많은 공정을 마이크로가공, 마이크로성형, 마이크로 EDM으로 가져갔습니다."

—선임 편집자 Patrick Waurzyniak

SME 저널 및 Manufacturing Letters 기술 논문

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

로봇 밀링에서의 채터 회피

논문 "CCT 기반 모드 커플링 채터 회피 로봇 밀링"에서 Georgia Institute of Technology(애틀랜타) George W. Woodruff 기계공학과 Lejun Cen과 Shreyes N. Melkote는 로봇 밀링에서 발생하는 채터 문제를 조사합니다. 이 논문은 Journal of Manufacturing Processes 29권에 게재되었으며, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035에서 확인할 수 있습니다.

현재 대형 항공우주 구조물은 대형 다축 CNC 가공 센터를 사용하여 가공됩니다. 이에 비해 다자유도(DOF) 관절형 로봇 팔을 사용한 밀링은 저비용과 다용도성으로 여러 이점이 있습니다. 그러나 관절형 로봇의 낮은 강성은 가공 중 심각한 저주파 모드 커플링 채터를 발생시킵니다.

이전 연구들은 평균 결과 절삭력 방향과 로봇 최대 주 강성 방향 사이의 각도를 최소화함으로써 그러한 채터를 억제할 수 있음을 보여주었습니다. 이 접근 방식은 허용 가능한 로봇 모션 범위를 제한하므로 사용 유연성을 제한합니다. 이 논문은 Conservative Congruence Transformation(CCT) 강성 모델을 사용하여 공구 이송 방향이나 공작물 방향을 변경하지 않고 로봇 밀링에서 모드 커플링 채터를 회피하는 새로운 방법을 제시합니다. 로봇 밀링 실험 결과 이 접근 방식을 사용할 때 모드 커플링 채터가 크게 감소하는 것으로 나타났습니다.

대형 항공기 부품 밀링은 일반적으로 매우 크고 비싼 CNC 가공 센터를 사용하여 일상적으로 수행되며, 이들은 매우 강하고 정확합니다. 이러한 공작기계는 공장 바닥에서 큰 작업 공간을 차지합니다. 반면, 다축 관절형 팔 기반 로봇 밀링 시스템은 대형 항공기 부품 가공을 위한 높은 유연성을 제공합니다. 이전 연구에 따르면, 산업용 CNC 가공 센터와 비교하여 로봇 밀링 시스템은 생산 작업 공간 요구사항을 40% 줄이면서 동시에 더 큰 유연성을 제공할 수 있습니다. 로봇 밀링은 위험한 환경에도 더 적합합니다. 그러나 관절형 팔 로봇의 실제 적용은 자재 취급, 조립, 용접, 디버링 등 저력 응용 분야로 제한되는 경우가 많습니다.

원자화 기반 절삭유로 Ti-6AL-4V 정삭 선삭

새로운 원자화 절삭유 분무 시스템이 티타늄 거친 선삭 개선 가능성을 보여주는데, 이는 "원자화 기반 절삭유(ACF) 분무 시스템을 이용한 Ti-6Al-4V 정삭 선삭" 논문에서 논의됩니다. 저자는 UIUC(일리노이주 어바나) 기계 과학 및 공학과 Chandra Nath와 Shiv G. Kapoor, University of Texas Rio Grande Valley(텍사스주 에딘버그) Anil K. Srivastava입니다. 이 논문은 Journal of Manufacturing Processes 28권에 게재되었으며, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020에서 확인할 수 있습니다.

제품 품질과 생산성은 제조 산업에서 중요한 요소이며, 특히 티타늄 같은 다루기 힘든 소재를 다룰 때 더욱 그렇습니다. 관련 금속 가공 유체 적용 시스템이 제공하는 냉각 및 윤활 효과는 특히 정삭 가공 시 이러한 요소를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 최근 ACF 분무 시스템은 매크로 스케일에서 티타늄 거친 선삭 중 유망한 냉각 및 윤활 효과를 보였지만, 정삭 가공(예: 절삭 깊이와 이송 속도 0.2mm 이하) 중에는 아직 검토되지 않았습니다.

이 논문은 Ti-6Al-4V 정삭 선삭 중 ACF 분무 시스템의 가공 성능에 미치는 영향을 연구하는 것을 목표로 합니다. 첫 번째 실험 세트에서 두 가지 분무 매개변수(가스 속도와 유량)와 절삭 매개변수(절삭 속도, 이송 속도, 절삭 깊이)를 변화시켜 ACF 분무 시스템 적용에 가장 적합한 조건을 선택합니다. 가공 출력은 코 마모, 절삭 온도, 표면 조도, 원형도 오차, 칩 형태, 부품 경도 측면에서 평가됩니다. 그런 다음 ACF 분무 시스템의 성능을 압축 공기(건식) 및 플러드 쿨런트 조건과 비교하기 위한 별도 실험 세트가 수행됩니다. 낮은 가스 속도에서 1.5mL/분(10% 부피)의 낮은 유체 유량에서도 분무 시스템이 다른 두 쿨런트 조건보다 우수한 성능을 보임이 밝혀져, 환경 친화적 제조 공정의 성능을 더욱 향상시킵니다.

희토류 자석 회수 모델링

논문 "공급 및 수요 불확실성 하에서 희토류 영구자석 회수를 위한 운전 및 재고 모델링"에서 Purdue University(인디애나주 웨스트 라파예트) 산업공학과 Hongyue Jin과 Yuehwern Yih, Purdue 환경생태공학과 John W. Sutherland는 모델링 시뮬레이션을 사용한 재고 전략 관련 요인들을 논의합니다.

희토류 영구자석(REPMs)은 재생 에너지 생산, 항공우주 및 방위 관련 제품 등 다양한 응용 분야에서 필수적인 역할을 합니다. 네오디뮴과 디스프로슘 같은 희토류 원소(REEs)가 REPMs에 사용되며, 이러한 REEs의 공급은 변동성을 겪어왔습니다. 이 위험을 완화하기 위해 컴퓨터 하드 디스크 드라이브(HDDs) 같은 수명 종료(EOL) 제품에서 REEs를 회수할 수 있습니다.

이 논문은 불확실한 시장 공급과 수요 역시 상당한 불확실성에 직면한 다양한 가치 하에서 수익성을 탐색하기 위한 운전 및 재고 관리 전략을 개발합니다. 이 논문은 Journal of Manufacturing Systems 2018년 1월호, Vol. 46에 게재되었으며, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437에서 확인할 수 있습니다.

TechFront는 선임 편집자 Patrick Waurzyniak가 편집합니다.