Enfoque práctico de la UNCC para la investigación de fabricación

A partir de este mes, TechFront tiene un nuevo formato que destaca los programas de investigación de fabricación en universidades clave, seguido de resúmenes de investigaciones recientes en el Journal of Manufacturing Systems de SME. , Revista de Procesos de Manufactura y Cartas de fabricación , todos publicados por Elsevier Ltd.

El enfoque universitario de este mes está en la Universidad de Carolina del Norte Charlotte (UNCC). Ingeniería de Manufactura entrevistó a los profesores de UNCC Tony L. Schmitz y Chris Evans sobre el alcance de los programas de investigación y educación de manufactura de pregrado y posgrado de UNCC.

En UNCC, el énfasis está en que los estudiantes adquieran experiencia práctica en el taller en la fabricación de pregrado y posgrado. Ubicada en la ciudad de Charlotte, en el corazón del país de NASCAR, la Facultad de Ingeniería William States Lee de la universidad urbana incluye la investigación del Centro de Metrología de Precisión, el Centro de Óptica de Forma Libre y el Laboratorio de Soluciones de Gran Manufactura de Siemens en la Producción de Energía. e Infraestructura (EPIC).

“El Centro de Metrología de Precisión es el centro de investigación más antiguo aquí en el campus”, dijo Chris Evans, profesor de ingeniería mecánica y director del Centro de Metrología de Precisión (ver https://cpm.uncc.edu/). “Apoyamos la educación, tanto de posgrado como de pregrado, pero particularmente la educación de posgrado donde durante un ciclo de dos años tenemos alrededor de 15 clases en aspectos de metrología, fabricación y diseño de máquinas de precisión. Todos son impartidos por profesores de ingeniería mecánica o ingeniería de ciencias ópticas, porque los centros son multidisciplinarios”.

Con un laboratorio de metrología dimensional de última generación, con equipos de proveedores que incluyen a Hexagon Metrology, el Centro de Metrología de Precisión apoya la investigación del profesorado en metrología y fabricación. “Creo que tenemos la mejor instalación de metrología de cualquier universidad en los EE. UU.”, afirmó Evans. Además de su enfoque interdisciplinario, UNCC colabora con la industria y tiene un programa de afiliados industriales que incluye empresas como Caterpillar, Cummins e Intel.

“Los miembros [afiliados] vienen al campus para ver presentaciones de estudiantes que están realizando programas de desarrollo de investigación competitivos e impulsados ​​por la industria seleccionados por los propios afiliados”, agregó Evans, “así que básicamente las tarifas que pagan para ser miembros financian a los estudiantes. Es un excelente programa de divulgación, en términos de hacer que nuestros estudiantes sean visibles para posibles empleadores”.

Planta de producción, enfoque colaborativo

La capacitación práctica es un enfoque clave en la UNCC. “Soy orgullosamente del tipo de persona con las uñas sucias”, dijo Evans. "Cada uno de nuestros estudiantes universitarios de ingeniería mecánica en su segundo año debe tomar una clase de sistemas de fabricación que implica tanto su primera exposición al diseño como la entrada al taller".

Esta experiencia les muestra a los estudiantes universitarios de la UNCC cómo operar máquinas herramienta manuales y requiere que construyan un conjunto de impresiones totalmente toleradas con GD&T para un motor neumático de un solo cilindro sin sello que debe funcionar para aprobar el curso, Evans dijo. “Aprenden temprano en su carrera que tienen que ensuciarse las manos y hacer cosas reales, no solo simulaciones”, agregó. “Aprenden el significado de las tolerancias”.

El campus de la UNCC de 29 000 estudiantes tiene más de 1000 estudiantes en el programa de ingeniería mecánica, que está creciendo alrededor de un 8 % al año, dijo Evans.

En el Laboratorio de Soluciones de Gran Manufactura de Siemens Energy de UNCC, dirigido por el profesor John Ziegert, se realizan investigaciones sobre equipos de metrología adquiridos con una subvención de $ 2 millones de Siemens Energy. Ubicada en la unidad EPIC, la pieza central del laboratorio es una CMM Leitz PMM-F 30-20-16 que puede aceptar componentes grandes y pesados ​​con geometría muy compleja y medir rápidamente cada dimensión, ángulo y radio con una precisión de unos pocos micrómetros. El CMM fue donado por Hexagon, un socio activo en el laboratorio de Siemens, y está alojado en una cámara ambiental de diseño personalizado que controla las temperaturas a 20 ±0,5 °C. Además, el laboratorio cuenta con tres láser trackers y acceso a una CMM de brazo articulado.

Brindar experiencia práctica, junto con la exposición a líderes industriales clave, es rentable para los estudiantes que asisten a los programas de fabricación de UNCC. "Por lo general, tienen más de una oferta, en particular nuestros estudiantes nacionales", dijo Tony Schmitz, FSME, presidente asociado de la UNCC para programas de posgrado y profesor de ingeniería mecánica y ciencias de la ingeniería.

Otras ventajas radican en la amplia colaboración de la universidad con otras instituciones de investigación de fabricación. El Centro de Óptica de Forma Libre (https://centerfreeformoptics.org/) es una colaboración entre la UNCC y la Universidad de Rochester. UNCC también trabaja en una colaboración estatal para el avance de la ciencia de la fabricación aditiva de metales con la Universidad Estatal de Carolina del Norte (Raleigh) y otra sobre pulvimetalurgia con la Universidad de Carolina del Norte en Greensboro.

“Una cosa que me gusta de estar en Charlotte es que hay colaboración en el aire. No somos competitivos internamente”, dijo Evans. Eso es importante, agregó Schmitz. “Muchos miembros de la facultad de este departamento han estado en la facultad de otras universidades y han tenido otras experiencias, en laboratorios nacionales y demás”, dijo Schmitz. “En todas mis experiencias, este es el ambiente más colegiado para una organización de investigación que he observado. Me gusta decir:'Tenemos adultos trabajando aquí'".

Investigación de vanguardia

Los investigadores de la facultad de UNCC están involucrados en programas de investigación de fabricación en curso, incluido el trabajo en el Centro de Óptica de Forma Libre en procesos de fabricación para estas ópticas basadas en herramientas de diamante monocristalino y mecanizado de ultraprecisión. Otro esfuerzo está encabezado por el profesor de la UNCC Gert Goch, un experto en fabricación de engranajes y metrología de fabricación de engranajes, cuyo grupo desarrolló recientemente una forma de utilizar la descripción de área de los dientes de engranajes en la investigación de metrología.

En SOUTH-TEC 2017 en Greenville, Carolina del Sur, Schmitz ofreció a los asistentes una mirada futurista al potencial de la fabricación. Repitió su charla SME NAMRC-45, basada en su investigación ganadora del premio Blue Sky Competition que se centró en encontrar futuras aplicaciones de fabricación dentro de los procesos biológicos que se encuentran en la naturaleza. La charla de Schmitz, titulada "Fabricación biomimética", mostró cómo los sistemas biológicos pueden dar pistas para posibles futuras innovaciones en la fabricación. Su trabajo, ganador del premio NAMRI/SME Dornfeld Manufacturing Vision Award inaugural, que lleva el nombre del difunto profesor David Dornfeld de la Universidad de California, Berkeley, presentó una visión fascinante de lo que los futuros investigadores de la fabricación pueden proponer si pueden "considerar lo escandaloso" con mentes abiertas.

“Necesitamos asumir nuevos desafíos y enfoques”, dijo Schmitz sobre el Concurso SME Blue Sky. “Hay un gran riesgo/recompensa”. La explicación de Schmitz sobre la fabricación biomimética describió cómo mirar de cerca los árboles, los brotes de soja, las termitas, los dientes de castor e incluso el virus Zika puede dar pistas a los futuristas para desarrollar nuevos enfoques de fabricación.

Al examinar los dientes de castor, por ejemplo, Schmitz dijo que los incisivos autoafilables eventualmente crecerían demasiado para la boca del castor si dejaba de masticar constantemente. Entre las preguntas de Schmitz estaban:“¿Podemos aprovechar la geometría? ¿Se podría diseñar una herramienta de corte que evolucione para adaptarse, en lugar de minimizar el desgaste? En lugar de una nueva tecnología de materiales de revestimiento, ¿podrían 'crecer' nuevos diseños a un ritmo adecuado? … Hay muchas posibilidades de investigación en una intersección entre la fabricación y la biología”.

—Editor sénior Patrick Waurzyniak

Documentos técnicos de revistas de SME y cartas de fabricación

Estos resúmenes, extractos y enlaces web son de artículos recientes publicados en SME Journal of Manufacturing Systems , Revista de Procesos de Manufactura y Cartas de fabricación , impresos por Elsevier Ltd. (www.elsevier.com) y utilizados aquí con autorización.

Unión de láminas de aluminio con magnesio fundido

En su artículo, "Unión de láminas de aluminio AA6061-T4 para moldear magnesio AM60B mediante vaporización de soldadura de actuador de lámina:energía de entrada, interfaz y resistencia", los autores Bert Liu, Anupam Vivek y Glenn S. Daehn, del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad Estatal de Ohio (Columbus), examinó técnicas para soldar con éxito aluminio para fundir magnesio para ayudar a los fabricantes de automóviles en su búsqueda de plataformas automotrices cada vez más livianas que logren una mayor eficiencia de combustible. El artículo, que aparece en el Journal of Manufacturing Processes , vol. 30 de diciembre de 2017, está disponible en http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S152661251730261X#!.

La unión diferente de láminas de aluminio AA6061-T4 a magnesio fundido AM60B se logró mediante soldadura de actuador de lámina vaporizada (VFAW). Se utilizaron tres niveles de energía de entrada (6, 8 y 10 kJ) y, como tendencia, las energías de entrada más altas dieron como resultado velocidades de vuelo progresivamente más altas, características onduladas interfaciales más pronunciadas, zonas de soldadura más grandes, mayores fuerzas de pelado y energías de pelado más altas. En todos los casos, la sección transversal de la soldadura reveló una interfaz sólidamente adherida caracterizada por características onduladas bien desarrolladas y falta de vacíos y capas continuas de compuestos intermetálicos (IMC). Con una energía de entrada de 10 kJ, se obtuvo una velocidad de vuelo de 820 m/s, una fuerza de pelado de 22,4 N/mm y una energía de pelado de 5,2 J.

En el cizallamiento de solape, se produjo una falla en el volante AA6061-T4 al 97 % de la carga de tracción máxima del material base. Las muestras de desprendimiento fallaron a lo largo de la interfaz de soldadura, y el lado AM60B de la superficie de fractura mostró líneas delgadas y uniformemente espaciadas de residuos de Al que habían sido arrancados de la base AA6061-T4 de manera dúctil y transferidos al lado AM60B. lo que indica una unión AA6061-T4/AM60B muy fuerte en estas áreas. Este trabajo demuestra la capacidad de VFAW para unir metales livianos disímiles como Al/Mg.

Modelado de geometría de superficie desgastada para reparación de álabes de motor

En el Volumen 15 de Manufacturing Letters para enero de 2018, los autores Xinchang Zhang, Wei Li y Frank Liou del Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Missouri (Rolla, MO), escriben sobre el uso de modelos para ayudar a reparar las palas dañadas del motor de turbina mediante la deposición directa de metal. Su artículo, "Modelado de la geometría de la superficie desgastada para la reparación de las palas del motor mediante el proceso de deposición directa de metal asistido por láser", está disponible en http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221384631730072X.

La reparación de los álabes del motor requiere obtener el área desgastada y generar la trayectoria correspondiente para la deposición. En este documento, se propuso un método automatizado de modelado de superficies desgastadas para recuperar el volumen faltante de palas dañadas. Se utilizó ingeniería inversa para reconstruir modelos de palas. El modelo dañado reconstruido se ajustaba mejor al modelo nominal. Se utilizó el método de comparación del área de la sección transversal para detectar las capas dañadas. Se adoptó el método de proyección de rayos para intersectar las capas dañadas y extraer el volumen faltante. Se generó la trayectoria y se realizó el experimento de reparación mediante deposición directa de metal asistida por láser para validar el método propuesto.

Dos enfoques para el mecanizado de nervios finos

En "Soluciones analíticas para la dinámica de vigas libres fijas en el mecanizado de nervios delgados", los autores Tony L. Schmitz y Andrew Honeycutt del Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Ingeniería de UNC Charlotte presentan dos enfoques analíticos diferentes para predecir vigas libres fijas de nervios delgados. Dinámica con diferentes geometrías. Este Revista de Procesos de Manufactura , volumen 30, artículo de diciembre de 2017 disponible en http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517302554?via%3Dihub.

El primer enfoque utiliza el método de Rayleigh para determinar la masa efectiva para el modo de flexión fundamental de las vigas de espesor escalonado y el teorema de Castigliano para calcular la rigidez tanto en el extremo libre de la viga como en el cambio de espesor. El segundo método utiliza el análisis de subestructura de acoplamiento de receptancia (RCSA) para predecir las receptancias del haz (o funciones de respuesta de frecuencia) en las mismas dos ubicaciones mediante la conexión rígida de las receptancias que describen las secciones individuales del haz escalonado, donde las receptancias se derivan del modelo de haz de Timoshenko.

Se completan comparaciones con cálculos de elementos finitos para verificar las dos técnicas. Se observa que las predicciones de RCSA concuerdan más estrechamente con los resultados de elementos finitos. También se realizan experimentos en los que el grosor de la viga escalonada se cambia mediante varias pasadas de mecanizado y se realizan mediciones de receptancia entre pasadas. Las predicciones de RCSA se comparan con los resultados experimentales para la frecuencia natural y la rigidez. Se informa acuerdo en la frecuencia natural dentro de un pequeño porcentaje.

Los principios Lean aceleran el proceso de suministro de plutonio

En su artículo, "Aplicación de principios de fabricación ajustada para mejorar un proceso de suministro de plutonio 238 (Pu238) conceptual", los autores Tomcy Thomas, Steven R. Sherman y Rapinder S. Sawhney del Departamento de Ingeniería Industrial y de Sistemas de la Universidad de Tennessee ( Knoxville) y el Grupo de Ingeniería y Ciencia Radioquímica, División de Tecnología de Isótopos y Seguridad Nuclear, Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL; Oak Ridge, TN), describen cómo los procesos lean pueden acelerar el proceso de suministro de Pu238. El artículo aparece en el volumen 46 de enero de 2018 del Journal of Manufacturing Systems. y está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301413.

El Proyecto de suministro de Pu-238 del Departamento de Energía de EE. UU. tiene como objetivo reconstruir la capacidad de EE. UU. para producir Pu238 en la escala de kilogramos. Este radioisótopo es utilizado por la NASA para impulsar sondas del espacio profundo, y el suministro está disminuyendo. Se produjo por última vez en los EE. UU. en 1988. Se describe un diseño conceptual de un proceso de suministro de Pu238 utilizando procesos e instalaciones existentes en el Centro de Desarrollo de Ingeniería Radioquímica de ORNL.

La sección de limitación de la tasa del proceso conceptual se analizó utilizando una simulación de sistema de eventos discretos para determinar las tasas de producción esperadas, los cuellos de botella y los efectos de los retrasos en la tasa de producción. Se generaron alternativas de proceso con base en los principios de manufactura esbelta, y se examinaron y compararon con el proceso original usando simulación para identificar mejores estrategias operativas.

TechFront está editado por el editor sénior Patrick Waurzyniak.