El histórico programa de ingeniería de la UIUC aborda problemas de fabricación difíciles

La Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL) tiene una larga y distinguida historia y tradición en ciencias mecánicas e ingeniería aplicada, y la universidad pronto celebrará la apertura de una expansión multimillonaria planeada desde hace mucho tiempo. a su edificio de Ingeniería y Ciencias Mecánicas (MechSE).

La UIUC ha sido el hogar de muchos ex alumnos notables que se destacaron como empresarios, creando empresas como Netscape, Advanced Micro Devices, PayPal, Oracle, Lotus Software, YouTube y Tesla Motors, por nombrar algunas.

Como parte de la remodelación, el programa Transform MEB (Edificio de Ingeniería Mecánica) de la UIUC incluye una donación de $12 millones del ex alumno Sidney Lu (BSME '81), presidente y director ejecutivo del fabricante de computadoras y teléfonos inteligentes Foxconn Interconnect (Taiwán), que fabrica iPads de Apple y iPhones.

La adición del ala este se conocerá como el Centro Lu para el Aprendizaje y la Innovación. Este proyecto incluye una adición de cinco pisos al este de la MEB, una adición de un solo piso al norte y 66 000 ft² (20 117 m²) de espacio existente reimaginado, rediseñado y optimizado para la educación, la innovación y la comunidad, según UIUC.

Además de la expansión, en octubre de 2017, UIUC MechSE anunció que la National Science Foundation otorgó a la universidad un Centro de Investigación de Ciencias e Ingeniería de Materiales (MRSEC), con el centro respaldado por una subvención de $ 15,6 millones por seis años que se enfoca en nuevos nanomateriales. Este anuncio siguió a que la NSF otorgó a la UIUC $18,5 millones para un nuevo Centro de Investigación de Ingeniería de la NSF dirigido por el profesor de MechSE Andrew Alleyne. Ese centro, llamado Power Optimization for Electro-Thermal Systems (POETS), se enfoca en los desafíos térmicos y eléctricos que rodean la electrónica móvil y el diseño de vehículos como un solo sistema.

“Queremos aumentar la densidad de potencia total en los vehículos de 10 a 100 veces. Eso se traduciría en miles de millones de litros de combustible ahorrados y casi el doble de la autonomía de un coche eléctrico”, dijo Alleyne, profesor de Ralph &Catherine Fisher en MechSE, en un comunicado. “Las tecnologías eléctricas de hoy están en su límite térmico. Un enfoque de sistemas es la única forma en que iremos más allá del estado actual del arte”.

En una discusión reciente con Ingeniería de Manufactura, Placid Matthew Ferreira, profesor de Tungchao Julia Lu y exjefe del departamento de MechSE de la UIUC, y Shiv Gopal Kapoor, presidente de Grayce Wicall Gauthier y profesor de ciencia mecánica e ingeniería, describieron el amplio alcance de la investigación en el departamento.

“Nos llamamos MechSE, de Ciencias e Ingeniería Mecánica, porque hace algún tiempo se unieron el departamento de ingeniería mecánica y el departamento de mecánica teórica y aplicada”, dijo Ferreira. “El departamento abarca las ciencias mecánicas y la ingeniería mecánica, desde lo más fundamental, la base teórica de la ingeniería mecánica, como la mecánica, los fenómenos de transporte, la mecánica de sólidos, la mecánica de fluidos, la teoría de control, la cinemática y la dinámica, hasta áreas más aplicadas, como los motores IC. , mecatrónica, aire acondicionado y refrigeración, robótica, procesos de fabricación, sistemas de fabricación, biomecánica y comportamiento de materiales.

“Es un grupo muy amplio, y en este ecosistema de ciencias mecánicas e ingeniería, la fabricación juega un papel bastante importante, tanto desde los aspectos de los procesos de fabricación como de los sistemas de fabricación”, continuó Ferreira. “Aprovechamos la experiencia teórica dentro del departamento en cosas como mecánica sólida, procesos de solidificación en términos de dinámica y controles. Llevamos esas cosas a procesos de modelado o fabricación, diseño de máquinas herramienta y control de procesos de fabricación. Incluso entramos en la fabricación en la nube. Tomamos los aspectos de las ciencias computacionales y nos adentramos en la simulación de los procesos de fabricación”.

Este enfoque amplio aprovecha la experiencia del departamento, que abarca varias disciplinas de fabricación, como la dinámica de fluidos computacional para el modelado y la simulación de procesos, agregó Ferreira. “[Esto nos ayuda] a comprender el comportamiento del material cuando observamos el proceso de mecanizado, por ejemplo, y también hacia dónde nos dirigimos en estas áreas en la nube de sistemas de fabricación; lo llamamos sistemas cibernéticos”.

Avances en la fabricación ciberfísica y en la nube

Con la historia de investigación informática y recursos de simulación de la UIUC, el departamento puede aprovechar la disponibilidad de la potencia de las supercomputadoras, ubicadas tanto en el campus universitario como en otros lugares de los EE. UU. La universidad alberga el Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación (NCSA), que creó Mosaic, el primer navegador web gráfico.

“Cuando uno viene a Illinois, se da cuenta de que con su historia, ha tenido una contribución muy larga a la fabricación por parte de investigadores que realizaron los primeros análisis de aspectos térmicos en el mecanizado”, dijo Kapoor, destacando la importancia de tales experimentos en herramientas de corte y en la ciencia térmica del proceso de mecanizado. Kapoor, editor en jefe del Journal of Manufacturing Processes , Ferreira y otros profesores de la Universidad Northwestern (Evanston, IL) tienen tres proyectos en curso con el Instituto de Innovación de Diseño y Fabricación Digital (DMDII; Chicago) en los Laboratorios UI.

“En un proyecto, estamos desarrollando lo que se conoce como un sistema operativo para la fabricación ciberfísica”, dijo Ferreira. “En otro proyecto, estamos trabajando con Caterpillar y Missouri Science and Technology para reducir la variabilidad de los procesos de mecanizado. Y luego, en un tercer proyecto, estamos desarrollando un marco para la cuantificación de la incertidumbre y la reducción de la incertidumbre en los procesos de fundición a presión”.

En el caso del proyecto del sistema operativo ciberfísico, Ferreira dijo que el grupo lleva apenas un año de investigación, pero sus líderes han comenzado a pedir a otros que traigan sus máquinas herramienta para trabajar con el sistema operativo.

Colaborar con la industria vale la pena inmensamente en el avance de la investigación y la introducción de nuevas tecnologías en el mercado. “Estamos trabajando con socios industriales, como Caterpillar y otros, en muchos niveles”, dijo Ferreira, citando las principales contribuciones de investigadores anteriores de la UIUC, como B.T. Chao, Kenneth Trigger, Klaus J. Weinmann, Subbiah Ramalingam y, más recientemente, Shiv Kapoor. “Crearon cosas que se usaban ampliamente en la industria, modelos tangibles de procesos de maquinado que la industria podría aplicar y usar e intentar averiguar qué fuerzas esperar durante el maquinado y cómo los diferentes errores se expondrían a través de la mecánica del proceso hasta el acabado de la superficie. ”

Gran parte de la investigación universitaria comenzó con la resolución de problemas encontrados por proveedores automotrices y OEM. “Comenzamos a trabajar con Ford, GM y sus proveedores”, dijo. "También tenemos a Caterpillar, John Deere y luego a los fabricantes de máquinas herramienta, que desde muy temprano trabajaron con Ingersoll, la empresa de fresadoras, DMG Mori y otros".

Durante unos 12 años, el departamento de UIUC también dirigió un centro centrado en los sistemas de mecanizado y máquinas herramienta. Ferreira fue director del Centro de Ingeniería y Ciencia a Nanoescala NSF de Sistemas de Fabricación Químicos, Eléctricos y Mecánicos a Nanoescala (Nano-CEMMS), de 2003 a 2010, y actualmente es afiliado del Laboratorio de Micro-Nanotecnología de la UIUC.

“Pasamos de ahí a la era de la fabricación micro y nano, donde Illinois ha sido líder”, dijo Ferreira. "Teníamos un centro bastante grande que específicamente se dispuso a definir toda la fabricación a nanoescala, y reducimos muchos procesos a micromecanizado, microformado y microerosión por electroerosión".

—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.

Evitación de vibraciones en el fresado robótico

En su artículo, "Evitación de vibración de acoplamiento de modo basado en CCT en fresado robótico", Lejun Cen y Shreyes N. Melkote de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff, Instituto de Tecnología de Georgia (Atlanta), examinan problemas con la vibración generada por robótica. molienda. Su artículo, que se publica en el Volumen 29 del Journal of Manufacturing Processes , está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517301573#fig0035.

Actualmente, las grandes estructuras aeroespaciales se mecanizan utilizando grandes centros de mecanizado CNC multieje. En comparación, el fresado con un brazo robótico articulado de múltiples grados de libertad (DOF) tiene varias ventajas debido a su menor costo y versatilidad. Sin embargo, la baja rigidez de un robot de brazo articulado da lugar a vibraciones de acoplamiento de modo de baja frecuencia severas durante el mecanizado.

Estudios anteriores han demostrado que dicha vibración se puede suprimir minimizando el ángulo entre la dirección de la fuerza de corte resultante promedio y la dirección de máxima rigidez principal del robot. Este enfoque limita el rango de movimiento permisible del robot y, por lo tanto, su flexibilidad de uso. Este artículo presenta un nuevo método para evitar la vibración del acoplamiento de modo en el fresado robótico utilizando el modelo de rigidez de transformación de congruencia conservadora (CCT), que no requiere cambiar la dirección de avance de la herramienta ni la orientación de la pieza de trabajo. Los experimentos de fresado robótico muestran que la vibración del acoplamiento de modos se reduce significativamente cuando se utiliza este enfoque.

El fresado de piezas de aeronaves grandes se realiza de manera rutinaria utilizando centros de mecanizado CNC grandes y costosos que son muy rígidos y precisos. Estas máquinas herramienta suelen ocupar un gran espacio de trabajo en la planta de producción. Por el contrario, un sistema de fresado robótico basado en un brazo articulado de varios ejes ofrece un alto grado de flexibilidad para el mecanizado de piezas de aviones grandes. El trabajo anterior ha demostrado que, en comparación con los centros de mecanizado CNC industriales, los sistemas de fresado robótico pueden reducir los requisitos de espacio de trabajo de producción en un 40 % y, al mismo tiempo, proporcionar una mayor flexibilidad. El fresado robótico también es más adecuado en entornos peligrosos. Sin embargo, las aplicaciones prácticas de los robots de brazo articulado a menudo se limitan a aplicaciones de baja fuerza, como manejo de materiales, ensamblaje, soldadura y desbarbado.

Acabado de torneado Ti-6AL-4V con fluido de corte basado en atomización

Los nuevos sistemas de rociado de fluido de corte por atomización tienen potencial para mejorar el torneado en desbaste de titanio, que se analiza en el documento, "Torneado de acabado de Ti-6Al-4V con el sistema de rociado de fluido de corte basado en atomización (ACF)", por los autores Chandra Nath y Shiv G. Kapoor del Departamento de Ingeniería y Ciencias Mecánicas de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC; Urbana, IL) y Anil K. Srivastava de la Universidad de Texas Rio Grande Valley (Edinburg, TX). El artículo, publicado en el Volumen 28 del Journal of Manufacturing Processes , está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612517300853#fig0020.

La calidad del producto y la productividad son factores importantes en las industrias manufactureras, especialmente cuando se trata de materiales engorrosos como el titanio. Los efectos de enfriamiento y lubricación que ofrece el sistema de aplicación de fluido para trabajo de metales asociado juegan un papel vital en la determinación de estos factores, especialmente durante el corte de acabado. Recientemente, el sistema de rociado ACF ha mostrado efectos prometedores de enfriamiento y lubricación durante el torneado en desbaste de titanio a escala macro, pero aún debe examinarse durante el corte de acabado (p. ej., profundidad de corte y velocidad de avance de 0,2 mm o menos).

Este artículo tiene como objetivo estudiar el efecto del sistema de pulverización ACF en el rendimiento del mecanizado durante el torneado de acabado de Ti-6Al-4V. En el primer conjunto de experimentos, se varían dos parámetros de pulverización (a saber, velocidad del gas y caudal) y parámetros de corte (a saber, velocidad de corte, velocidad de avance y profundidad de corte) para seleccionar la condición más adecuada para la aplicación del Sistema de pulverización ACF. Los resultados del mecanizado se evalúan en términos de desgaste de la punta, temperatura de corte, rugosidad de la superficie, error de redondez, morfología de la viruta y dureza de la pieza. Luego se realiza un conjunto separado de experimentos para comparar el rendimiento del sistema de rociado ACF contra las condiciones de aire comprimido (seco) y refrigerante de inundación. Se encontró que, incluso a una tasa de flujo de fluido más baja de 1,5 ml/min (10 % del volumen) a una velocidad de gas más baja, el sistema de rociado supera las otras dos condiciones de refrigerante, mejorando así aún más el rendimiento de un proceso de fabricación respetuoso con el medio ambiente. .

Modelado de recuperación de imanes de tierras raras

En su artículo, "Modelado de operación e inventario para la recuperación de imanes permanentes de tierras raras bajo incertidumbres de oferta y demanda", los autores Hongyue Jin y Yuehwern Yih, de Ingeniería Industrial, Universidad de Purdue (West Lafayette, IN), y John W. Sutherland de Environmental and Ingeniería ecológica en Purdue, discuta los factores que involucran estrategias de inventario utilizando simulaciones de modelos.

Los imanes permanentes de tierras raras (REPM) desempeñan un papel esencial en diversas aplicaciones, como la producción de energía renovable y los productos relacionados con la industria aeroespacial y de defensa. Los elementos de tierras raras (REE) como el neodimio y el disprosio se utilizan en REPM, y el suministro de estos REE ha experimentado volatilidad. Para mitigar este riesgo, los REE pueden recuperarse de productos al final de su vida útil (EOL), como unidades de disco duro (HDD) de computadoras.

Este artículo desarrolla una estrategia de gestión de operaciones e inventarios para explorar la rentabilidad en un mercado con oferta incierta y con valores variables cuya demanda también enfrenta incertidumbres significativas. El documento aparece en la edición de enero de 2018, vol. 46, del Journal of Manufacturing Systems y está disponible en https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0278612517301437.

TechFront está editado por el editor sénior Patrick Waurzyniak.