努力保持全球競爭力，美國制造業正在實施根本性的變化，都集中在設計和建造復雜，高度定制化，高品質的商品。全球需求意味著必須建立迅速，以滿足不斷變化的市場需求。制造商需要縮短產品開發周期，提高生產系統以及供應網絡的靈活性和速度。
美國制造業面臨的一個重大挑戰是能夠準確地預測一個特定的進程和工作材料的最佳加工參數。
美國國家標準與技術研究院（NIST）開發的先進的工藝計量方法和工具，以增加對現有的生產流程的科學認識。
研究目標
這項研究計劃目標是發展新的工業應用，這將加強美國的國際競爭力。
已經開發出多個制造過程的關鍵工藝，但 NIST 感覺需要采用通用的計量方法。
NIST已經一直在尋找共同的過程，包括更好地了解力，溫度，材料性能，特別是在工具接口轉換。
另一個重點是性能，摩擦和振動，在制造過程中是考慮如何減少工具的影響。
這些變化，要求人類在科學為基礎進行建模，決策。 NIST的計劃正在制定的基本測量標準和工具，以幫助美國制造商實現這種轉變。
分離式霍普金森桿
作為研究NIST的一部分，其已開發精密工程分離式霍普金森桿 - 和快速加熱能力相結合。該設備已被發達國家提供的材料屬性的信息，以提高加工過程的有限元建模。
NIST 分離式霍普金森桿采用兩根 1.5 米長，直徑 15 mm的高強度鋼桿,其安裝在軸承上，以便存在其他方向的彎矩時，可以軸向滑動。這些稱之為事件桿和傳輸桿。另外，還有第三個桿–稱之為撞擊桿–采用同質鋼制成。但其長度更短。
圓柱形試樣被固定在兩個桿之間，并精確對中。以消除徑向影響。這樣就可以采用一維波理論。一個空氣槍對著撞擊桿，以不同速度開火。
撞擊桿發送一個沖擊波通過事件桿傳輸到試樣上。當壓力波到達試樣時, 在桿和試樣之間的沖擊差異將輸入波分裂成兩個部分。
第一部分是沿著事件桿反饋的拉伸波。第二部分是作為壓縮波 - 快速并且永久地–使試樣產生塑性變形。然后壓縮波傳輸到傳輸桿上。 NIST 分列式霍普金森桿只會對試樣產生塑性變形。
NIST 分裂式霍普金森桿促進美國制造業對基于科學建模，決策，生產的轉化。
脈沖加熱
另外，NIST 設備配有可控的電阻加熱系統，從另一方面了解測試樣品的度量衡特性。加熱系統原本開發用于測量金屬在高溫情況下的物理特性。
NIST 分列式霍普金森桿可以在一秒鐘加熱試樣達到 1,000ºC，并在切斷電流后維持數秒鐘。這種結合了預加熱系統的 NIST 霍普金森桿能夠使研究者了解加熱速率和時間對試樣產生的影響。因此高速加工方式可以被模擬。
盡管脈沖加熱速率較目前高速機加工過程慢，但其比其他傳統方法來得更為迅速。這樣可以使應力測量更加高效，更少的時間了解很多微觀結構，如退火，晶體生成和固態相變等。
數據采集的重要性
對于 NIST 分列式霍普金森桿來說，高性能的數據采集設備和數據分析對于其來說是至關重要的。同時也為開發先進的度量衡方法和工具具有非常重要的意義。
一般來說，對于單種材料需要進行 5到 10次測試。此外，測試時破壞性的，樣品非常薄，在測試中會產生永久變形。
在設計中，系統設置了很多常量，確保所有相關的數據能夠被正確地采集并進行分析。因為在測試中時間間隔只有幾毫秒。
解決方案:Genesis HighSpeed
高速攝像機用作試驗一部分，以確保涉及 HBM Genesis HighSpeed 數據采集的視覺信息被記錄。為滿足所有需求, NIST 開發了軟件系統稱之為分列式霍普金森桿數據處理和分布系統 (PADS)。
HBM Genesis HighSpeed 數據采集設備提供分列式霍普金森桿到 PADS. HBM 能夠滿足 NIST 需求因為Genesis HighSpeed 是一個非常結實的 DAQ 系統能夠采集在測試中關鍵三個點的數據
最初的壓向沖擊,
反射壓力波
和隨之產生的拉伸波
在非常短的時間范圍內。HBM能夠為客戶提供從傳感器，應變片到數據采集的完整解決方案。
HBM’s Genesis HighSpeed 特點是其可以在非常低的電壓情況下精確記錄，因為其采用了高速 A/D 轉換板。對于只有數毫秒的信號，數據采集系統需要非常高的頻率響應。一般來說，對于應變片數據采集系統需要 2 MHz 采集，而對于加熱數據需要100kHz。
應變片是用于測量 NIST 分列式霍普金森桿的標準技術。通常，兩個應變片對稱黏貼在桿的表面。應變片安裝在事件桿和傳輸桿的中點，采用一維波理論分析可以獲取樣品的對于應變響應。上游應變片有雙重目的，其測量材料的應變和反射應變。下游應變片記錄傳輸應變。
數據采集更容易
傳統上，工程師采用靜態，腳本語言，如 Fortran 或 Matlab 進行測量。但是Genesis HighSpeed 和 HBM 相關軟件具有非常優秀的圖形化界面，操作更容易。
同時，工程師需要進行測試和分析數據獲取有意義的數據。但是, HBM 提供一個數據庫存儲原始數據，并實時處理。采用 Genesis HighSpeed 設備，意味著數據可以通過網絡或通過獨立計算機都可以完成。
一個有用的案例是Data PADS, 交互性重新計算應力/應變關系和其他數據曲線，并存儲原始數據，描述應變數據如何被處理。NIST 開發的 PADS 包括一個存儲高速視頻的數據庫, 熱敏相機視頻, 高速發射數據，以及技術文檔和相關信息。并且軟件可以有多個用戶，用于不同的測試任務，并采用不同的配置。
除了一維數據，例如標定常數和測試條件, NIST 分列式霍普金森桿產生多種二維數據，例如，電流，溫度，發射和應變數據 vs. 時間。三維數據例如熱圖像和可見光圖像 vs 時間。
結論
采用 NIST 分裂式霍普金森桿已經開始模擬切削過程，如切削形成，極端壓力和溫度條件下道具和工件之間的相互作用。在產生大的塑性變形，大應變等地方，具有非常重要的意義。
一些材料，高速切割過程中，接近融化點。建模和仿真已經取得了明顯的進展。 NIST 分離式霍普金森桿可以明顯地提高材料特性，提高精度和可靠性以及模擬設備加工過程。
